Джими Хендрикс был системным инженером

3 февраля 1967 года навсегда вошло в анналы истории музыки. В этот день ^[1] Джими Хендрикс пришёл в лондонскую Olympic Studios ^[2] для записи песни с использованием нового компонента. Эта песня — «Purple Haze ^[3]», а компонент — гитарная педаль Octavia, специально изготовленная для Хендрикса звукоинженером Роджером Майером ^[4]. Педаль стала ключевым элементом сложной цепочки аналоговых элементов, формирующих окончательный звук, включая акустику самой студии. Звук записи был настолько новым, что когда они отправляли плёнки для ремастеринга в США, то приложили к ним письмо с объяснением, что дисторшн в конце — это не сбой, а намеренный эффект. Спустя несколько месяцев Хендрикс провёл своё легендарное электрогитарное выступление ^[5] на Monterey International Pop Festival.

Благодаря «Purple Haze» стало очевидно, что электрогитару можно использовать не только как струнный инструмент со встроенными звукоснимателями. для удобного усиления звука, но и как полнофункциональный волновой синтезатор, сигналом с которого возможно манипулировать. Современные гитаристы могут воссоздать созданную Хендриксом цепочку при помощи отдельных плагинов в DAW-программе, но когда всё буферизируется и дискретизируется, магия зачастую пропадает. Я захотел разобраться, может ли более систематический подход улучшить качество и дать понимание того, как Хендрикс создал свой революционный звук.

Моё увлечение исполнением Хендрикса в Olympic Studios возникло из-за нарратива «Хендрикс был инопланетянином», окружающего все его музыкальные инновации: его музыка как будто возникла почти ниоткуда. Мне захотелось избавиться от этого нарратива при помощи более инженерного подхода, который можно исследовать и воссоздать — графиков, моделей и цепочки сигналов от гитары через педали, которые можно настраивать для конкретной сцены.

Хоть в своей повседневной работе я в основном занимаюсь архитектурой граничных вычислений, мне было понятно, что для глубокого изучения очень важны будут симуляции аналоговых цепей.

Первым делом нужно было разобраться в проблемах, которые пытался решить Хендрикс. До 1930-х годов гитары были слишком тихими для больших ансамблей. Проблему громкости удалось решить при помощи электромагнитных звукоснимателей — намотанных на магниты катушек из проводов, фиксирующих вибрации металлических струн. Но при этом возникла новая трудность: огибающая, определяющая варьирование амплитуды ноты при игре на инструменте, начиная с восходящей начальной атаки, за которой следуют спад и сустейн ноты. У электрогитар жёсткая атака, быстрый спад и у них нет сустейна, как у смычковых струнных инструментов или органов. Изготовители первых электрогитар пытались менять их характеристики, используя полые корпуса, дополненные магнитными звукоснимателями, но инструмент всё равно скорее «лаял», чем «пел».

Цель Хендрикса заключалась в изменении и огибающей гитары, и её тембра так, чтобы звук напоминал человеческий голос. Он пытался избавиться от ограничений гитары, расширив её возможности. По сути, его решение заключалось в модульной цепочке аналоговых сигналов, управляемой не рукоятками, а руками, ногами, каскадом усиления и физическими движениями в поле обратной связи.

Системы Хендрикса хорошо задокументированы, а недостающие подробности можно узнать из списков композиций, студийных журналов и интервью с Майером и Эдди Крамером (ведущим инженером Olympic Studios в те времена). Цепочка сигналов для «Purple Haze» состояла из набора педалей (Fuzz Face ^[6], Octavia и wah-wah ^[7]), плюс из стоваттного усилителя Marshall ^[8], а гитара и акустика студии замыкала контур обратной связи, который Хендрикс менял собственным телом. Позже Хендрикс включил во многие свои треки педаль Uni-Vibe ^[9]. Все педали были коммерческими моделями, за исключением Octavia ^[10], которую Майер изготовил для генерации искажённого сигнала на октаву выше, чем входящий сигнал.

Я достал схемы каждого из этих элементов, а также их допустимые диапазоны параметров, и преобразовал их в netlist ^[11], которые может обрабатывать ngspice ^[12] (ngpsice — это опенсорсная реализация анализатора цепей Spice). Педаль Fuzz Face продавалась в двух исполнениях, с германиевыми и с кремниевыми транзисторами, поэтому я создал модели для обоих. В моих моделях звукосниматели гитары Хендрикса имеют сопротивление 6 кОм и индуктивность 2,5 Гн, а также обладают реалистичной ёмкостью кабеля.

Симуляции цепей я соединил вместе при помощи скрипта, после чего скриптами на Python создал график данных и образцы выхода звука. Все файлы ngspice и другие скрипты можно найти в моём репозитории GitHub (github.com/nahorov/Hendrix-Systems-Lab ^[13]), вместе с инструкциями по воссозданию моих симуляций.

О чём нам может сказать анализ цепочки сигналов Хендрикса?

Создание графика сигнала в разных точках цепочки с разными параметрами показало, как Хендрикс конфигурировал нелинейные сложности системы в целом и манипулировал ими для достижения нужной ему выразительности.

Приведу несколько примеров. Во-первых, Fuzz Face — это двухтранзисторный усилитель с обратной связью, превращающий плавный синусоидальный сигнал в почти двоичный «нечёткий» вывод. Интересное поведение возникает при понижении громкости гитары. Так как входное сопротивление педали очень низко (примерно 20 кОм), звукосниматели взаимодействуют напрямую с цепью педали. Снижение амплитуды восстанавливает форму синусоиды, создавая знаменитый «cleanup effect ^[14]», ставший визитной карточкой звука Хендрикса, когда фузз усиливается или ослабевает по его желанию.

Во-вторых, педаль Octavia использовала выпрямитель, обычно преобразующий переменный ток в постоянный. Майер понял, что выпрямитель, по сути, превращает каждую долину волны в пик, удваивая количество пиков в секунду. В результате возникает кажущееся удвоение частоты — расплывание содержимого второй гармоники, которое ухо воспринимает, как яркую октаву над исходной.

В-третьих, педаль wah-wah — это полосной фильтр: графики частот показывают, что центральная частота качается в диапазоне примерно от 300 Гц до 2 кГц. Хендрикс использовал педаль для того, чтобы гитара «говорила» гласными звуками; наиболее образно это можно услышать в «Voodoo Child ^[15] (Slight Return)».

В-четвёртых, Uni-Vibe использует каскадное соединение четырёх секций фазового сдвига, управляемых фоторезисторами. С точки зрения схемотехники, это низкочастотный генератор, модулирующий цепь с переменным фазовым сдвигом; в терминах музыки это «движение» и «воздух».

Наконец, вся цепочка превращалась в замкнутый контур, когда усилитель Marshall доводился до грани насыщения, что, помимо прочего, увеличивало сустейн. В помещении с отражающими поверхностями струны гитары акустически связываются с динамиками — стоит сместиться на несколько сантиметров, и исполнитель переходит из одного устойчивого режима обратной связи в другой. С точки зрения инженера, это акустическая система обратной связи с управлением по усилению. Для Хендрикса это было частью инструмента. Он научился управлять колебаниями с помощью расстояния и угла наклона, извлекая сирены, звуки взрывов и флажолеты, балансируя на грани нестабильности.

Хендрикс не говорил на языке децибелов и сопротивлений, но он сотрудничал с инженерами, которым этот язык был известен (Майером и Крамером); он, подобно системному инженеру, выполнял быстрые итерации. Если мы будем воспринимать Хендрикса как инженера, то это не принизит его искусство. Это лишь объясняет, как один человек, меньше четырёх лет руководивший музыкальной группой, смог полностью раскрыть потенциал электрогитары, систематически дорабатывая недостатки инструмента для достижения максимальной выразительности.