В задаче получения необходимых звучаний электромузыкальных инструментов (ЭМИ) важнейшее место занимают электронные системы обработки сигналов, получаемых с первичных датчиков инструмента. Такими датчиками могут быть микрофоны, преобразующие энергию колебаний воздуха в электрический сигнал, электромагнитные датчики, воспринимающие колебания струн из ферромагнитного материала, пьезодатчики, реагирующие на колебания корпуса (деки) инструмента и т.д. Устройства, рассматриваемые в данной работе, ориентированы в первую очередь на работу совместно с традиционными электрогитарами с электромагнитными датчиками, однако могут быть использованы и с другими ЭМИ.
Среди чрезвычайно многочисленного семейства электронных систем обработки сигналов электрогитар наиболее распространёнными являются устройства, осуществляющие амплитудное ограничение исходного сигнала. Данная функция реализуется несколькими типами устройств, основными из которых являются «Фаз», «Дисторшн», «Овердрайв» от англ. «Fuzz», «Distortion», «Overdrive», а также предусилители и усилители мощности, работающие по тем или иным причинам в режиме нелинейного усиления. Принципиальных отличий между вышеназванными типами средств амплитудного ограничения нет, отличия заключаются, в основном, в типах частотной коррекции каскадов, особенностях нелинейных участков проходных характеристик устройств и т.д. Все вышеназванные устройства могут быть объединены в одну категорию и классифицированы как «драйвы», от англ. «Drive».
Общая для всех типов особенность - амплитудное ограничение сигнала, поступающего от электромагнитного датчика электрогитары, используется для расширения исходного спектра сигнала посредством привнесения в него высших, по отношению, к основным, гармоник. В сфере электромузыкальных инструментов расширение спектра в высокочастотной области - традиционный способ получения новых звучаний инструмента, обогащения исходного звучания нужными обертонами. Обертоновое различие в звуке инструментов, т.е. отличия в спектральном составе их звучания и есть причина, по которой скрипка своим звучанием не похожа на гитару, клавесин на фортепиано, хотя даже механизм формирования звука в этих инструментах сходен.
-
Исследование спектрального состава выходных сигналов электронных систем обработки сигналов ЭМИ на вакуумных лампах и полупроводниковых элементах, выявление характерных особенностей спектра устройств обоих типов и характерных отличий между ними.
-
постановка требований к разрабатываемой системе на полупроводниках с точки зрения преобразования спектра в ней;
-
анализ схемотехники обоих типов устройств, выявление причин, обуславливающих отличия в спектре выходных сигналов;
-
разработка схемотехники нового типа твердотельных систем, обеспечивающих спектральный состав выходного сигнала, идентичный получаемому с помощью устройств на вакуумных лампах;
-
«перевод» конкретного лампового УПС на полупроводниковую элементную базу: разработка схемы полупроводниковой системы, обеспечивающей спектральное преобразование, идентичное получаемому посредством ламповых схем;
-
анализ результатов посредством моделирования и/или макетирования: сравнение характеристик синтезированного устройства с характеристиками лампового прототипа с точки зрения спектра их выходных сигналов.
Предполагаемая научная новизна
Разнообразие производимых на сегодняшний день драйвов различных типов на твердотельной элементной базе крайне велико. Однако до сих пор не прекращается выпуск устройств на вакуумных лампах. Более того, различными производителями регулярно выпускаются всё новые модели на основе ламповых каскадов. При этом схемотехника таких устройств, как правило, не претерпевает серьёзных изменений по сравнению с традиционными решениями, характерными, скажем, для 60-х годов.
Причина непрекращающегося выпуска ламповой техники заключается прежде всего в том, что качество преобразования спектра ЭМИ, обеспечиваемое большинством существующих систем на полупроводниках по мнению большинства пользователей заметно уступает качеству, обеспечиваемому классическими устройствами на вакуумных приборах. Причина этого, очевидно, заключается неидентичности спектрального состава сигналов, получаемого посредством устройств обоих типов.
Общая цель работы заключается в нахождении решения, позволяющего получить на твердотельной элементной базе качество обработки сигналов, сопоставимое с тем, которое обеспечивают схемы на электронных лампах. На сегодняшний день не существует широко известных промышленно производимых твердотельных систем, в которых данная проблема была бы решена. Её решение позволит перевести системы обработки сигналов ЭМИ на качественно новый уровень: соединить высокое качество обработки сигнала с преимуществами твердотельной элементной базы, в частности, малыми массогабаритными показателями, малым энергопотреблением, высокой надёжностью.
Анализ существующих решений
Амплитудное ограничение может производиться как чисто аналоговыми устройствами, так и посредством цифровых средств обработки информации. Анализ цифровых прототипов затруднён вследствие их сложности, отсутствии подробной информации о них и нецелесообразен вследствие невысокого качества большинства цифровых систем обработки. Поэтому в данном случае рассматриваюстя исключительно аналоговые прототипы. Анимированная функциональная схема типичной электронной системы обработки сигналов ЭМИ, реализующей операцию амплитудного ограничения, показана на рис.1.
Рисунок 1 - Анимированная функциональная схема системы амплитудного ограничения сигналов ЭМИ
Количество кадров - 5; количество циклов повторения - бесконечно; объём - 28кБ
Прототип на электронных лампах
Схема прототипа на электронных лампах приведена на рис.2. В качестве прототипа взят усилитель Marshall JCM800, предназначенный для использования совместно с электрогитарами. На схеме не показаны каскады усилителя мощности, т.к. изменение спектрального состава происходит, в основном, в предварительном усилителе.
Рисунок 2 - Принципиальная схема предусилителя Marshall JCM800
В уситилетеле JCM800 осуществляется предварительное усиление сложного входного сигнала, поступающего от электромагнитных датчиков электрогитары. Ограничение сигнала осуществляется, в основном, вторым и третьим триодами. На рис.3 показан спектр выходного сигнала усилителя для случая моногармонического сигнала на входе с часторой 1кГц.
Рисунок 3 - Спектр выходного сигнала усилителя
При субъективной оценке на слух большинством пользователей во всём мире качество звучания системы на электронных лампах со схемотехникой, аналогичной схемотехнике усилителя JCM800, называется наилучшим. Иначе говоря, ламповые средства амплитудного ограничения формируют наилучший спектр выходного сигнала, с наиболее приятным для для человеческого слуха обертоническим составом. Недостатки лампового прототипа характерны для всей ламповой электроники в целом. К их числу относятся большие габариты и масса ламповых устройств, их высокая стоимость, небольшой срок службы электронных ламп, высокая восприимчивость к электромагнитным, механическим и акустическим воздействиям, наличие в узлах схемы высоких напряжений, опасных для человека.
Прототип на полупроводниковых элементах
В качестве полупроводникового прототипа был выбран прибор той же фирмы - устройство Marshall Shredmaster, поскольку данный прибор позиционируется фирмой, как дешёвая альтернатива более дорогим ламповым системам, в частности, JCM800. Схема Shredmaster приведена на рис.4.
Рисунок 4 - Принципиальная схема устройства Marshall Shredmaster
Общая структура схемы подобна схеме лампового прототипа. Однако ограничение сигнала осуществляется не каскадом на вакуумном триоде, а параллельным диодным ограничителем на кремниевых диодах. Общий вид осциллограммы напряжения на выходе диодного ограничителя при моногармоническом входном сигнале показан на рис.5. Общий вид спектра выходного сигнала системы с параллельным диодным ограничителем показан на рис.6.
Рисунок 5 - Осциллограмма напряжений на входе и после ограничителя
Рисунок 6 - Спектр сигнала после симметричного ограничения кремниевыми диодами
Marshall ShredMaster лишён всех основных недостатков систем на электронных лампах: ShredMaster имеет крайне малые массу и габариты, гораздо более низкую стоимость, длительный срок службы, слабовосприимчив к электромагнитным помехам, питается от источника напряжем 9В. При оценке на слух большинством пользователей качество звучания рассматриваемого прототипа при использовании совместно с электрогитарой характеризуется как гораздо более низкое, в сравнении с ламповыми системами. Иначе говоря, обертонический состав звучания, спектр выходного сигнала неудовлетворительны в сравнении с обеспечиваемым ламповыми системами. Из сравнения спектрограмм можно сделать вывод, что основной причиной неудовлетворительного звучания полупроводникового прототипа является явное отличие от лампового образца в спектральном составе выходного сигнала: полупроводниковый прототип обогащает сигнал исключительно нечётными гармониками, которые, начиная с 7-й, образуют диссонирующие (звучащие «грубо», «негармонично» с точки зрения музыкальной теории) созвучия с основной гармоникой и друг с другом (кроме октавных).
Планируемый и уже полученный результат
В ходе выполнения квалификационной работы магистра предполагается провести полноценное исследование обоих прототипов: разработка математической модели лампового каскада в нелинейном режиме работы и её проверка в ходе экспериментальных исследований, экспериментальное получение амплитудночастотных характеристик активных каскадов и пассивных цепей частотной коррекции. 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 основании сформулированных требований будет разработана структурная схема нового устройства на полупроводниковой элементной базе и схемотехника блоков.
На апрель 2009г. в качестве средства исследований была разработана и собрана уникальная установка автоматического получения частотных характеристик линейных четырёхполюсников на основе синтезатора с прямым цифровым синтезом частоты, описанная в [1]. Исследование прототипов при помощи данной установки позволит сократить время исследований прототипов и повысить достоверность результатов. На данный момент производится информационный поиск по теме, в частности, поиск патентов, иллюстрирующих попытки решить проблему в более раннее время.
Завершение работы и её защита запланированы на декабрь 2009г.
Перечень источников
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.
