Гитарные датчики⁠⁠

Мнения об индуктивных датчиках резко расходятся: одни неучи уверяют, что датчик всецело формирует звучание электрогитары, другие, надо сказать, редкие экземпляры, с пеной у рта вещают, что звучание формируется "деревом", а датчик только "снимает" колебания. Разберёмся, как оно и что.

Масса креативных юношей, конструируя струнный электроинструмент, обращают взор к различным типам датчиков, надеясь получить нечто лучшее, чем могли бы, применяя старые добрые индукционные системы. Только пока никому не удалось это лучшее получить. В чём же прелесть индукционки? Разберёмся.

Нередко датчики своими техническими параметрами искажают величину измеряемых параметров. Причём искажение бывает двух видов. Первое – датчик врёт, передаваемые им данные не соответствуют реальным параметрам на измеряемом объекте. Второе – датчик сам меняет измеряемые параметры объекта, и снимает уже изменённые. Пример?

Некая экзотермическая химическая реакция должна проходить при строгом контроле за температурой. Если масса термодатчика немала по сравнению с массой контролируемого вещества, он поглотит немало тепла, снизив температуру. Или привнесёт своего, повысив температуру. Датчик напряжения при невысоком собственном сопротивлении (а по настоящему высокое в данном случае - бесконечность), шунтирует измеряемую цепь, снижая тем самым напряжение в ней, и передаёт уже пониженное напряжение...

У конструкторов мерительной техники постоянная, в принципе окончательно нерешаемая задача – борьба с этими явлениями. Вот и разберём, какие искажения вносит индукционный датчик, и как с ними бороться (и надо ли?).

Самый простой нюанс работы индукционного датчика обусловлен самой конструкцией системы датчик-струна. Дело в том, что траектория любой точки струны представляет не прямую линию,по которой струна совершает возвратно-поступательные движения, а многоконечную звезду. Датчик же лучше всего воспринимает колебания перпендикулярные его полюсу, а параллельные почти не воспринимает. В результате в снятом сигнале присутствует явная амплитудная модуляция, придающая звучанию узнаваемый «электронный» характер.

Чтобы разобраться с другими вносимыми искажениями, представим себе стальную пластину, закреплённую с одного конца в некоем зажиме, расположенную параллельно плоскости столешни. Представим так же, что эта пластина оснащена неким идеальным датчиком, снимающим её колебания без искажений, никак не влияющим на колебательный процесс. Этот датчик подключен к компьютеру, на экране которого мы наблюдаем форму сигнала, временну́ю огибающую, видим значение основной частоты. Колеблется пластина благодаря тому, что мы имитируем на ней щипок струны. В таком виде колебания у нас строго синусоидальные. Помещаем под пластиной магнит. Форма колебаний заметно изменяется. Удаляясь от магнита пластина должна преодолевать притяжение, скорость удаления снижается, пластина движется как бы против течения. Зато в обратном направлении скорость возрастает. Форма колебания скорее похожа на пилу для продольной распиловки, нежели на синусоиду. Колебание обогатилось обертонами, причём строго гармоничными. Основная частота понизилась.

Это значит, что в сигнале, снимаемом со струны, присутствуют две линии обертонов разного типа. Первый тип – обертоны, возникающие в струне и без магнитного поля. Они по определению имеют некоторую негармоничность, и в магнитном поле она возрастает. Второй – обертоны, сформированные искажением основной гармоники, они строго кратны ей. Между обертонами двух типов возникают биения, так же способствующие специфической окраске звука.

Надеваем на магнит обмотку – ничего не меняется. Вот если мы замкнём выводы накоротко, у нас резко изменятся временны́е характеристики. Пластина будет словно задемпфирована. Если включить между выводами реостат, можно быстро заметить, что сила демпфирования находится в обратной зависимости от его сопротивления.

Так мы столкнулись с таким явлением, как сопротивление магнитного поля. Не путать с силой притяжения! Система датчик-струна является генератором электротока, струна выполняет работу по приведению в движение электронов в катушке, и встречает при этом определённое сопротивление. Возьмём самый обычный велотренажёр в спортзале – там увеличение нагрузки создаётся на том же принципе: в колесе смонтирован электрогенератор, переключателем меняем сопротивление, называемое сопротивлением нагрузки, и подбираем нагрузку для себя. Чем меньше сопротивление нагрузки, тем труднее крутить педали. А система струна-датчик представляет собой тот же генератор переменного электрического тока. Вот и струнам становится тяжелее совершать колебания, понижается частота, возрастает негармоничность обертонов первого типа, слабеет атака, сокращается сустейн.

Но по старому опыту возникает вопрос: если есть сопротивление, оно частотозависимо?

Рассмотрим повнимательнее катушку с точки зрения электротехники. Что она является индуктивностью, это понятно. Резистивное сопротивление – тоже. Но между витками возникает ещё и ёмкость. А индуктивность и ёмкость – знакомый нам из школьного курса физики колебательный контур. И он имеет собственную резонансную частоту. Вот и магнитное поле датчика имеет минимум по сопротивлению на этой частоте.

Отсюда и девиации гармоник, и разные скорость и время их нарастания в зависимости от их частот… Знакомая нам динамическая эквализация.

И добротность этого резонанса находится в обратной зависимости от сопротивления нагрузки. Тут мы можем объяснить и разницу в звучании гитары на ламповых и транзисторных усилителях – вход усилителя имеет сопротивление, и оно является сопротивлением нагрузки датчика. Сопротивление ламповых входов обычно намного выше, чем транзисторных. При малом входном добротность резонанса повышается до нежелательного уровня. Для электрогитары в усилителе главное не элементная база, а входное сопротивление. На транзисторах его тоже можно сделать очень высоким.

Вдобавок, колебательный контур – это ещё и частотный фильтр. Частоты ниже своей резонансной он преобразует в ЭДС вполне покладисто, а вот более высокие нещадно срезает. Спад 12 децибелл на октаву. И если на деревянных частях есть более высокие резонансы, то их можно послушать только на неподключенной гитаре, что стало поводом для сетований немалого числа гитаристов, и мотивом для поиска способов повысить частоту не теряя в чувствительности, что не очень получается. Поэтому глуховатое по сравнению с акустическими струнными звучание так же очень характерно для электрогитар.

Таким образом, главное преимущество индукционного датчика состоит в том, что он добавляет в спектр инструмента свой полноценный резонанс, чем обогащает звучание,  а качество датчика определяется в первую очередь не чувствительностью (выхлопом), а параметрами резонанса. И нелепость вопроса «что формирует звучание в электрогитаре, дерево или датчики?» очевидна. В одной упряжке работают, разделительный союз неуместен.

Иногда в интернете попадается вопрос: «Я хочу поставить на гитару (балалайку, скрипку, мандолину) индукционный датчик и пьезу. Как мне их смикшировать?» Никак не надо, это ничего не даст. Гораздо продуктивнее хорошо разбираться в индукционных датчиках, и чётко подбирать лучшие системы и параметры в каждом конкретном случае.

Да, существует несколько разных систем индукционных датчиков. Самая первая система получила название сингл . Он появился на несколько лет раньше электрогитар, и предназначался для установки на акустические инструменты. Полный примитив: магнит, обмотка, ничего больше. Несмотря на это синглы применяются на гитарах до сих пор, по ряду показателей конструкция оказалась удачной.

Но есть у синглов и недостаток: они слишком хорошо улавливают различные электромагнитные колебания в окружающем пространстве. В выходном сигнале обычно присутствует масса посторонних призвуков. При игре на чистом звуке (клине, как выражаются гитаристы) они ещё терпимы, но на перегрузе невыносимы. Поэтому вскоре были изобретены хамбакеры.

Шумоподавление в хамбакере основано на том, что фаза наводки от электромагнитного колебания не зависит от полярности магнита, а фаза наводки от колебаний струн зависит. Если мы возьмём два одинаковых сингла, разместим на деке вплотную друг к другу, и подключим в противофазе, неважно параллельно или последовательно, а затем перевернём магнит в одном из синглов, чем изменим его полярность, то наводки от колебаний струн окажутся в фазе, а помехи так и останутся в противофазе. В итоге получаем в разы меньший уровень шумов.

Однако многим гитаристам не понравилось звучание хамбакеров на чистом звуке. Оказалось, что если взять два сингла, и подключить параллельно, резонансная частота повысится, а если подключить последовательно, она понизится. Как же так!? Резонансная частота контура обратно пропорциональна произведению ёмкости на индуктивность. При параллельном соединении двух одинаковых контуров ёмкость должна удвоиться, индуктивность вдвое уменьшиться, при последовательном – наоборот. Частота меняться не должна.

Похоже, мы что-то упустили… И это «что-то» –  резистивное сопротивление. Если подключить резистор последовательно с катушкой, её частота не понизится, а вот когда сопротивление равномерно распределено в катушке, частота понижается.

Ещё большую разницу в звучании создаёт разное расположение магнитных полей. Во многих статьях утверждается, что сингл снимает колебания с одной точки, а хамбакер с двух. В реале наоборот,

но от этого не легче.

И если одних гитаристов хамбакеры во всём устраивают, то другие, и их немало, на клине (необработанном звучании) обожают сингловый звук. Для таких была придумана конструкция, получившая название хамкенселлер.

Мысль в том, чтобы к синглу подключить в противофазе катушку, которая будет улавливать только шумы. А расположить её придумали прямо под синглом, поэтому хамкенселлер ещё называют вертикальным хамбакером.

Но наилучшее решение (по моему скромному мнению) это сплит. Снова две катушки, подключенные в противофазе, одна снимает с одной половины струн, первой-второй-третьей в шестиструнном варианте, другая – с четвёртой-пятой-шестой.

Расположение магнитных полей как у сингла, звучание практически такое же, при хамбакерном подавлении помех… И есть у данной системы одна добродетель, какой нет ни у одной другой. Это практически стопроцентная устойчивость от «заводок». ЭДС от колебаний деки в двух катушках оказывается в противофазе, генерация не возникает. И это делает сплит наиболее предпочтительным вариантом для полуакустических электрогитар, и адаптеризации акустических.