Знаете как звучит электрогитара? Казалось бы — включи почти любую песню и всё слышно. Знакомый, яркий и хрустящий звук в «Smells like teen spirit» Nirvana. Или, подождите, мягкий и заполняющий «бой» в «Штиле» Арии. Или невозможный, космический звук у Joe Satriani в «Bamboo». Можно вспомнить и Polyphia с «Ego Death», по которой можно собирать энциклопедию современного гитарного звука вообще. И совершенно невозможный Александр Мисько, играющий на, казалось, бы обычной гитаре. Это всё мир электрогитар и нигде вы не слышали как звучит сама электрогитара.

Саша, кстати, играет на акустической гитаре (хотя там микрофонов и звукоснимателей и обработки сигналов хватит на целую банду) и «фингерстайл» и попал в примеры просто потому что он великолепен, но у нас не особо известен.
Я же буду писать про привычные электрогитары: цельный корпус формата «доска», магнитные звукосниматели. Ровно о том, чем пользуюсь сам каждый день.

Для ЛЛ: электрогитара звучит блекло, неярко и похожа на плохую акустику; важнее насколько хорошо изготовлен инструмент, чем материал, из которого он сработан; самое важное в гитарном звуке — руки играющего; гитарный процессор - это добро.

Я - гитарист в Двойной Сплошной, а ещё отвечаю за всякие наши технические вопросы - коммутация, программирование гитарных процессоров, синтезаторов и эффектов, взаимодействие со звукорежиссерами площадок или сведения и тд., в прошлой статье я рассказывал про ушной мониторинг - зачем он нужен и как помогает музыкантам. Теперь - о том как формируется гитарный звук и как его засунуть в маленький наушник.

Итак, поехали.

Прежде чем понять как формируется звук — давайте разберемся с анатомией.

Берем гитару в руки, подключаем провод, проверяем ручку громкости, зажимаем лад на грифе, палец размещаем возле лада со стороны бриджа, медиатором делаем «щипок» по металлической струне, располагая его примерно между звукоснимателями и — звук пошёл.

Ушами вы услышите слабое «дзынь» - неподключенная электрогитара практически не слышна, а в проводе живёт слабый-слабый сигнал (говорят что до полувольта, но я не проверял). Сигнал этот — это результат колебания металлической струны в магнитном поле звукоснимателя.

И вот что важно: хорошо зажал гитарист струну и гитара была настроена — будет ровный по тону, чистый сигнал. Повозил медиатором по струнам — скрип будет в сигнале. Погладил струну — будет маленькая амплитуда сигнала, плавное его начало, сыграл «в корпус» - будет сигнал с хорошим фронтом, перкуссионный. Но всегда — слабый. В колонку его дать — ничего слышно не будет.
Всё что происходит в обработке дальше — лишь усиливает, модифицирует сигнал, а основа всего звука — именно этот маленький слабенький ток, который магнитные катушки сняли с колеблющихся струн, извлеченный руками гитариста.

Давайте попробуем порассуждать что влияет на этот звук?

Чуть запасёмся школьной физикой и начнем.
Понятно, что струны — то что зажимают и чего касаются медиатором — важны и создают само звучание. Всё что с ними соприкасается — тоже (лады, верхний порожек, бридж) и влияют на характер звука, его длительность — гитаристы говорят «сустейн».
Сам корпус гитары при игре также вибрирует — похоже на маленького мурчащего котенка.

Струны крепятся к корпусу разными способами — бывает крепление «сквозь корпус», бывает крепление к металлической пластине, которая опирается на винты и удерживается в равновесии пружинами (то есть, в любой момент времени пружины держат струны натянутыми и тем удерживают строй — например в бридже типа floyd rose и его последователях).
Часть вибрации корпус отдаст струне обратно и чем жестче связь струны и корпуса — тем это будет эффективнее. А значит — дольше звучание (больше сустейн).

Дерево гитары обладает разной структурой и плотностью. Строго говоря, именно поэтому не бывает двух «одинаково звучащих гитар», но насколько они будут разными — об этом история умалчивает) Обычно тяжелое дерево сложнее «раскачать», но оно дольше будет при прочих равных отдавать звук.
Всё это справедливо для цельнокорпусных гитар — доска с железками и струнами (это типичная электрогитара), а вот если гитара с естественным резонансом — акустическая или полуакустическая — всё становится иначе, мне не хватает опыта чтобы про это рассуждать. Если кто-то разбирается во влиянии дерева на звук акустических гитар — делитесь в комментариях или ответным постом?

Остался последний — и я считаю самый важный (после рук исполнителя) элемент — то, что преобразует колебание струн в сигнал. Звукосниматели.

У разных гитар их разное количество, разные типы, разное расположение относительно мензуры (мензура — это расстояние от точки крепления струны на бридже до верхнего порожка и чаще всего называется в дюймах), разные наклоны и тд. Самих звукоснимателей по характеристикам тоже великое множество.
Одна и та же гитара с разными звукоснимателями звучит совершенно по-разному.
Можно упростить до того, что бывает «одинарный» (называется «сингл», внезапно с одним рядом винтиков) и «двойной» (хамбакер, с двумя рядами) звукосниматель. Сингл придумали первым, он обладает меньшим электрическим выхлопом и умеет неслабо ловить радио, зато лучше передаёт высокие частоты и «быстрее» набирает яркость сигнала - звук более «перкусионный». На зеленой гитаре из картинки выше — два хамбакера, но они умеют работать в режиме отсечки - когда от звукоснимателя используется только одна катушка, получается почти сингл.

Естественно, гитара должна быть надёжной (не фонить, не терять строй и не хрипеть проводами, не есть руки торчащими ладами) и обязательно нравиться тому, кто на ней играет.

Так а как она звучит? На той самой зеленой гитаре я специально для статьи накидал демку - в самом начале просто сигнал гитары. Эта же фраза будет сразу после, но уже с обработкой.

Демка - это «набросок» - просто несколько записанных партий, которыми обмениваются музыканты между собой или показывают знакомым из индустрии. Партии играются не так чисто, как для студийных записей. Нет сведения (выведения громкостей, индивидуальных обработок сигналов), нет мастеринга (финальной обработки суммы дорожек), часто нет даже полной музыкальной фразы. Одним словом - демка.
Кстати, никогда не делал клипы раньше, пардон за водяной знак. Но это лучше чем на ютуб, правда?)

Заметили как сильно отличается звук в начале и потом в аранжировке? Это потому что он «обработан». В нём убраны лишние частоты (пре- и пост-эквализация), он прошёл через предварительный усилитель в гитарной голове (так называют гитарный усилитель, который можно увидеть на сцене), усилен, а потом был проигран гитарным динамиком. То что они гитарные - это важно, так как гитарный усилитель вносит характерные искажения, обертона и добавляет звуку «характер». Гитарный динамик же специфичным образом изменяет частоты выходного сигнала.

Использовать обычный усилитель и обычный (широкополосный) динамик для гитарного звука не стоит - звук гитарного усилителя совершенно мерзкий, некрасивый (напишите если интересно - я попробую вам это изобразить).
И существенный нюанс - это всё громко.

Это оборудование придумывалось и проектировалось для сцены в те времена, когда усилители были ламповыми и дорогими. Чтобы все искажения случились так, как задумано - ручки громкости должны стоять хотя бы на 12 часов (примерно половина) и тогда вся схемотехника отрабатывает в задуманном режиме и вносит те искажения, которые наше ухо воспринимает "приятным". А в ламповой голове живёт 60+ ватт настоящей постоянной ламповой мощности, стоять близко к этой малышке - больно для ушей.
Ещё ламповые аппараты капризны - лампочки «садятся» и звук теряет окраску, выходят из строя, греются. Сплошные минусы. Но - звучат круто, не отнять.
Человеки придумали вносить искажения и усилять звук с помощью транзисторов, а потом для внесения искажений (формирования и обработки) использовать всякие цифровые обработки при помощи DSP (digital signal processor) - процессоров обработки сигнала. Гитарные процессоры - это как раз штуки, снаружи у которых кнопочки-крутилочки-экранчики, а внутри - DSP.

Транзисторные гитарные усилители имели совершенно другой характер и звук (хотя их и пытались сделать как ламповые) - такова их схемотехника и это не исправить, хотя попыток было множество. Ещё они были дешевле, легче, менее капризные при перевозке. То есть - лучше во всем, но звучат не так. Это породило холивары на тему "лампа против транзистора". А потом подтянулись цифровые братья. Маленькие, лёгкие, выносливые, недорогие (ха!), потребляющие мало энергии.

Процессоры сразу пошли по пути эмуляции лампового оборудования при помощи программ. Внутри описывалась схемотехника усилителей, моделировались элементы, взаимосвязи между ними и всё это - с определенной точностью и ограничениями вычислительной мощности. Такой подход часто называют whitebox-моделированием (белой коробкой - мы знаем что и как устроено и копируем). Сначала получалось откровенно так себе, с ростом вычислительных мощностей и качеством описания элементов звук становился всё лучше и, в какой-то момент, многие музыканты перешли на использование обработки процессорами - в турах они выживали лучше, давали всегда одинаковое и предсказуемое качество, а для конечного слушателя разница не была особо заметна. В рэках (специальных ящиках с направляющими, которые стоят где-то в углу сцены) поселились продукты Line6, Fractal Audio и прочих ребят.
А потом пришли ребята из Kemper Audio перевернули мир (это было в 2011 году, кто бы мог подумать). Их Kemper Profiler умел делать blackbox-моделирование - подключаетесь проводками к дорогущей редкой ламповой голове проводками по инструкции, жмете кнопку на кемпере - он булькает, шуршит и издаёт странные звуки (минут 10 если правильно помню) и - всё. Звучит почти также как та самая ламповая голова.
Нужен другой звук - взяли другую голову, кемпер забрал и её душу.
Да, он был не идеально точен, но позволял забрать студийный звук с собой в любую точку мира.

Революция!

Но всё это - это только обработка (которая превращает хилый сигнал инструмента в что-то приятно звучащее), на выходе у них звук, который можно вернуть в колонку, микшер, гитарный усилитель (куда от него денешься!), в наушники наконец.

В базовом формировании остался последний момент. Гитарный динамик.
Казалось бы - он там какие-то частоты подрезает, какие-то усиливает. Повторили это эквалайзером и дело с концом, но - нет. Звук его меняется в зависимости от громкости, набора частот, положения диффузора в момент когда звук прилетел, фаз Луны и пятен Меркурия.
Короче, моделировать его линейным образом невозможно.
Вторая проблема звучания цифры долгое время была именно в эмуляции динамиков - звук получался песочным, царапающимся.

Примерно в тех же годах что и Кемпер (как я это помню) появилась вторая революционная в гитарном мире технология - импульсные отклики кабинетов. Если коротко - то в гитарный динамик отправляют короткий сигнал (специально сформированный импульс), звук кабинета снимают инструментальным микрофоном и записывают как звуковой файл. Получается «импульсный отклик», который можно использовать для эмуляции уже нелинейных характеристик динамика. Эмуляция эта достаточно дешева с точки зрения математики в процессорах и звучит близко к оригинальному динамику и приятно. И - дешево.

Отклики можно найти в интернете или снять с кабинета самостоятельно (та ещё запара, готовые звучат лучше). Мы используем в своей практике OwnHammer и Shakespir (первые можно найти повсеместно, вторые есть на бусти с бесплатными демо-пакетами, которые отлично звучат)...

Самый простой способ получить живой гитарный звук в наушниках сегодня - это взять процессор, умеющий nam-модели (тот самый метод моделирования черным ящиком; самый дешевый известный мне - это mwave blackbox), накрыть приятным лично вам на слух импульсом кабинета и отправить в пульт/наушники.
Для старой школы - можно заслать всё в гитарную голову, оттуда в напольный кабинет, поставить рядом инструментальный микрофон, с него в пульт. А из пульта в наушники. Повторить дважды, если хотите стерео. И не забудьте что оно громко звучит на всю сцену)

Но - это только часть, ведь есть ещё эффекты, задержки, квакушки... Дивный мир обработки гитарного звука, о котором придётся уже в следующий раз - и без того получилось немало.

Спасибо вам за комментарии, обратную связь, слова поддержки в комментариях, в личке VK. Вы - лучшие.

А ещё у нас сегодня случился релиз - весь мир может послушать нашу любимую осеннюю песню на разных стриммингах.
Заходите послушать и вы, если захотите: https://band.link/bilet

Ходите на концерты, слушайте музыку - хорошую и разную.
Всем любви!

Примерные прототипы схем дисторшн на диодах

В дальнейшем схемы дисторшн несколько усложнились. Для смягчения ограничения сигнала и большей похожести на плавное ограничение в усилительных лампах увеличилось количество диодов и их число часто было разным для положительной и отрицательной полуволн сигнала.

Примерные прототипы дисторшн с несимметричным ограничением сигнала

Производились не совсем успешные (но и не провальные) попытки эмуляции лампового дисторшн на полевых транзисторах как на схеме ниже.

Примерная электрическая принципиальная схема (прототип) дсторшн на полевых транзисторах

На вышеописанном этапе прогресс в электрических принципиальных схемах дисторшн для электрогитар значительно замедлился. К сожалению, инженерам по электронике не удалось разработать высокоточных симуляторов мощных ламп и выходных каскадов ламповых усилителей на транзисторах, диодах и операционных усилителях. Вероятно, наиболее заметными вершинами в этом направлении является приборы от AMT (симулятор маломощной лампы на трех высоковольтных полевых транзисторах) и SansAmp GT2 Tech 21 NYC. Схема этого устройства содержит входной ФВЧ, несколько ОУ, фильтр типа эквалайзера и выходные каскады. Основная идея SansAmp это перегруз без диодов в ООС ОУ и без шунтирующих диодов, но прямо внутри операционных усилителей, возможно, на полевых транзисторах внутри ОУ. 100% достоверную схему этого устройства в интернет найти затруднительно. И главное, для данной схемы перегруз ОУ и выходной сигнал критически сильно зависят от типа применяемых ОУ. Фактически радиолюбителям не удалось полностью достичь качества звука оригинального SansAmp и спаять полный аналог по звуку. Вероятно это произошло из-за отсутствия в свободной продаже именно тех самых старинных ОУ на полевых транзисторах, примененных в оригинальном SansAmp.

Примерная схема (прототип) по мотивам дисторшн SansAmp GT2

Незавершенность аналоговой эпохи и перспективные идеи для цифрового моделирования схем дисторшн

Цифровое программное моделирование существующих гитарных усилителей и эффектов получило весьма совершенное решение в виде процессоров на нейронных сетях (DSP). Все значимые и легендарные гитарные усилители, а также гитарные колонки и микрофоны получили хорошие адекватные модели, достойно противостоящие оригиналам при слепом тестовом прослушивании. Генерируемый DSP звук искаженных электрогитар сейчас трудно отличить от звука реальных ламповых усилителей. Однако, вероятно, цифровые процессоры с программной обработкой сигналов рановато отправили на "пенсию" много разработчиков полупроводниковых дисторшн-устройств и множество интересных со схемотехнической точки зрения проектов остались незавершенными.

Но творческая инженерная мысль желает двигается дальше. Дело в том, что разработать что-то принципиально новое по звучанию или значительно улучшить звук существующих гитарных усилителей с помощью нейронных сетей представляется проблематичным, так как нейронная сеть нуждается в обучающей последовательности сигналов, а значит необходимо эти сигналы создать каким-то прототипом из сигнала неискаженного звука электрогитары.

Радиолюбители пытаются изобрести подобные прототипы дисторшн со звуком интереснее, чем у стандартных брендовых ламповых гитарных усилителей. Спрос есть, ведь, как правило, гитаристы рок групп хотят оригинального мощного звука. Для новых разработок в области обработки сигналов электрогитар в настоящее время имеются хорошие условия. Многие значимые мощные системы цифрового моделирования аналоговых полупроводниковых устройств бесплатны. Имеются большие архивы со схемами дисторшн, ламповых гитарных усилителей, отзывы радиолюбителей, спаявших эти схемы, образцы звучания различных схем. Все это, вероятно, позволяет проанализировать и переосмыслить опыт аналоговой эпохи и на этой основе придумать, быстро смоделировать в цифре и услышать как будет звучать новый гитарный эффект.

Интересное, но малоизвестное, не до конца исследованное направление это многополосный и многокаскадный дисторш. Аналоговых реализаций очень мало ввиду сложности изготовления и настройки. Есть "софтовые" (т.е. программные) реализации. Они, как правило, не являются моделями аналоговых прототипов, а представляют собой упрощенные программные реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС или DSP). Звучание таких реализаций не очень убедительно. Они производят недостаточно "жирные" искажения сигнала электрогитары и это больше похоже на мягкий "овердрайв". Но сама по себе идея красивая.

Активно изучается схема дисторшн на диодах с плавающим смещением, имитирующим сеточный ток перегруженных ламп выходного каскада гитарного усилителя. Его выходной звук напоминает перегруз ламп, а в некоторых аспектах даже может конкурировать с перегруженными ламповыми выходными каскадами гитарных усилителей. Достойная идея.

Оригинальные идеи принципов функционирования дисторшн возможно находятся на форумах радиолюбителей и "самодельщиков" электронных устройств. За 2020..2021 года удалось найти более 700 постов. Часто обсуждение велось на высоком профессиональном уровне с сэмплами, моделями схем на LTSpice, Microcap, Native Instrumets, TINA TI, VST и реальными осциллограммами с реальных перегруженных каскадов ламповых гитарных усилителей.

Цифровое моделирование схем дисторшн как творческий процесс

Неплохой системой моделирования считается бесплатная TINA TI (Texas Instrumets). Главное окно этой программы представляет собой виртуальное монтажное поле. Разработчик собирает схему из виртуальных резисторов (сопротивлений), конденсаторов, трансформаторов, дросселей, диодов, транзисторов, ламп, операционных усилителей, источников питания, генераторов сигналов и других элементов. На вход виртуальной схемы возможно подавать сигнал, записанный в обычный wav файл, например, сигнал электрогитары, записанный через звуковую карту компьютера. С выхода виртуальной схемы обработанный сигнал выводится в wav файл, на виртуальный осциллограф или сразу на звуковую карту и может быть прослушан через наушники или колонки. Несколько виртуальных осциллографов и вольтметров могут быть подключены во все узлы схемы и разработчик имеет возможность легко настроить схему по своим представлениям, выставляя требуемые напряжения путем изменения номиналов виртуальных резисторов (сопротивлений) и других элементов схемы.

Цифровая модель простейшего гитарного дисторшн в TINA TI

От разработчика требуется сама новая идея обработки сигнала, т.е. творческая идея. Реализация этой идеи в виде виртуальной схемы и ее испытания на реальных гитарных сигналах осуществляется через сборку схемы в TINA TI из готовых виртуальных элементов без низкоуровневого программирования алгоритмов цифровой обработки сигналов. Удачная виртуальная схема, вероятно, будет представлять коммерческую ценность при трансформации ее в загружаемую в аппаратный цифровой гитарный процессор программу DSP, VST модуль или при изготовлении ее в виде реального аналогового прибора для продвижения по обычным каналам продажи электромузыкального оборудования.

Не понятно, как нам поможет цифровой-симулятор. Зачем начинать с него?

Конечно истинный трушный велосипедист едет только на собранном им самим велосипеде. Шутка. Дело в том, что готовые блоки (могущие иметь внутри весьма сложный код и даже другие вложенные блоки с еще более сложным кодом внутри) с системой их виртуального соединения и адаптивной частотой дискретизации внутри системы моделирования позволяют разработчику вообще ничего не знающему о z-преобразовании тем не менее делать цифровую обработку сигналов весьма навороченными способами вообще без программирования. Замечу также, что самые крутые цифровые гитарные процессоры тем не менее именно моделируют аналоговые ламповые усилители, а не используют совершенно оригинальные рожденные сразу изначально в z-области чисто программные коды без привязки к реальному аналоговому миру. То есть путь изобретения гитарного звука в 21 веке все равно за основу берет РЕАЛЬНОЕ аналоговое устройство и моделирует его в цифре. Если вы НЕ изобрели новую аналоговую схему то и моделировать вам в цифре нечего, вот поэтому, на мой взгляд, прогресс в цифровых гитарных процессорах и замедлился. На возражение, что все схемы уже изобретены и больше переносить в цирфру нечего, не соглашусь. КАК РАЗ сегодня смотрел на YouTube на канале Соколова, известного обзорщика электрогитар и усилителей, обзор некоей японской примочки. Он сравнивал ее в своем педал-борде с Marshall и AMT. Это день и ночь! Сам Соколов у которого много сотен обзоров сказал, что такое впечатление, что Marshall и AMT просто сломались! Звук этой японской примочки настолько ярче, жирнее и насыщеннее, что окажется, что другие примочки просто сломались или у них села батарейка. Получается вроде как не все еще изобретено и перенесено в цифру.