Создание приставки для электрогитары с эффектом Distortion

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

 муниципального образования города Краснодара средняя

 общеобразовательная школа №71

«Создание приставки для электрогитары с эффектом Distortion»

Ученик: Баглай Иван 11«Б2» класса

Куратор: Пахомов Александр Сергеевич

Учитель физики

Содержание:

Введение………………………………………………………………….….3 стр.

1. Теоретическая часть……………………………………………………... 4 стр.

1.1. Электрогитара ………………………………………………………......4 стр.

1.2. Гитарные эффекты ……………………..………………………...….…7 стр.

1.3. Звукосниматель и его работа. …………………………..……………..8 стр.

1.4. Эффект Distortion ………………………………………………….…. 10 стр

2. Практическая часть……………………………………………………....11 стр.

2.1. Методы исследования……………………………………………….... 11 стр.

2.2. Моделирование схемы. ………………..………………………………11 стр.

2.3. Сборка прибора……………………………………………………….. 12 стр.

3. Заключение……………………………………………………………… 13 стр.

4. Список использованной литературы и других источников………….. 14 стр.

5. Приложения………………………………………………………………15 стр.

ВВЕДЕНИЕ:

Проблемный вопрос: возможно ли создать гитарную приставку для получения эффекта distortion в домашних условиях?

Актуальность проекта:

Во все времена музыка являлась актуальным средством передачи не только информации, но и чувств, эмоций. Чтобы создать музыку необходимо подходящее оборудование, умение пользоваться этим оборудованием и вдохновение. Но даже если вы будете гореть желанием создавать, без музыкальных инструментов не получится написать музыку.
Одним из самых распространенных музыкальных инструментов является гитара. Она сочетает в себе простоту и изящность, хороший и приятный звук, и лёгкость в освоении. В цифровой век наук и открытий люди придумали, как соединить гитару с электричеством, что позволило сделать ее универсальной. С изобретением электрогитары произошло и развитие музыкальных жанров, таких как регги, блюз, рок-н-ролл, и другие. Этот инструмент становится очень популярным в музыкальном жанре.

Для расширения тембра гитарного звука создавались различные преобразователи. И зачастую, даже в современном мире они является отнюдь не дешевым. Многие компании пытаются их усовершенствовать, модернизировать, и вследствие этого появляется огромное разнообразие тонов и звуков, исходящих из таких устройств.

Но можно сделать такую приставку с эффектом distortion, которая будет исправно функционировать и доступна всем по своей цене.

Замысел: создать полноценно функционирующую приставку с эффектом distortion. Она представляет небольшое устройство, к которому  можно подключить электрогитару. Звук гитары будет исходить из любого усилителя, подключенного к устройству

Цель: целью проекта является создание гитарной приставки, способной преобразовывать тембр звука при помощи диодного ограничителя амплитуды.

Задачи:

1. Анализ теоретического материала по электромагнитным явлениям, обработке гитарного звука.
2. Cоздание гитарной приставки.

1. Теоретическая часть.

1. Электрогитара.

Электрогитара — разновидность гитары с электрическими звукоснимателями, преобразующими колебания металлических струн в колебания электрического тока. Сигнал со звукоснимателей может быть обработан для получения различных звуковых эффектов и затем усилен для воспроизведения через динамики. [6]

Электрогитары изготавливаются как правило из дерева. Самые распространённые материалы — ольха, ясень, махагони (красное дерево), клён. В качестве накладки на гриф применяют палисандр, чёрное дерево и клён.

Гитара и электрогитара не имеют больших различий, поэтому строение электрогитары можно рассматривать по строению классической гитары.

Гитара включает в себя: деку, нижний порожек, обечайку, гриф, колки, верхний порожек, порожки, лады, резонаторное отверстие.

Верхняя дека оказывает основное влияние на звучность инструмента. Это еловая или кедровая доска толщиной 2,5-4 мм, склеенная по продольной линии из двух половин. В её очертании видны 2 выпуклые части — верхняя и нижняя — разделённые вогнутостью. Чуть выше центра верхней деки находится резонатор — круглое отверстие диаметром 8,5 см. В электрогитаре применяется технология звукоснимателей, поэтому резонаторная коробка (корпус) ее не нужна. Корпус электрогитары состоит из двух цельных склеенных досок, реже из одной.[5]

На нижней, более широкой части верхней деки, находится подставка-струнодержатель. Она представляет собой прямоугольную пластину длиной 19-20 см и шириной 3 см из дерева твёрдых пород. В центре подставки есть возвышение длиной 8,4 см с прорезью, в которую вставлен нижний порожек — прямоугольная пластинка из кости или пластика. Порожек держит струны приподнятыми над декой, закрепляет их нижние концы и передаёт колебания струн корпусу. В нижней части подставки имеется 6 отверстий для закрепления нижних концов струн.

 В электрогитаре струнодержатель состоит из звеньев, на которые закрепляются струны. Сама подставка-струнодержатель изготовлена сплава металлов, способных выдержать натяжение струн. Такая подставка имеет отличительное преимущество, в отличии от акустической. Из-за того, что металлические звенья не скреплены друг с другом они могут двигаться. Следовательно, струна может отдаляться от своей оси на большее расстояние, чем на простой подставке. Существует несколько приемов игры на электрогитаре, которые используют эту техническую особенность инструмента.

Гриф изготавливается из кедра или ели. Его длина 60-70 см, ширина 5-6 см и толщина 2,3 см. С лицевой стороны гриф плоский, с обратной — слегка выпуклый. Он крепится к корпусу гитары в месте соединения обечаек посредством закреплённого выступа, называемого килем (пяткой или коленом). К электрогитаре гриф чаще всего прикрепляют винтовым способом, редко корпус и гриф гитары делают как одно целое. Плоская верхняя часть грифа покрывается накладкой — пластиной толщиной в несколько миллиметров из твёрдого дерева (чёрного, палисандра). В накладку врезаются 19 металлических порожков, несколько закругляющихся кверху. Расстояния между ладами постепенно увеличивается по мере приближения к верхнему концу грифа.[4]

2. Гитарные эффекты.

Гитарный эффект – это устройство, предназначенное для изменения громкости, тембра или частоты звука. [10] Рассмотрим существующие эффекты.

Гейновые эффекты

Гейновые эффекты (от англ. Gain – увеличение, рост) работают с уровнем громкости поступающего сигнала. К ним относятся любимые рок-гитаристами Overdrive, Distortion и Fuzz.

Overdrive – эффект, базирующийся на плавном ограничении звукового сигнала по амплитуде. По сути, он имитирует перегруженный ламповый усилитель. Звук получается теплый, объемный, довольно натуральный и очень динамичный – чем сильнее вы ударяете по струнам, тем более искаженный звук получаете.

Distortion, в отличие от овердрайва, основывается на резком ограничении сигнала по амплитуде. В результате мы имеем звук мощный, резкий, насыщенный и гораздо менее натуральный.

Fuzz. Если овердрайв и дисторшн имитируют звучание перегруженного лампового усилителя, то фузз – скорее транзисторного. При этом звук искажается до неузнаваемости, становится в определенной мере синтетическим и имеет характерный жужжащий призвук.

Динамические гейновые эффекты

Динамические гейновые эффекты, в отличие от просто гейновых, по-разному считывают поступающий сигнал в зависимости от его громкости и соответствующим образом его обрабатывают. В эту группу можно отнести Compressor, Limiter, Volume Pedal, Booster и Noise Gate.

Модулирующие эффекты

Модулирующие эффекты, или эффекты реального времени, дублируют поступающий сигнал, видоизменяя созданные копии и смешивая их с исходным сигналом. К данным эффектам относятся Chorus, Flanger, Reverberator, Delay, Tremolo, Vibrato, Phase Shifter, Pitch Shifter и Rotating Speakers.

Тоновые эффекты

Тоновые эффекты, по сути, являются фильтрами – они позволяют изменить насыщенность определенных частот перед выводом сигнала на усилитель или другой эффект цепочки. Тоновая окраска сигнала при этом меняется, а вот его общий уровень остается прежним. К данной группе эффектов относятся Equalizer и Wah-Wah.

1.3.Звукосниматель и его работа.

Все звукосниматели можно поделить на активные и пассивные.

Пассивные звукосниматели — представляют собой устройство не осуществляющее усиление сигнала. Актуальным для магнитных звукоснимателей недостатком является некоторая зависимость электрических параметров (в основном добротности и резонансной частоты) от параметров подключенных внешних устройств (усилитель) и линий коммутации (кабель) и наведенных на них шумов. Как преимущество — отсутствие необходимости в дополнительном источнике питания.

В активных звукоснимателях предварительное усиление звука осуществляется за счет встроенной в него электроники, которая позволяет подать в линию передачи сигнал большей мощности (при этом критичен уровень собственных шумов). Недостаток — необходимость в дополнительном источнике питания от 9V батареи типа «Кроны». Достоинства: независимость характеристик звукоснимателя от подключаемой аппаратуры и снижение относительного уровня шумов в линии передачи и усилителе.

Самый популярный тип звукоснимателя:

Электромагнитный звукосниматель — снятие звука происходит благодаря изменению электромагнитного поля за счёт колебания в нём струны. Преобразование колебания струн в электрический сигнал происходит следующим образом: металлическая струна колеблется в поле, создаваемом постоянным магнитом (магнитами) датчика. Внутри катушки проволоки, намотанной вокруг этих магнитов, возникает электрический ток, который через провода подается в усилитель. Электромагнитный звукосниматель воспринимает только поперечные колебания струн, перпендикулярные магнитной оси катушки. Зачастую датчики сильно влияют на окраску сигнала, имеют различные АЧХ, уровень компрессии, уровень сигнала. Поэтому заменой датчиков можно изменить звучание инструмента.

Сингл (англ. Single) — одна катушка. Более яркая перкуссионная атака, общая чёткость звучания лучше, нежели у хамбакеров. Из недостатков — большая чувствительность к электромагнитным помехам и более низкий уровень сигнала относительно двухкатушечных звукоснимателей.

Хамбакер (англ. Humbucker) — две катушки, расположенные рядом на одном магнитопроводе, включенные в противофазе. Такой подход позволяет существенно снизить шумы от электромагнитного фона за счёт алгебраического сложения сигналов от двух катушек, при этом за счет небольшой разности фаз полезного колебания (вызванной расстоянием между катушками), вычитается и часть спектра колебания струны.

Амплитуда выходного сигнала зависит от типа звукоснимателя и техники игры и может составлять до 200 мВ. Такой слабый сигнал нуждается в усилителе. Обычно между гитарой и усилителем и располагают в разной последовательности гитарные эффекты, рассмотренные ранее.

1.4. Эффект Distortion.

Звук - физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти колебания, рассматриваемые в связи с тем, как они воспринимаются органами чувств животных. [7]

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой. Амплитуда характеризует громкость звука. Частота определяет тон. Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. Громкость звука сложным образом зависит от эффективного звукового давления, частоты и формы колебаний, а высота звука — не только от частоты, но и от величины звукового давления.

Частота переменного электрического  тока со звукоснимателя соответствует частотам колебаний струн. Для расширения тембровой окраски звука можно использовать способ встречно-параллельного включения полупроводниковых диодов. Эффект distortion представляет собой искажение звука путём ограничения по амплитуде. На рис. 3 на верхнем графике приведен сигнал с звукоснимателя, на нижнем графике ограниченный сигнал. Эффект ограничивает амплитуду сигнала, как бы «срезая» верхушки, но всё-таки оставляя эти вершины скруглёнными. Поэтому гитарный овердрайв на слух воспринимается мягче, чем дисторшн и имеет скажем так «тёплое» звучание. Также с использованием овердрайва звук гитары обогащается множеством гармоник, поэтому мы ощущаем на слух шуршащие оттенки. И обращаю ваше внимание, что при применении овердрайва звучание гитары чувствительно к динамике игры.

2.Практическая часть.

2.1.Методы исследования.

Моделирование – это построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.

Целью этого метода исследования в нашем проекте является создание схемы устройства в программе моделирования электронных схем. С помощью созданной модели  мы сможем подобрать номиналы деталей, для получения нужных характеристик.

2. Моделирование схемы.

За основу была взята схема педали эффекта DoD250 Overdrive (рис. 1).

Ее единственным активным элементом является  микросхема операционного усилителя ua741 (рис.2).

В таком включении ОУ работает как инвертирующий усилитель (рис 8.) с обратной связью на элементах R3C2R4R5. Коэффициент усиления k=R3/(R4+R5). Сигнал необходимо усилить до напряжения около 1 вольта, для того, что бы диоды были полностью открыты и падение напряжение на них было около 0,6 В для кремниевых диодов и 0,2В для германиевых. Цепочка элементов на диодах R6D1D2 ограничивает выходной сигнал с микросхемы усилителя. Диод – это полупроводниковый прибор, имеющий два вывода - анод и катод, и предназначенный для выпрямления, стабилизации, ограничения и преобразования электрических сигналов.

В усилителе диод играет огромное значение – он обладает свойством ограничения сигнала, который превышает прямое падение напряжения на диоде. На звуковом сигнале это сказывается таким образом, что его график приобретает вид ограниченной по амплитуде синусоиды (рис.3). Такая “обрезка” преображает “чистый” звук гитары в “грязный”, так называемый “перегруз”.

Регулировать громкость (R7) и мощность “обрезания” звука (R5) будут переменные резисторы. Питать всю систему будет блок питания  на 12 вольт.

Смоделированная схема представлена на рис. 4.

На рис. 5. Осциллограф показывает входной и выходной сигнал. Параметры обратной связи подобраны так, что бы ограничения не происходило. Немного увеличив коэффициент усиления получаем сначала небольшое (рис. 6) а потом и значительное (рис. 7) ограничение по амплитуде. В результате экспериментов были подобраны и остальные параметры резисторов и конденсаторов.

2.3.Сборка прибора.

Приобретаем все необходимые детали и начинаем сборку.

Для начала рассчитаем примерные размеры платы. Длина – 65мм, ширина – 30мм. Обрезаем макетную плату по рассчитанным размерам с помощью специального приспособления.

Размещаем все детали на плату. Ради удобства воспользуемся уже готовой заводской разметкой для данной схемы.

Закрепляем каждую деталь на своем месте при помощи припоя. Затем соединяем эти детали по схеме, накладывая расплавленный металл на места дорожек, указанных в схеме. Затем соединяем схему с разъемами питания, входом и выходом аудиосигнала, и не забываем соблюдать технику безопасности.

Закрепляем данную конструкцию в корпус. Он будет защищать схему от физических повреждения и других источников деформации.

3.Заключение.

Для окончательной настройки  схемы её нужно было проверить на работоспособность. Настройка данной схемы заключалась в коррекции параметров деталей на собранном устройстве с помощью осциллографа.

Все детали были приобретены на сумму менее трехсот рублей на момент сентября-октября 2020 года. На торговых точках такое устройство можно приобрести на сумму от 1000 до 5000 рублей.

Денежная выгода очевидна, а затраченное время оправдывает себя. Причем, если не брать в расчет самодельный корпус и оригинальный, то разница практически не наблюдается.

Демонстрация работы приставки осуществлялась путем инструментальной игры на двух электрогитарах. Одна гитара была подключена к усилителю через самодельную приставку овердрайв, а другая через дорогой музыкальный процессор с тем же настроенным эффектом. При совместной или поочередной игре на инструментах можно оценить звучание.

4.Список использованной литературы и других источников

1. Лямб Г. Динаическая теория звука / Н.С. Агеева, М.А. Исакович – Москва: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960г.
2. Римский-Корсаков А.В. Электроакустика / Г.Д. Сергеева – Москва: «Связь», 1973г.
3. Карпов Л.В. Звукообразование на гитаре / - https://cyberleninka.ru/article/v/zvukoobrazovanie-na-gitare
4. «Академик» Гитара / - https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/9229
5. «EOMI» Гитара – музыкальный инструмент / -https://eomi.ru/plucked/electric-guitar/
6. «Википедия».Электрогитара/- https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрогитара
7.  «Википедия».Звук/- https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B2%D1%83%D0%BA
8. «Википедия».Магнетизм/- https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнетизм
9. «Википедия».Электричество/-https://ru.wikipedia.org/wiki/Электричество
10.  «Легато».Комбоусилитель/- https://www.legato.su/stati/kombousilitel.html
11. «Cuboza».Dod250/ - https://cubozoa.ru/blog/сделать-овердрайв-dod-250/

5.Приложения.

Рис 1.

Рис 2.

Рис 3. 

Рис 4.

Рис 5.

Рис 6.

Рис 7.

Рис 8.