Струны, часть 2: два звукоснимателя
В предыдущем посте я показал что в сигнале звукоснимателя, расположенного под струной электрогитары, возникают характерные регулярные частотные провалы, вызванные особенностями колебания струны.
В этом посте речь пойдёт о любопытных явлениях, которые происходят когда струну снимают сразу двумя датчиками и смешивают их сигнал. Вы узнаете, почему средняя позиция на гитаре с двумя датчиками (или 2-я и 4-я позиция на стратокастерах) звучит так, как она звучит. А ещё - почему у хамбакера меньше верхов, чем у сингла.
Каждый гитарист или басист знаком с этим: берём гитару с бриджевым и нековым датчиками, переключаемся в среднюю позицию (в которой работают оба) и получаем специфический звук с как бы срезанной серединой. И он не звучит как «нечто среднее» между звукоснимателями по отдельности, а звучит совсем по другому.
Как так получается? Ведь когда работают сразу два звукоснимателя, сигналы с них просто напросто складываются. Это так, но в этом сложении есть один нюанс, который усложняет картину.
Напомню, как устроены колебания отдельных гармоник струны. У всех гармоник, кроме первой, струна делится на несколько частей, которые колеблются с одинаковой частотой в противоположных направлениях. Я буду называть эти части «звеньями» гармоники.
Третья гармоника и три её «звена» (по клику откроется анимированная версия)
Два соседних звена гармоники всегда колеблются в противоположных направлениях. Звенья, взятые «через одно» - в одном направлении. Звенья, взятые «через два» - снова в противоположных. И так далее.
Если два звукоснимателя получают гармонику с одного и того же звена, или с двух разных звеньев, которые колеблются в одном направлении, то при суммировании сигналов звукоснимателей уровни этой гармоники складываются.
А если два звукоснимателя снимают гармонику с двух звеньев, которые колеблются в противоположных колебаниях (например, двух смежных звеньев), то гармоника оказывается в противофазе с самой собой. В этом случае добавление сигнала второго датчика не усиливает гармонику, а ослабляет. А итоговый её уровень зависит от разности между отдельными уровнями.
В первом случае (сложение в фазу) уровень гармоники в суммарном сигнале может быть от околонулевого (если в оба датчика гармоника почти не попадает) до 200% (если в обоих датчиках она максимально присутствует). И обычно получается что-то в районе от 100% до 200%.
Во втором случае, при противофазном сложении, всё иначе. Минимальная сумма (0) получается, когда амплитуда гармоники над обоими звукоснимателями одинакова. Причём, неважно, сколько её там было - 0 и 0, 40% и 40% или 100% и 100%. Во всех этих случаях при сложении сигналов произойдёт полное вычитание этой гармоники. Максимальная сумма (около 100%) получается когда РАЗНИЦА между уровнями гармоники в двух звукоснимателях максимальная (в одном звукоснимателе гармоника присутствует на 100%, а в другом её почти нет). И обычно получается что-то в районе от 0 до 50 %.
Ещё есть два крайних, переходных варианта: когда один или два звукоснимателя оказываются под узлом гармоники. Но с ними всё понятно. Если в одном звукоснимателе гармоника есть, а в другом её вообще нет, в сумме получится тот же её уровень, что в первом датчике. А если гармоники нет в каждом из датчиков, её не будет и в сумме.
-
Теперь вернёмся к примеру из прошлого поста, на котором мы моделировали состав гармоник открытой струны в зависимости от положения датчика. На этот раз смоделируем, какой состав гармоник открытой струны получится, если сложить сигнал «синего» и «красного» датчиков (условный нековый и бриджевый сингл).
Первая гармоника имеет уровень в 75% в синем датчике и 15% в красном (цифры примерные и на глазок, но не суть). При сложении сигналов её уровень получается 90%.
Вторая гармоника: уровни - 100 и 35 процентов, сумма - 135%.
Третья гармоника: уровни - 75 и 50 процентов, сумма - 125%.
Четвёртая гармоника: в «синем датчике» отсутствует (он оказался под её «узлом»), в «красном» 65%, сумма - 65%
Пятая гармоника снимается с двух соседних звеньев и складывается в противофазу. Поэтому получается так: уровни - 75 и 77 процентов, а сумма (или лучше сказать, разность) - 2%.
То же самое происходит со следующими двумя гармониками.
Шестая гармоника: уровни - 100 и 90 процентов, сумма - 10%.
Седьмая гармоника: уровни - 75 и 95 процентов, сумма - 20%.
На восьмой гармонике у «синего» датчика опять ноль, у «красного» - 98 процентов, сумма - 98%.
С девятой гармоники ситуация ещё раз меняется. Звукосниматели получают сигнал с двух звеньев гармоники, расположенных через одно, а значит, гармоника снова складывается при суммировании сигналов, а не вычитается.
Девятая гармоника: уровни - 75 и 98 процентов, сумма - 173%.
Десятая гармоника: уровни - 100 и 100 процентов, сумма - 200%.
Дальше у меня график заканчивается, но понятно, что это чередование будет продолжаться и дальше, по мере «умельчения» звеньев гармоник. Например, с 13-й гармоники снова начнётся противофаза, потому что синий и красный датчики будут снимать её звенья, расположенные через два.
В результате, при съёме струны двумя датчиками у одних гармоник уровни складываются, а у других - вычитаются. Получаются «противофазные зоны», которые проявляются в звуке как широкие частотные провалы.
Чтобы наглядно их показать, я записал несколько слайдов по второй струне:
Средний сингл, нековый сингл, и их сумма на моём Homage. Расстояние между датчиками - 42 мм. В районе 4 КГц хорошо заметна противофазная зона: частоты, которых в каждом из датчиков по отдельности полно, практически пропадают при сложении сигналов датчиков.
Бриджевый сингл, нековый сингл, и их сумма на моём Epiphone. Расстояние между датчиками - 122 мм. Видны противофазные зоны в районах 1,5 КГц, 3,7 КГц, 6,7 КГц, 9 КГц. А вот провал в районе 5,5 КГц - не противофазный и получается просто потому что у у обоих датчиков здесь минимумы сигнала.
Вот так и получается характерная «срезанная середина» при смешивании двух датчиков. Если расстояние между ними большое (нек и бридж), то «противофазная зона» начинается довольно рано а фаза с противофазой чередуются часто. Если расстояние поменьше (нек и средний или средний и бридж), противофаза начинается на более высоких частотах.
-
Теперь поговорим про хамбакеры. Хамбакер - это не что иное, как два датчика, снимающих струну вместе1, поэтому он тоже создаёт «противофазные зоны».
Только здесь пара датчиков расположена очень близко друг к другу. Низкие гармоники, у которых звено крупное, хамбакер чаще всего снимает в фазу, за исключением случаев, когда узел гармоники находится между катушками хамбакера.
Если середина хамбакера расположена ровно под узлом какой-то гармоники, то она пропадает полностью. Замечу, что сингл, расположенный в этом же месте, эту гармонику тоже не снимет. Поэтому у хамбакера получаются провалы на тех же частотах, что у сингла, расположенного в том же месте:
-
Когда длина звена гармоники приближается к расстоянию между катушками хамбакера, начинается нечто новое.
Для начала посмотрим, что случится с гармоникой, у которой длина звена равна расстоянию между катушками хамбакера (обычно это 18 мм, что соответствует 36-й гармонике открытой струны при мензуре 25.5). Где бы хамбакер ни находился, его катушки окажутся либо под двумя узлами этой гармоники, либо под двумя её соседними звеньями, причём вторая катушка получит ровно столько же гармоники, что первая. В любом случае этой гармоники в сигнале хамбакера не будет. Подчеркну - где бы он ни находился относительно струн.
Гармоники с длиной звена близкой к 18 мм тоже будут завалены. Здесь есть разные варианты, в зависимости от расположения хамбакера относительно гармоники, но все они дают небольшую или нулевую сумму сигналов: здесь либо складываются две маленьких амплитуды, либо вычитаются две близких.
Таким образом получается частотный вырез, высота которого не зависит от положения хамбакера относительно струны, а вот его форма - зависит (см. различные варианты на картинке выше).
-
Вывод из этого такой: у хамбакера есть два вида частотных провалов. Первый вид провалов получается от того, что датчик расположен под узлом какой-то гармоники, их высота зависит от положения хамбакера относительно струны, и она такая же, как у провалов сингла, расположенного в этом же месте.
Второй вид провалов получается от того, что длина звена какой-либо гармоники равна или близка расстоянию между катушками хамбакера. Их высота не зависит от того, где расположен хамбакер. А у сингла этих провалов просто нет.
Разумеется, это относится к любым двум датчикам, просто у хамбакера эти два типа провалов расположены более «понятно», а в случае с двумя далеко расположенными синглами - перемешаны, потому что там второй тип начинается гораздо ниже.
Поэтому у гитарного хамбакера, где бы он ни был расположен, есть обязательный провал вокруг частоты 36-й гармоники открытой струны (а ещё - всех кратных ей гармоник, но это уже неважно, потому что это настолько высоко, что струна таких гармоник не особенно-то издаёт). На первой струне гитары (в стандартном строе) это около 12 КГц, на шестой - около 3 КГц. Это - одна из основных причин, по которым хамбакер звучит «глуше» аналогичного сингла.
Отдельные катушки бриджевого хамбакера на моём Epiphone в сравнении с целым хамбакером. Сначала та, что ближе к бриджу, затем та, что дальше, а потом - весь хамбакер. В районе 9 КГц - широкая противофазная зона.
Бриджевый и нековый хамбакер с отсечкой и без. Видно, что хамбакер имеет те же2 провалы, что сингл в этом месте, плюс завал по верхам из-за широкой противофазной зоны.
-
Ещё раз повторюсь: все эти штуки происходят исключительно потому что струна колеблется определённым образом. Любой датчик (даже сказочный, с идеально ровной АЧХ), который снимает колебания участка струны, расположенного прямо над ним, будет иметь частотные провалы, описанные в этом и предыдущем посте. В нашей реальности к этим провалам просто добавляется частотная окраска звукоснимателей.
Напоследок пара примечаний по электрической части:
* Когда электрогитары только появились, звукосниматели на гитары ставили одинаковые и их звучание различалось исключительно из-за того, что они «слушают» разные участки струны. Сейчас чаще всего ставят разные звукосниматели, с частоткой, подобранной под конкретное местоположение. Например, нековый звукосниматель делают таким, чтобы он снимал поменьше низов. Так мы сохраняем нековую «певучесть», но избегаем излишнего бубнения и мутноты.
* Если у двух звукоснимателей заметно отличается сопротивление/выход, то при их совместной работе более «слабый» из них, как ни странно, будет вносить бОльший вклад в звук, чем более «сильный»(что-то там про сопротивления). Если поставить на гитару нековый датчик с небольшим выходом и бриджевый с большим, то средняя позиция будет звучать как нековый датчик, к которому подмешали немножко бриджевого.
-
1 - Хамбакер почти всегда представляет собой два одинаковых датчика-сингла, соединённых последовательно и имеющих противоположную намотку и полярность. Поэтому электрические шумы в нём «вычитаются» (для того хамбакер и придуман), а колебания струны складываются.
2 - внимательный зритель заметит, что частоты провалов немного различаются. Они были бы одинаковыми, если бы сравнивался хамбакер и сингл с одинаковым положением центра. А у нас тут отдельная катушка хамбакера сравнивается со всем хамбакером, так что получается 9 мм разницы.
В этом посте речь пойдёт о любопытных явлениях, которые происходят когда струну снимают сразу двумя датчиками и смешивают их сигнал. Вы узнаете, почему средняя позиция на гитаре с двумя датчиками (или 2-я и 4-я позиция на стратокастерах) звучит так, как она звучит. А ещё - почему у хамбакера меньше верхов, чем у сингла.
Каждый гитарист или басист знаком с этим: берём гитару с бриджевым и нековым датчиками, переключаемся в среднюю позицию (в которой работают оба) и получаем специфический звук с как бы срезанной серединой. И он не звучит как «нечто среднее» между звукоснимателями по отдельности, а звучит совсем по другому.
Как так получается? Ведь когда работают сразу два звукоснимателя, сигналы с них просто напросто складываются. Это так, но в этом сложении есть один нюанс, который усложняет картину.
Напомню, как устроены колебания отдельных гармоник струны. У всех гармоник, кроме первой, струна делится на несколько частей, которые колеблются с одинаковой частотой в противоположных направлениях. Я буду называть эти части «звеньями» гармоники.
Третья гармоника и три её «звена» (по клику откроется анимированная версия)
Два соседних звена гармоники всегда колеблются в противоположных направлениях. Звенья, взятые «через одно» - в одном направлении. Звенья, взятые «через два» - снова в противоположных. И так далее.
Если два звукоснимателя получают гармонику с одного и того же звена, или с двух разных звеньев, которые колеблются в одном направлении, то при суммировании сигналов звукоснимателей уровни этой гармоники складываются.
А если два звукоснимателя снимают гармонику с двух звеньев, которые колеблются в противоположных колебаниях (например, двух смежных звеньев), то гармоника оказывается в противофазе с самой собой. В этом случае добавление сигнала второго датчика не усиливает гармонику, а ослабляет. А итоговый её уровень зависит от разности между отдельными уровнями.
В первом случае (сложение в фазу) уровень гармоники в суммарном сигнале может быть от околонулевого (если в оба датчика гармоника почти не попадает) до 200% (если в обоих датчиках она максимально присутствует). И обычно получается что-то в районе от 100% до 200%.
Во втором случае, при противофазном сложении, всё иначе. Минимальная сумма (0) получается, когда амплитуда гармоники над обоими звукоснимателями одинакова. Причём, неважно, сколько её там было - 0 и 0, 40% и 40% или 100% и 100%. Во всех этих случаях при сложении сигналов произойдёт полное вычитание этой гармоники. Максимальная сумма (около 100%) получается когда РАЗНИЦА между уровнями гармоники в двух звукоснимателях максимальная (в одном звукоснимателе гармоника присутствует на 100%, а в другом её почти нет). И обычно получается что-то в районе от 0 до 50 %.
Ещё есть два крайних, переходных варианта: когда один или два звукоснимателя оказываются под узлом гармоники. Но с ними всё понятно. Если в одном звукоснимателе гармоника есть, а в другом её вообще нет, в сумме получится тот же её уровень, что в первом датчике. А если гармоники нет в каждом из датчиков, её не будет и в сумме.
-
Теперь вернёмся к примеру из прошлого поста, на котором мы моделировали состав гармоник открытой струны в зависимости от положения датчика. На этот раз смоделируем, какой состав гармоник открытой струны получится, если сложить сигнал «синего» и «красного» датчиков (условный нековый и бриджевый сингл).
Первая гармоника имеет уровень в 75% в синем датчике и 15% в красном (цифры примерные и на глазок, но не суть). При сложении сигналов её уровень получается 90%.
Вторая гармоника: уровни - 100 и 35 процентов, сумма - 135%.
Третья гармоника: уровни - 75 и 50 процентов, сумма - 125%.
Четвёртая гармоника: в «синем датчике» отсутствует (он оказался под её «узлом»), в «красном» 65%, сумма - 65%
Пятая гармоника снимается с двух соседних звеньев и складывается в противофазу. Поэтому получается так: уровни - 75 и 77 процентов, а сумма (или лучше сказать, разность) - 2%.
То же самое происходит со следующими двумя гармониками.
Шестая гармоника: уровни - 100 и 90 процентов, сумма - 10%.
Седьмая гармоника: уровни - 75 и 95 процентов, сумма - 20%.
На восьмой гармонике у «синего» датчика опять ноль, у «красного» - 98 процентов, сумма - 98%.
С девятой гармоники ситуация ещё раз меняется. Звукосниматели получают сигнал с двух звеньев гармоники, расположенных через одно, а значит, гармоника снова складывается при суммировании сигналов, а не вычитается.
Девятая гармоника: уровни - 75 и 98 процентов, сумма - 173%.
Десятая гармоника: уровни - 100 и 100 процентов, сумма - 200%.
Дальше у меня график заканчивается, но понятно, что это чередование будет продолжаться и дальше, по мере «умельчения» звеньев гармоник. Например, с 13-й гармоники снова начнётся противофаза, потому что синий и красный датчики будут снимать её звенья, расположенные через два.
В результате, при съёме струны двумя датчиками у одних гармоник уровни складываются, а у других - вычитаются. Получаются «противофазные зоны», которые проявляются в звуке как широкие частотные провалы.
Чтобы наглядно их показать, я записал несколько слайдов по второй струне:
Click to viewСредний сингл, нековый сингл, и их сумма на моём Homage. Расстояние между датчиками - 42 мм. В районе 4 КГц хорошо заметна противофазная зона: частоты, которых в каждом из датчиков по отдельности полно, практически пропадают при сложении сигналов датчиков.
Бриджевый сингл, нековый сингл, и их сумма на моём Epiphone. Расстояние между датчиками - 122 мм. Видны противофазные зоны в районах 1,5 КГц, 3,7 КГц, 6,7 КГц, 9 КГц. А вот провал в районе 5,5 КГц - не противофазный и получается просто потому что у у обоих датчиков здесь минимумы сигнала.
Вот так и получается характерная «срезанная середина» при смешивании двух датчиков. Если расстояние между ними большое (нек и бридж), то «противофазная зона» начинается довольно рано а фаза с противофазой чередуются часто. Если расстояние поменьше (нек и средний или средний и бридж), противофаза начинается на более высоких частотах.
-
Теперь поговорим про хамбакеры. Хамбакер - это не что иное, как два датчика, снимающих струну вместе1, поэтому он тоже создаёт «противофазные зоны».
Только здесь пара датчиков расположена очень близко друг к другу. Низкие гармоники, у которых звено крупное, хамбакер чаще всего снимает в фазу, за исключением случаев, когда узел гармоники находится между катушками хамбакера.
Если середина хамбакера расположена ровно под узлом какой-то гармоники, то она пропадает полностью. Замечу, что сингл, расположенный в этом же месте, эту гармонику тоже не снимет. Поэтому у хамбакера получаются провалы на тех же частотах, что у сингла, расположенного в том же месте:
-
Когда длина звена гармоники приближается к расстоянию между катушками хамбакера, начинается нечто новое.
Для начала посмотрим, что случится с гармоникой, у которой длина звена равна расстоянию между катушками хамбакера (обычно это 18 мм, что соответствует 36-й гармонике открытой струны при мензуре 25.5). Где бы хамбакер ни находился, его катушки окажутся либо под двумя узлами этой гармоники, либо под двумя её соседними звеньями, причём вторая катушка получит ровно столько же гармоники, что первая. В любом случае этой гармоники в сигнале хамбакера не будет. Подчеркну - где бы он ни находился относительно струн.
Гармоники с длиной звена близкой к 18 мм тоже будут завалены. Здесь есть разные варианты, в зависимости от расположения хамбакера относительно гармоники, но все они дают небольшую или нулевую сумму сигналов: здесь либо складываются две маленьких амплитуды, либо вычитаются две близких.
Таким образом получается частотный вырез, высота которого не зависит от положения хамбакера относительно струны, а вот его форма - зависит (см. различные варианты на картинке выше).
-
Вывод из этого такой: у хамбакера есть два вида частотных провалов. Первый вид провалов получается от того, что датчик расположен под узлом какой-то гармоники, их высота зависит от положения хамбакера относительно струны, и она такая же, как у провалов сингла, расположенного в этом же месте.
Второй вид провалов получается от того, что длина звена какой-либо гармоники равна или близка расстоянию между катушками хамбакера. Их высота не зависит от того, где расположен хамбакер. А у сингла этих провалов просто нет.
Разумеется, это относится к любым двум датчикам, просто у хамбакера эти два типа провалов расположены более «понятно», а в случае с двумя далеко расположенными синглами - перемешаны, потому что там второй тип начинается гораздо ниже.
Поэтому у гитарного хамбакера, где бы он ни был расположен, есть обязательный провал вокруг частоты 36-й гармоники открытой струны (а ещё - всех кратных ей гармоник, но это уже неважно, потому что это настолько высоко, что струна таких гармоник не особенно-то издаёт). На первой струне гитары (в стандартном строе) это около 12 КГц, на шестой - около 3 КГц. Это - одна из основных причин, по которым хамбакер звучит «глуше» аналогичного сингла.
Отдельные катушки бриджевого хамбакера на моём Epiphone в сравнении с целым хамбакером. Сначала та, что ближе к бриджу, затем та, что дальше, а потом - весь хамбакер. В районе 9 КГц - широкая противофазная зона.
Бриджевый и нековый хамбакер с отсечкой и без. Видно, что хамбакер имеет те же2 провалы, что сингл в этом месте, плюс завал по верхам из-за широкой противофазной зоны.
-
Ещё раз повторюсь: все эти штуки происходят исключительно потому что струна колеблется определённым образом. Любой датчик (даже сказочный, с идеально ровной АЧХ), который снимает колебания участка струны, расположенного прямо над ним, будет иметь частотные провалы, описанные в этом и предыдущем посте. В нашей реальности к этим провалам просто добавляется частотная окраска звукоснимателей.
Напоследок пара примечаний по электрической части:
* Когда электрогитары только появились, звукосниматели на гитары ставили одинаковые и их звучание различалось исключительно из-за того, что они «слушают» разные участки струны. Сейчас чаще всего ставят разные звукосниматели, с частоткой, подобранной под конкретное местоположение. Например, нековый звукосниматель делают таким, чтобы он снимал поменьше низов. Так мы сохраняем нековую «певучесть», но избегаем излишнего бубнения и мутноты.
* Если у двух звукоснимателей заметно отличается сопротивление/выход, то при их совместной работе более «слабый» из них, как ни странно, будет вносить бОльший вклад в звук, чем более «сильный»(что-то там про сопротивления). Если поставить на гитару нековый датчик с небольшим выходом и бриджевый с большим, то средняя позиция будет звучать как нековый датчик, к которому подмешали немножко бриджевого.
-
1 - Хамбакер почти всегда представляет собой два одинаковых датчика-сингла, соединённых последовательно и имеющих противоположную намотку и полярность. Поэтому электрические шумы в нём «вычитаются» (для того хамбакер и придуман), а колебания струны складываются.
2 - внимательный зритель заметит, что частоты провалов немного различаются. Они были бы одинаковыми, если бы сравнивался хамбакер и сингл с одинаковым положением центра. А у нас тут отдельная катушка хамбакера сравнивается со всем хамбакером, так что получается 9 мм разницы.