Исследуем акустические свойства древесины, часть 3: прохождение сигнала через гитарный усилительный тракт

Привет, Хабр! Говорят, что дощечки из разных пород дерева могут звучать по-разному, но если пропустить этот сигнал через гитарный усилитель или его эмуляцию, особенно с перегрузом, вводящим усилительные каскады в режим нелинейных искажений и клиппинга, привнося, тем самым, новые гармоники, разница сгладится, и звуки станут неотличимыми один от другого.

Это мнение не лишено основания. Дело в том, что гитарный тракт содержит несколько фильтров с разными полосами пропускания: часто несколько регуляторов тембра, а в конце ещё гитарный динамик со специфической амплитудно-частотной характеристикой — АЧХ, также являющийся фильтром. Как и микрофон, снимающий с него сигнал.

Продолжаем серию опытов, начатую в первой и второй статьях. В качестве гитарного тракта воспользуемся гитарной педалью Ammoon American Sound. Это китайский клон Tech21 SansAmp Blonde, который имитирует нечто приближённое к усилителям Fender.

Схемотехника преампов (предусилителей) SansAmp и их многочисленных клонов давно уже не секрет, так что можно полюбоваться на принципиальную схему:

▍ Функциональные блоки устройства:

1. Стандартные схемы защиты от статических разрядов и перенапряжений по входу и выходу на двух диодах — на землю и плюс питания. Диоды включены так, что напряжение питания создаёт обратное смещение. Пока всё хорошо, диоды закрыты. Но когда через входной или выходной разъём придёт недопустимое напряжение, диоды благополучно зашунтируют его на цепи питания, и педаль не пострадает.
2. Входной тонкорректирующий повторитель, в режиме обхода превращающийся в просто повторитель, когда инвертирующий вход операционного усилителя закорачивается полевым транзистором с выходом. Также на схеме присутствует пустое место для резистора, задающего коэффициент усиления.
3. Активный полосовой фильтр средних частот, регулируемый ручкой Character или Voice. Задаёт характер звучания для имитации усилителей Fender разных поколений. Настроен на 500 Гц. Для сравнения, в педалях из этих же серий, имитирующих Vox (AC Tone, Liverpool) фильтр настроен на 450 Гц, Marshall (British) — 1 кГц.
   
   
   
   
   
   
   
4. Усилитель с перегрузом (овердрайвом), регулируемый ручкой Drive.
5. Первый фильтр кабсима — эмуляции гитарного громкоговорителя, в данном случае 12-дюймового Jensen.
6. Второй фильтр кабсима. Операционные усилители (ОУ) обоих фильтров работают в режиме буфера — повторителя.
7. Трёхполосный эквалайзер — регулятор тембра на активных фильтрах с частотнозадающими цепями в обратной связи ОУ. Заметим, что регулятор уровня выходного сигнала Level включен не на выходе, а на входе эквалайзера.
8. Выходной буфер-повторитель.
9. Триггеры управления буферизованным обходом, (buffered bypass), перебрасывающиеся по нажатию кнопки. Решение очень популярное, встречающееся во многих педалях гитарных эффектов — «примочках». В педалях-клонах от Joyo, Ammoon и Harley-Benton обход не буферизованный, а истинный, (true bypass), когда выход без каких-либо буферов и регуляторов соединён с входом, всё остальное отключено. Переключается этот истинный обход без щелчка в выходном сигнале, что очень хорошо, и для опытов, и для записей и выступлений.
10. Схемотехнический узел, выполняющий три важных функции: разделение резисторами сигнальной и питающей земель, что просто обязательно для чувствительных инструментальных входов, защиты стабилитроном от превышения питающего напряжения и формирования резистивным делителем средней точки для операционных усилителей.

Итак, педаль предусилителя Ammoon American Sound полностью аналоговая, помещается на стол под камерой вместе с образцами дерева, прекрасно видны положения всех регуляторов. Может непосредственно получать сигнал с пьезозвукоснимателя и отдавать его звуковой карте. То есть, в этом компактном корпусе имеем весь набор фильтров гитарного тракта в виде, максимально удобном для сегодняшнего эксперимента.

Испытуемую дощечку не буду держать в руке, а положу на подушечку. Во-первых, чтобы одна рука была свободна крутить ручки, пока вторая стучит молотком. Во-вторых, чтобы исключить влияние хвата на звук. В этом и последующих опытах каподастр будет строго по краю дощечки, чтобы его влияние на сигнал звукоснимателя было минимальным.


Сегодня рассмотрим несколько образцов дерева с самым характерным звучанием, все из числа наших старых добрых знакомых.

▍ Липа

Покоящаяся на подушечке липовая дощечка проявила себя точно так же, как удерживаемая рукой. Рисунок горбов и впадин амплитудно-частотной характеристики сохранился, но сдвинулся вправо. Это неудивительно: привносимые извне параметры влияют на добротность и резонансные частоты колебательной системы.

Например, RC-цепочкой можно подстраивать частоту кварцевого резонатора, хотя, казалось бы, он стабильная высокодобротная система, на которую вообще ничто не влияет.

Металлическая гитарная струна — тоже колебательная система со значительной добротностью. Но концы её звучащей части удерживаются не силовым полем в вакууме, а прорезью порожка (nut) сверху и седлом подставки (bridge) снизу. А порожек и подставка закреплены соответственно в грифе и деке — корпусе электрогитары.

Гриф и дека представляют собой также «струны», работающие на сжатие и изгиб под натяжением собственно струн. И они вибрируют вместе со струнами, иначе живот гитариста не чувствовал бы этой вибрации, а тюнер-клипса на голове грифа не получал бы сигнала от своего пьезоэлектрического датчика.

Гриф и дека отнимают у струны часть энергии, которую она, согласно третьему закону Ньютона, высекла из кончика медиатора, или из лада при выполнении легато, или из электромагнитного возбудителя колебаний, такого, как электронный смычок e-bow или сустейнер.

Часть этой энергии преобразуется в колебания воздуха — звук неподключенной электрогитары. Часть в тепло и гипотетическое изменение структуры материала. А часть возвращается струне, поддерживая сустейн. Соотношение этих энергий в частотном спектре зависит от геометрических форм, размеров, и свойств материалов грифа, деки, порожков.

В итоге, струна приобретает ту форму колебаний, которая в определённых местах снимаются электромагнитными датчиками. Причём магнитное поле звукоснимателя тормозит колебание струны. Не так сильно, как неодимовый магнит в медной трубе, но в некоторых случаях достаточно для образования «волчков» — воющих призвуков, особенно сильно проявляющихся при перегруженном звучании.

Далее сигнал идёт на усилительный тракт. Включим и мы нашу липовую дощечку в почти настоящий гитарный усилитель. Регуляторы тона и характера в среднем положении. Овердрайв на максимум. Это лёгкий перегруз фендеровского типа. Негитарно высокие частоты, как полагается, срезаны. Басы поднялись. Картинка осталась характерной для липы.


Поднимем на тонстеке средние. «Липовость» звучания возросла.


Повернём характер на максимум. Пик сдвинулся вправо, рядом с ним появился второй пик на 500 Гц.


Средние и характер на 12 часов, высокие на максимум. Сильно возросли шумы, до звонкости клёна не дотягивает.

▍ Ольха

Ольха также не растеряла своей махагонности при другом положении клипсы и нахождении на столе, а не в руке. Включим в цепь фильтры усилительного тракта.


Характер звучания сохранился, но акцентирован «липовый» пик.

▍ Ясень

«Стекло» в звучании ясеневой дощечки более «битое», чем у ольхи.


Результат обработки преампом предсказуем.

▍ Печёный ясень

Термообработка придала древесине ясеня липовой махогонности.


А поделка компании Ammoon на тему усилителей Fender её подчеркнула.

▍ Африканское вишнёвое махагони Макоре

Махагонность Макоре преимущественно ольховая.


А после рассматриваемого сегодня гитарного тракта ещё и липовая.

▍ Африканское белое дерево Абачи

Глухое ватное звучание белого дерева вава нельзя назвать предпочтительным для электрогитарной деки, но звонкий топ исправит положение.


Электронный овердрайв звука не исправил.


И даже подъём высоких не помог. Дека из абачи нуждается в звонком топе из твёрдого дерева. Зачем она вообще нужна, из абачи? — Для снижения массы инструмента. Спина скажет спасибо.

▍ Африканский орех Биболо, он же тигровое дерево Ловоа

Тигровое дерево вполне подходит для красивого и интересного в плане звучания топа, в том числе, для абачи. Лично я представляю себе, как оно будет выглядеть и звучать применительно к тому, что играю, и однажды закажу мастеровой инструмент по такой формуле.


А так звучит биболо в исполняющее сегодня обязанности усилителя и кабинета электротехническое изделие.

▍ Жёлтый королевский махагони Корина, Лимба, Офрам

Корина представляет собой звонкий махагони, прекрасно обходящийся без топа. Компания Gibson уже более чем полвека осведомлена об этом факте.


Спектр перегруженного звука плотный, без резких провалов. Прекрасное электрогитарное дерево.


Убрали высокие, спектр остался плотным, звук ватным не стал. Весьма универсальная древесина для последующей обработки сигнала.

▍ Цедер, «испанский кедр», цедрела душистая

Некоторые гитарные мастера ценят это дерево неспроста. Спектр плотный в области высоких, а в гитарном диапазоне имеет красивые пики и провалы. Хорошо и для классики, и для модернового пониженного строя. В котором адепты учения о невлиянии дерева на гитарный звук инструменты не сравнивают. Мол, сравнивать надо на стандартном. Потому что на низких нотах проявится… но об этом позже.


На перегрузе цедер звучит предсказуемо достойно.

▍ Клён

Клён — древесина множества грифов и топов. Звонкость просто зашкаливает, наблюдаются яркие резонансы.


Гитарное усиление, даже винтажного фендеровского типа, делает звучание клёна более плотным.


Убрав высокие, получаем такую картину. Непохоже на липу, хоть и имеет выраженный липовый пик. Имеет значение не только огибающая АЧХ, но и гармонический характер резонансных пиков и провалов между ними.

▍ Падук, Птерокарпус

Образцов птерокарпуса у меня есть два, причём второй, подаренный с очередным заказом Лесопилкой Юркова, имеет косое расположение волокон и плотный сучок. Тем не менее, отличие спектров отклика не разительное.




Так они звучат в перегруженный усилитель.

▍ Филиппинский махагони Меранти

Звук филиппинского махагони меранти несколько глуховат, не помешал бы топ.


Так он звучит в усилитель.

▍ Граб

Традиционное дерево барабанных палочек и дешёвых накладок грифа струнных инструментов. Прекрасно прокрашивается по всему объёму, потому применяется как имитация чёрного дерева. Звучание можно охарактеризовать как сухое.

Испытаем ещё 4 дощечки граба чуть меньшего формата, прокрашенные разными цветами.





Теперь с гитарным усилением:





Сходства и различия образцов слышны и видны на спектре сигнала.

▍ Выводы

Мы выяснили, что характер тембрального отклика породы древесины испытывает влияния и изменчивость, но узнаваемость сохраняется от образца к образцу, при разных способах установки дощечки и крепления пьезодатчика.

Система фильтров гитарного усилительного тракта изменяет звук, но акцентирование частот, не свойственных образцу, ведёт к росту шумов и музыкальной неприменимости выходного сигнала. Также имеет значение не только огибающая АЧХ материала, но и острота и характер следования резонансных пиков и провалов гармоник.

❒ Посмотрим ещё раз на АЧХ педали, имитирущей гитарный тракт Фендер:



❒ А это имитация Marshall:



❒ А это уже модерн — имитация Mesa Boogie:

Ничего не напоминает? Создаётся впечатление, что разработчики гитарного усиления «учились тембрам у древесины», learned timbres from timber.

На самом деле, оно так и есть. Акустическая гитара имеет резонаторный ящик, а у электрической его функцию выполняет специальный громкоговоритель в акустическом оформлении — кабинете, с усилителем в виде «головы», тогда это стек, или встроенном в кабинет, тогда это комбоусилитель, комбик.

Тембры звучания струнных инструментов всегда задавались деревом. У электрогитары часть «деревянных» функций берёт на себя электронный аудиотракт: звукосниматели, темброблок, шнур, усилитель, динамик. Всё это обширная система фильтров в дополнение, или даже взамен фильтрам из дерева. Насколько сильно влияние реальной древесины на звук подключенной электрогитары, и что влияет на степень этого влияния, мы продолжим выяснять шаг за шагом.