Звукосниматели
|       Автор: Гельмут Лемме       Перевод: Владимир Корниенко       Дата публикации: 28 ноября 2002 г. |
Если вам нужна компетентная и глубокая информация о звукоснимателях — обратитесь к немецкому эксперту в области гитарной электроники Гельмуту Лемме. Он написал книгу о гитарной электронике, и в этой статье поделится с нами кое-какими знаниями в этой области.
З вучание гитары и бас-гитары в большой степени зависит от звукоснимателей. Между музыкантами ведутся бесконечные дискуссии по поводу достоинств и недостатков тех или иных моделей, и тем, кто не разбирается в электронике, эта тема может показаться очень сложной. Однако, с точки зрения электрофизики устройство звукоснимателя вполне доступно для понимания, и в этой статье рассматривается связь между электрическими характеристиками и звучанием.
К сожалению, многие производители звукоснимателей приводят о своей продукции заведомо неверную информацию чтобы заработать побольше денег и доставить неприятности конкурентам. Поэтому многие данные потребуется откорректировать. Что до меня, то я не связан ни с какой компанией.
Существуют два основных вида звукоснимателей: магнитные и пьезоэлектрические. Последние работают со струнами любого типа (стальными, нейлоновыми или жильными). Магнитные звукосниматели работают только со струнами из стали и состоят из магнитов и катушек. Однокатушечные датчики чувствительны к магнитным полям, создаваемым трансформаторами, лампами дневного света и другими источниками помех, что приводит к возникновению посторонних шумов. В двухкатушечных датчиках (хамбакерах) используются две катушки, подключенные специально так, чтобы эти шумы сводить до минимума. Поскольку катушки электрически находятся в противофазе, то синфазные сигналы (те, которые наводятся в обеих катушках с одинаковой амплитудой) взаимовычитаются.
Расположение магнитов в датчиках бывает разным. В некоторых типах магниты в форме бруска или цилиндра вставлены прямо в катушку. В других типах магниты находятся под катушками, а в катушках находятся сердечники из мягкого железа. Во многих случаях эти сердечники имеют резьбу, благодаря чему можно компенсировать разницу в уровнях высоты струн. На некоторых датчиках имеются металлические крышки для экранировки и защиты катушек; на других имеется пластмассовое покрытие, которое не обеспечивает экранировки; а бывают и такие датчики, где провод защищён только изоляционной лентой.
Магнитное поле проходит через катушки и струны. Когда струны находятся в покое, поток магнитного поля, проходящего через катушки, постоянен. Когда струна колеблется, поток меняется, из-за чего в катушке создаётся напряжение. Колеблющаяся струна создаёт переменный ток, имеющий ту же частоту, с которой вибрирует струна, и напряжение пропорционально скорости колебания струны (а не амплитуде). Кроме того, напряжение зависит от толщины и проводниковых свойств струны, от магнитного поля и от расстояния между магнитным полюсом и струной.
На рынке существует столько звукоснимателей, что получить полный обзор крайне трудно. Помимо датчиков, которые поставляются с инструментами, существуют так называемые «сменные» датчики, часто производимые фирмами, которые специализируются только на датчиках, а не на гитарах. У каждого датчика есть свой звук: у одного он может быть пронизывающий, металлический, а у другого — тёплый, мягкий. Но, выражаясь корректно, у звукоснимателя нет звука, а есть только характеристика передачи. Датчики лишь снимают звуковой материал, получаемый от струн, и изменяют его каждый по своему. Например, установите один и тот же Gibson’oвский датчик на модели Les Paul и Super 400 CES — вы услышите абсолютно разный звук. Но даже самый лучший звукосниматель не сможет нам помочь, если у гитары плохой корпус и плохие струны. Основное правило: мусор на входе — мусор на выходе!
Сменные звукосниматели позволяют гитаристу получить новый звук, не покупая при этом новый инструмент (однако, конечно же, находясь в рамках свойств корпуса и струн). Различные датчики имеют также различное выходное напряжение. Модели с высоким напряжением позволяют легко перегружать усилитель, добиваясь искаженного звука, а модели с низким — дают звук более чистый. Выходное напряжение большинства звукоснимателей находится в пределах от 100 мВ до 1В эффективного значения.
В отличие от передатчиков с движущимися частями (микрофонов, динамиков и и т.д.), магнитные звукосниматели не имеют движущихся частей: направление магнитного поля изменяется, но оно не имеет массы. Поэтому оценить звукосниматель легче, чем оценить какой-либо другой передатчик. Хотя частотные характеристики практически всех существующих магнитных датчиков нелинейны (благодаря чему и существуют различные звучания), в них всё же не так много резких подъёмов и провалов, как, скажем, у динамика. Частотная характеристика звукоснимателя во многих случаях достаточно проста, чтоб описать её математической формулой.
ЗВУКОСНИМАТЕЛЬ КАК ЦЕПЬ
С точки зрения схемотехники, магнитный звукосниматель соответствует цепи, показанной на рис.1.
Катушку звукоснимателя можно описать как идеальную катушку с индуктивностью L в последовательном подключении к сопротивлению R и в параллельном подключении к конденсатору C. Самым важным качеством является индуктивность, которая зависит от количества витков, от магнитного материала катушки и её геометрии. Сопротивление и емкость не оказывают особого влияния и ими можно пренебречь. Когда струны колеблятся, в катушке возникает напряжение переменного тока. Поэтому датчик действует как источник переменного тока с электрическими компонентами (рис.2).
Внешняя нагрузка состоит из сопротивления (потенциометры громкости и тембра и любое сопротивление заземления на входе усилителя) и конденсатора (из-за ёмкости между проводником и экранирующей оплеткой в гитарном кабеле). Емкость кабеля играет немалую роль и ею нельзя пренебрегать. Эти пассивные компоненты образуют так называемый фильтр высоких частот второго порядка (рис.3).
Таким образом, как любой другой подобный фильтр, этот обладает частотой среза fg; на этой частоте амплитуда падает на 3дБ (то есть, вполовину). После fg происходит спад 12 дБ на октаву, а до fg звук не меняется никак. Спада на низких частотах не наблюдается, однако, немного ниже fg существует электрический резонанс между индукцией катушки и ёмкостью кабеля. На этой частоте, называемой fmax, наблюдается пик амплитуды. Пассивный фильтр ВЧ выступает здесь в роли усилителя напряжения (но не усилителя мощности, так как выходное сопротивление соответственно повышается). На рис.4 указан типичный контур частотной характеристики звукоснимателя.
Если мы знаем резонансную частоту и высоту резонансного пика, можно сказать, что нам известно 90% информации о передающих характеристиках датчика; эти два параметра являются своего рода ключом к «секрету» звука датчика (в рамках данной модели нельзя описать некоторые другие свойства, но их значение гораздо меньше).
Всё это означает, что обертоны в области резонансной частоты усиливаются, за этой частотой уменьшаются, а основная вибрация и обертоны до резонансной частоты воспроиводятся без изменений.
ВЛИЯНИЕ РЕЗОНАНСА НА ЗВУК
Р езонансная частота большинства существующих звукоснимателей при нормальном гитарном кабеле находится в пределах от 2000 до 5000 Гц. В этой области человеческое ухо имеет наибольшую чувствительность. Вкратце субъективное соотношение частоты и звука таково, что при резонансной частоте 2000 Гц звук тёплый и мягкий, при 3000 Гц — звонкий, на 4000 Гц — пронзительный, на 5000 Гц и выше — хрупкий и тонкий. Звук, конечно же, зависит и от высоты пика. Высокий пик даёт мощный, характерный звук; низкий пик даёт более слабый звук, особенно на цельнокорпусных гитарах, которые не имеют выраженного акустического резонанса. Высота пика на большинстве существующих датчиков находится в пределах от 1 до 4 (от 0 до 12 дБ), в зависимости от магнитного материала звукоснимателя, от сопротивления внешней нагрузки и от наличия металлической крышки (без крышки пик выше, что многим гитаристам нравится больше).
Резонансная частота зависит как от индуктивности L (в большинстве звукоснимателей — от 1 до 10 Генри), так и от ёмкости С. С — это сумма ёмкостей катушки (обычно около 80 — 200 пФ) и кабеля (около 500 — 1000 пФ). Поскольку разные кабели имеют разную ёмкость, понятно что резонансная частота будет меняться также в зависимости от кабеля, а вместе с ней и общий звук.
ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЗВУКОСНИМАТЕЛЯ
В отношении звукоснимателей существует три разных способа изменить звук гитары:
1. Поставить новые звукосниматели. Это самый распространённый, но и самый дорогой способ.
2. Изменить распайку катушек в существующем звукоснимателе. Это можно сделать практически со всеми хамбакерами. Обычно обе катушки подключены последовательно. Если подключить их параллельно, индукция снизится на четверть, а резонансная частота (при прочих равных) удвоится. Использование в хамбакере только одной катушки снизит индукцию вдвое, а резонансная частота увеличится на квадратный корень из двух (приблизительно 1,4). В обоих случаях звук станет более высоким. На многих хамбаккерах есть четыре выходных провода (по два на каждую катушку), чтобы можно было пробовать разные комбинации, не прибегая ко вскрытию звукоснимателя. На некоторых однокатушечных датчиках для обеспечения подобной гибкости настройки имеется ответвление от катушки.
3. Изменение внешней нагрузки. Этот метод, несмотря на дешевизну, может оказаться очень эффективным. Лишь немного потратившись на электродетали, можно регулировать звук в широких пределах. Стандартные регуляторы тембра снижают резонансную частоту благодаря параллельному подключению конденсатора к звукоснимателю (обычно используя для управления переменный резистор). Поэтому одним из способов изменения звука является замена обычного регулятора тембра поворотным переключателем, который подключает к датчику конденсаторы различной ёмкости (рекомендуется от 470 пФ до 10 нФ). Это даст гораздо большее разнообразие звуков, чем обычный регулятор тембра (рис. 5).
Кроме того, добавление дополнительного буферного усилителя может предотвратить воздействие на датчик ёмкости кабеля, обеспечивая более яркий и громкий звук.
В нижеприведённой таблице указаны электротехнические характеристики некоторых известных моделей звукоснимателей. Следует учитывать, что звукосниматели не являются точными устройствами, в особенности старые датчики (например, звукосниматели Fender и Gibson, выпущенные в 50-х годах), которые разнятся настолько, что два датчика одной и той же модели могут звучать по-разному. Поэтому значения резонансной частоты на таблице округлены до 100 Гц. Следует также обратить внимание на то, что ниже 1000 Гц пики становятся менее высокими и более широкими. Поскольку высота резонансного пика зависит от сопротивления внешней нагрузки (потенциометр громкости, потенциометр тембра и входное напряжение усилителя), снижение этой нагрузки (например, подключением резисторов параллельно к датчику) снижает высоту пика. Для увеличения высоты пика следует увеличить сопротивление нагрузки. В большинстве случаев это возможно только путём установки в гитару предусилителя высокого сопротивления.
Резонансные частоты некоторых известных моделей звукоснимателей с использованием различных дополнительных конденсаторов.
ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Ч тобы точно измерить частотную характеристику датчика, теоретически важно измерить вибрацию струны и сравнить её с выходным напряжением на каждой частоте. Осуществить это на практике очень трудно. В качестве альтернативы предлагается поместить звукосниматель во внешнее магнитное поле, создаваемое передающей катушкой. Поток заряженных частиц меняет направление, создавая напряжение в датчике. Это напряжение прямо пропорционально изменениям магнитного поля в единицу времени, а возбуждающий ток, проходящий через катушку, должен быть обратно пропорционален частоте.
Синусоидное напряжение проходит в цепь интегратора, производя выходное напряжение, обратно пропорциональное частоте. Этот сигнал затем поступает в усилитель, а затем на передающую катушку, которая удваивает сигнал и передаёт его в датчик. Катушка эта может состоять из 50 витков эмалированой медной проволоки (диаметром около 0,5 мм). Точное количество витков не имеет большого значения. Катушка устанавливается у звукоснимателя так, чтобы излучать в него как можно большую часть своего магнитного поля. Если мы проверяем однокатушечный звукосниматель, то магнитные оси должны быть параллельны, если хамбаккер — то перпендикулярны.
Чтобы выяснить частотную характеристику, подавайте синусоиды с частотами в пределах от 100 до 10кГц и измеряйте выходное напряжение звукоснимателя широкополосным мультиметром или осциллографом. Абсолютные значения не важны: самое главное — это положение резонансного пика над общей амплитудой низких частот. Таким же образом легко определить влияние на звук различных ёмкостей (например, шнуров) и резисторов. Одно из главных достоинств этого способа в том, что не требуется изменять устройство гитары или вытаскивать из неё звукосниматели.
Полученный результат по-настоящему точен только при проверке однокатушечных датчиков. Дело в том, что в хамбакерах звук снимается со струны сразу в двух точках. Высокие обертоны, где на одном полюсе одной и той же волны оказывается пик, а на другом провал, могут частично взаимовычитаться. В результате пики находятся на разных частотах для каждой струны. Например, при стандартном размере хамбаккера, для шестой струны пик находится на частоте 3000 Гц, а для пятой — на 4000 Гц. Для высоких же струн этот пик находится за пределом частоты среза и его почти не слышно.
Разница между звучанием одной катушки и двух часто переоценивается. Главная причина большего количества высоких частот при одной катушке в том, что резонансная частота повышается в результате уменьшения индуктивности вдвое. Влияние оказывает и то, что звук со струны снимается только в одной точке, но это влияние намного меньше.
Данный метод измерения также не учитывает нелинейных искажений датчика, которые также влияют на звук. Но тем не менее, проверка звукоснимателя данным образом даёт полезную информацию о его характеристиках. Зная её, можно определить, какие звуки подходят Вам больше всего, и изменить частотную характеристику посредством внешних конденсаторов и резисторов, настраивая звукосниматель по своему вкусу (а также в наилучшем соответствии с корпусом и струнами).
Источник