Якщо вам потрібна компетентна і глибока інформація про звукознімачах - зверніться до німецькому експерту в області гітарної електроніки Гельмуту Лемме. Він написав книгу про гітарної електроніці, і в цій статті поділиться з нами деякими знаннями в цій області.
Звучання гітари і бас-гітари в великій мірі залежить від звукознімачів. Між музикантами ведуться нескінченні дискусії з приводу достоїнств і недоліків тих чи інших моделей, і тим, хто не розбирається в електроніці, ця тема може здатися дуже складною. Однак, з точки зору електрофізики пристрій звукознімача цілком доступно для розуміння, і в цій статті розглядається зв'язок між електричними характеристиками і звучанням.
На жаль, багато виробників звукознімачів призводять про свою продукцію свідомо невірну інформацію щоб заробити побільше грошей і завдати неприємностей конкурентам. Тому багато даних буде потрібно відкоригувати. Що до мене, то я не пов'язаний ні з якою компанією.
Існують два основних види звукознімачів: магнітні і п'єзоелектричні. Останні працюють зі струнами будь-якого типу (сталевими, нейлоновими або жильними). Магнітні звукознімачі працюють тільки зі струнами зі сталі і складаються з магнітів і котушок. Однокатушечний датчики чутливі до магнітних полів, створюваних трансформаторами, лампами денного світла та іншими джерелами перешкод, що призводить до виникнення сторонніх шумів. У двухкатушечних датчиках (хамбакерами) використовуються дві котушки, підключені спеціально так, щоб ці шуми зводити до мінімуму. Оскільки котушки електрично знаходяться в протифазі, то синфазних сигнали (ті, які наводяться в обох котушках з однаковою амплітудою) взаімовичітаются.
Розташування магнітів в датчиках буває різним. У деяких типах магніти у формі бруска або циліндра вставлені прямо в котушку. В інших типах магніти знаходяться під котушками, а в котушках знаходяться сердечники з м'якого заліза. У багатьох випадках ці сердечники мають різьблення, завдяки чому можна компенсувати різницю в рівнях висоти струн. На деяких датчиках є металеві кришки для екранування і захисту котушок; на інших є пластмасове покриття, яке не забезпечує екранування; а бувають і такі датчики, де провід захищений тільки ізоляційною стрічкою.
Магнітне поле проходить через котушки і струни. Коли струни знаходяться в спокої, потік магнітного поля, що проходить через котушки, постійний. Коли струна коливається, потік змінюється, через що в котушці створюється напруга. Коливається струна створює змінний струм, який має ту ж частоту, з якою вібрує струна, і напруга пропорційно швидкості коливання струни (а не амплітуді). Крім того, напруга залежить від товщини і провідникових властивостей струни, від магнітного поля і від відстані між магнітним полюсом і струною.
На ринку існує стільки звукознімачів, що отримати повний огляд вкрай важко. Крім датчиків, які поставляються з інструментами, існують так звані "змінні" датчики, часто вироблені фірмами, які спеціалізуються тільки на датчиках, а не на гітарах. У кожного датчика є свій звук: у одного він може бути пронизливий, металевий, а в іншого - теплий, м'який. Але, висловлюючись коректно, у звукознімача немає звуку, а є тільки характеристика передачі. Датчики лише знімають звуковий матеріал, що отримується від струн, і змінюють його кожен по своєму. Наприклад, встановіть один і той же Gibson'oвскій датчик на моделі Les Paul і Super 400 CES - ви почуєте абсолютно різний звук. Але навіть найкращий звукознімач не зможе нам допомогти, якщо у гітари поганий корпус і погані струни. Основне правило: сміття на вході - сміття на виході!
Змінні звукознімачі дозволяють гітаристу отримати новий звук, не купуючи при цьому новий інструмент (проте, звичайно ж, перебуваючи в рамках властивостей корпусу і струн). Різні датчики мають також різний вихідна напруга. Моделі з високою напругою дозволяють легко перевантажувати підсилювач, домагаючись спотвореного звуку, а моделі з низьким - дають звук чистіший. Вихідна напруга більшості звукознімачів знаходиться в межах від 100 мВ до 1В ефективного значення.
На відміну від передавачів з рухомими частинами (мікрофонів, динаміків і і т.д.), магнітні звукознімачі не мають рухомих частин: напрямок магнітного поля змінюється, але воно не має маси. Тому оцінити звукознімач легше, ніж оцінити будь-якої іншої передавач. Хоча частотні характеристики практично всіх існуючих магнітних датчиків нелінійні (завдяки чому і існують різні звучання), в них все ж не так багато різких підйомів і провалів, як, скажімо, у динаміка. Частотна характеристика звукознімача в багатьох випадках досить проста, щоб описати її математичною формулою.
Звукознімач як ланцюг
З точки зору схемотехніки, магнітний звукознімач відповідає ланцюга, показаної на рис.1.
Котушку звукознімача можна описати як ідеальну котушку з індуктивністю L в послідовному підключенні до опору R і в паралельному підключенні до конденсатору C. Найважливішим якістю є індуктивність, яка залежить від кількості витків, від магнітного матеріалу котушки і її геометрії. Опір і ємність не роблять особливого впливу і ними можна знехтувати. Коли струни коливаються, в котушці виникає напруга змінного струму. Тому датчик діє як джерело змінного струму з електричними компонентами (рис.2).
Зовнішня навантаження складається з опору (потенціометри гучності і тембру і будь-який опір заземлення на вході підсилювача) і конденсатора (через ємності між провідником і екранує опліткою в гітарному кабелі). Ємність кабелю грає чималу роль і нею не можна нехтувати. Ці пасивні компоненти утворюють так званий фільтр високих частот другого порядку (рис.3).
Таким чином, як будь-який інший подібний фільтр, цей володіє частотою зрізу fg; на цій частоті амплітуда падає на -3дБ (тобто, наполовину). Після fg відбувається спад 12 дБ на октаву, а до fg звук не змінюється ніяк. Спаду на низьких частотах не спостерігається, однак, трохи нижче fg існує електричний резонанс між індуктивністю котушки і ємністю кабелю. На цій частоті, званої fmax, спостерігається пік амплітуди. Пасивний фільтр ВЧ виступає тут в ролі підсилювача напруги (але не підсилювача потужності, так як вихідний опір відповідно підвищується). На рис.4 вказано типовий контур частотної характеристики звукознімача.
Якщо ми знаємо резонансну частоту і висоту резонансного піку, можна сказати, що нам відомо 90% інформації про передавальних характеристиках датчика; ці два параметри є свого роду ключем до "секрету" звуку датчика (в рамках даної моделі не можна описати деякі інші властивості, але їх значення набагато менше).
Все це означає, що обертони в області резонансної частоти посилюються, за цією частотою зменшуються, а основна вібрація і обертони до резонансної частоти воспроіводятся без змін.
Резонансна частота залежить як від індуктивності L (в більшості звукознімачів - від 1 до 10 Генрі), так і від ємності С. С - це сума ємностей котушки (зазвичай близько 80 - 200 пФ) і кабелю (близько 500 - 1000 пФ). Оскільки різні кабелі мають різну ємність, зрозуміло що резонансна частота буде змінюватися також залежно від кабелю, а разом з нею і загальний звук.
Зміна характеристик звукознімача
Відносно звукознімачів існує три різних способи змінити звук гітари:
1. Поставити нові звукознімачі. Це найпоширеніший, але і найдорожчий спосіб.
2. Змінити розпаювання котушок в існуючому звукознімачі. Це можна зробити практично з усіма хамбакерами. Зазвичай обидві котушки підключені послідовно. Якщо підключити їх паралельно, індуктивність знизиться на чверть, а резонансна частота (при інших рівних) подвоїться. Використання в хамбакерами тільки однієї котушки знизить індуктивність вдвічі, а резонансна частота збільшиться на квадратний корінь з двох (приблизно 1,4). В обох випадках звук стане більш високим. На багатьох хамбаккерах є чотири вихідних дроти (по два на кожну котушку), щоб можна було пробувати різні комбінації, не вдаючись до розкриття звукознімача. На деяких Однокатушечний датчиках для забезпечення подібної гнучкості настройки є відгалуження від котушки.
3. Зміна зовнішнього навантаження. Цей метод, незважаючи на дешевизну, може виявитися дуже ефективним. Лише трохи витратившись на електродеталі, можна регулювати звук в широких межах. Стандартні регулятори тембру знижують резонансну частоту завдяки паралельному підключенню конденсатора до звукознімачу (зазвичай використовуючи для управління змінний резистор). Тому одним із способів зміни звуку є заміна звичайного регулятора тембру поворотним перемикачем, який підключає до датчика конденсатори різної ємності (рекомендується від 470 пФ до 10 нФ). Це дасть набагато більшу різноманітність звуків, ніж звичайний регулятор тембру (рис. 5).
Крім того, додавання додаткового буферного підсилювача може запобігти впливу на датчик ємності кабелю, забезпечуючи більш яскравий і гучний звук.
У нижчеприведений таблиці вказані електротехнічні характеристики деяких відомих моделей звукознімачів. Слід враховувати, що звукознімачі не є точними приладами, особливо старі датчики (наприклад, звукознімачі Fender і Gibson, випущені в 50-х роках), які різняться настільки, що два датчика однієї і тієї ж моделі можуть звучати по-різному. Тому значення резонансної частоти на таблиці округлені до 100 Гц. Слід також звернути увагу на те, що нижче 1000 Гц піки стають менш високими і більш широкими. Оскільки висота резонансного піку залежить від опору зовнішнього навантаження (потенціометр гучності, потенціометр тембру і вхідна напруга підсилювача), зниження цього навантаження (наприклад, підключенням резисторів паралельно до датчика) знижує висоту піку. Для збільшення висоти піку слід збільшити опір навантаження. У більшості випадків це можливо тільки шляхом установки в гітару передпідсилювача високого опору.
Резонансні частоти деяких відомих моделей звукознімачів з використанням різних додаткових конденсаторів.
Вимірювання частотної характеристики.
Щоб точно виміряти частотну характеристику датчика, теоретично важливо виміряти вібрацію струни і порівняти її з вихідною напругою на кожній частоті. Здійснити це на практиці дуже важко. В якості альтернативи пропонується помістити звукознімач в зовнішнє магнітне поле, створюване передавальної котушкою. Потік заряджених частинок змінює напрямок, створюючи напруження в датчику. Ця напруга прямо пропорційно змінам магнітного поля в одиницю часу, а збудливий струм, що проходить через котушку, повинен бути обернено пропорційна частоті.
Синусоїдна напруга проходить в ланцюг інтегратора, виробляючи вихідна напруга, назад пропорційну частоті. Цей сигнал потім надходить в підсилювач, а потім на передавальну котушку, яка подвоює сигнал і передає його в датчик. Котушка ця може складатися з 50 витків емальованих мідного дроту (діаметром близько 0,5 мм). Точна кількість витків не має великого значення. Котушка встановлюється у звукознімача так, щоб випромінювати в нього якомога більшу частину свого магнітного поля. Якщо ми перевіряємо Однокатушечний звукознімач, то магнітні осі повинні бути паралельні, якщо хамбаккер - то перпендикулярні.
Щоб з'ясувати частотну характеристику, подавайте синусоїди з частотами в межах від 100 до 10кГц і вимірюйте вихідна напруга звукознімача широкосмуговим мультиметром або осцилографом. Абсолютні значення не важливі: найголовніше - це положення резонансного піку над загальною амплітудою низьких частот. Таким же чином легко визначити вплив на звук різних ємностей (наприклад, шнурів) і резисторів. Одне з головних достоїнств цього способу в тому, що не потрібно змінювати пристрій гітари або витягувати з неї звукосниматели.
Отриманий результат по-справжньому точний тільки при перевірці Однокатушечний датчиків. Справа в тому, що в хамбакерами звук знімається зі струни відразу в двох точках. Високі обертони, де на одному полюсі однієї і тієї ж хвилі виявляється пік, а на іншому провал, можуть частково взаімовичітаться. В результаті піки знаходяться на різних частотах для кожної струни. Наприклад, при стандартному розмірі хамбаккера, для шостої струни пік знаходиться на частоті 3000 Гц, а для п'ятої - на 4000 Гц. Для високих же струн цей пік знаходиться за межею частоти зрізу і його майже не чути.
Різниця між звучанням однієї котушки і двох часто переоцінюється. Головна причина більшої кількості високих частот при одній котушці в тому, що резонансна частота підвищується в результаті зменшення індуктивності вдвічі. Впливає і те, що звук зі струни знімається тільки в одній точці, але цей вплив набагато менше.
Даний метод вимірювання також не враховує нелінійних спотворень датчика, які також впливають на звук. Але тим не менш, перевірка звукознімача даними чином дає корисну інформацію про його характеристики. Знаючи її, можна визначити, які звуки підходять Вам найбільше, і змінити частотну характеристику за допомогою зовнішніх конденсаторів і резисторів, налаштовуючи звукознімач на свій смак (а також в найкращому відповідно до корпусом і струнами).
