Привет, Хабр! Мы продолжаем попытки повторить характер культовых ламповых стеков Marshall при помощи маленьких полупроводниковых гитарных педалей.

Насколько это вообще возможно, и в чём состоит основная сложность? Впереди неожиданные открытия, проливающие свет на загадки гитарного звука.

Начнём с того, что характер гитарного усилителя представляет собой более широкое понятие, чем характер его звучания. Целостное восприятие звука музыкального инструмента складывается из нескольких составляющих. Кстати, с чего вообще начинается восприятие звука?

▍ Основная частота

Музыкальный тон, или высота ноты, — это определённая частота, соответствующая некоторой ступени звуковысотной шкалы, выбранной композитором для своего произведения.



В современной европейской музыке применяется равномерно темперированный строй, где октава разделена на двенадцать полутонов, каждый из которых отличается от соседнего на корень двенадцатой степени из двух.

Додекафония, при которой каждый из полутонов задействован в произведении в равной степени, применяется редко. Чаще встречаются композиции, гамма которых содержит 7 (лады народной музыки, включая наиболее употребительные ионийский мажорный и эолийский минорный), 6 (блюзовая гамма) и 5 (пентатоника) ступеней.



Уникальное преимущество такого звуковысотного ряда заключается в том, что мелодии (последовательности нот во времени) и гармонии (соотношения одновременно звучащих нот) можно свободно транспонировать (сдвигать по высоте на любое число тонов) и модулировать (переводить в гамму другой тональности).

Виртуозные композиторы и музыканты-импровизаторы очень часто используют ноты, не входящие в заглавную тональность произведения, но позаимствованные из тональностей, которые можно соотнести со звучащим в данный момент аккордом.

Без равномерной темперации такие отклонения от тональности были бы просто невозможными, либо потребовали бы сложной перенастройки инструментов в реальном времени.

▍ Обертоны и форманты

Однако в инструментальной музыке практически не встречается звуков, представляющих собой чистую синусоиду. Прежде всего потому, что она звучит очень скучно.

А во-вторых, струны, язычки, свистки и прочие источники акустических колебаний, применяемые в музыкальных инструментах, создают колебания более сложной формы, чем синусоида.



Музыкальный инструмент обладает обертонами, которые представляют собой гармоники от извлечённой ноты. Гармоника — это частота в спектре сигнала, кратная основной частоте.

Например, вторая гармоника от ноты «ля» малой октавы 220 герц имеет частоту 440 герц, третья — 660 Гц, и так далее.

Обертоны не следует путать с формантами, хотя эти понятия глубоко взаимосвязаны. Обертон — понятие, относящееся к извлекаемой ноте, а форманта относится к инструменту, на котором она извлекается.

Форманты — это резонансные частоты корпуса самого музыкального инструмента, либо электронные резонансные фильтры, реализованные аналоговым или цифровым способом.

Своими формантами инструмент усиливает или ослабляет определённые обертоны в звучании каждой ноты. Это и формирует тембр звучания.

Тембр электрогитары, другого инструмента или источника звука вообще — это частотный спектр звукового колебания. Иными словами, это система формант.



Если говорить об электрогитаре, то наиболее значительное влияние на её тембр оказывают:

1. громкоговорители инструментальной акустической системы (кабинета), а также его конструкция (открытый, полуоткрытый, закрытый),
2. тип и расположение микрофонов, посредством которых осуществляется запись и подзвучка (передача сигнала на усилители мощности сцены или зала),
3. усилитель и положение его регуляторов, а также педали в цепи эффектов,
4. звукосниматели и положение ручек темброблока,
5. электрическая ёмкость гитарного кабеля в случае пассивных звукоснимателей с высоким выходным сопротивлением.

Калибр (толщина), длина (мензура), материал и состояние струн, корпус и гриф электрогитары, фурнитура и медиатор (плектр) также оказывают некоторое влияние на тембр звучания электрогитары, но оно менее значительное в сравнении с вышеприведённым списком факторов.

▍ Динамика громкости и амплитудная огибающая

Однако не всё так просто. Тембр музыкального инструмента не является исчерпывающей характеристикой, определяющей его звучание.

В ходе первых экспериментов с электронными синтезаторами выяснилось, что для имитации звука акустического инструмента недостаточно одного только многополосного параметрического эквалайзера с резонансными фильтрами.

Эквалайзер способен создать амплитудно-частотную характеристику, имитирующую тембр нужного инструмента, усилителя или громкоговорителя с присущими им формантами.

Однако эквализация неспособна сымитировать отклик на звукоизвлечение — атаку, спад (decay), удержание (сустейн) и затухание (release). Речь идёт о динамике громкости, то есть амплитудной огибающей аудиосигнала.



Именно эта динамика позволяет слушателю различать инструменты по звуку, а композитору и исполнителю — выражать в музыкальной форме то, что они стремятся донести до адресата.

Когда электронные синтезаторы получили генератор огибающей (AR, а затем ADSR), их звучание стало напоминать реальные акустические инструменты, хотя имитация поначалу была далека от совершенства.

Далее появились генераторы задержанного вибрато, имитация расстройки струны избыточным натяжением в момент удара медиатором или молоточком, и так далее.



Но синтезаторы всё равно продолжали звучать игрушечно, схематично и карикатурно, когда пытались подражать большинству инструментов вместо того, чтобы создавать космические синтезаторные звуки, за которые их стали ценить.

Исключениями являются смычковый ансамбль (strings), орган и хор. Их аналоговый синтезатор имитирует относительно легко, и это как раз те звучания, которые способны придать музыкальной композиции или озвучке театрализованного представления особенную патетику. За это мир полюбил клавишные синтезаторы, ставшие неотъемлемой частью современной музыки.

▍ Тайный ингредиент

Но всё-таки почему набора обертонов, амплитудной огибающей, вибрато (тремоло) и расстройки при звукоизвлечении оказалось недостаточно для имитации звучания реального инструмента? Что мы упустили, чего недостаёт?



Дело в том, что у реального инструмента, громкоговорителя или усилителя амплитудная огибающая отклика на звукоизвлечение разная для разных частот.

Именно поэтому для адекватной имитации гитарного громкоговорителя недостаточно системы формантных фильтров, то есть эквалайзера с фиксированными параметрами, зато достаточно импульса кабинета — свёрнутого широкополосного щелчка, воспроизведённого громкоговорителем в акустической системе и записанного микрофоном в помещении.

Именно поэтому влияние материалов корпуса и грифа электрогитары на её тембр еле уловимы, зато их влияние на атаку бывает заметным, особенно в изолированном треке и особенно для музыканта, который на этой гитаре играет.

А что касается гитарных усилителей, то производимые ими и ставшие художественным средством искажения — овердрайв и дисторшн — также нелинейны и по амплитуде, и по частоте.



То есть, чтобы сымитировать усилитель, нужно воспроизвести его отклик на различные значения крутизны атаки при разных частотах, а не только общий тембр звучания. Это учтено далеко не во всех гитарных педалях типа «усилитель в коробке», но сегодня я соберу одно из приятных исключений.

▍ Маленькая секретная педаль

Предусилитель «Dirty Little Secret» («Маленькая грязная тайна») от компании Catalinbread из портового города Сиэтл, штат Вашингтон, имитирует не столько тембр и структуру перегруза легендарных ламповых стеков Маршалл, сколько их частотнозависимый отклик на динамику звукоизвлечения.

Это очень нравится многим гитаристам, включая Пола Гилберта, Джо Перри из Aerosmith, Веса Борланда из Limp Bizkit, Мишу Мансура из Periphery и Мэтта Хифи из Trivium. Мы можем поверить звёздным музыкантам на слово, а также можем самостоятельно собрать и опробовать педаль.

Сегодняшний эффект перегруза, как и предыдущий, собран на полевых транзисторах с управляющим P-N переходом, но по более сложной и продвинутой схеме.



Основой устройства служат два схемотехнических узла с одинаковой топологией, каждый из которых собран на трёх транзисторах — Q1Q2Q3 и Q4Q5Q6.

Это усилительные каскады с активной нагрузкой и истоковым повторителем на выходе, знакомые нам по ещё одному «усилителю в коробочке» — «Brown sound in a box», который имитирует легендарное звучание непревзойдённого Эдди Ван Халена.

Если бы затворы верхних транзисторов были заземлены по переменному току, то получились бы классические мю-каскады. Их отличительным свойством является предельно высокий коэффициент передачи каскада, равный коэффициенту усиления транзистора или лампы, благодаря источнику тока в качестве нагрузки.

У электронных ламп коэффициент усиления принято обозначать греческой буквой «мю», отсюда и название — мю-каскады.

Однако в схеме педали «Dirty Little Secret» между истоком и затвором каждого из транзисторов, используемых в качестве активной нагрузки, подключён конденсатор.

Выходное сопротивление делителей напряжения R2R3 и R6R7, подающих на затворы, соответственно, Q2 и Q5 постоянное напряжение смещения, равное половине напряжения питания, равняется сопротивлению параллельно соединённых резисторов тех же номиналов, что и плечи делителя.

Так как входы обоих делителей заземлены по переменному току электролитическими конденсаторами очень большой для данной схемы ёмкости — соответственно, C12 и C15, сопротивлениями резисторов RC-фильтров питания R15 и R19 можно пренебречь. Тем более что сопротивление плеча делителя превышает сопротивление резистора фильтра более чем в 25 тысяч раз.

Если считать токи затворов нулевыми, то получаем входные сопротивления истоковых повторителей на транзисторах Q2 и Q5, равные 500 килоомам.

В таком случае постоянная времени фильтра верхних частот (ФВЧ) между истоком и затвором Q5, образуемая входным сопротивлением повторителя и конденсатором С22, равна пяти секундам, а граничная частота — 32 миллигерцам.

Применительно к частотному диапазону электрогитары это означает, что затвор транзистора по переменному току напрямую соединён с истоком, а по постоянному подключён к источнику смещения 4.5 вольта.

Для Q2 в нижнем по схеме положении переключателя SW1 получается 2.46 секунды и 65 миллигерц, что мало отличается от ситуации с Q5.

Зато в верхнем положении переключателя постоянная времени составит одну девятую долю секунды, а частота среза — 1.44 Гц. Это обеспечивает более быстрый отклик на динамику звукоизвлечения, характерный для модерновых усилителей Marshall JCM, в отличие от винтажных JTM.

Вторая половинка переключателя отвечает за выбор «подтянутого», или «собранного» тембра звучания в верхнем положении, когда сигнал с выхода повторителя поступает на регулятор усиления через конденсатор C8, либо «жирного» тембра при задействовании пассивного фильтра C9C13R13C14R16 в нижнем положении SW1B.

Конденсатор C16 служит для тонкомпенсации регулятора усиления R18.

▍ Что такое тонкомпенсация?

В 1933 году американские учёные Харви Флетчер и Вайлдер Мансон опубликовали исследование под названием «Громкость, её определение, измерение и расчёт».

Проведённые ими эксперименты по исследованию амплитудно-частотной характеристики человеческого слуха показали, в частности, что более тихий звук воспринимается как более глухой или тусклый, то есть, испытывающий недостаток верхних частот.

С тех пор в аппаратуре для воспроизведения и создания музыки часто встречаются тонкомпенсированные регуляторы громкости, в которых при аттенюации сигнала верхние частоты ослабляются в меньшей мере, чем все остальные.

Продвинутый тонкомпенсированный регулятор громкости устроен сложнее, так как кривые равной громкости для человеческого уха имеют довольно замысловатую форму. Однако в нашей педали тонкомпенсация применена к регулятору не громкости, а усиления.



Это нужно затем, чтобы обеспечить «маршаллоподобную» структуру перегруза и сформировать приятное звучание электрогитары во всём диапазоне коэффициентов усиления.

После второго усилительного узла на транзисторах Q4, Q5 и Q6 обработанный сигнал проходит через регуляторы тона и громкости, поступая с последнего на выход педали.

▍ Результаты и перспективы

И наконец, мы можем послушать, как это звучит!

У меня сложилось впечатление, что разработчикам «Маленького секрета» удалось передать ощущение усилителя Marshall более полно, чем создателям дисторшна «Thor». Повторить искомое звучание Билли Гиббонса всё ещё не получается, но в скором времени я займусь созданием ещё одного секретного ингредиента, применяемого лидером ZZ Top.

Тогда можно будет сравнить, какой из трёх предусилителей — «Purple Plexi», «Thor» или «Dirty little secret» будет взаимодействовать с финальным ингредиентом наилучшим образом.

Лично я ожидаю, что победителем соревнования станет именно сегодняшняя педаль, поскольку она разработана специально для взаимодействия с другими педалями перегруза и искажения, включая такую капризную штуку, как транзисторный фузз. А недостающим ингредиентом будет как раз одна малоизвестная педаль перегруза. Впрочем, всему своё время.

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?