Классическое гитарное тремоло на транзисторах

Привет! Многие гитаристы и энтузиасты самодельных гитарных педалей обходят эффекты тремоло стороной, считая их устаревшими и неприменимыми в современных стилях, слишком простыми и грубыми.

Однако умеренное тремоло без экстремальных настроек способно добавить живости и разнообразия практически любому гитарному звуку. Такую педаль я сегодня соберу, и мы сможем её послушать.

Словом «вибрато» в музыкальной терминологии называется модуляция одного из трёх параметров звуковой волны: частоты, амплитуды или частотного спектра.

▍ Настоящее вибрато

Частотное вибрато, или просто вибрато — это модуляция высоты тона, то есть, основной частоты звука.

В духовых музыкальных инструментах оно осуществляется путём изменения давления или скорости воздушного потока, заставляющего звучать свисток флейты, язычок (трость) кларнета или губы музыканта в случае медных духовых.

А в струнных инструментах высота тона модулируется подтяжками и ослаблениями струн, которые осуществляет музыкант пальцами на грифе, либо с помощью специальной машинки, которую часто называют «тремоло», несмотря на то, что в теории музыки словом «тремоло» называется амплитудное вибрато.

▍ Настоящее тремоло

При амплитудном вибрато модулируется громкость звучания. Отметим, что частотное вибрато духовых инструментов всегда является в то же время и амплитудным тремоло, потому что давление и скорость потока воздуха определяют мощность, с которой возбуждаются акустические колебания.

Существует способ получения амплитудного вибрато путём сложения звуковых колебаний с частотой, различающейся на доли герца. Такая расстройка не воспринимается слухом как фальшь, и при этом создаёт биения громкости с разностной частотой. Эта технология давно и широко используется в аккордеонах.

▍ Хорус и фленджер

Если ещё и модулировать расстройку частоты второго аудиосигнала относительно первого вместо того, чтобы поддерживать её постоянной, получается эффект под названием «хорус». Он напоминает звучание ансамбля или хора, отсюда такое название.

Более старой и более «злой» разновидностью эффекта, построенного на том же принципе, является фленджер, от слова «flange» — «фланец». Впервые звучание фленджера получилось случайно, вследствие износа резиновых роликов привода лентопротяжного механизма в студийном магнитофоне.

Изношенный ролик, сменивший своё сечение с круглого на овальное, модулировал скорость движения ленты и, соответственно, высоту тона.

Далее этот эффект стали получать специально, притормаживая пальцами фланец подающей катушки с магнитной лентой, после чего смогли обойтись без механики, задействовав электронную линию задержки (ЛЗ) на переключаемых конденсаторах, она же bucket brigade delay ^[1].

Модуляция тактовой частоты ЛЗ приводила к изменению не только времени задержки, но и высоты тона. Со временем научились создавать не только жёсткие фленджеры для перегруженного звучания рока и металла, но и мягкие, благородные хорусы, подходящие для любого музыкального стиля и любого инструмента, включая человеческий голос.

▍ Ненастоящее, но самое интересное

Третьей разновидностью вибрато является тембровое, или гармоническое. Здесь модулируется амплитудно-частотная характеристика резонатора или усилителя. За счёт этого периодически усиливаются и ослабляются определённые гармоники, или обертоны.

Примером механического тембрового вибрато являются вращающиеся заслонки резонаторных труб вибрафона. Без этих труб он был бы просто металлофоном.

Также для тембрового вибрато предназначены загадочные отверстия в днище корпуса калимбы. Перекрывая их пальцами, музыкант изменяет добротность резонаторного ящика и, соответственно, тембр звука.

Электронное тембровое вибрато можно получить с помощью управляемых фильтров, модулируя граничную или резонансную частоту, либо добротность фильтра. Гитарный эффект по этому принципу мы собирали ^[2] на базе двух модулей аналогового синтезатора от Рэя Уилсона (Music from outer space).

▍ Фейзер

Существует и другой способ получения электронного тембрового вибрато. Как и в случае с двойными язычками аккордеона, он состоит в сложении двух аудиосигналов — исходного и изменённого. Но здесь модулируется не частота и задержка второго сигнала, а его фазовый сдвиг относительно первого.

Согласно исследованиям Андрея Александровича Володина, доктора психологических наук, талантливого музыканта и изобретателя таких выдающихся вещей, как радиоприёмник «Сокол» и серия электронных музыкальных инструментов «Экводин», человеческий мозг ^[3] не воспринимает фазовых сдвигов гармоник относительно основного тона.

То есть, два звуковых сигнала с одинаковым частотным спектром будут восприниматься на слух как одинаковые, хотя их осциллограммы могут быть очень разными, в зависимости от фазовых сдвигов между гармониками.

С другой стороны, мозг ^[3] человека воспринимает изменение сдвига фазы как перемещение звучащего предмета в пространстве, причём даже в случае монофонического звучания.

И самое главное, разный фазовый сдвиг на разных частотах при сложении двух копий одного сигнала приводит к провалам и подъёмам разных частотных полос. То есть, изменяется тембр звучания, и осуществляется тембровое вибрато, только в более сложном и интересном варианте.

Эта схема типичного 4-каскадного фейзера разработана ведущим инженером-программистом Приднестровского радиотелецентра Евгением Гарибальдиевичем Шустиковым. На ней мы видим, что исходный сигнал последовательно проходит через 4 фазосдвигающих цепочки. Параметры цепочек синхронно модулируются транзисторами, на базы которых приходит сигнал с генератора колебаний треугольной формы.

Если разомкнуть переключатель S1, получится просто тремоло. Амплитуда выходного сигнала будет изменяться в такт напряжению задающего генератора. Но если замкнуть этот переключатель, то в Y-смесителе на резисторах R11 и R12 будет происходить сложение входного сигнала со сдвинутым по фазе.

И так как сдвиг фазы RC-цепочкой является частотнозависимым, получится взаимное усиление и ослабление сложенных сигналов на частотах, определяемых параметрами RC-цепочек, в том числе сопротивлениями, которые привносят в них транзисторы.

Поскольку эти сопротивления обусловлены коллекторными токами, и, соответственно, модулируются токами баз транзисторов, «гребёнка» частотных провалов и подъёмов в выходном сигнале будет двигаться вправо и влево с частотой, задаваемой положением щётки переменного резистора R22.

▍ Первое механическое тремоло

Патент US462519A на первое механическое тремоло, а точнее, частотное вибрато для струнных инструментов, получил в 1891 году американский торговец зерном Джордж Вашингтон Ван Дузен.

Далее, в 1958 году патент Ван Дузена цитирует в своей заявке на «плавающее тремоло и конструкция струнодержателя для музыкальных инструментов типа лютни» (US2972923A) Кларенс «Лео» Фендер.

Затем, уже в 1977 году, разработку Ван Дузена упоминает при патентовании своей знаменитой разработки US4171661A, подарившей миру дайв-бомбы и возможность реализации прочих виртуозных приёмов, ставших визитными карточками соло в тяжёлых стилях рока и металла, американский изобретатель Флойд Роуз. Его фирменную машинку знает каждый, кто имеет отношение к миру электрогитары.

Завершая тему механических тремоло, стоит упомянуть и марку Vibrola от компании Gibson. Кроме предельно простой версии на базе плоской пружины, существовал вариант с массивным механизмом и складной ручкой, который назывался «Sideways Vibrola».

▍ Первое в истории электрическое тремоло

Не думаю, что это устройство можно назвать электронным, ведь радиодеталей в его составе имеется только две. Первая из них — переменный резистор с ручкой. Вторая ручка перемещает эллиптический резиновый ролик вдоль латунного конуса, вращаемого 120-вольтовым асинхронным двигателем. Фазосдвигающий конденсатор этого двигателя — это и есть вторая радиодеталь.

Перемещением ролика вдоль конуса регулируется частота, с которой вибрирует стеклянная колба, содержащая два электрода и электропроводящий водный раствор. Один из электродов подключён к сигнальной земле, а второй через переменный резистор соединён со входным джеком и выходным гнездом.

Или наоборот, гнездо может быть входом, а шнур с джеком — выходом. Потому что они просто соединены вместе, и сигнал шунтируется цепью из переменного резистора и колбы с электролитом.

В честь этого водного раствора обработанный эффектом аудиосигнал до сих пор называют «мокрым» («wet»), а исходный необработанный — «сухим» («dry»).

Таким было электромеханическое тремоло DeArmond Model 601 Tremolo Control, выпускавшееся с 1941 года компанией Rowe Industries. Это именно та компания, что производила знаменитые винтажные звукосниматели Gold foil, устанавливавшиеся на недорогие электрогитары Harmony.

▍ Тремоло на переменном конденсаторе

Изобретатель знаменитого электрооргана Лоуренс Хаммонд запатентовал электронно-механическое тремоло ещё раньше, в 1938 году. Но его патент US2221188A описывает не маленькую коробочку с электромотором и стеклянной колбой, а громоздкое и дорогое стационарное устройство, содержащее шесть электронных ламп.

Здесь изменяемым плечом делителя переменного напряжения является конденсатор переменной ёмкости, вал которого приводится во вращение коллекторным электродвигателем через шестерёнчатый редуктор.

▍ Тремоло на переключаемых резисторах

А в 1946 году Эндрю Эппел подал патентную заявку на механическое тремоло, которое не нуждалось в колбе с электролитом. Патент US2460868A описывает устройство, напоминающее револьвер, только вместо патронов в каморах барабана были смонтированы резисторы, в стволе находилась пружина, прижимающая скользящий контакт к одному из контактов барабана.

Барабан приводился во вращение электродвигателем через редуктор. Благодаря циклическому переключению разных резисторов, осуществлялась ступенчатая модуляция сопротивления, шунтирующего входной сигнал.

▍ Оптическое тремоло

Следующим шагом в эволюции эффектов для гитар и электроорганов было оптическое тремоло, где входной сигнал шунтировался уже не токопроводящей жидкостью, или переключаемыми резисторами, а фоторезистором, модуляция освещения которого осуществлялась либо вращающимся диском с отверстиями, либо электронной схемой. Один из вариантов оптического тремоло мы собирали и слушали в этой статье ^[4].

▍ Тремоло на интегральных усилителях

Педаль тремоло Boss TR-2 отличается относительно сложной схемой, основой которой является половина микросхемы M5207L01 фирмы Mitsubishi.

M5207L01 представляет собой сдвоенный усилитель, управляемый напряжением (voltage controlled amplifier, VCA). Изначальное предназначение этой микросхемы — регулятор громкости стереосигнала в музыкальных центрах.

Каждая половинка M5207L01 имеет свой сигнальный вход, выход и управляющий вход. Аттенюация либо усиление находится в линейной зависимости от управляющего напряжения относительно вывода 1, который является выходом либо входом искусственной земли, в зависимости от контекста применения микросхемы. Инженеры компании Roland-BOSS предусмотрели внешнюю буферизованную среднюю точку на операционном усилителе IC2B.

▍ Тремоло на полевом транзисторе

А инженеры компании Landtone, которая выпускает наш сегодняшний радиоконструктор ^[5], поступили предельно просто.

Схема содержит два биполярных транзистора 2N3904, первый из которых задействован в генераторе гармонических колебаний на фазосдвигающих RC-цепочках, а второй — в выходном усилительном каскаде, построенном по схеме с общим эмиттером.

Напряжение с генератора поступает на затвор полевого транзистора с управляющим переходом J201, который частично шунтирует нижнее плечо резистивного делителя напряжения. Глубина модуляции регулируется потенциометром R3.

▍ Послушаем педаль

Мне очень нравится, как это мягкое тремоло ненавязчиво подкрашивает и оживляет звучание электрогитары. Музыкально применимым является весь диапазон регулировок частоты и глубины модуляции, чем может похвастаться не каждая педаль, а только те, параметры компонентов в которых подобраны с пониманием и любовью.