Конструирование музыкального инструмента аргита с электромагнитным звукоснимателем



В статье автор описывает процесс создания музыкального инструмента аргита — разновидности слайд-гитары, — с электромагнитным звукоснимателем.

Ключевые слова : звукосниматель, катушка индуктивности, гитара.

Я часто слушаю музыку, и мне стало интересно, можно ли сделать музыкальный инструмент из подручных материалов? Из вещей, которые есть в каждом доме? Предметов, которые можно раздобыть бесплатно или за «копейки»? Ведь в умелых руках даже палка «запоет», нужно лишь натянуть на нее струну! Однако мне хотелось, чтобы моя струнная Аргита (так я назвал инструмент) не просто звучал, а звучал громко!

Таким образом, проблема создания музыкального инструмента разделилась на две задачи: непосредственное конструирование Аргиты и усиление звука, из него исходящего.

Решено было сделать разновидность слайд гитары, у которой ноты не зажимаются на грифе, а извлекаются с помощью стеклянного или металлического слайда, прижатого к струне. Главным элементом Аргиты стал черенок от старой хоккейной клюшки.

Для усиления звука нового инструмента был избран электромагнитный звукосниматель, как наиболее простой в создании и лучше всего отвечающий целям проекта. Еще одной задачей стало определение оптимального количества витков катушки звукоснимателя. Обычно на магнитные сердечники наматывают несколько тысяч витков медной проволоки. Чем больше витков, тем сильнее электрический сигнал, но и выше сопротивление, что влияет на качество звука.

Над созданием новых музыкальных инструментов постоянно работают и специализированные фирмы, и мастера, и музыканты, потому что каждый исполнитель стремится к тому, чтобы звук его гитары, электрооргана, барабанов был уникальным и непохожим на другие. Неслучайно британский учёный-астрофизик Брайан Мэй, более известный, как гитарист группы Queen, еще в подростковом возрасте смастерил электрогитару Red Special. Она обладает уникальным звуком и грифом на 24 лада (все производители гитар в то время остановились на 22 ладах). С помощью гитары Red Special, сделанной из старого шкафа и каминной полки, были записаны практически все хиты группы Queen!

Сконструированный инструмент Аргита в будущем может использоваться в обучающих целях, как стенд для демонстрации возможности преобразования механических колебаний струны в электрический ток, и как практическое подтверждение закона электромагнитной индукции Майкла Фарадея.

Понятия и принципы

Задачу усиления звука музыкальных инструментов обычно решают так: сначала звук с помощью датчика преобразуют в электрический ток, затем электронным усилителем увеличивают мощность сигнала и, наконец, отправляют его на динамик, где происходит обратное преобразование усиленного электрического сигнала в звуковой (Рисунок 1).

Рис. 1. Звуковой тракт

Существует 4 типа преобразователей звука струнных инструментов в электрический ток:

а) Микрофон, который используется не очень часто, потому что он захватывает все окружающие звуки, а не только звуки струн. К тому же часто возникает, так называемый, фидбек, и гитара «заводится».

б) Электромагнитный звукосниматель, преобразующий колебания металлических струн с помощью электромагнитного поля. Это самый распространенный датчик для электрогитар и бас гитар.

в) Пьезо-звукосниматель. В его основе кристалл, снимающий и вибрацию струн, и инструмента. Поэтому датчиками такого типа часто оборудуют акустические гитары с пластиковыми струнами.

г) Оптический звукосниматель, регистрирующий изменение светового потока, который проходит через вибрирующую струну.

Было решено использовать электромагнитный звукосниматель. Он надёжен, и для его создания не нужны сложные эксклюзивные элементы, такие, как фотодиоды для регистрации светового потока в оптическом звукоснимателе, или специальный кристалл для пьезо-звукоснимателя.

Электромагнитный звукосниматель — это созданный на основе закона электромагнитной индукции Майкла Фарадея преобразователь механических колебаний металлической струны в электрический ток. Дело в том, что магнитное поле не существует независимо от электрического поля, а электрическое — от магнитного, так что воздействие на магнитное поле вызывает возмущение электрического поля и наоборот. Закон электромагнитной индукции [1] сформулирован так: для любого замкнутого контура электродвижущая сила пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через контур.

Ε=-ΔΦ/Δt

(E в этой формуле — электродвижущая сила, ΔΦ — изменение магнитного потока, а Δt — время, за которое изменяется магнитный поток. Единицы измерения ЭДС — вольты, магнитного потока — веберы. Δ — разница между конечным и начальным параметром.)

На этом принципе построены трансформаторы, электродвигатели, дроссели, громкоговорители и звукосниматели.

Типичный электромагнитный датчик [2] представляет собой постоянный магнит (или несколько магнитов), вокруг которого намотана катушка из нескольких тысяч витков тонкой медной изолированной проволоки, так называемая «катушка индуктивности» (Рисунок 2). Некоторые производители фокусируют магнитное поле на каждой струне с помощью полюсных наконечников [3] — магнитных или металлических сердечников. Когда струна находятся в покое, поток магнитного поля, проходящего через катушку, постоянен. Если струна начинает колебаться, поток меняется, из-за чего в катушке индуктивности возникает электродвижущая сила. Важно, что колебания струны преобразуются в переменный ток, имеющий ту же частоту, с которой вибрирует струна, а напряжение пропорционально амплитуде колебаний струны.

Рис. 2. Схема электромагнитного звукоснимателя

Обычно выходное напряжение звукоснимателя может составлять от 100 до 1000 милливольт. Уровень напряжения зависит от количества витков катушки индуктивности. Чем больше количество витков, тем выше напряжение [4]. Однако до бесконечности наматывать катушку нельзя, потому что увеличивается и сопротивление, а это ведет к ухудшению сигнала и уменьшению количества высоких частот.

Кстати, чтобы победить проблему ухудшения качества звука при увеличении количества витков катушки индуктивности были разработаны активные звукосниматели. В этих датчиках используют катушки с минимальным количеством витков, а проблема низкого уровня выходного сигнала решается при помощи встроенного мини-усилителя.

Для моего проекта было решено провести эксперимент: оборудовать Аргиту тремя электромагнитными звукоснимателями с различным числом витков катушек индуктивности, а затем проверить силу выходного сигнала и качество звука.

Если струнный инструмент [5] оборудован электромагнитным звукоснимателем, который непосредственно снимает колебания струн, то резонаторами, усиливающими звук акустических инструментов можно и пренебречь. В таком случае, не нужна ни верхняя, ни нижняя дека, и вообще корпус необходим только для того, чтобы спрятать провода и закрепить переключатели и выходное гнездо.

Главный элемент Аргиты — это гриф, на котором крепятся верхний и нижний порожки, струнодержатель, колки, корпус и даже ремень. Чтобы не нарезать лады на грифе, было решено зажимать ноты с помощью слайда — металлического или стеклянного цилиндра, надеваемого на палец. Обычно на слайд гитарах, скрипках и виолончелях делают полукруглые порожки, чтобы можно было играть на одной струне, не задевая другие. Однако Аргита для упрощения конструкции оборудована прямыми порожками, поэтому было принято решение оставить две струны. В этом случае слайдом можно извлекать ноты и на отдельных струнах, и сразу на обеих.

Создание электромагнитных звукоснимателей

Электромагнитный датчик обычно состоит из четырех частей:

а) магнит;

б) сердечник;

в) медная изолированная проволока;

г) корпус.

Постоянные магниты для звукоснимателей были взяты из обычных магнитных дверных замков. Эти магниты не слишком сильные, чтобы притягивать струны и влиять на длительность звучания струны, но и не слишком слабые и создают достаточное магнитное поле. Также из дверных замков были изъяты металлические пластины, использованные в качестве сердечников. Корпуса датчиков должны быть прозрачными для возможности демонстрации магнита, сердечников и количества витков катушек индуктивности, поэтому для создания корпусов использовали прозрачную пластиковую коробку, клей и изоленту (Рисунок 3).

Рис. 3. Магниты, сердечники и корпуса звукоснимателей

Для производства катушек звукоснимателей различные компании чаще всего используют изолированную медную проволоку сечением от 0,04 до 0,08 мм². Для создания инструмента была взята эмалированная медная проволока советского производства сечением 0,06 мм².

Намотать несколько тысяч витков медной проволоки вручную — задача трудновыполнимая, ведь тончайшая нить будет все время рваться. К тому же важно намотать проволоку ровно, от этого зависит качество звука. С помощью деревянной подложки корпус звукоснимателя был укреплён на электродрели, это позволило намотать проволоку относительно ровно и плотно (Рисунок 4).

Рис. 4. Намотка катушки звукоснимателя

Чтобы спроектировать звукосниматель, который бы достаточно усиливал сигнал и при этом не искажал звук, сделали три датчика с катушками в 2000, 3000 и 4000 витков медной проволоки. Максимальная величина в 4000 витков была обусловлена конструктивными особенностями датчика: большее количество проволоки не вмещалось в корпус. После намотки датчиков, с помощью мультиметра измерили их сопротивление. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1

Сопротивление катушек индуктивности звукоснимателей

Название датчика	Количество витков	Сопротивление
L1 (Bridge)	2000	0,715 кОм
L2 (Middle)	3000	1,207 кОм
L3 (Neck)	4000	1,691 кОм

Значения в таблице 1 показывают зависимость сопротивления от количества проволоки. Чем её больше, тем выше сопротивление. Однако даже наш звукосниматель Neck с наибольшим числом витков обладает сопротивлением гораздо меньшим, чем у типичных образцов, изготовленных на фабрике. У датчика L3 сопротивление 1,7 кОм, а у стандартных звукоснимателей типа сингл — от 5 до 8 кОм.

Возможно, наши датчики обладают столь низким сопротивлением из-за того, что они гораздо короче стандартных, ведь рассчитаны они на две струны, а не на шесть. Значит, при том же числе витков катушки требуется гораздо меньше проволоки. А чем короче проводник, тем меньше сопротивление. Но возможно, что мы намотали слишком мало витков, и в Bridge звукоснимателе L1 электрический сигнал будет настолько слабым, что усилить его до приемлемого уровня не удастся.

Сборка Аргиты

Главный конструктивный элемент Аргиты — гриф, сделанный из рукоятки хоккейной клюшки. В принципе, можно было бы все элементы закрепить на грифе: струнодержатель и колки, нижний и верхний порожки, звукосниматель и гнездо выхода... Но Аргита не просто музыкальный инструмент, а еще и обучающий стенд, оборудованный тремя датчиками, переключателем, потенциометром... Некоторые элементы лучше закрепить на корпусе, а провода спрятать внутри.

Для создания корпуса была использована коробка от старой профессиональной видеокассеты Betacam SP. Корпус-коробка крепится к грифу на семи саморезах. Такой основательный крепёж нужен для придания большей надёжности конструкции, — к сожалению, в грифе пришлось проделать прорези для звукоснимателей, и из-за этого он потерял часть прочности (Рисунок 5). Однако на Аргите будет всего две струны, и гриф должен выдержать такую нагрузку.

Рис. 5. Прорези для звукоснимателей в корпусе и грифе Аргиты

В качестве верхнего и нижнего порожков использовали два карандаша, вместо струнодержателей — отверстия в грифе, колки сняли со старой гитары. Самые дорогостоящие элементы Аргиты — переключатель, потенциометр и гнездо выхода — расположили на корпусе. Звукосниматели тоже закрепили на корпусе, каждый из них держится на двух болтах и может регулироваться по высоте.

Распайка Аргиты

Электрическая схема Аргиты представлена на Рисунке 6. На схеме L1, L2, L3 — звукосниматели, S — переключатель, R — потенциометр.

Рис. 6. Электрическая схема Аргиты

Электрическая схема Аргиты напоминает схему гитары Fender Stratocaster, только без потенциометров тона. Сигнал с трёх звукоснимателей идёт на пятипозиционный переключатель, затем на потенциометр громкости, а после — на гнездо выхода. Заземление всех элементов выведено на корпус потенциометра (Рисунок 7).

Рис. 7. Вид изнутри. Распайка Аргиты

Установка струн, настройка

Аргиту оборудовали двумя струнами, чтобы, играя слайдом, можно было зажимать ноты и на одной струне, и сразу на двух (Рисунок 8). На инструмент натянули третью и четвертую гитарную струны и традиционно настроили их в кварту: Соль (G) и Ре (D). В будущем можно будет задать другой музыкальный интервал, например, квинту: Ля (A) и Ре (D).

Для удобства определения нужной ноты на гриф нанесли метки, соответствующие пятому, седьмому и двенадцатому ладам на гитаре (четвертая, пятая и восьмая ступень музыкального звукоряда).

Рис. 8. Струны, гриф и слайд

Подключение Аргиты и оценка качества звука

Подключение Аргиты к усилителю показало, что электрическая схема инструмента спаяна правильно: звук есть, потенциометр изменяет уровень сигнала, положения переключателя звукоснимателей соответствуют расположению датчиков на корпусе.

Как и предполагалось, сигнал бриджевого звукоснимателя L1 не дотягивает до нужного уровня. На усилителе нужно сильно поднимать громкость. Средний датчик L2 выдаёт сигнал более сильный, но он тоже недостаточен для дальнейшей обработки и усиления. Как и ожидалось, нековый звукосниматель L3 формирует наиболее сильный сигнал с богатыми частотными характеристиками. Уменьшения высоких частот не заметно. Сигнала с этого датчика приемлем для дальнейшего усиления и обработки.

Воспользовавшись программой Sound Meter, мы измерили относительный уровень звука всех звукоснимателей. Регуляторы усилителя находились в одном и том же положении.

Таблица 2

Относительный уровень звука датчиков

Название датчика	L1 (Bridge)	L2 (Middle)	L3 (Neck)
Количество витков катушки	2000	3000	4000
Сигнал	90 дБ	99 дБ	110 дБ

В таблице 2 важны не абсолютные значения, а соотношение уровня звука и количества витков катушек звукоснимателей, чем больше витков в катушке, тем сильнее сигнал. Удивительно, но уровень фона, который порождает Аргита, довольно низкий.

Заключение

Мы создали музыкальный инструмент из подручных материалов, на котором удобно и интересно играть. У Аргиты, как разновидности слайд гитары, редкое звукоизвлечение, требующее постоянного использования глиссандо. Это рождает уникальный звук.

Возможно, в дальнейшем можно попробовать оборудовать Аргиту звукоснимателем, у которого количество витков катушки индуктивности будет увеличено до 6000.

Рис. 9. Вид готового инструмента

Аргита может использоваться в обучении, при объяснении закона электромагнитной индукции Майкла Фарадея. Сквозь прозрачные крышки звукоснимателей видны магниты, которые формируют магнитное поле, и катушки индуктивности, где образуется электродвижущая сила. Так что взаимосвязь магнитного и электрического полей можно не только представить, но и услышать.

Литература:

1. Константинов О. В., Бугров В. Е., Колесникова А. Л. Лекции по классической электродинамике. Санкт-Петербург. 2021
2. Создание датчиков. https://corpuscul.net/izgotovlenie-elektrogitary/podgotovka/sozdanie-datchikov/
3. Learn About Pickups: Chapter 5. Digging Deeper — https://seymourduncan.zendesk.com/hc/en-us/articles/360047565033-Learn-About-Pickups-Chapter-5-Digging-Deeper
4. Helmuth E. W. Lemme. The Secrets of Electric Guitar Pickups. 2009 http://www.buildyourguitar.com/resources/lemme/
5. Популярные схемы для распайки. https://www.strunki.ru/helpfull/populyarnye-skhemy-dlya-raspajjki