Данная научно-популярная статья является победителем конкурса статей "Высокие технологии: Истоки. Сегодняшний день. Перспективы.", проведенного фондом "Успехи физики". Она была опубликована в альманахе "Интеллект и лидерство" (2006 г.)

Вряд ли молодой англичанин Майкл Фарадей, пытавшийся в начале 19 века выявить природу электричества, мог в полной мере представить последствия открытого им явления электромагнитной индукции. Возможно, он уже тогда предвидел бурное развитие техники и промышленности, использующей электрический ток. Однако можно сказать совершенно определенно, что Фарадей даже и не предполагал о том влиянии, которое электромагнетизм окажет на мировую культуру. Между тем, спустя более ста лет, рок-музыка и сопутствующее ей движение хиппи не только перевернули умы молодежи, но и открыли музыкальному бизнесу новые, необъятные рынки сбыта. А началось все вполне безобидно – с изобретения электрифицированной гитары, использующей идеи Фарадея…

Начало прошлого века ознаменовалось расцветом «эстрадной» джазовой музыки, которая была призвана развлекать людей. Биг-бэнды и небольшие музыкальные составы, выступая во всевозможных увеселительных заведениях, стали весьма популярны во всей Америке и Европе. Громкая веселая музыка неслась отовсюду. Однако мощное звучание оркестровой духовой секции привело к проблеме, заметной лишь самими музыкантами. Акустические гитары, обладающие не слишком громким тембром, стали теряться среди других музыкальных инструментов. Сольные партии на гитаре исполнять стало вообще невозможно, так как их попросту не было слышно!

Производители музыкальных инструментов мгновенно среагировали на возросшие требования гитаристов. Громкость гитары удалось повысить, используя увеличенный корпус инструмента. Одновременно на смену жильным струнам пришли более «громкие» металлические, которые, к тому же, имели высокую прочность. Однако эти полумеры явно не решали проблему кардинальным образом. Требовался принципиально новый и современный подход, заключающийся в усилении гитарного звучания с применением электричества.

Многие музыканты-изобретатели пытались решить эту задачу, используя технологические новинки того времени. К примеру, довольно часто гитара озвучивалась обычным угольным микрофоном. Но этот вариант имел несколько недостатков. Во-первых, гитара «заводилась» от возникновения акустической обратной связи, во-вторых, в микрофон попадали все окружающие звуки, в том числе и от соседних музыкальных инструментов, а в-третьих, гитарист не мог свободно передвигаться по сцене. Небезызвестный американский музыкант Лес Пол, являющийся также талантливым инженером, пошел другим путем, экспериментируя в 1920-1930 годы с картриджами от фонографов, которые усиливали звучание гитары.

Тем не менее, изобретение прототипа современного гитарного звукоснимателя можно не без оснований приписать Ллойду Лоару, который работал в американской компании Gibson, производящей музыкальные инструменты. В 1920-е годы он плотно занимался проблемой усиления гитарного звучания, пытаясь применить на практике базовые физические законы, и не использовать уже готовые решения типа микрофона. Таким образом, в 1923 году был сконструирован звукосниматель, представляющий собой, по сути, электрическую емкость: две небольшие, изолированные друг от друга медные пластины, на которые подавался электрический потенциал противоположной полярности. Эта идея впоследствии была развита американцами Джорждем Бьючемпом и Полом Бартом, которые в 1931 году изготовили магнитный звукосниматель с катушкой индуктивности, а также Де Армандом, который тремя годами позже смог довести идею до логического завершения.

Итак, по какому же принципу работает гитарный звукосниматель? Для того, чтобы это понять, необходимо внимательно рассмотреть его конструкцию (рис. 1). Основу устройства составляет постоянный магнит со стальным сердечником и расположенная над ним (или вокруг него) катушка индуктивности – каркас с намотанным на него проводом. При перемещении в магнитном поле проводника, в качестве которого выступает колеблющаяся гитарная струна, в катушке за счет изменения поля возникает Э.Д.С. индукции. Это явление, открытое Фарадеем, всем известно со времен школьной скамьи и называется электромагнитной индукцией. Такой звукосниматель получил название Single Coil, что в переводе с английского языка означает «одинарная катушка».

Рис. 1. Устройство магнитного звукоснимателя

Появление магнитного звукоснимателя автоматически привело к созданию электрогитары – инструмента, который обладает очень тихим собственным звуком, предназначенным для последующего усиления. В большинстве случаев современная электрогитара отличается от акустической гитары, прежде всего отсутствием полого корпуса (рис. 2). Это объясняется тем, что пропала необходимость усиливать звучание инструмента акустическим путем. Корпус стандартной электрогитары чаще всего собран из нескольких цельных кусков древесины. В нем располагаются магнитные звукосниматели. Тембр звучания сильно зависит от того участка струны, под которым находится звукосниматель; именно этим объясняется то, что их стараются установить несколько.

Рис. 2. Электрогитара со звукоснимателями типа Single Coil

Однако использование магнитного звукоснимателя выявило и ряд недостатков, свойственных его работе. Самый существенный из них – это проникающий в звуковой тракт фон переменного тока, который воспринимается на слух как низкочастотное гудение. Ничего удивительного в этом нет, ведь катушка индуктивности представляет собой прекрасную антенну, чутко улавливающую все наводки вокруг.

Для борьбы с этим недостатком было вновь использовано явление электромагнитной индукции. В 1955 году Сет Ловер, работающий в уже упомянутой компании Gibson, сконструировал двухкатушечный звукосниматель. Гениальное по своей простоте и эффективности решение заключалось в том, что звукосниматель состоял из двух отдельных катушек, в которых магниты имели противоположную полярность, а намотка была выполнена в противоположных направлениях. Концы катушек соединялись друг с другом параллельно. Что же в данном случае происходит?

Магнитный поток является векторной величиной. Это говорит о том, что имеет значение положение катушки относительно потока. Переворачивая магнит в одной из катушек, полярность индуцированного в ней напряжения меняется на противоположную. Но так как намотка в ней также противоположная, полярность индуцированного напряжения меняется еще раз, обратно. В итоге напряжение на концах обеих катушек имеет одинаковый знак и на выходе суммируется.

Что касается наводимых помех, то для них полярность магнитов никакой роли не играет, так как они действуют непосредственно на катушки. Из-за того, что намотки в обеих катушках выполнены в противоположных направлениях, индуцированное в них напряжение имеет различную полярность, и при суммировании сигналов становится равным нулю. Таким образом, наводки взаимно уничтожаются.

Этот звукосниматель получил название Humbucker (рис. 3), что можно перевести с английского языка как «подавитель наводок». Как и Single Coil, оба этих звукосниматели используются по сей день без малейших принципиальных изменений. Менялись сплавы магнитов, количество витков и толщина провода обмотки, применялись активные системы гитарного усиления, но принцип действия магнитного звукоснимателя остался тем же самым, что и раньше.

Рис. 3. Звукосниматель типа Humbucker

Однако прогресс не стоит на месте. Более 20 лет назад небывалыми темпами стали развиваться цифровые технологии. Безусловно, они затронули и музыкальную область. Усилиями основных разработчиков музыкальной аппаратуры (Yamaha, Roland, Korg, E-Mu и др.) в 1983 году был разработан стандарт MIDI – аббревиатура, образованная от слов Musical Instrument Digital Interface. Это событие нельзя недооценивать. Новый протокол передачи данных позволял любому цифровому оборудованию, оснащенному специальным MIDI-разъемом, «общаться» друг с другом, объединяться в системы, подключаться к компьютерам.

Вообще-то, изначально стандарт разрабатывался для клавишных инструментов – синтезаторов. Любой синтезатор, если рассматривать его упрощенно, состоит из двух основных частей – клавиатуры и тон-генератора, который синтезирует звучание. Когда клавиша синтезатора нажимается, замыкаются определенные контакты, и на тон-генератор поступает сообщение о том, какая нота и с какой скоростью нажата. В соответствии с этими данными, тон-генератор выдает звук необходимой высоты и громкости. Следует обратить внимание на то, что стандарт MIDI из-за низкой скорости передачи данных не предусматривает работу с аудиоинформацией, а оперирует только командами типа «включить звук», «выключить звук», «изменить тембр» и т.п.

Тем не менее, новой технологией заинтересовались и гитаристы. Больше всего их воодушевила возможность играть «чужими» тембрами, содержащимися в тон-генераторах. Ведь в этом случае палитра гитарного звучания будет значительно расширена, что, в свою очередь, позволит решать художественные задачи музыкального произведения новыми средствами. Оставалось «мелочь» – придумать, каким образом превратить гитарный сигнал в MIDI-команды, подаваемые на модуль тон-генератора. Очевидно, что для этого следовало разработать систему распознавания нот, которая безошибочно отслеживала бы не только высоту звучащей ноты (что, в принципе, не так и сложно), но и понимала бы такие гармонически сложные сигналы, как, к примеру, взятый аккорд. А это уже задача явно нетривиальная, требующая нестандартных решений. Осилить ее взялись несколько крупных производителей музыкального оборудования, имеющих исследовательские лаборатории. На разработку, в результате которой появился новый инструмент под названием MIDI-гитара, ушло несколько лет.

В основе MIDI-гитары лежит уже знакомый нам магнитный звукосниматель. Правда, его пришлось слегка усовершенствовать. Для того чтобы система распознавания нот понимала сложные сигналы, было решено снимать и анализировать звучание каждой струны в отдельности, что намного облегчало задачу. Поэтому звукосниматель представляет собой, по сути, шесть (по числу струн) маленьких индивидуальных звукоснимателей, объединенных в одном корпусе (рис. 4). Шесть сигналов от звукоснимателя поступают по многожильному кабелю на MIDI-конвертер, где происходит распознавание нот и преобразование их в последовательность MIDI-команд. Кроме того, для более устойчивого распознавания звукосниматель располагается почти вплотную к месту опоры струны, у нижнего порожка. В этом месте струна имеет малую амплитуду колебаний, и, соответственно, уменьшается влияние соседних струн на каждый из индивидуальных звукоснимателей.

Рис. 4. MIDI-звукосниматель

MIDI-гитары получили довольно широкое распространение среди профессиональных музыкантов. Достаточно сказать, что на них играли и периодически играют практически все известные гитаристы современности, среди которых такие имена как Роберт Фрипп, Ол ди Меола, Джон Маклафлин, Пэт Мэтини и другие. Трудно сказать, получит ли такая гитара массовую популярность, так как ее использование имеет свою специфику. К тому же, стоимость MIDI-гитары весьма высока. В основном на ней исполняются сольные партии.

Дальнейшую «цифризацию» электрогитары предложила в 1999 году опять-таки вездесущая компания Gibson. Это произошло на 107-й выставке AES (Audio Engineering Society), проходившей в Нью-Йорке. Разработанный ею стандарт GMICS (Global Musical Instrument Communication Standart) в какой-то степени можно сравнить с MIDI, только работает он не с MIDI-командами, а уже с цифровым звуком. Целью данного проекта являлась возможность цифрового подключения различного оборудования (в том числе и гитар) и их функционирования в открытой инфраструктуре. Физической основой стандарта послужила 100-мегабитная локальная компьютерная сеть Ethernet, по которой и передаются звуковые данные в цифровом виде. Обмен данными осуществляется по 16 независимым каналам с разрядностью 32 бита и частотой дискретизации 96 кГц.

При использовании GMICS в электрогитаре устанавливается аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует сигнал с выхода гитарного звукоснимателя в сигнал, представленный в цифровом виде (рис. 5). Далее этот сигнал может поступать на процессор эффектов, усилитель, микшерский пульт, которые работают в сети GMICS. При этом сама электрогитара, за исключением встроенных АЦП и сетевого контроллера, никаких существенных изменений не претерпела. Звукосниматели используются традиционные, магнитные.

Рис. 5. Интегрированная в электрогитару плата для подключения к GMICS

К сожалению, GMICS не прижился на музыкальном рынке. И виной тому не какие-то недостатки стандарта, а, скорее всего, неготовность музыкальной общественности полностью отказаться от традиционных способов передачи сигналов. Но рано или поздно новейшие технологии будут в определенной мере заменять морально устаревшую аналоговую технику, как это произошло с компакт-дисками, DVD и цифровыми фотоаппаратами.

Такова краткая история появления и развития электрифицированной гитары. Благодаря нескольким увлеченным своими идеями музыкантам-новаторам, знакомым с основными физическими принципами, в музыке произошел настоящий переворот. Появление электрогитары предопределило целую эпоху современной культуры – эпоху рок-музыки, которая, в свою очередь, породила множество других музыкальных стилей. И, несмотря на то, что современные высокие технологии бесцеремонно вторглись в область гитарного оборудования, источником гитарного сигнала до сих пор является звукосниматель, изобретенный много десятилетий назад и работающий на принципе электромагнитной индукции.