У задачі одержання необхідних звучань електромузичніх інструментів (ЕМІ) найважливіше місце займають електронні системі обробки сигналів, отриманих з первинних датчиків інструмента. Такими датчиками можуть бути мікрофони, які перетворюють енергію коливань воздуха в електричній сигнал, електромагнітні датчики, що сприймають коливання струн з феромагнітного матеріалу, п'єзодатчики, що реагуют на коливання корпусу (деки) інструменту та ін. Обладнання, розглянуте в даній роботі, орієнтоване в першу чергу на роботу разом із традиційними електрогітарами з електромігнітними датчиками, однак можуть бути використані з іншими ЕМІ.
Серед надзвичайно численного сімейства електронних систем обробки сигналів електрогітар найпоширенішим є обладнання, що здійснює амплітудне обмеження сигналу. Дана функція реалізується декількома типами приладів, основними з яких є «Фаз», «Дісторшн», «Овердрайв» від англ. «Fuzz», «Distortion», «Overdrive», а також попередні підсилювачі й підсилювачі потужності, що працюють по тем або іншим причинам в режимі нелінійного підсилення. Принципової різниці між віщезгаданними типами систем не існує, різниця полягає в типах частотної коррекції каскадів, особливостях нелінійних ділянок прохідних характеристик і т.д. Усі типи приладів можуть бути об'єднані в одну категорію й класификовані як «драйви», від англ. «Drive».
Спільна для всіх типів особливість - аамплітудне обмеження сигналу, який поступає від електромагнітного датчика електрошітарі, використовується для розширення спектра сигналу за допомогою привнесення в нього вищих, по відношенню до основних, гармонік. В сфері електромузичних інструментів розширення спектру в високочастотній области - традиційний засіб отримання нових звучань інструмента, збагачення первинного звучання потрібними обертонами. Обертонова різниця в звучанні інструментів, відмінності спектрального составу їх звучань і є та причина, завдяки якої скрипка у своєму звучанні не схожа на гітару, клавесин на фортепіано, хоча навіть механізм формування звука в цих інструментах схожий.
-
Дослідження спектрльного складу вихідних сигналів електронних систем обробки сигналів ЕМІ на вакуумних лампах і напівпровідникових елементах, виявлення характерних рис спектра приладів обох типів обох типів і характерних відмінностей між ними.
-
постановка вимог до розроблювальної системи на напівпровідниках з погляду перетворення спектра в ній;
-
аналіз схемотехніки обох типів приладів, виявлення причин, що обумовлюють відмінності в спектрі вихідних сигналів;
-
розробка схемотехніки нового типу електронних систем , що забезпечують спектральний склад вихідного сигналу, іентичний одержуваному за допомогою приладів на вакуумних лампах;
-
переведення конкретного лампового прилада на напівпровідникову елементну базу: розробка схеми напівпровідникової системи, що забезпечує спектральне перетворення, ідентичне одержуваному за допомогою лампових схем;
-
аналіз результатів за допомогою моделювання й/або макетування: порівняння характеристик синтезованого приладу з характеристиками лампового прототипу з погляду спектра їх вихідних сигналів.
Передбачувана наукова новизна
Різноманітність вироблених на сьогоднішній день драйвів різних типів на твердотільній елементній базі вкрай велике. Однак дотепер не припиняється випуск приладів на вакуумних лампах. Більше того, різними виробниками регулярно випускаються всі нові моделі на основі лампових каскадів. При цьому схемотехніка такого обладнання, як правило, не перетерплює серйозних змін у порівнянні з рішеннями, характерними, скажемо, для 60-х років.
Причина випуску лампової техніки полягає насамперед у тому, що якість перетворення спектра ЕМІ, забезпечувана більшістю існуючих систем на основі напівпровідників, на думку більшості користувачів помітно уступає якості, яку дає класичне обладнання на вакуумних елементах. Причина цього, мабудь, полягає у неідентичності спектрального складусигналів, одержуваних за допомогою обладнання обох типів.
Загальна ціль роботи полягає в находженні рішення, яке дозволить одержати на твердотільній елементній базі якість обробки, порівнянну з тою, яку забезпечують системи на електронних лампах. На сьогоднішній день не існує широко відомих промислово віроблених систем, у яких дана проблема була б вирішена. Її розв'язок дозволить перевести системи обробки сигналів ЕМІ на якісно новий рівень: поєднати високу якість обробки сигналів з перевагами твердотільної елементної бази, зокрема, малими масогабаритними показниками, малим енергоспоживанням, вісокою надійністю.
Аналіз існуючих рішень
Амплитудно обмеження може проводитися як чисто аналоговими засобами, так і за допомогою цифрових пристроїв обробки інформації. Аналіз цифрових прототипів утруднений внаслідок їхньої складності, відсутності докладної інформації про них і недоцільний внаслідок невисокої якості більшості цифрових систем обробки. Тому в цьому випадку розглядаються виключно аналогові прототипи. Анімована функціональна схема типової електронної системи обробки сигналів ЕМІ, що реалізує операцію амплітудного обмеження, показана на рис.1. На цьому рисунку: 1 - струна; 2 - електромагнітний датчик; 3 - попередній підсилювач з частотною корекцією, 4 - обмежувач, 5 - підсилювач потужності, 6 - акустична система.
Рисунок 1 - Анімована функціональна схема системы амплітудного обмеження сигналів ЕМІ
Кількість кадрів - 5; кількість циклів повторення - нескінченно; обсяг - 28кБ
Прототип на електронних лампах
Схема прототипа на электронних лампах приведена на рис.2. У якості прототипу взят підсилювач Marshall JCM800, призначений для використання разом з електрогітарами. На схемі не приведені каскади підсилювача потужності, бо зміни спектрального составу проходять, більшою частиною, в попередньому підсилювачі.
Рисунок 2 - Принципова схема попереднього підсилювача Marshall JCM800
В підсилювачі JCM800 виконується попереднє підсилення складного вхідного сигналу, який поступає від електромагнітних датчиків електрогітарі. Обмеження сигналу виконується, насамперед, другим і третім тріодами. На рис.3 показан спектр вихідного сигналу підсилювача для випадку моногармонічного сигналу на вході з частотою 1кГц.
Рисунок 3 - Спектр вихідного сигналу підсилювача
При суб'єктивній оцінці на слух більшістю користувачів в усьому світі якість звучання системи на електронних лампах із схемотехнікою, аналогічною схемотехніці підсилювача JCM800, називається найкращою. Інакше кажучи, лампові засоби амплітудного обмеження формують найкращий спектр вихідного сигналу, з найбільш приємним для для людського слуху обертонічним складом. Недоліки лампового прототипу характерні для всієї лампової електроніки в цілому. До них належать великі габарити і маса лампового обладнання, його висока вартість, невеликий термін служби електронних ламп, висока сприйнятливість до електромагнітних, механічним і акустичним впливам, наявність у вузлах схеми високих напруг, небезпечних для людини.
Прототип на напівпровідникових элементах
У якості напівпровідникового прототипу був обраній пристрій тієї ж фірми - Marshall Shredmaster, оскільки цій прилад позиціонується фірмой, як дешева альтернатива біль дорогим ламповим системам, зокрема, JCM800. Схема Shredmaster наведена на рис.4.
Рисунок 4 - Принципова схема системи Marshall Shredmaster
Загальна структура схеми подібна структурі схеми лампового прототипу. Але обмеження сигналу здійснюється не каскадом на вакуумному тріоді, а паралельним діодним обмежувачем на кремнієвих діодах. Загальний вигляд осцилограми напруги на віході діодного обмежувача при моногармонічному вхідному сигналі наведений на рис.5. Загальний вигляд спектру вихідного сигнала системи з паралельним діодним обмежувачем приведений на рис.6.
Рисунок 5 - Осциллограма напруг на вході та після обмежувача
Рисунок 6 - Спектр сигналу після симетричного обмежування кремнієвими діодами
Marshall ShredMaster позбавлений усіх основних недоліків систем на електронних лампах: ShredMaster вкрай малі масу і габарити, набагато меньшу вартість, тривалий термін служби, малочутлив до електромагнітних поміх, живлеться від джерела напругою 9В. При оцінці на слух більшістю користувачів якість звучання розглянутого прототипу при використанні разом з електрогітарою характеризується як більш низьке у порівнянні з ламповими схемами. Інакше кажучі, обертонічний склад звучення спектр вихідного сигналу незадовільні в порівнянні із забезпечуваним ламповими системами. З порівняння спектрограм можна зробити висновок, що що основною причиною незадовільного звучання напівпровідникового прототипу є явна відмінність від лампового зразка в спектральному складі вихідного сигналу: напівпровідниковий прототип виключно непарними гармоніками,
які, починаючи з 7-ї, утворюють дисонуючі (які звучать грубо, негармонічно з точки зору музичної теорії) співзвуччя з основною гармонікою й один з одним (крім октавних).
Плануємий та вже отриманий результат
Під час виконання кваліфікаційної роботи магістра передбачається провести повноцінне дослідженні обох прототипів: розробка математичної моделі лампового каскаду в нелінійному режимі роботи та її перевірка в ході експериментальних досліджень, експериментальне дослідження амплітудночастотних характеристик активних каскадів і пасивних ланцюгів частотної корекції. На базе собранных результатов должны быть сформулированы требования к устройству на твердотельной элементной базе, позволяющие получить идентичное нелинейное преобразование (ограничение) сигнала и, в конечном счёте, спектральный состав выходного сигнала, качественно соответствующий получаемому при помощи ламповых систем. На базі зібраних результатів повинні бути сформульовані вимоги до обладнання на твердотільній елементній базі, що дозволять отримати ідентичне нелінійне перетворення (обмеження) сигналу і спектральний склад вихідного сигналу, що якісно відповідає одержуваному за допомогою лампових систем.
На квітень 2009р. у якості засобу досліджень була розроблена й зібрана унікальна установка автоматичного одержання частотних характеристик лінійних чотириполюсників на основі интезатора із прямим цифровим синтезом частоти, описана в [1]. Дослідження прототипів за допомогою даної установки дозволить скоротити час досліджень прототипів і підвищити вірогідність результатів. На даний момент проводиться інформаційний пошук по темі, зокрема, пошук патентів, що ілюструють спроби вирішити проблему в більш раній час.
Завершення роботи та її захист заплановано на грудень 2009р.
Перелік джерел
1. Кузнецов Д., Ровняков О. Анализатор частотных характеристик линейных четырехполюсников на основе синтезатора с прямым цифровым синтезом частоты. Донецк, 2009.
2. Кемпф В. Полевые транзисторы в устройствах «Distortion». www.rusblues.ru
3. Кемпф В. ПТ эмуляция триодного ограничения. www.rusblues.ru
4. Eric K. Pritchard. The Prejudice Against Solid State and Pritchard Amps. www.pritchardamps.com
5. Арзуманов С. Электронная обработка гитарного сигнала, Часть 1. Электрогитара www.guitar.ru
6. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. М. «Радио и Связь», 1983.
7. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. М. «Мир», 1991.
8. Сато Ю. Обработка сигналов. Первое знакомство. М. «Додека», 2009.
9. Кинг Г. Руководство по звукотехнике. Ленинград, «Энергия», 1980.
10. Eric K. Pritchard. The Tube Sound and Tube Emulators. dB Magazine, July/August 1994.
