Частина 1. Збірка ефекту «дисторшн» і його короткий тест-драйв
«Дісторшн» цей я зробив від нудьги, мені було натурально нема чого робити ввечері, страшно хотілося зібрати якусь нову схему. Ось я і набрав в пошуковику «дисторшн на транзисторах». У моїх планах не було складання пристрою на мікросхемах (бо за ними спочатку потрібно поганятися по магазинам), так само як і не планував я дуже складну схему з повною жменею одних тільки транзисторів.
Тому вибрав такий варіант, щоб встигнути зібрати його за вечір практично з підніжного сміття (навіть один «електроліт» довелося брати «паяніну», тобто не новий, витягнуте звідкись):

У намальованою схемою використовуються транзистори pnp провідності, тому на «масі» сидить «плюс». У мене ж була коробка улюблених і обожнюваних КТ315Б npn провідності. Тому в моїй версії схеми довелося інвертувати полярність включення батарейки «Крона» та електролітичних конденсаторів. Транзистори за рекомендацією збирали схему довелося підбирати з максимальним коефіцієнтом підсилення (h21), більше 200 одиниць (благо, мені було, з чого вибирати). Робиться це за наявності мультиметра так: для початку з'ясовується тип і цоколевка транзистора (відповідність емітера, колектора і бази висновків), потім включається режим «hFE», а транзистор встановлюється в відповідні гнізда.

Іноді буває необхідно покачати його, або притиснути пальцем, або вставляти зволікання, щоб на екрані було результат.

Перший транзистор нам підходить, другий залишимо для схем простіше. З чуток, можна застосовувати КТ3102, КТ3107 (більш сучасні аналоги КТ315). Та й взагалі, я думаю, будь-які малопотужні (а якщо вони ще й малошумливі!) Транзистори, аби h21 був більше 150 (моя думка).
Діоди ставляться будь-які, головне - однакові. У моєму варіанті - Д18.
Потенціометр регулює рівень вихідного сигналу, вже спотвореного відповідно до роботи дісторшен. Окремого регулювання сили ефекту, або «гейна» (якщо я правильно це називаю), тут немає. У більш просунутих схемах, які знаходяться на раз-два, з цим проблем ніяких. Але так як, нагадаю ще раз, пристрій я збирав від нудьги, щоб чимось зайняти руки, щоб урізноманітнити звук гітари на домашніх поігрульках, то мені його вистачає цілком, і для мене не питання трохи зменшити рівень сигналу на виході самої гітари, щоб не так сильно гудів ефект. Тим більше, що вся моя музика або посилюється одним з «ВЕФов» (який, викручений на максимальну гучність, теж поводиться як ісказітелямі сигналу), або пишеться «в лінію», тобто гітара підключається до лінійного вхід комп'ютера і спілкується з програмою Audacity . Ну, немає у мене поки тяги до лампових комбік і великій сцені, а для домашніх записів і тренувань таке обладнання - саме воно. Знову ж, безцінний практикум з пайки і схемотехніки.
Оконечная ланцюжок з конденсаторів і резисторів - фільтр. Надто відступати від зазначених номіналів, мабуть, не варто, щоб не зіпсувати звук. Був би час - я б «погрався» зі значеннями, але, право, так не хочеться розпаювати вже готовий пристрій ...

У зібраної мною схемі задіяні два тумблери: один включає-вимикає пристрій, інший керує режимами «Active-Bypass», тобто в першому випадку звук проходить через всі елементи схеми, а в другому - обходить їх за окремою доріжці. Це дає змогу отримати доступ з чистого звуку на дисторшн і назад, не проводячи маніпуляцій з кабелями. Включене стан обох перемикачів відзначено фарбою, нанесеною в поглиблення на корпусі. Однак після того, як одного разу пристрій залишилося на тиждень включеним і забутим (батарейка, природно, розрядилася, а «викрадача» я ще не зібрав), в схему був доданий індикаторний світлодіод. Не варто захоплюватися, намагаючись завести його в режим 20 міліампер, все-таки харчування батарейное. Для трьохміліметрового зеленого досить і 4,7 мА (обмежується резистором 1,5 кОм). Загальне споживання пристрою - ок. 12 мА, на рівні фабричних пристроїв. Критичний для «Крони» струм розряду - 20 мА. Втім, ніхто не заважає влаштувати харчування від саморобного БП, аби він не фоніл п'ятдесяти або стогерцовой наводкою.

Тут зображений ще проміжний варіант.

Цей більш стабільний, і, сподіваюся, остаточний.

Як це працює? Як і будь-який пристрій, повністю зібране своїми руками з всякого мотлоху і ще не порівнянні з промисловим конкурентом. Тобто - круто і незрівнянно, о, так, я надягаю свій плащ і чарівну капелюх, дитинко, спустися ж зі мною по «Тунель кохання»!

Частина 2. Про те, чому працює дисторшн, звідки з'являється звук, що дзижчить, як цікава наука радіотехніка і так далі ... Читати з обережністю, тому що матан на Матанов сидить і Матанов поганяє, хоча жодної формули в тексті немає
Почати, мабуть, варто з того, що звук - це механічне коливання в твердій, рідкому або газоподібному середовищі. За допомогою звукознімача або мікрофона можна створити електричний сигнал, який буде змінювати свої параметри (амплітуду, фазу або частоту) відповідно до звуковим. Для прикладу - зовнішній вигляд і звучання синусоїдальної хвилі частотою 1 кГц (це всім відомий завдяки ток-шоу звук «пі»), згенерованої в програмі Audacity.


Те, що ми бачимо на зображенні, називається поданням сигналу у временнОй області. По горизонтальній осі X відкладається час в секундах, по вертикальній осі Y - «папуги»: вольти, ампери, кулони, Фарадей, децибели або інші одиниці виміру. Такий спосіб представлення дозволяє наочно бачити форму сигналу, і якщо він гармонійний (тобто змінюється за синусоїдальним законом), то можна без зусиль визначити його період і частоту.
А ось інший сигнал. Зверху - той же 1 кГц, а ось масштаб трохи інший.


Якийсь періодичний процес видно, але за формою сигналу частоту вже не визначиш, та й язик не повернеться сказати, що ця кривуля - синусоїдальний закон. Хіба що як на популярних картинках - «синусоїда здорової людини - синусоїда курця». Що ж робити?
У 1804 р математик Жан Батист Фур'є запропонував розкладати складні функції часу (іншими словами, сигнали, але тільки тоді ще не електричні і не акустичні) в сукупність елементарних складових з різними частотами і амплітудами (на гармоніки). Так виробляється перехід від часу до частотного поданням сигналу. По осі Y все так же відкладаються «папуги», а по осі X - частоти. На графіку ж гармоніки зображуються як вертикальні смужки, причому висота кожної відповідає амплітуді гармоніки, а відстань по осі X від нуля до місця «виростання» смужки - частоті. Сам графік називається спектром, а перехід від одного представлення до іншого - перетворенням Фур'є.

Дуже хороша картинка в тему. У червоному прямокутнику справа намальовано часове уявлення сигналу, в синьому зліва - частотне. Кольорові синусоїди посередині - якраз і є гармоніки. Змішуючись між собою, вони дають нам сигнал, зображений на червоному «екрані». А ось якщо подивитися цим гармоникам «в торець», то побачимо ми вже картинку з «синього екрану». Перевіримо на наших прикладах.

Спектр чистої синусоїди містить єдину гармонію (Капітан Очевидність все-таки встиг), тому на графіку максимум знаходиться на частоті, рівній частоті самої синусоїди, і амплітуда у нього така ж, як і у сигналу. А що всередині «синуса курця»?

О, так тут дві гармоніки! Одна на 200 Гц, друга - на 750 Гц. З тими ж амплітудами і частотами, що я згенерував!
В даному випадку перетворення Фур'є дозволяє розкласти сигнал на 4096 гармонік (видно в випадаючому меню «Розмір»). Чим більше їх брати - тим точніше буде аналіз складного сигналу.
Ну да ладно, це все приказка. Покинемо лабораторні умови, де сигнали існують лише в межах комп'ютера, і пустимо їх у велику подорож по реальній ланцюга. Зберемо схему «аудіовихід-кабель-дисторшн-кабель-лінійний вхід». Як тест-сигналу буде використовуватися синусоїда в 440 Гц - вона відповідає ноті «Ля» першої октави (перша струна, п'ятий лад), яка, так вже історично склалося, є фундаментом всієї гітарної музики. Камертони для настройки гітари, наскільки мені відомо, випускаються саме дають ноту «Ля», по якій потім налаштовується весь інструмент.

Спочатку припустимо цю хвилю в обхід схеми, режим «Bypass».


На графіку переданий сигнал вгорі, прийнятий - внизу. У нього менше амплітуда і є невеликий фазовий зсув (останнє, ймовірно, через те, що звукова карта інтегрована в комп'ютер і дуже проста). Синусоїдальна форма, втім, від цього нітрохи не змінилася.

Спектри. Зліва - переданого сигналу, знизу - прийнятого. Після проходження через реальну ланцюг з'явилися нові гармоніки, хоча їх амплітуда дуже мала (масштаб по Y - логарифмічний, в децибелах. З огляду на те, що я не математик, то сказати, у скільки разів відрізняються амплітуди основної гармоніки і паразитних, я не зможу, знаю лише, що їх майже або зовсім не чути). 50 і 100 Гц - наведення від електричної мережі, куди без них-то. Решта - плоди індуктивності сполучних проводів, їх антенного ефекту, шуму квантування звукової карти і так далі. Якщо ці всім знехтувати (а в радіотехніці дуже часто доводиться нехтувати мізерно малими величинами), то можна сказати, що сигнали однакові. Різниця в їх амплітуді - невірно налаштована чутливість лінійного входу, і при бажанні можна добитися, щоб вхідний сигнал був навіть більше вихідного вихідного.
І все ж ми не так вже й далеко відійшли від лабораторних умов. Провівши аналогію - тільки вийшли з кабінету і встали на подвір'ї НДІ. А вийдемо-ка за ворота! Підключимо справжню гітару і дамо на ній 440 Гц!


У временнОй області можна навіть визначити частоту сигналу, так як період такої ж, як і у тестового синуса, але бентежить «шорсткість» поверхні ... Що всередині?

Як і передбачалося, всередині потужна гармоніка на частоті 441 Гц (дрібна похибка настройки інструменту, на слух, мабуть, невловима; ця гармоніка називається фундаментальною частотою і дає основний, найнижчий тон в звуці), а так само кратні їй частоти - 881 Гц ( 441 * 2 = 882-1 Гц - в звукорадіотехніке такі рівняння з вирахуванням пари-трійки герц з правої частини - звичайна справа), 1322 Гц (-1 Гц від розрахункових 441 * 3 = 1323 Гц) і так далі. Утворюються ці гармоніки через складну природи струни як тіла, що коливається. Справа в тому, що вона коливається не тільки своєю повною довжиною, даючи звук в 440 Гц, але ще і частинами: половинами, третинами, чвертями, створюючи, таким чином, призвуки, обертони. Правда адже, що чистий синус звучить біднішими і більш плоско, ніж звук гітари? Ось це воно і є. Плюс до того ж, у акустоелектричних гітари (в моєму випадку) є резонаторная порожнину, яка діє як фільтр і вибірково підсилює певні частоти (он, яка п'ята гармоніка висока!). Різні струни (в сенсі виробника) також звучать по-різному. Все це формує той самий тембр, індивідуальний «голос», який притаманний кожній гітарі.
А тепер навалом дісторшен!


Звук виходить більш різким, дзижчать. На зображенні сигнал з дісторшенів - другий, за формою схожий на прямокутну хвилю-меандр. Про те, що всередині, вже можна здогадатися, але ось чому сигнал оквадратілся, перестав бути сам на себе схожим? Для цього доведеться трохи вникнути в історію появи ефекту «дисторшн» і роботу підсилювачів.
Вперше подібний звук був отриманий, коли хтось викрутив свій підсилювач звуку для електрогітари на максимум. Сигнал на виході активного елементу (тоді - радіолампи) мав дуже велику амплітуду, проте при всьому бажанні він не міг бути вище, ніж максимально можливий (в транзисторних схемах - не вище напруги живлення, а в лампових я не розбираюся, але, думаю, принцип той же). Тому на виході перевантаженого підсилювача виходила така оквадраченная картинка:

Сіра синусоїда - це «теоретична» амплітуда сигналу, чорний «майже меандр» - то, що в дійсності є на виході. Якби сигнал посилювався лінійно, як сіра синусоїда, то не було б ніяких перевантажень. Але при роботі в режимі, близькому до максимальної гучності підсилювача, проявляються нелінійні властивості живої речовини, і частина сигналу посилюється лінійно, а частина відсікається через те, що далі вже просто нікуди посилювати, немає запасу за напругою, лампа (або транзистор) увійшла , що називається, «в насичення». Те ж саме проявляється і на моїх «ВЕФах», якщо змусити їх «кричати».
Проте у такий спосіб можна домогтися перевантаження лише на високому рівні гучності, вхідного сигналу (по струнах треба лупашіть з усієї дурі), тихі звуки проходили без спотворень. Рішення - окрема коробочка-дисторшн, яка підсилює сигнал з гітари, спотворюючи його, і потім тільки подає на підсилювач. Спотворювати можна як вже відомим методом обмеження по харчуванню активного елементу, так і за допомогою діодів, включених зустрічно-паралельно (дана схема). Почергово то відкриваючись, то закриваючись відповідно до полярністю сигналу, діоди залишають від нього майже меандр ( «залишають» - не випадково, так як амплітуда сигналу зменшується). Тепер уже можна і заглянути всередину нього.

Піднявся рівень шуму і ліс гармонік. Якщо приділити трохи часу і записати частоти і амплітуди кожної гармоніки (хай не всіх 4096, а тільки піків) на листочок, а потім згенерувати всі синусоїди відповідно до цих параметрів, то на виході вийде дуже схожий сигнал.
А ось для порівняння звучання і спектр справжнього меандру. У нього розвинені тільки непарні гармоніки.

Саме так, якщо не дуже глибоко копати, і працює ефект «дисторшн». У бонусних кадрах я заліз в нього з осцилографом і зняв трохи осциллограмм спектрів. Сигнал все той же - синус на 440 Гц.


Сигнал на вході. Гармоніками нижче -84 дБ можна знехтувати.

Сигнал до (зліва) і після діодного обмежувача, перед фільтром (праворуч). Спотворення форми сигналу відбувається ще й в каскадах підсилювача.

Сигнал на виході, пропущений через фільтр. Така душка!
Ну, і все на сьогодні.