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电吉他拾音器的奥秘

2011-11-14 13:42| 发布者: 管理员| 查看: 2979| 评论: 0

摘要: 原作者Helmuth Lemme 是德国吉他电子专家,他已经出版了一本关于吉他电学的专著(德文),并且在下面的文章中毫无保留的分享他的知识(Diesen Artikel und noch mehr gibt es in deutscher Sprache unter http://www. ...
 原作者Helmuth Lemme 是德国吉他电子专家,他已经出版了一本关于吉他电学的专著(德文),并且在下面的文章中毫无保留的分享他的知识(Diesen Artikel und noch mehr gibt es in deutscher Sprache unter http://www.gitarrenelektronik.de/)
本文由刊载于http://www.buildyourguitar.com/的英文版译出。

原文连接http://www.buildyourguitar.com/resources/lemme/index.htm

电吉他拾音器的奥秘

By Helmuth E. W. Lemme 


  电贝司和电吉他发声主要依赖它的拾音器。对于各种类型拾音器的优缺点,乐手之间存在着许多争论。并且对于很多缺少电学知识的人来说,这些争论看起来很深奥。由于拾音器的电学原理很容易理解,所以本文着重解释拾音器的电特性与声音之间的关系。
非常遗憾地告诉大家绝大多数厂商在他们的产品宣传中散步误导信息来赚更多的钱,并且扰乱竞争对手。所以一些概念修正是必需的。声明作者是与任何厂商没有关联的。
拾音器有两种基本类型,电磁拾音器和压电拾音器。后者可以配合任何类型的琴弦(金属弦,尼龙弦)工作。电磁拾音器由磁体和线圈组成,只能配合金属弦工作。单线圈拾音器对变压器和荧光灯等干扰源产生的磁场变化很敏感,所以非常容易从这些干扰源拾取哼声和噪音。双线圈拾音器或者“humbucking”(译者注:哼声抑制)拾音器使用两个特殊配接的线圈来降低干扰。由于这些线圈相位相反,常规信号(例如哼声,以相同的幅度传入两个线圈)趋于相互抵销。

  不同类型的拾音器有不同的磁体安置方式。一些拾音器是直接把柱状或者条形的磁体插在线圈里面,其他的类型的拾音器则把磁体安置在线圈下面,线圈里安装软铁心。多数情况下这些铁心是螺丝形状的,各琴弦的输出幅度可以通过调节这些螺丝得到平衡。有些拾音器带有金属外壳来遮盖并保护线圈,其他的则使用不能抵抗电磁干扰的塑料外壳,还有一些仅仅使用绝缘胶带来保护线圈。

  磁力线穿过线圈和一小段琴弦。当琴弦静止时穿过线圈的磁通量是个常数。弦被拨动时磁通量就变化了,这使线圈中产生电压。振动的琴弦以其振动的频率产生交变的电压,电压的幅度与琴弦运动的速度(不是琴弦振动的幅度)成正比。另外,电压还与弦粗细、磁导率、磁场、磁极与琴弦之间的距离有关。

  市场上有着无数的拾音器根本无法做一个全面的评述。伴随着拾音器产生了另外一种设备,替换拾音器,这些拾音器通常不是由生产吉他的厂商制造的。每个拾音器拥有它自己的声音;可以是刺骨的金属声,也可以是温暖甜美的声音。正确的说法应该是:拾音器不具有声音,它只具有“传输特性”。每个拾音器用它自己的方式传输并改变它从琴弦上取得的声音元素。例如:在Les Paul 和 Super 400 CES 上安装相同的Gibson humbucker ,你将得到截然不同的声音。如果你只有一个很滥的琴体和很烂的琴弦,即使安上顶级的拾音器也无济于事。真理永远是:垃圾进,垃圾出。

  换拾音器使乐手可以在不买新乐器的情况下改变音色(当然还要受琴体和琴弦的限制)。不同的拾音器有不同的输出电压。高输出电压的拾音器很容易使放大器过载,以产生很脏的声音。低输出的拾音器更适合产生清音。绝大多数拾音器的输出电压有效值在100mV到1V之间。

  电磁吉他拾音器不像那些具有运动部件的换能器,它是没有活动部件的--改变的只是磁力线,但它们是没有质量的。所以评测一个拾音器比其它的换能器要容易得多。虽然几乎所有的电磁拾音器的频响都不是平直的(正是这决定了音色的区别),但它们的频响没有扬声器那样的许许多多相邻的峰和谷。实际上拾音器的频响可以很平滑并且简单得可以很容易地用数学公式来描述。

  拾音器等效电路从电特性来看,电磁拾音器可以等效为图1的电路。

图1. 电磁拾音器的等效电路图
一个真实的线圈可以被描述成一个理想电感器L和一个电阻器R串联,并且与线间电容C并联。到目前为止,电感量是主要参数,它由线圈匝数、磁芯材料和线圈的几何形状决定。电阻和电容没有多大影响,可以忽略不计。当琴弦运动时,线圈中产生交流电压。所以拾音器可以看作一个附带一些电子元件的交流信号源(图2)。

图2. 拾音器等效为一个音频信号源加一个二级低通滤波器


  外部负载由电阻(吉他的音量和音色电位器,放大器输入端的电阻)和电容(吉他线的芯与屏蔽层之间电容)构成。吉他线电容对音色影响重大,不能够忽略掉。这些元件的组合就形成了所谓的二级低通滤波器。(图3)

图3. 拾音器连接真实外部负载(电位器,电缆,放大器输入电阻) 如其它类似滤波器一样,这个滤波器有个截止频率fg;这是电平下降3dB(功率下降一半)的频率点。在截止频率以上,电平以12db每倍频程滚降,截止频率以下衰减趋于0。低频不会出现滚降;然而在fg下方不远处会有一个由线圈电感和电缆电容形成的谐振峰。这个频点称为fmax。无源的低通滤波器在这个频点像电压放大器一样工作(但是由于输出阻抗相应的升高并不会放大功率,就像是接了一个变压器)。

图4是拾音器的典型频响曲线

图4. 电磁拾音器的基本频响。峰的高度和位置因拾银器而异。
 
  如果你知道了这个谐振频率和谐振峰的高度,你就知道了这个拾音器传输特性的百分之九十;这两个参数就是拾音器音色秘密的关键(其它的效果不能用这个模型来解释,但它们的影响是无关紧要的)。

  这意味着谐振频率附近一定范围内的泛音也被放大了谐振频率以上的泛音被逐步衰减,基频和低于谐振频率的泛音被原样重现。

  谐振如何影响声音绝大多数拾音器与普通吉他线的谐振频率在2000到5000赫兹之间。人耳在这个频率范围是最灵敏的。简单的对频率的主观评价是2000赫兹的声音温暖甜美,3000赫兹灿烂并有表现力,4000赫兹具有穿透力,5000及以上单薄具有穿透力。当然,音色也依赖谐振峰的高度。高的谐振峰产生强力有特点的声音;低的谐振峰产生软弱的声音,特别是没有谐振箱体的实体吉他。绝大多数拾音器的谐振峰高度范围在1到4之间(0-12db),这由磁芯材料、外部阻性负载和金属外壳(没有外壳会更高,许多乐手更喜欢这样)决定。

  谐振频率依赖于电感L(对大多数拾音器来讲是1到10亨利)和电容C。C是线圈的匝间电容(通常在80-200pF之间)和电缆电容(大约500-1000pF)的总和。由于不同的电缆具有不同的电容量,很明显对一个没有缓冲器的拾音器使用不同的电缆会改变谐振频率,同时改变整体音色。

改变拾音器特性

基本上由三种与拾音器有关的方法来改变吉他的声音:

1.安装新的拾音器。这是最普通的方法,但是也是最贵的。

2.改变拾音器内线圈的接线。这对几乎所有的双拾音器都行得通。通常情况下两个线圈是串接的。改为并接会使电感量下降为原值的1/4,谐振频率因此提高两倍。只使用一个线圈会使电感量减半,谐振频率上升1.4倍。这两种情况都会使声音的高音份量增加。许多双拾音器都有4根引出线-每个线圈两根-所以尝试改变线圈接线不用拆开拾音器。一些单线圈拾音器也有一个线圈抽头以提供相同的伸缩性。

3. 改变外部负载。这种方法便宜而且有效。只用花一点买零件的钱,就可以使音色在很宽的范围内得到调整。标准的音色控制是在拾音器上并接电容器(通常还使用一个电位器串在电容器上来调节电容器的作用)来降低谐振频率。因此,一种改变音色的方法就是使用旋转波段开关来替代音色电位器,接不同的电容器到拾音器上(建议范围在470pF-10nF)。这会比标准音色控制给你更多音色变化。(图5)

图5. 不同的外部电容并接在线圈上改变谐振频率 另外,增加一个内嵌的缓冲放大器可以隔离电缆电容的影响,这样就可以让声音亮很多。

  下表示出一些著名拾音器的一般电特性。但是要注意,拾音器不是精确设备,并且一些老拾音器在细节上差别很大,以至于每个拾音器声音都不同。因此,表中的谐振频率值与真实值之间有100赫兹以内的误差。还要注意,1000赫兹以下的谐振峰会变得很宽并且平坦。由于谐振峰的高度与外部负载阻抗(音量电位器,音色电位器,放大器输入阻抗)有关,输出阻抗越低峰值就越低。要想提高谐振峰的高度就必须提高负载阻抗。这只有通过在吉他里面安装场效应管或其他高阻抗前置放大器才做得到。

测量频率响应

  精确测量拾音器的频响需要在各个频点测量琴弦的震动并与输出电压进行比较。实际上这很难做到。折衷的办法是把拾音器放在变压器线圈产生的磁场里面来代替琴弦的运动。改变通过线圈的磁通量会产生电压。产生的电压与单位时间内磁通量的增量成正比,线圈里的驱动电流必须与频率成反比。

  正弦信号输入到特定的电路来产生幅度与频率成反比的输出。信号随后送入功率放大器然后从传送线圈馈入拾音器。线圈可以用漆包线(直径0.5mm左右)在拾音器轴上绕约50匝。匝数要求并不严格。把它安置在拾音器的上面使它的磁力线尽可能全部馈入拾音器。对单拾音器轴线必须对准呈直线,对双拾音器的话就要求线圈轴线与拾音器垂直。
绘制频响曲线要在100赫兹到10k赫兹之间改变正弦波的频率,并且用宽带万用表或示波器测量拾音器的输出电压。测量的数值并不重要,关键是谐振峰的位置和高度。用这套设备很容易测量外部负载电容和电阻对音色的影响。用这个方法的好处是无需对吉他做什么改动,拾音器也不用从吉他上面拆下来。

  测量的结果只有对单拾音器的才是精确的。由于琴弦的震动是在两个电同时被捡拾,双拾音器有固定的高频谷点。高次谐波的峰点处于一个线圈柱端时,其谷点正处于另外一个线圈柱端,这时线圈中的电压便被抵消了。对每根弦来讲其谷点的频率都不同,所以不能用一条简单的曲线来描述。例如,标准的双拾音器低音E弦的谷点在3000赫兹左右,A弦则在4000赫兹左右。其它弦的谷点远在截止频率以上,所以听不到。

  实际上拾音器的单线圈和双线圈对音色影响上的区别被远远夸大了。单线圈拾音器有更多高音是由于电感量降低一半而使谐振峰提高造成的。在一个点上感应琴弦震动而不是两个点也有影响,但是是微乎其微的。只有在切换时谐振频率保持不变才可以比较。
此外,测量方法并没有考虑拾音器的非线性失真。这当然也对音色有影响。然而用这种方法测量拾音器可以得出关于拾音器特性的极有用信息。有了这些知识,你可以找出哪种类型的声音对你最有吸引力,在可能的情况下使用外部电容和电阻来调整是音器的频响,使它发出你喜欢的声音(并且最适合你的琴体和琴弦)。

图7.8.带有多个电容器的旋转波段开关,高阻抗吉他前置放大器和可变参数滤波器


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