Эффект «дисторшн» для электрогитары

Часть 1. Сборка эффекта «дисторшн» и его краткий тест-драйв
«Дисторшн» этот я сделал от скуки, мне было натурально нечего делать вечером, страшно хотелось собрать какую-то новую схему. Вот я и набрал в поисковике «дисторшн на транзисторах». В моих планах не было сборки устройства на микросхемах (потому что за ними сначала нужно погоняться по магазинам), равно как и не планировал я очень сложную схему с полной горстью одних только транзисторов.
Поэтому выбрал такой вариант, чтобы успеть собрать его за вечер практически из подножного мусора (даже один «электролит» пришлось брать «паянину», то есть не новый, вытащенный откуда-то):
Distortion
В нарисованной схеме используются транзисторы p-n-p-проводимости, поэтому на «массе» сидит «плюс». У меня же была коробка любимых и обожаемых КТ315Б n-p-n-проводимости. Поэтому в моей версии схемы пришлось инвертировать полярность включения батарейки «Крона» и электролитических конденсаторов. Транзисторы по рекомендации собиравших схему пришлось подбирать с максимальным коэффициентом усиления (h21), более 200 единиц (благо, мне было, из чего выбирать). Делается это при наличии мультиметра так: для начала выясняется тип и цоколевка транзистора (соответствие эмиттера, коллектора и базы выводам), потом включается режим «hFE», а транзистор устанавливается в соответствующие гнезда.
DSCN4937
Иногда бывает необходимо покачать его, или прижать пальцем, или вставлять проволочки, чтобы на дисплее появился результат.
DSCN4938 DSCN4939
Первый транзистор нам подходит, второй оставим для схем попроще. По слухам, можно применять КТ3102, КТ3107 (более современные аналоги КТ315). Да и вообще, я думаю, любые маломощные (а если они еще и малошумящие!) транзисторы, лишь бы h21 был больше 150 (мое мнение).
Диоды ставятся любые, главное — одинаковые. В моем варианте — Д18.
Потенциометр регулирует уровень выходного сигнала, уже искаженного в соответствии с работой дисторшена. Отдельной регулировки силы эффекта, или «гейна» (если я правильно это называю), тут нет. В более продвинутых схемах, которые находятся на раз-два, с этим проблем никаких. Но так как, напомню еще раз, устройство я собирал от скуки, чтобы чем-то занять руки, чтобы разнообразить звук гитары на домашних поигрульках, то мне его хватает вполне, и для меня не вопрос чуть уменьшить уровень сигнала на выходе самой гитары, чтобы не так сильно жужжал эффект. Тем более, что вся моя музыка либо усиливается одним из «ВЭФов» (который, выкрученный на максимальную громкость, тоже ведет себя как исказитель сигнала), либо пишется «в линию», то есть гитара подключается в линейный вход компьютера и общается с программой Audacity. Ну, нет у меня пока тяги к ламповым комбикам и большой сцене, а для домашних записей и тренировок такое оборудование — самое оно. Опять же, бесценный практикум по пайке и схемотехнике.
Оконечная цепочка из конденсаторов и резисторов — фильтр. Чересчур отступать от указанных номиналов, пожалуй, не стоит, чтобы не испортить звук. Было бы время — я бы «поигрался» со значениями, но, право, так неохота распаивать уже готовое устройство…
DSCN3706
В собранной мною схеме задействованы два тумблера: один включает-выключает устройство, другой управляет режимами «Active-Bypass», то есть в первом случае звук проходит через все элементы схемы, а во втором — обходит их по отдельной дорожке. Это позволяет быстро переходить с чистого звука на дисторшн и обратно, не проводя манипуляций с кабелями. Включенное состояние обоих тумблеров отмечено краской, нанесенной в углубление на корпусе. Однако после того, как однажды устройство осталось на неделю включенным и забытым (батарейка, естественно, разрядилась, а «похитителя» я еще не собрал), в схему был добавлен индикаторный светодиод. Не стоит увлекаться, пытаясь завести его в режим 20 миллиампер, все-таки питание батарейное. Для трехмиллиметрового зеленого достаточно и 4,7 мА (ограничивается резистором 1,5 кОм). Общее потребление устройства — ок. 12 мА, на уровне фабричных устройств. Критический для «Кроны» ток разряда — 20 мА. Впрочем, никто не мешает устроить питание от самодельного БП, лишь бы он не фонил пятидесяти- или стогерцовой наводкой.
DSCN3710 DSCN3711 0_10d8be_a04e2114_orig DSCN3730
Тут запечатлен еще промежуточный вариант.
DSCN4934 DSCN4935
Этот более стабильный, и, надеюсь, окончательный.

Как это работает? Как и любое устройство, полностью собранное своими руками из всякого хлама и еще не сравненное с фабричным конкурентом. То есть — круто и бесподобно, о, да, я надеваю свой плащ и волшебную шляпу, детка, спустись же со мной по «Тоннелю любви»!

Часть 2. О том, почему работает дисторшн, откуда появляется жужжащий звук, как увлекательна наука радиотехника и так далее… Читать с осторожностью, потому что матан на матане сидит и матаном погоняет, хотя ни одной формулы в тексте нет
Начать, наверное, стоит с того, что звук — это механическое колебание в твердой, жидкой или газообразной среде. С помощью звукоснимателя или микрофона можно создать электрический сигнал, который будет изменять свои параметры (амплитуду, фазу или частоту) в соответствии со звуковым. Для примера — внешний вид и звучание синусоидальной волны частотой 1 кГц (это всем известный благодаря ток-шоу звук «пи»), сгенерированной в программе Audacity.
01

То, что мы видим на картинке, называется представлением сигнала во временнОй области. По горизонтальной оси X откладывается время в секундах, по вертикальной оси Y — «попугаи»: вольты, амперы, кулоны, фарады, децибелы или другие единицы измерения. Такой способ представления позволяет наглядно видеть форму сигнала, и если он гармонический (то есть изменяется по синусоидальному закону), то можно без труда определить его период и частоту.
А вот другой сигнал. Сверху — тот же 1 кГц, а вот масштаб чуть другой.
02

Какой-то периодический процесс виден, но по форме сигнала частоту уже не определишь, да и язык не повернется сказать, что эта кривуля — синусоидальный закон. Разве что как на популярных картинках — «синусоида здорового человека — синусоида курильщика». Что же делать?
В 1804 г. математик Жан Батист Фурье предложил раскладывать сложные функции времени (иными словами, сигналы, но только тогда еще не электрические и не акустические) в совокупность элементарных составляющих с разными частотами и амплитудами (на гармоники). Так производится переход от временнОго к частотному представлению сигнала. По оси Y все так же откладываются «попугаи», а по оси X — частоты. На графике же гармоники изображаются как вертикальные полоски, причем высота каждой соответствует амплитуде гармоники, а расстояние по оси X от нуля до места «произрастания» полоски — частоте. Сам график называется спектром, а переход от одного представления к другому — преобразованием Фурье.
Спектр
Очень хорошая картинка в тему. В красном прямоугольнике справа нарисовано временнОе представление сигнала, в синем слева — частотное. Цветные синусоиды посередине — как раз и есть гармоники. Смешиваясь между собой, они дают нам сигнал, изображенный на красном «экране». А вот если посмотреть этим гармоникам «в торец», то увидим мы уже картинку с «синего экрана». Проверим на наших примерах.
01_1
Спектр чистой синусоиды содержит единственную гармонику (Капитан Очевидность все-таки успел), поэтому на графике максимум находится на частоте, равной частоте самой синусоиды, и амплитуда у него такая же, как и у сигнала. А что внутри «синуса курильщика»?
02_1
О, да тут две гармоники! Одна на 200 Гц, вторая — на 750 Гц. С теми же амплитудами и частотами, что я сгенерировал!
В данном случае преобразование Фурье позволяет разложить сигнал на 4096 гармоник (видно в выпадающем меню «Размер»). Чем больше их брать — тем точнее будет анализ сложного сигнала.
Ну да ладно, это все присказка. Покинем лабораторные условия, где сигналы существуют лишь в пределах компьютера, и пустим их в большое путешествие по реальной цепи. Соберем схему «аудиовыход-кабель-дисторшн-кабель-линейный вход». В качестве тест-сигнала будет использоваться синусоида в 440 Гц — она соответсвует ноте «Ля» первой октавы (первая струна, пятый лад), которая, так уж исторически сложилось, является фундаментом всей гитарной музыки. Камертоны для настройки гитары, насколько мне известно, выпускаются именно дающими ноту «Ля», по которой потом настраивается весь инструмент.

Сначала пропустим эту волну в обход схемы, режим «Bypass».
04

На графике переданный сигнал вверху, принятый — внизу. У него меньше амплитуда и есть небольшой фазовый сдвиг (последнее, вероятно, оттого, что звуковая карта интегрированная в компьютер и очень простая). Синусоидальная форма, впрочем, от этого ничуть не изменилась.
03 A 04 A
Спектры. Слева — переданного сигнала, снизу — принятого. После прохождения через реальную цепь появились новые гармоники, хотя их амплитуда очень мала (масштаб по Y — логарифмический, в децибелах. Ввиду того, что я не математик, то сказать, во сколько раз различаются амплитуды основной гармоники и паразитных, я не смогу, знаю лишь, что их почти или совсем не слышно). 50 и 100 Гц — наводки от электрической сети, куда без них-то. Остальное — плоды индуктивности соединительных проводов, их антенного эффекта, шума квантования звуковой карты и так далее. Если эти всем пренебречь (а в радиотехнике очень часто приходится пренебрегать ничтожно малыми величинами), то можно сказать, что сигналы одинаковы. Разница в их амплитуде — неверно настроенная чувствительность линейного входа, и при желании можно добиться, чтобы входной сигнал был даже больше исходного выходного.
И все же мы не так уж и далеко отошли от лабораторных условий. Проведя аналогию — только вышли из кабинета и встали во дворе НИИ. А выйдем-ка за ворота! Подключим настоящую гитару и дадим на ней 440 Гц!
05_1

Во временнОй области можно даже определить частоту сигнала, так как период такой же, как и у тестового синуса, но смущает «шероховатость» поверхности… Что внутри?
05 А_1
Как и предполагалось, внутри мощная гармоника на частоте 441 Гц (мелкая погрешность настройки инструмента, на слух, пожалуй, неуловима; эта гармоника называется фундаментальной частотой и дает основной, самый низкий тон в звуке), а так же кратные ей частоты — 881 Гц (441*2=882-1 Гц — в звукорадиотехнике такие уравнения с вычитанием пары-тройки герц из правой части — обычное дело), 1322 Гц (-1 Гц от расчетных 441*3=1323 Гц) и так далее. Образуются эти гармоники из-за сложной природы струны как колеблющегося тела. Дело в том, что она колеблется не только своей полной длиной, давая звук в 440 Гц, но еще и частями: половинами, третями, четвертями, создавая, таким образом, призвуки, обертоны. Правда ведь, что чистый синус звучит беднее и более плоско, чем звук гитары? Вот это оно и есть. Плюс к тому же, у акустоэлектрической гитары (в моем случае) есть резонаторная полость, которая действует как фильтр и избирательно усиливает определенные частоты (вон, какая пятая гармоника высокая!). Разные струны (в смысле производителя) также звучат по-разному. Все это формирует тот самый тембр, индивидуальный «голос», который присущ каждой гитаре.
А теперь навалим дисторшена!
06

Звук выходит более резким, жужжащим. На картинке сигнал с дисторшеном — второй, по форме похож на прямоугольную волну-меандр. О том, что внутри, уже можно догадаться, но вот отчего сигнал оквадратился, перестал быть сам на себя похожим? Для этого придется немного вникнуть в историю появления эффекта «дисторшн» и работу усилителей.
Впервые подобный звук был получен, когда кто-то выкрутил свой усилитель звука для электрогитары на максимум. Сигнал на выходе активного элемента (тогда — радиолампы) имел очень большую амплитуду, однако при всем желании он не мог быть выше, чем максимально возможный (в транзисторных схемах — не выше напряжения питания, а в ламповых я не разбираюсь, но, думаю, принцип тот же). Поэтому на выходе перегруженного усилителя получалась такая оквадраченная картинка:
Dist
Серая синусоида — это «теоретическая» амплитуда сигнала, черный «почти меандр» — то, что в действительности имеется на выходе. Если бы сигнал усиливался линейно, как серая синусоида, то не было бы никаких перегрузок. Но при работе в режиме, близком к максимальной громкости усилителя, проявляются нелинейные свойства активного элемента, и часть сигнала усиливается линейно, а часть отсекается из-за того, что дальше уже просто некуда усиливать, нет запаса по напряжению, лампа (или транзистор) вошла, что называется, «в насыщение». То же самое проявляется и на моих «ВЭФах», если заставить их «кричать».
Однако таким способом можно добиться перегрузки лишь на большой громкости входного сигнала (по струнам надо лупашить со всей дури), тихие звуки проходили без искажений. Решение — отдельная коробочка-дисторшн, которая усиливает сигнал с гитары, искажая его, и затем только подает на усилитель. Искажать можно как уже известным методом ограничения по питанию активного элемента, так и с помощью диодов, включенных встречно-параллельно (данная схема). Попеременно то открываясь, то закрываясь в соответствии с полярностью сигнала, диоды оставляют от него почти меандр («оставляют» — не случайно, так как амплитуда сигнала уменьшается). Теперь уже можно и заглянуть внутрь него.
06 A dist
Поднявшийся уровень шума и лес гармоник. Если уделить немного времени и записать частоты и амплитуды каждой гармоники (пусть не всех 4096, а только пиков) на листочек, а потом сгенерировать все синусоиды в соответствии с этими параметрами, то на выходе получится очень похожий сигнал.
А вот для сравнения звучание и спектр настоящего меандра. У него развиты только нечетные гармоники.
07 07 square

Именно так, если не очень глубоко копать, и работает эффект «дисторшн». В бонусных кадрах я залез в него с осциллографом и снял немного осциллограмм и спектров. Сигнал все тот же — синус на 440 Гц.
DSCN4942
08_01_In
Сигнал на входе. Гармониками ниже -84 дБ можно пренебречь.
08_02_Before VD 08_03_After VD
Сигнал до (слева) и после диодного ограничителя, перед фильтром (справа). Искажение формы сигнала происходит еще и в каскадах усилителя.
08_04_Out
Сигнал на выходе, пропущенный через фильтр. Такая душка!
Ну, и все на сегодня.

Запись опубликована в рубрике Электроника, Handjob. Добавьте в закладки постоянную ссылку.

6 отзывов на “Эффект «дисторшн» для электрогитары

  1. А софтовые процы гитарные пробовали? У меня всё руки не дойдут шнурок сляпать к гитаре *стыдливо прячет глаза

    • huxfluxdeluxe:

      Да, баловался с Amplitube — самое оно для начинающего, ну, какие-то несерьезные треки записать с этими эффектами тоже можно.
      Через самоделку редко играю, она мне больше была нужна, чтобы пару-тройку вечеров занять. «Понедельник начинается в субботу» — все как по книге.

  2. Дмитрий:

    там где дистрошн пробы, звучала знакомая мелодия, это 3 дорожка. как оригинал называется?

  3. Виталий:

    А печатки к данной схеме нету случайно?

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s