Физические основы звучания электрогитары

Электрогитара — разновидность гитары со сплошным корпусом и электронными звукоснимателями, преобразующими колебания стальных струн в колебания электрического тока. Сигнал со звукоснимателей может быть обработан для получения различных звуковых эффектов и затем усилен для воспроизведения через динамики

Для того чтобы играть на данном инструменте требуется оборудование

Комбоусилитель (комбик) — усилитель и динамик, cмонтированные в одном корпусе. Основной элемент создания гитарного звука. Усилитель может быть построен на электронных лампах (ламповый) или полупроводниках (транзисторный или микросхемный).

Педаль эффектов (примочка) — устройство, обрабатывающее звук гитары. Обычно одно устройство реализует один тип эффекта, реже - два и более. Наиболее известные эффекты: Distortion — эффект сильного искажения, используется в тяжёлой музыке. Overdrive — моделирование звучания лампового усилителя с перегруженным входом. Цифровой процессор — устройство, обрабатывающее гитарный звук при помощи цифровых алгоритмов. Реализует несколько типов эффектов с возможностью их комбинирования.

В принципе в основной состав электрогитары входят Звукосниматели.

Звукосниматель - устройство, преобразующее колебания стальных струн в электрический сигнал, который может быть в дальнейшем усилен и записан. Существуют два основных вида звукоснимателей: магнитные и пьезоэлектрические.

Пьезоэлектрические звукосниматели

При более сложной физике преобразования механической энергии непосредственно в электрическую энергию, пьезозвукосниматель является простым и прогнозируемым устройством. Пьезозвукосниматель - это пьезокристал с обкладками из проводника, поэтому его свойства полностью заранее определены физическими свойствами этого кристалла. Пьезодатчики используют для озвучивания акустических гитар, поскольку они, как и микрофон, преобразуют в той или иной степени в электрический сигнал все колебания системы корпус-струны. Кроме того, пьезодатчики работают со струнами абсолютно любого типа.

Магнитные звукосниматели

Магнитные звукосниматели работают только со струнами из ферромагнитных материалов (стальная жила + оплетка из никеля, стали и т. п. ) и состоят из магнитов и катушек.

Магнитные звукосниматели подразделяются на однокатушечные (single coil или просто single – один) и двухкатушечные - хамбакеры (humbucker – подавитель фона).

Двухкатушечные датчики делятся в свою очередь на 2 типа: хамбакеры и хамкенселлеры от английских hum-bucker (фоно-подавитель) и hum-canceller (фоно-погаситель) соответственно. Общее в этих датчиках то, что в них используются две катушки, которые одинаковы геометрически и одинаковы или близки по количеству витков, электрически находятся в противофазе, чтобы паразитные наводки и шумы сводить до минимума. На этом сходство хамкенселлера и хамбакера заканчивается.

В остальном хамкенселлер полностью похож на сингл, его катушки находятся строго одна под другой (поэтому его по-другому называют стековый от stack хамбакер). Сигналы в каждой катушке полностью идентичны друг другу по спектру и фазе, поскольку снимаются с одной и той же точки струны, но они в достаточной степени отличаются друг от друга по амплитуде, поскольку струна сильнее меняет магнитный поток в ближайшей по отношению к ней катушке. Выходное напряжение, таким образом, составляющее разностный сигнал катушек хамкенселлера, является спектрально (по тембру) точной копией синглового, имеет меньшую, чем у сингла амплитуду, зато полностью свободно от любых синфазных шумов, которые наводятся в катушках практически одинаково.

Хамбакер представляет из себя 2 сингла, стоящие параллельно друг другу на одном уровне под струнами. Общий для этих синглов магнит расположен под ними таким образом, что его ось перпендикулярна оси катушек, т. е. он одним своим полюсом прижат к сердечникам, находящимся в одной катушке, а другим – в другой. В результате поле с обоих полюсов через сердечники подводится под струны, в которых же большей частью и замыкается.

Так же электрогитара состоит из потенциометра ( Резистора )

Потенциометр — регулируемый делитель электрического напряжения, представляющий собой, как правило, резистор с подвижным отводным контактом (движком).

Реле́ — электромагнитный аппарат (переключатель), предназначенный для коммутации электрических цепей (скачкообразного изменения выходных величин) при заданных изменениях электрических или не электрических входных величин.

Разъём TRS (англ. Tip, Ring, Sleeve) — распространённый разъём для передачи аудиосигнала. Обычно имеет три контакта, но есть и модификации с двумя (TS) и четырьмя (TRRS) контактами. Существует три стандартных диаметра разъема — 1/4" (6,35 мм), 3,5 мм и 2,5 мм. Часто 1/4" TRS называют «джек» (англ. jack), а 3,5 мм TRS «мини-джек» (англ. mini-jack).

Вспомним основные физические понятия, которые используются в курсе звуковые волны.

В электрогитаре звук занимает самое значительное место. Поскольку создана она для того чтобы воспроизводить звук. Звук электрогитары может быть на столько разнообразным, что этому практически нет границ. Со Звуком можно импровизировать, можно из одной мелодии сделать множество новых мелодий. А так же, в разных условиях гитара может звучать по-разному. Для того чтоб на концертах звук был идеален приходиться настраивать инструменты где то около часу.

Звук - в широком смысле — упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.

Звук музыкальный — звук, обладающий:

• определённой высотой (высота основного тона обычно от до субконтроктавы до — ре пятой октавы (от 16 до 4000 — 4500 Гц);

• тембром, который определяется присутствием в звуке обертонов и зависит от источника звука. По тембру звуки очень разнообразны;

• громкостью, которая не должна превышать порога болевого ощущения;

• длительностью.

Известно, что важной частью гитары являются струны. Они натянуты по-разному, и при разном натяжении издают разные звуки.

Упругость – свойство тела деформироваться под действием нагрузки и восстанавливать первоначальную форму и размеры после её снятия.

Для упругих деформаций выполняется закон Гука, в котором сила упругости, возникающая при деформации тела, прямо пропорциональна величине деформации и направлена в сторону противоположную направлению перемещения частиц.

Fупр. = -Kx

Данное правило используется в струнах. Струна натягивается по грифу и регулируется колками.

Таким образом, струну можно настроить под ноты (Ми, Фа, Ля, Ре)

Практическая часть

Итак проведём небольшие опыты и расчёты. Во- первых просчитаем период колебаний струн разного диаметра.

Для этого используем таблицу соответствия нот частоте колебаний

Тон Частота, Гц Тон Частота, Гц Тон Частота, Гц

До 261,63 Фа 349,23 Си 466,16

Ре 293,67 Соль 392,00

Ми 329,63 Ля 440 (точно)

Теперь просчитаем период колебания для каждой ноты:

До: Т=1/261,63 , Т =0,00382с

Ре: Т=1/293,67 ,Т =0,0034с.

Ми: Т=1/329,63, Т =0,00303с

Фа: Т=1/349,23, Т =0,00286с

Соль: Т=1/392,00, Т =0,00255с

Ля: Т=1/440, Т = 0,00227с

Си: Т=1/466,16, Т =0,00214с

Из этого следует, что струны разные по диаметру выполняют повторяющиеся движение за разные промежутки времени. И чем выше нота, тем больше ее период колебаний.

У каждой струны будет своя длина волны (расстояние между двумя точками, которые совершают колебания в одинаковых фазах).

Зная период колебаний, определим длину волны струн в различных средах.

V - скорость звука, определяется самой средой.

1)Скорость звука в воздухе – 331м/с

2)В морской воде скорость Звука – 1513м/с

3)Скорость звука в воде – 1483м/с

1) λ= 0,00382с * 331 = 1,26442

2) λ = 0,00382с * 1513 = 5,77966

3) λ = 0,00382с * 1483 = 5,66506

1) λ =0,0034*331=1,1254

2) λ =0,0034*1513=5,1442

3) λ =0,0034*1483=5,0422

1) λ = 0,00303*331=1,00293

2) λ= 0,00303*1513=4,58439

3) λ= 0,00303*1483=4,49349

1) λ = 0,00286*331=0,94666

2) λ= 0,00286*1513=4,32718

3) λ = 0,00286*1483=4,24138

1) λ = 0,00255*331=0,84405

2) λ =0,00255*1513=3,85815

3) λ =0,00255*1483=3,78165

1) λ = 0,00227*331=0,75137

2) λ =0,00227*1513=3,43451

3) λ =0,00227*1483=3,36641

1) λ= 0,00214*331=0,70834

2) λ =0,00214*1513=3,23782

3) λ =0,00214*1483=3,17362

Таким образом, все результаты оказались абсолютно разными. В разной среде разная длинна волны, а значит, что гитара в разных условиях будет играть по-разному. Но звук в воде будет очень быстро прекращаться, из-за высокого коэффициента затухания.

Заключение.

В работе мы описали строение электрогитары, описали с точки зрения физики процессы, происходящие в электрогитаре. Рассчитали длину волны разных тонов в различных средах.