как материал корпуса и струны влияют на звук электрогитары

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ ОЦЕНИТЬ ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОГИТАРЫ НА ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ ЗВУКОСНИМАТЕЛЯ.

 

  Влияние материала корпуса электрогитары на характеристики выходного сигнала инструмента.

 

Как уже отмечалось выше, в данном вопросе нет адекватных печатных изданий и достоверной технической информации. Поэтому, с цель выявления влияния корпуса электрогитры на характеристики выходного сигнала, были проведены соответствующие испытания.

Установка, позволяющая оценить вклад корпуса в звучание инструмента, изображена на рис. 13. Она представляет собой физическую модель цельнокорпусной электрогитары: к корпусу 3 жёстко привинчен гриф 2; между двух опор (на  рис. 13 указана только подставка 5)  натянута струна 1; колебания струны снимаются электромагнитным звукоснимателем.

С помощью данного макета проводились сравнительные испытания, т.е. сравнивались характеристики полученного выходного сигнала в зависимости от материала корпуса.

 

 

 

 

 

 

Рис. 13. Установка, позволяющая оценить влияние корпуса электрогитары на выходной сигнал (вид сбоку): 1 – струна; 2 – гриф; 3 – корпус; 4 – звукосниматель; 5 – подставка (металлическая).

 

 

 

Таким образом, элементы 1, 2, 4, 5 на рис. 13 оставались неизменными в ходе эксперимента. Варьируемым компонентом в данной схеме был корпус. Он представлял собой доску прямоугольной формы с геометрическими размерами 400х250х40 из трёх пород деревьев: ель, ясень  и ольха. Последние два часто используются при производстве корпусов для электрогитар.

 

 

Таблица 1. Плотность древесины при влажности 12 %

Порода дерева

Плотность

Ель

450 кг/м3

Ольха

520 кг/м3

Ясень

700 кг/м3

 

 

Глядя на таблицу 1, легко заметить, что самой плотной древесиной является ясень. Соответственно, при одинаковых геометрических размерах, корпус из ясеня будет иметь наибольшую массу.

Сигнал с выхода звукоснимателя подавался на вход звуковой карты «Creative Sound Blaster Live 5.1» (частота дискретизации 48 кГц, 24 бит на отсчёт), который впоследствии анализировался с помощью следующих программ: Sound Forge 7.0, Adobe Audition 2, Wave Lab 5.0, Spectra Lab. Временные диаграммы, спектры и 3D-спектры по результатам испытаний представлены на рис. 1-12.

Сопоставляя временные диаграммы рис. 1, 5, 9, а также  3, 7 и 11, можно заметить различные огибающие у сигналов, различное время затухания и атаку сигнала. Наиболее ярко эти различия проявляются на  рис. 3, 7 и 11. Так, например, в случае, когда в качестве материала корпуса используется ель, наблюдается резкий выброс на начальном временном участке и достаточно быстрое затухание сигнала. Макет, корпус которого изготовлен из ясеня, напротив, не имеет столь ярко выраженной атаки, зато имеет меньшую крутизну спадания сигнала во времени и, соответственно, большую длительность звучания. В случае с ольхой наблюдается резкий выброс на начальной стадии процесса, затем огибающая сигнала приобретает квазипериодический характер и довольно резко затухает (по сравнению с ясенем).Далее в таблице 2 приводится время затухание шестой струны электрогитары в зависимости от материала корпуса.

Таблица 2. Время затухания шестой струны электрогитары в зависимости от материала корпуса

 

Материал корпуса

Tзат, с

Точка возбуждения

12 лад (посередине)

Конец грифа

Ель

17,4

18,7

Ольха

19,5

19,9

Ясень

28,7

30,0

 

 

Приведённые данные соответствуют двум точкам возбуждения: 12 лад (посередине) и на расстоянии Конец грифа от подставки. В качестве критерия Tзат использовалось время, в течение которого интенсивность звука уменьшается на 30 дБ .

Для всех типов корпусов наблюдается некоторая тенденция изменения времени затухания в зависимости от места возбуждения. Так, струна, возбуждённая ближе к подставке (струнодержателю) при одном и том же материале корпуса, имеет немного большую длительность звучания по сравнению с возбуждением посередине.

Интересно, что максимальное время затухания наблюдается в случае, когда корпус макета электрогитары изготовлен из ясеня, а наименьшую – в случае с елью. Глядя на таблицы 1 и 2, можно сделать вывод о том, что длительность звучания струны больше в том случае, когда корпус изготовлен из более плотного материала (древесины). Для наглядности построем соответствующие зависимости времени затухания от плотности материала корпуса электрогитары (рис. 14).

 

 

а

 

б

Рис. 14. Зависимость времени затухания струны от плотности материала корпуса электрогитары: а – экспериментальная зависимость; б – экспериментальная зависимость с аппроксимирующей прямой.

 

Интересно заметить, что если продолжить прямую на рис. 14, а в область более малых значений, то данная прямая точно попадает в начало координат. Это говорит о том, что если корпус электрогитары, будет изготовлен из материала малой плотности, то и время затухания струны будет стремиться к нулю.

 

Перейдем к рассмотрению полученных спектров колебаний шестой струны электрогитары, преобразованных с помощью звукоснимателя в электрический сигнал. Обратимся к рис. 1, б; 5, б; 9,б, а также  3,б; 7,б и 11,б. На них представлены БПФ спектры, состоящие из отдельных частотных компонент (частота основного тона f0 b и её гармоники). Также прослеживается сетевая частота 50 Гц с гармониками. Данная помеха проявляется, как наводимый шум непосредственно на катушку звукоснимателя, так и на гитарный кабель, соединяющий выход звукоснимателя и вход звуковой карты. Имеющимися средствами не удалось снизить данный шум до приемлемого уровня, но такого рода помеху легко обнаружить и не принимать во внимание при дальнейшем анализе.

 

Вернёмся к рассмотрению полученных спектрограмм. На рис. 1, б; 5, б; 9,б представлены спектры колебания шестой струны электрогитары (нота ми большой октавы, f0 = 82 Гц) в зависимости от материала корпуса инструмента (ель, ясень, ольха), точка возбуждения – конец грифа. Усреднённые спектры данных колебаний имеют дискретный линейчатый характер с частотой основного тона и её гармоник (не принимая во внимание наводимый шум). Сравнивая количество обертонов, их относительного расположения на частотной шкале, соотношения их амплитуд, то есть форму спектральной огибающей, можно придти к выводу, что полученные спектрограммы не имеют существенных отличий. Единственное, что явно заметно – это соотношение первой и второй гармоники: в случае, когда корпус макета изготовлен из ясеня и ольхи, амплитуда первой гармоники превалирует в полученном спектре; в случае с елью – вторая гармоника имеет максимальное значение. Другими словами можно сказать, что имеются небольшие различия в огибающей спектров.

Рассмотрим рис. 3,б; 7,б и 11,б. На них представлены спектры колебания шестой струны электрогитары (нота ми большой октавы, f0 = 82 Гц) в зависимости от материала корпуса инструмента (ель, ясень, ольха), точка возбуждения струны – 12 лад (посередине). На всех представленных спектрограммах амплитуды чётных гармоник существенно ниже амплитуд нечётных (в идеале для случая классического колебания струны, возбуждённой щипком посередине чётные составляющие должны отсутствовать в спектре). Имеются небольшие различия в огибающих спектров.

Если рассмотреть спектры колебаний со временем усреднения, равным 5 секунд для всех трёх исследуемых макетов, то можно заметить интересные явления. На рис. 15-17 представлены данные спектрограммы для макетов, корпуса которых изготовлены из ели (рис. 15), ольхи (рис. 16) и ясеня      (рис. 17).

 

 

 

Рис. 15. Спектр колебания шестой струны электрогитары с временем осреднения 5 с. Материал корпуса – ель.

 

 

 

Рис. 16. Спектр колебания шестой струны электрогитары с временем осреднения 5 с. Материал корпуса – ольха.

 

 

 

 

 

Рис. 17. Спектр колебания шестой струны электрогитары с временем осреднения 5 с. Материал корпуса – ясень.

 

 

На данных рисунках более наглядно видны различия в характере огибающей спектра. Так, например, в случае, когда материалом корпуса является ольха, спектр имеет более равномерный характер, высокочастотные составляющие выражены более ярко. Рассматривая рис. 17, можно заметить, что после седьмой гармоники наблюдается резкое спадание огибающей, в то время, как у ели устойчиво наблюдаются десять гармоник. В случае, когда материалом корпуса является ольха, количество гармоник в спектрограмме на рис. 16 доходит до 18. Сопоставляя рис. 15-17 с рис. 1,б, 5,б, 9,б,  можно сделать вывод о том, что спектры с большим временем осреднения (за весь промежуток длительности процесса) дают более смазанную картину касательно тембра звучания. Так, различия между рис. 1,б, 5,б и 9,б слабо заметно. В реальности же, мы имеем дело с процессом, развивающимся во времени. Сравнивая спектры с большим (за весь промежуток длительности процесса) и малым временем осреднения, мы видим, что частичные тоны (гармоники) ведут себя по-разному во времени.

Так,  высокочастотные составляющие больших амплитуд на рис. 16 достаточно быстро затухают во времени и при рассмотрении уже спектра, осреднённого за весь промежуток времени (рис. 9, б), высокочастотных составляющих, имеющих малую длительность во временной области, будет почти не заметно.

 

Возможно поэтому раньше и существовало заблуждение о том, что материал корпуса электрогитары не оказывает влияния на тембр звучания инструмента.

 

Можно предположить, что, рассматривая данный вопрос, исследователь производил осреднение за весь промежуток длительности процесса и получал тем самым некорректные данные, которые не соответствовали действительности. А небольшие различия в спектрах могли трактоваться как случайная погрешность. А если исследования проводились лет двадцать (и более) назад, то просто не было аппаратной возможности детально осуществлять анализ спектров. В результате делались неверные выводы (в нашей стране) по поводу корпуса электрогитары и как следствие – выпускались некачественные электрогитары, не способные конкурировать с зарубежными аналогами такими, как Fender, Gipson, Ibanez и др. А тем временем зарубежные производители вполне могли проводить детальные исследования по данному вопросу в сотрудничестве с музыкантами и выпускать инструменты с учётом всех факторов. Но результатов таких исследований отыскать не удалось, поскольку они могли быть секретом организации, производившей эксперименты. Поэтому материалы, освещающие техническую сторону данного вопроса, не публиковались.

 

Тем не менее, довольно неудобно выбирать небольшие временные интервалы исследуемых сигналов с последующим анализом. Развитие каждого частичного тона (гармоники) во времени удобно наблюдать с помощью трёхмерного спектра (3-D спектр). На рис. 2, 6, 10 представлены данные диаграммы. На каждом рисунке – трёхмерный спектр колебания шестой струны электрогитары (ми большой октавы, f0 = 82 Гц); для каждого материала корпуса свой график. Место возбуждения – конец грифа. На рис. 4, 8, 12 аналогичные диаграммы с тем отличием, что место возбуждения струны в районе двенадцатого лада. На всех представленных рисунках помимо полезного сигнала прослеживается сетевая частота и её гармоники, которые тяжело было удалить из исследуемого процесса. Но паразитные составляющие легко можно обнаружить и не принимать во внимание при дальнейшем анализе.

 

Глядя на рис. 2, 6, 10 можно с уверенностью сказать, что прослеживаются следующие сходства: спектрограммы представляют собой частоту основного тона f0 = 82 Гц и набор гармоник (не принимая во внимания частоту наводок и её гармоники); первые две составляющие имеют максимальную протяжённость по оси времени. Но имеются и существенные различия. Так, в случае, когда корпус макета изготовлен из ясеня, высокочастотные обертона после седьмой гармоники быстро затухают. У корпуса, изготовленного из ели гораздо больше высокочастотных составляющих в спектре. Шестая, седьмая, восьмая и девятая гармоники имеют ещё приличную длительность во времени по сравнению с макетом, изготовленным из ясеня, но, начиная с десятой  гармоники, наблюдается резкое затухание процесса, и обертона выше десятого проявляются только на начальном временном интервале. В случае с ольхой наблюдается интересный феномен: первая гармоника (основной тон звучания струны) имеет периодический характер спада во времени, в отличие от корпусов из ели и ясеня. Высокочастотные составляющие (с шестой по десятую гармонику, как в случае с елью) имеют достаточную протяжённость во времени и не так резко спадают во времени, как у макета из ясеня. Также, обертона, выше десятого затухают медленнее, чем у других исследуемых корпусов и имеют большие амплитуды.

Таким образом, при одинаковых струнах, подставке, звукоснимателях и грифе, но при корпусах, изготовленных из разных материалов, получаются различные сигналы на выходе звукоснимателя. Следовательно, можно добиваться того или иного тембра звучания можно с помощью корпуса электрогитары, поскольку от различных материалов корпуса зависит длительность звучания струны во времени, разное время атаки и различный спектральный состав. Таким образом, нельзя не учитывать такого существенного элемента электрогитары, как корпус, поскольку в том числе и он оказывает существенное влияние в конечном счёте на характер звучания инструмента. Так, например, некоторые недостатки звукоснимателей, такие как ограниченный частотный диапазон можно корректировать с помощью материала корпуса. Но для этого требуется отдельное и более тщательное исследование данного вопроса, поскольку некоторые характеристики, такие как большая длительность сигнала во времени в случае с корпусом, изготовленным из ясеня, оказываются в противоречии с узкой полосой спектра. Колебания струны, одна из опор, которой закреплена на корпусе из ольхи, напротив, имеют широкий спектр, но большее по сравнению с ясенем затухание во времени.

 

Хотелось бы также отметить, что электрогитара – это в первую очередь музыкальный инструмент, занимающий своё место в музыкальном коллективе. От него не стоит требовать ровной амплитудно – частотной характеристике в слышимом диапазоне частот, огромного динамического диапазона, малого коэффициента нелинейных искажений и т. д. Ни один музыкальный инструмент не удовлетворяет вышеперечисленным требованиям.

 

Тем не менее, необходимо знать, как влияют те или иные элементы электрогитары на выходной сигнал, чтобы впоследствии управлять звучанием инструмента. Так, в соответствии с исполняемым стилем музыки и вкусом исполнителей можно изготавливать различные инструменты, удовлетворяющие потребностям самых взыскательных музыкантов. В настоящее время так и происходит: нет универсальной модели электрогитары, которая бы устраивала бы всех исполнителей и слушателей.

 

 

 

а

 

 

б

Рис. 1. Временная диаграмма (а) и спектр (б) колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса - ель, точка возбуждения – 150 мм от подставки.

 

 

 

Рис. 2. Трёхмерный спектр колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса – ель, точка возбуждения – 150 мм от подставки.

 

 

 

 

а

 

 

б

 

Рис. 3. Временная диаграмма (а) и спектр (б) колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса - ель, точка возбуждения – 12 лад (посередине).

 

 

Рис. 4. Трёхмерный спектр колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса – ель, точка возбуждения – 12 лад (посередине струны).

 

 

 

а

 

 

б

 

Рис. 5. Временная диаграмма (а) и спектр (б) колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса - ясень, точка возбуждения – 150 мм от подставки.

 

 

 

Рис. 6. Трёхмерный спектр колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса – ясень, точка возбуждения – 150 мм от подставки.

 

 

 

а

 

 

б

 

Рис. 7. Временная диаграмма (а) и спектр (б) колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса - ясень, точка возбуждения – 12 лад (посередине).

 

 

 

Рис. 8. Трёхмерный спектр колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса – ясень, точка возбуждения – 12 лад (посередине струны).

 

 

 

а

 

 

б

 

Рис. 9. Временная диаграмма (а) и спектр (б) колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса - ольха, точка возбуждения – 150 мм от подставки.

 

 

Рис. 10. Трёхмерный спектр колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса – ольха, точка возбуждения – 150 мм от подставки.

 

 

 

 

 

 

а

 

 

б

 

Рис. 11. Временная диаграмма (а) и спектр (б) колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса - ольха, точка возбуждения – 12 лад (посередине).

 

 

 

 

Рис. 12. Трёхмерный спектр колебания шестой струны электрогитары. Материал корпуса – ольха, точка возбуждения – 12 лад (посередине струны).