Часть II. Правильный звук или о чём молчат лампы

В предыдущей части статьи я описал, как спаять простейший «настоящий» дисторшн своими руками. Спаяв такой, я поигрался немного, но был разочарован. Да, звук резкий. Жужжащий. Но при этом некрасивый. Примочке была поставлена оценка «неуд», и эксперименты продолжились.

Был спаян самодельный кабинет. Для тех кто не в курсе – на слэнге кабинет (шкаф, ящик по-английски) – это акустическая система (динамик в большом корпусе из двп), внутрь которой встроен оконечный усилитель и блок питания к нему. В отличии от комбоусилителя он не имеет встроенного темброблока, соответственно, не имеет крутилок НЧ, СЧ, ВЧ. Есть только сетевая вилка, вход и регулятор громкости.

Про кабинет: размер имеет значение. Посмотрите на размер правильной акустической гитары, особенно с корпусом «дредноут» или «джамбо»:

Мы видим крупный резонатор. Он необходим, чтобы хорошо воспроизводить низкие частоты. Внутри объёма резонатора образуется стоячая волна. Чем больше размер резонатора (то есть, длина волны), тем ниже частота, на которой может возникать резонанс.

Чтобы акустическая система хорошо передавала звук акустической гитары (и гитары вообще), корпус по размеру должен быть близок к размерам гитары. Поэтому, все профессиональные кабинеты и комбо имеют габариты не менее 0,5х0,5 м. При одинаковых динамиках и электронике, более крупный комбик всегда будет звучать жирнее. Картину немного улучшает фазинвертор. Он как-бы увеличивает внутренние размеры корпуса, увеличивая длину волны. Физика довольно сложная, но результат налицо. Пробовал затыкать тряпкой фазинвертор – звук совсем не тот.

Я взял корпуса от советских АС109, какие были. Немного не угадал, в следующий раз буду брать больше.

Далее – динамик. Для акустики необходим либо широкополосный динамик, или отдельно среднечастотный и высокочастотные динамики, как здесь. Размер имеет значение. Я взял китайский динамик фирмы «Alphard» на 50 китайских ватт, размером 160 мм. По моим прикидкам это ватт 20÷25 честных советских. Корпус пришлось слегка допилить, но под пластиковой накладкой не видно. На «правильных» комбиках для акустических гитар динамик ставят не менее 200 мм. (но такой бы просто не полез в мой корпус). Внутри сразу был фильтр, который разделяет сигнал на средние и верхние частоты, и направляет их в разные динамики. Фильтр и высокочастотный динамик оставил как есть. Оконечный усилитель собрал на микросхеме TDA7294, точь-в-точь по даташиту (такой же, как в этой статье).

В обычной электроакустической гитаре с пьезодатчиком уже есть встроенный предусилитель. Поэтому второй, внешний предусилитель нам не нужен.

Пара слов о широкополосности. Ноты шестиструнной гитары в стандартном строе лежат в пределах от 81 Гц (открытая 6-я струна) до 1 кГц (880Гц – нота «ля» на 17-м ладу 1-й струны). Поэтому дополнительный сабвуфер нам не нужен. Но! Высшие гармоники колебаний струны, которые придают «натуральность» звуку, всякие призвуки, шорохи, и потрескивания лежат в диапазоне 1,5-20 кГц. До самого верха слышимого диапазона частот. Поэтому обычного среднечастотного динамика не хватит. Обязательно нужен высокочастотный динамик и линейный широкополосный усилитель. Я ставил эксперимент – впаял тумблер последовательно с ВЧ-динамиком, чтобы можно было его отключать. Разницу слышно, звук становится «мягким», без резкого щелчка при атаке, таким, как у электрогитары на чистом звуке.

Итак, втыкаем в получившийся кабинет электроакустическую гитару и тащимся. Очень чистый и громкий звук. 25 Вт для 18-метровой комнаты в «хрущёвке» – более чем достаточно. Регулятор громкости – чуть ниже середины. Пока мы кайфуем, соседи включают телевизор погромче. Вернёмся к нашим электрогитарам и педалькам.

Включаем в получившийся линейный широкополосный кабинет электрогитару напрямую, и… делаем разочарованное лицо. Не звучит. Пробуем дисторшн – не звучит. Пробуем «акустику» через дисторшн – всё равно не звучит. Звучит только электроакустическая гитара напрямую. Безо всяких педалек.

В чём дело? Ответ очевиден. Нет, не в отсутствии ламп, а во встроенном в акустику совершенно транзисторном предусилителе. Он компенсирует недостатки имеющегося датчика и акустической системы.

Находим информацию по этой теме, смотрим схемы классических ламповых электрогитарных комбо. Все они содержат одну очень важную деталь: tone stack, или темброблок, если по русски. Этот темброблок сильно вырезает средние частоты. В те доисторические времена, когда мастера фирмы Гибсон каменными топорами вырубали свои Лес Полы из цельных стволов красного дерева, а усиление было чисто ламповым, лампы были дорогими, а трансформаторы для них громоздкими. Поэтому темброблоки делались пассивными, состоящими только из резисторов и конденсаторов и – очень редко – из катушек индуктивности (по тем же причинам).

Выглядели они вот так:

Как мы видим, никаких операционных усилителей, и всё звучало. Смотрим на АЧХ этих темброблоков. Вот известный всем Fender Bassman:

А вот Marshall Plexi:

Картинка не очень чёткая, но хорошо виден провал в области средних частот.

Итак, имеем:

• Подъём «низов» в области 80÷100 Гц. Имеется в виду гитарный «низ» (открытая первая струна 81 Гц).
• Впадина на уровне 500÷700 Гц. Её глубина 6÷22 дБ, в зависимости от положений регуляторов.
• Подъём в области 3÷4 кГц, «верхние» электрогитарные частоты.

Теперь – почему так? 1. Дело в том, что магнитный звукосниматель на электрогитаре воспринимает не само отклонение струны от положения равновесия, а скорость изменения магнитного поля, а она пропорциональна скорости движения струны, а не её амплитуде. Скорость движения струны тем выше, чем выше частота колебаний (читай – зажатая на грифе нота). Получаем фильтр ВЧ первого порядка. 2. Если брать нековый датчик, то он расположен рядом с последним, 24-м ладом грифа, то есть делит струну примерно на четыре части. Смотрим рисунок:

Расположенный таким образом датчик лучше всего будет воспринимать не основную, а вторую гармонику звучащей открытой струны, или первую гармонику струны, зажатой на 12-м ладу. Для первой струны это нота «ми» (~648 Гц). Другими словами, флажолет на 12-м ладу – это самый яркий звук, который «слышит» нековый хамбакер. Кстати сказать, 4-ю гармонику открытой струны он почти не слышит. Это тоже видно на рисунке. Никакой электроники, чистая механика.

Интересную статью про усиление электромагнитного звука читаем здесь. 3. Теоретически, идеальный магнитный звукосниматель должен очень хорошо воспринимать верхние частоты, но это совсем не так. Обычный звукосниматель имеет подъём АЧХ только до 3÷5 кГц. Дальше идёт резкий спад. Дело в том, что основной элемент звукоснимателя (особенно хамбакера) – электромагнитный сердечник – имеет значительную ширину и гистерезис. Если длина полуволны колебания на струне оказывается меньше, чем ширина магнита, то струна не в состоянии изменить магнитное поле по всей ширине звукоснимателя одновременно. Нет изменения магнитного поля, нет и полезного сигнала, мы ничего не услышим.

Следующая причина чисто электротехнического характера. Катушка звукоснимателя имеет несколько тысяч витков и намотана на сердечник, следовательно, имеет значительную индуктивность и до кучи межвитковую ёмкость. Эти индуктивность и ёмкость работают как пассивный фильтр низких частот.

Получаем, что и на верхние частоты классический хамбакер глуховат. С синглами сигнал немногим широкополоснее. Поэтому производители, такие как EMG, выдумывают всякие рельсовые, сверхтонкие датчики и активные хамкэнселеры.

Чтобы магнитный датчик звучал без перегруза, приходится сильно задирать низы и давить середину. Зато есть «мясо» и так называемый презенс – подъём АЧХ в области верхней середины (наши 3-4 кГц). Поэтому же так хорошо хамбакеры звучат через всякие драйвы и дисторшны.

Итак, всё просто. Нужно спаять такую примочку, в которой уже будет серединовырезающий темброблок. Пробуем:

В этой простой и популярной примочке на выходе уже стоит темброблок, как на олдскульных Marshall Plexi. Вот круто, даже думать не придётся. Паяем, подключаем, слушаем.

Первый недостаток – очень маленькая громкость на выходе. Исторически так сложилось, что на электрогитары ставили пассивные хамбакеры (см. выше). Чтобы выжать из них максимум сигнала, у электрогитарных усилителей делали вход с очень большим сопротивлением, то есть, ставили повторитель на входе. У нас фильтр на выходе примочки состоит из резисторов очень большого номиналата (до 1 МОм!) и повторителя после себя не содержит, следовательно, он обязан быть на входе следующего за ней усилителя. Без него звук получается очень тихим, теряются низы. Мне пришлось включать эту педаль транзитом через другую педаль, имеющую повторитель, не выключаемый на чистом звуке. Сигнал стал нормальной громкости.

Во-вторых, да, у примочки хорошие жирные низы, рычащая середина, но по верхам есть призвуки, песок и скрежет. Пришлось совсем выключить высокочастотный динамик на кабинете (ранее я впаял для этого специальный тумблер). Теперь звук стал похож на настоящий электрогитарный. Песка нет, всё жужжит и рычит, но было несколько «но»:

• Неудобно каждый раз щелкать кучей тумблеров и крутить ручками громкости на разных педалях и усилителе.
• Хотелось правильного и тёплого звука, не зависимого от типа подключаемой гитары и усилителя.

Есть куча статей про чётные гармоники, ассиметричное ограничение, про «тёплый ламповый» звук, про «мягкие» нелинейные искажения и другие маркетинговые уловки для малограмотного населения, однако мало где пишут про самое важное. «Правильный» ламповый усилитель не воспроизводит частоты выше 5 кГц. Дело в том, что для корректной работы радиолампы нужно большое напряжение питания, до 1 кВ. Вдумайтесь, 1000 вольт – это не шутки. Кроме того, она (радиолампа) не способна отдавать большой ток. Чтобы подружить её с акустической системой (динамики которой обычно имеют сопротивление 4÷8 Ом), использовали согласующий трансформатор. Этот трансформатор – жутко инертный элемент (также как и хамбакер). Из-за потерь в обмотках и сердечнике он не передаёт на выход высокие частоты.

На старых, по-настоящему винтажных усилителях (читаем статью «Fender Bassman» навсегда») наряду с огромным корпусом, стояли низкочастотные динамики, которые не то, что верхние, даже средние частоты, и те – воспроизводят с трудом. Опять же вырезанный верх, никакой широкополосности. Плюс к тому, современный транзисторный усилитель охвачен глубокими обратными связями, чтобы максимально линейно воспроизводить весь диапазон частот (в идеале 20 Гц - 20 кГц) без искажений. Старый ламповый усилитель таких связей почти не имел: нужно было получить максимум усиления при минимуме затрат на трансформаторы и лампы. Отсюда компрессия сигнала и «тёплые» нелинейные искажения во всём динамическом диапазоне.

Получается, чтобы сделать транзисторный усилитель с «тёплым ламповым» звуком, нужно этот усилитель слегка испортить. Необходимо сделать верблюдоподобную двугорбую АЧХ, полностью вырезать верхи выше 5 кГц, и ни в коем случае не ставить ВЧ-динамики. Долой ВЧ из спектра! Есть специальные схемы фильтров – спикерсимуляторы. Они включаются между электрогитарой и входом обычного широкополосного усилителя или звуковой картой компьютера, отфильтровывают всё лишнее, и имитируют «тот самый» звук.

Нашёл в интернете статью про спикерсимуляторы. Вот ссылка.

Смотрим АЧХ:

Вот оно! То, что нам нужно. Обратите внимание. Два горба – на 100 Гц и на 3,5 кГц. Между ними провал по средним частотам. Кроме этого, в отличии от предыдущих пассивных схем, здесь резко вырезано всё, что выше 4 кГц. Смотрим схему:

В центре стоит знакомый нам tone stack. На выходе стоят два одинаковых звена (обвёл синим). Каждое такое звено – это фильтр низких частот. Известен под названием «фильтр Сайлена-Ки» второго порядка.

Пара слов о фильтрах (для тех, кто не в теме). Если взять обычный RC-фильтр, он (упрощённо) устроен следующим образом.

Конденсатор пропускает переменный ток не как кусок обычного медного провода. Он тоже имеет своё сопротивление. Оно называется ёмкостным. Его величина зависит от частоты и определяется по формуле 1/(2πfС). Для постоянного тока (f=0) сопротивление бесконечно большое, а с ростом частоты плавно убывает, пока не станет очень маленьким, пренебрежимо маленьким, почти равным нулю.

Смотрим на схему. Резистор и конденсатор включены последовательно. Их можно считать обычным делителем напряжения. При отсутствии нагрузки ток в них протекает одинаковый. Тогда U_вых=U_вх(X_c/(X_c+R)). Если пренебречь сдвигами фазы и сильно всё упростить, то до тех пор, пока Х_с сильно больше, чем R, такой фильтр пропускает напряжение со входа на выход, почти его не ослабляя. С ростом частоты Х_с плавно падает. На некоторой частоте, называемой частотой среза, они становятся примерно равными. Дальше сопротивлением Х_с пренебрегать уже нельзя. Через него на землю начинает «утекать» ток. Нижнее плечо делителя (включённый параллельно выходу конденсатор) значительно уменьшает своё сопротивление. Вместе с ним уменьшается и напряжение на выходе. Фильтр начинает также плавно ослаблять сигнал. Если взять частоту сильно большую, чем частоту cреза, то можно считать, что фильтр имеет постоянный наклон характеристики 6 дБ на октаву, то есть при увеличении частоты сигнала в два раза его амплитуда уменьшится тоже в два раза. Такой фильтр называется фильтром первого порядка (кто не в теме – теперь будьте в теме).

Главный недостаток такого фильтра – его «плавность». Смотрим АЧХ на рисунке. В отличии от идеальной (показана красным), АЧХ реального фильтра имеет очень плавный перегиб и совсем небольшой наклон. Чтобы ослабить сигнал какой-то заданной частоты (скажем, раз в десять), надо, чтобы она (частота) была в десять раз выше частоты среза. На практике же – ещё выше, раз эдак в 20÷30 (перегиб-то очень плавный). То есть, таким фильтром не получится пропустить нужные нам 3,5 кГц и резко, как топором, отрубить всё, что выше. Поэтому для построения разных «улучшайзеров» и эквалайзеров используют, в основном, фильтры на операционных усилителях (фильтр Сайлена-Ки и подобные ему).

В схеме спикерсимулятора Marshall таких фильтров аж два. Использование нескольких фильтров последовательно позволяет получить фильтр любого нужного порядка и любой нужный коэффициент ослабления. Да здравствуют операционные усилители, которые позволяют так сделать!

Я спаял такой фильтр, включил его между своей самодельной примочкой и входом усилителя, и (о, чудо!) всё зазвучало. Мощные басы, резкий, звонкий презенс, и почти нет песка в звуке.

Теперь осталось собрать все полученные знания в кучу и спаять пару «правильных» педалек для игры в линию, подходящих как для электроакустики, так и для обычной электрогитары.

Дисторшн для акустической и электрогитары (ч.I)
Дисторшн для акустической и электрогитары (ч.III)