Эксплуатация электронной музыкальной и звуковой аппаратуры. Взгляд звукоинженера
Мы продолжаем цикл публикаций под общим названием "Эксплуатация электронной музыкальной и звуковой аппаратуры. Взгляд звукоинженера ". Автор сегодняшней статьи - Михаил Гроцкий, технический директор компании "ТехТон» (о компании «ТехТон» мы подробно рассказывали в предыдущем номере). Надо отметить, что гитаре,этому популярнейшему и любимейшему инструменту, уделяется достаточно много внимания на страницах «Шоу-Мастера» и других изданий, поэтому было решено сосредоточить внимание именно на технических аспектах гитарного тракта, часто вызывающих те или иные вопросы у музыкантов.
Я хотел бы без формул и уравнений рассказать гитаристам об основных процессах, происходящих в тракте их электрогитары, что, на мой взгляд, может помочь им в творческих исканиях. Сразу оговорюсь, наша лаборатория занимается ремонтом не гитар, а только их электронной начинки. Хотя к нам часто обращаются владельцы совершенно исправных инструментов, которые перестали держать строй. Гитаристам с такими проблемами я настоятельно рекомендую ознакомиться с публикациями Александра Богушиса в “Шоу-Мастере” и Александра Шамрая в “MusicBox”, а также с содержимым сайта guitarplayer.ru, а от себя добавлю несколько советов. Первый. Остановите свой выбор на каких-либо струнах и в дальнейшем старайтесь использовать только их. Советую обратитьвнимание на “Sub Zero” фирмы GHS – эластичные, не вытягиваются, высокая отдача, прекрасный баланс обертонов, на порядок прочнее, чем Ernie Ball или D’Addario того же масштаба. Второй. Заменяйте струны последовательно одну за другой, а не весь сет сразу. Третий. Устраните люфт и трение в замензурном пространстве. Для этого: - сократите количество витков струны на шкиве колка до минимума. При возможности установите колки с фиксацией - Gotoh, Grover, Schaller, Sperzel; на них можно получить менее одного витка; - при возможности замените верхний порожек на роликовый в котором каждая струна лежит между двумя соприкасающимися шариками. Это, конечно, не относится к гитарам с Kahler или Floyd Rose тремоло, на порожках которых установлен замок с жесткой фиксацией струн; - сбалансируйте тремоло устройство. Четвертый. До манипуляций с анкером прогнутого грифа тщательно очистите гриф и обработайте накладку с ладами лимонным маслом, если конечно она не покрыта лаком или не выполнена из пластика. Если гитара хранилась длительное время при пониженной влажности, накладку можно обработать полиролью без воска и скипидара. Дождитесь реакции. Иногда этой операции бывает достаточно. Пятый. Не поворачивайте анкер более чем на пол-оборота в сутки! Реакция грифа не мгновенна. В противном случае гриф можно разрушить. Шестой. Правильность выравнивания грифа можно проверить, прижав указательным пальцем левой руки 1-ю струну на 1 ладу, а правой рукой ее же выше последнего лада. Затем нужно мизинцем левой руки возбуждать струну, одновременно смещая указательный палец вверх с лада на лад. Если кроме металлического лязга ничего – гриф перетянут. Если чистый тональный звук – недотянут. Если лязг со звуком – самый раз. Седьмой. Храните гитару при относительной влажности не ниже 40%. Восьмой. Мензуру настраивайте по флажолетам на 12-м ладу для каждой струны занижая 5-ю и 6-ю струны на несколько центов в зависимости от их размеров и агрессивности вашего звукоизвлечения. Хорошо отстроенная гитара не теряет строй месяцами.
Электромагнитный звукосниматель
Попытки адаптировать гитару начались еще до Второй мировой войны и завершились в классическом виде к 50-годам прошлого столетия во многом благодаря таким столпам, как Лео Фендер, Джеймс (Джим) Чарльз Маршалл и Лестер Уильямс Полфус, более известный, как Лес Пол. Заданный ими стандарт – гитара со сплошным корпусом, электромагнитными звукоснимателями, синглами* или хамбакерами**, нагруженная на ламповый комбик, – благоденствует и поныне наряду c новой концепцией, где используются процессоры – симуляторы, нагруженные на линейные усилители. В том и другом случае все начинается с электромагнитного звукоснимателя (далее ЗС) в катушке которого форма наведенной ЭДС не соответствует форме колебания струны. Это справедливо как для сингла, так и для хамбакера.
*Сингл - в общем случае это звукосниматель с одной катушкой, содержащий в себе полосовой магнит с рельсовыми или цилиндрическими сердечниками или вовсе без них, а также ЗС с отдельными катушками и магнитами под каждой струной. **Хамбакер - в общем случае это два одинаковых сингла, расположенных рядом в одной плоскости с встречно включенными катушками и разной полярностью сердечников, что позволяет полезные сигналы катушек сложить, а сигналы помехи вычесть друг из друга, так как для них полярность сердечников неважна. При этом магнитные линии сердечников соседних ЗС замыкаются друг на друга сверху через струну и снизу через общий полосовой магнит.
Всем известно, что колебания струны не могут происходить только в той плоскости, в которой вы ее возбудили (см. рис. 1). Сразу после возбуждения эта плоскость начнет вращаться, и струна будет совершать свои колебания по траектории вращающегося эллипса. По мере затухания колебаний этот эллипс будет вырождаться в окружность и далее в точку в его геометрическом центре. Допустим, что струна колеблется в перпендикулярной к ЗС плоскости (фаза a) по синусоидальному закону, т.е. чистый тон без гармоник.
Так как изменение магнитного потока сильнее при движении струны к магниту, чем от него, форма ЭДС в ЗС приобретет пилообразный характер, то есть в сигнале появятся высшие гармоники (рис. 2). Форма такого сигнала тем больше будет отличаться от синусоидальной, чем больше амплитуда колебания струны и чем меньше зазор между струной и звукоснимателем. Это справедливо для всех типов ЗС.
Рис. 2. Колебания, перпендикулярные ЗС
При тех же колебаниях, но уже в параллельной к звукоснимателю плоскости (фаза с) разные ЗС снимут разный сигнал. Звукосниматели с рельсовыми сердечниками или вообще без них в этой плоскости сигнал не “видят” так как магнитный поток в любой точке траектории будет один и тот же. В сигнале останется лишь перпендикулярная составляющая, которая уменьшится в пропорции отношения осей эллипса. В ЗС с цилиндрическими сердечниками ( рис. 3) струна дважды за период пересечет минимумы магнитного потока своего сердечника и, таким образом, частота ЭДС удвоится. То есть ЗС синтезирует вторую гармонику в сигнале, которой не было в колебании струны. Особенно ярко этот эффект проявляется в синглах с отельными катушками и сердечниками под каждой струной.
Рис. 3. Колебания, параллельные ЗС
Реальные колебания струны содержат высшие гармоники, для которых справедливы те же рассуждения. Вы все правильно поняли: вторая синтезирует четвертую, третья – шестую, четвертая – восьмую, и т.д. Синтезированные гармоники сложатся с теми же номерами гармоник струны - вторая со второй, четвертая с четвертой и т.д. А вот нечетным гармоникам складываться не с чем – их никто не синтезировал, и общий спектр сигнала будет далек от естественного. Музыканты звучание такого ЗС называют “стеклянным”. Почему такое «стекло» отсутствует в хамбакере с сердечниками, думаю, догадаетесь сами, обратив внимание на последнее предложение в его определении. В общем случае “глазом” звукоснимателя является его геометрическая середина. В звукоснимателях с сердечниками таких “глаз” шесть - по одному на струну. Каждый “глаз” видит над собой только небольшой участок струны, в допущении – колеблющуюся точку. Каждая точка струны колеблется по собсвенному закону. Это обусловлено распределением зон пучности и узлов в разных местах струны для разных гармоник. В узле гармоники ее колебания равны нулю. При этом с узлом старшей гармоники (кроме первой, у которой узлов нет) совпадают узлы младших, кратных двум. То есть, разместив “глаз” ЗС под узлом, например, 4-й гармоники, можно полностью убрать ее из сигнала вместе с 8-й, 16-й, 32-й и т.д. Это обстоятельство объясняет волнистость спектра сингла. Хамбакер в отличие от сингла “видит” струну двумя глазами сразу ( рис. 4). При этом “слепоту” левого глаза ЗС1, находящегося под узлом гармоники, скомпенсирует правый, находящийся вне узла и волнистость спектра будет нивелирована.
Рис. 4. Места установки хамбакера
Частный случай - размещение центра хамбакера под узлом гармоники - ЗС2. В этом случае он поведет себя, как описанный выше сингл, так как будет компенсировать противофазные колебания по обе стороны от узла. Узкие хамбакеры видели? Это про них. Если разобрались с рисунком, то наверняка заметили, что оба хамбакера не “видят” гармонику, нарисованную красным цветом. Такое может случиться, если длина рабочей части струны будет кратна расстоянию H между сердечниками соседних катушек. К счастью, длины мензур фирменных гитар не кратны H и эффект проявляется только на отдельных ладах. Для Gibson на 1 ладу – 33 гармоника, на 9 ладу – 21 гармоника и на 21 ладу – 10 гармоника. Отсутствие этих гармоник в сигнале никак не сказывается в силу малости их амплитуд и большого порядкового номера. Здесь есть еще кое-что для 66, 42 и 20 гармоник, но это уже ловля блох. На самом деле существует строгая методика определения расположения ЗС в электрогитаре с учетом подавления диссонирующих гармоник, но я обещал обойтись без формул. Ниже приведены интегральные спектры сигналов сингла и хамбакера с сердечниками для открытой первой струны ( рис. 5). Место возбуждения традиционное – в пучности 2-й гармоники (чуть выше конца Стратовского рычага), поэтому ее амплитуда выше нормы, а вот амплитуды 4-й, 8-й, 16-й … провалились потому, что для них в этом месте – узел. Кроме искажений, описанных выше, звукосниматели имеют нелинейный характер АЧХ и ФЧХ в силу своего комплексного сопротивления, состоящего из индуктивной, емкостной и резистивной составляющих, которые образуют фильтр второго порядка.
Рост амплитуды сигнала, перед частотой среза в разных ЗС происходит на разной частоте, что наряду с выше перечисленными факторами определяет его звуковые качества. Эта характеристика ЗС наиболее подвержена деструктивному влиянию кабеля. На приведенных диаграммах ( рис. 6) красным цветом выделены АЧХ и ФЧХ на звукоснимателе без кабеля, зеленым – на гнезде комбика после трехметрового кабеля. В этом примере параметры ЗС: L=3 Н, R=16 k Ом, С=150 pF, регуляторов нет. Параметры кабеля: C= 600 pF, R=1 Ом. Входное сопротивление комбика =1M Ом. Влияние кабеля на звук гитары можно исключить, применив активные ЗС (например, фирмы EMG) или с помощью активной схемы встраиваемой в корпус гитары. Разные варианты таких схем позволяют на порядок снизить выходное сопротивление гитары, понизить собственные шумы ЗС, сгладить АЧХ конкретного ЗС (синяя линия на диаграмме), подготовить сигнал для АЦП и др. В гитарах с тремя регуляторами возможна дальнейшая эквализация линейной АЧХ что остановит ваши поиски новых ЗС. В нашей лаборатории разработаны соответствующие схемы для гитар типа Stratocaster без каких-либо изменений в корпусе и возможностью заряда аккумулятора через выходное гнездо гитары. Время работы после заряда более 260 часов. Комбик Под этим емким названием будем подразумевать комплекс таких узлов, как предусилитель, элементарная обработка, усилитель мощности и акустическая система объединенные в одно устройство. Комбик – предмет, приобретаемый одновременно с гитарой, во многом определяющий ее звук и рамки исполнительского жанра. Предусилители ламповых и транзисторных комбиков по-разному ограничивают и искажают сигнал, что разделило музыкантов на два лагеря. И если технология ламповых предусилителей, на мой взгляд, исчерпала себя Triaxis фирмы Mesa Boogie, то для полупроводниковой технологии еще далеко не вечер. Характер звука ламповых комбиков во многом определяется характеристиками ламп, установленных в их предусилителях. В 90% случаев это лампа 12AX7, которая у разных производителей звучит по-разному. Кроме того, в поисках нового звука ее можно заменить на 12AX7A /12AY7/12AT7/12AU7/ ECC81/ ECC82/ECC83/ CV4003/ CV4004/ CV4024/ 5751/5814/7025/5963 /6072 без каких-либо доработок и изменений в схеме. По сравнению с 12AX7 эти лампы имеют следующие отличия: 12AX7A/ECC83*/CV4004 ** - более поздняя версия (начало производства около 1960 года) 12AX7 с более низким шумом и фоном;
7025=12AX7WA - самая низкошумная версия 12AX7. Применяется практически во всех комбиках фирмы Fender; 5751 - более низкий гейн***, практически незаметный на слух. Наряду с применением в преампе также используется в схеме ревербератора и фазоинвертора. 12AY7/6072 - ранняя версия 12AX7, схожая по характеристикам с 5751 с началом искажений на более низком уровне сигнала. В фаворите у блюзменов; 12AT7/ECC81/CV4024 - более низкий гейн. Используется в схеме ревербератора и фазоинвертора; 12AU7/ECC82/CV4003 - самый низкий гейн. Используются по всему тракту, где не требуется большого усиления, а также в педалях дисторшн; 5963 и 5814 - эквивалентны 12AU7. В основном применяются в педалях дисторшн.
* ЕСС - европейское обозначение. ** CV - британское военное обозначение. *** Гейн – линейная область усиления лампы между отсечкой и насыщением.
Микрофонный эффект, обусловленный межэлектродной емкостью, в той или иной мере присущ всем лампам и прогрессирует с ее старением. Тразисторный предусилитель комбика лишен всех этих прелестей и звучит более стабильно, хотя и по-другому. Кстати, может быть, ортодоксов примирит тот факт, что Джими Хендрикс использовал транзисторный фуз, нагруженный на ламповый Marshall. Чтобы не быть голословным, привожу рабочую схему.
Не будем ждать тех, кто ушел за паяльником; продолжим. Кроме предусилителя свой вклад в нелинейные искажения комбика вносит также оконечный усилитель (около 5%, и сам динамик около 10%). В ламповом усилителе эти величины зависят от режима работы ламп оконечных каскадов (6L6=5881, 6V6, EL84 и др.), критичных к режиму смещения, согласованности с нагрузкой ( на усилителях для этой цели есть переключатель 4-8-16 Oм) и идентичности экземпляров ламп. В транзисторном - от заданности на имитацию лампового звучания. В динамиках – от их работы в области нелинейности магнитного поля на краях керна магнитной системы. Такие динамики еще называют инструментальными. Кроме того, АЧХ лампового комбика вещь небезусловная, а регуляторы тембра, ее изменяющие, малопрогнозируемы. Это также справедливо и для транзисторных комбиков, имитирующих ламповое звучание. Для примера привожу амплитудно-частотную характеристику комбика Champion 30 фирмы Fender, снятую на омическом эквиваленте нагрузки.
Верхняя кривая – Lo, Mid и Hi в максимальной позиции, нижняя – в минимальной. Практика показывет, что в гитарных комбиках получить линейную АЧХ невозможно.И вот сигнал с таким спектром попадает на динамик, у которого своя АЧХ валится после 5 кГц. Динамик воспроизвел все, что мог, все это попало вам в уши – круг замкнулся, ЭТАЛОН зазвучал. Любой эталон не допускает своей переоценки или улучшений, и наш не исключение. Строго говоря, в нем нет места процессорам или гитарным синтезаторам. Если включить процессор между гитарой и комбиком, то его сигналу придется пройти все стадии искажения, если в разрыв – там потирая руки ждут оконечник и “волшебный” инструментальный динамик со своими пятью килогерцами. В далеких 50-х гитарный комбик с успехом решил поставленную перед ним задачу – сделать гитару слышимой в оркестре в небольших аудиториях. С появлением новых музыкальных жанров и особенно после Вудстока эта аудитория выросла в сотни раз. Мощности комбика стало не хватать - появился стек и почти одновременно с ним портальная система, и их совместное использование вошло в конфликт. Чем ущербна традиционная для концерта схема тракта Гитара – Комбик – Микрофон – Пульт – Усилитель – Порталы/Монитор? Тем, что микрофон, регуляторы тембра на пульте, системный эквалайзер, кроссовер и взаимное расположение всех излучателей внесут неприемлемые фазовые сдвиги в любой точке прослушивания. Позиционирование источника звука станет невозможным, особенно если ваш комбик - это мощный стек, пробивающий половину зала наряду с порталами. Неизбежные частотные провалы угробят всю красоту нюансов вашего оригинального звукоизвлечения. Про пролезание соседей в микрофон даже не говорю. На все это наложится реверберация конкретного зала, бороться с которой можно будет только прямым давлением на уровне санитарных норм. Да что я, спросите у практикующих звукорежиссеров, кого из музыкантов труднее всего озвучить на концерте. Чем неудобна та же схема в студии? Как минимум тем, что в студии вы должны иметь комплект различных комбиков, чтобы угодить разным вкусам сессионных музыкантов. Использовать комбики самих музыкантов не советую, так как они могли давно потерять оригинальный звук, а на выяснение этого обстоятельства на студии нет времени. Выход из ситуации, на мой взгляд, дает применение современных процессоров, симулирующих звучание любого известного комбика, подключенных в тракт Гитара – Процессор – Пульт – Усилитель – Порталы/Мониторы без всяких комбиков. В этом случае в тракте останется лишь одно нелинейное звено – сам процессор. Редакция звука станет внятной и прогнозируемой. Для музыканта исчезнет проблема мониторинга: на чей звук ориентироваться - комбика или монитора. На студии лучше всего применить сплит-систему. Один сигнал отдать на растерзание художнику, другой, нетронутый, в пульт на запись с последующей его обработкой процессором. К таким процессорам, относятся, например, J-Station фирмы Johnson или серия POD фирмы Line 6. Эти процессоры отличаются от своих предшественников, как 286 процессор от Пентиума, а по точности обработки сигнала, как Doom от Pacman. Предчувствуя некий зуд у противников “цифры”, хочу спросить: а как вы накладываете реверберацию - в подвалах Abbey Road или все-таки используете какой-нибудь LXP-15? И еще одно обстоятельство, которое стоит упомянуть. Дело в том, что при игре созвучиями в любом нелинейном элементе возникнут частоты, равные суммам и разностям исходных частот. Разностные частоты имеют очень приличные амплитуды и являются консонирующими субтонами при игре квартами и квинтами. Воспроизвести их сможет только портальный суб, а динамику комбика с ними не справиться. Если под рукой нет порталов, подключите процессор в комбик басиста. Почувствуйте разницу. Долгое время занимаясь сервисом, я не могу не поделиться секретами надежного функционирования вашего оборудования. 1. Следуйте рекомендациям изготовителя. 2. В случае неисправности обращайтесь к мастеру, которому доверяете. 3. Если выступаете под фонограмму и бегаете при этом по сцене, не используйте один и тот же кабель на пару с басистом.