Способ уничтожения помех в струнных электромузыкальных инструментах
METHOD OF ELIMINATING NOISE IN STRINGS OF ELECTRIC MUSICAL INSTRUMENTS

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в струнных электромузыкальных инструментах, преобразующих механические колебания струн в электрические сигналы, в частности в электрогитарах, а именно, относится к способам повышения помехозащищенности струнных электромузыкальных инструментов.
Борьба с электромагнитными помехами в электронных схемах устройств автоматики, телемеханики, связи и т.п. состоит из ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ помех (экранирование, заземление...) и ПОДАВЛЕНИЯ помех. Под ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕМ помех подразумевается снижение помех на входе устройства, а под ПОДАВЛЕНИЕМ помех - снижение помех внутри устройства.
С момента появления электрифицированных струнных музыкальных инструментов инженеры совместно с музыкантами начали работать над расширением их возможностей. Появились различные приставки и педали. Сначала они были ламповыми, затем -транзисторными, сейчас собираются на интегральных микросхемах. Создаваемые ими так называемые «эффекты» быстро стали необходимой составной частью арсенала музыкантов, в первую очередь, гитаристов. При этом выяснилось, что при включении «эффектов» типа «овердрайв», «фузз», «дисторшн» вследствие сжатия динамического диапазона сигнала соотношение сигнал/шум становится недопустимо низким. Так одной из самых важных задач стала борьба с помехами.
Звукосниматель электрогитары представляет собой намотанную поверх постоянного магнита катушку в несколько тысяч витков с сопротивлением в несколько кОм (в среднем 5 кОм) и индуктивностью в несколько генри (в среднем 2 Гн). Для обеспечения широкой полосы пропускания входное сопротивление усилителя должно значительно превышать импеданс звукоснимателя - обычно 500-1000 кОм. Звукосниматель обладает низкой помехозащищенностью, так как полностью экранировать его нельзя, следовательно, подвержен воздействию электромагнитных полей промышленной частоты и радиочастот, и помехи (обычно это «фон» частотой 50 Гц) хорошо слышны из звуковых колонок. При использовании различных приставок «эффектов», осуществляющих сжатие динамического диапазона, интенсивность звучания помех превышает все нормы. Экранирование кабеля, заземление усилителя и колонок и другие меры ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ помех не дают заметных результатов.
Известен способ ПОДАВЛЕНИЯ помех по патенту США №2892371, кл. G10H 3/18, 1959 г., использующий изобретенный Джозефом Рэй Баттсом звукосниматель, названный ХАМБАКЕРОМ, то есть помехоподавителем. Он состоит из двух катушек, намотанных встречно на двух магнитах противоположной полярности. Окружающие помехи промышленной частоты или радиочастот достигают катушек как синфазные, в то время как полезные сигналы противофазные. Катушки соединяются таким образом, что сигналы помех вычитаются, а полезные сигналы складываются. Хотя помехозащищенность каждой из двух катушек не изменилась, общая помехоустойчивость увеличилась.
Недостатками способа являются малая степень ПОДАВЛЕНИЯ помех, сильно зависящая от точности совпадения параметров катушек, и провалы в амплитудно-частотной характеристике ХАМБАКЕРА (значительно хуже, чем у звукоснимателя с одной катушкой, называемого СИНГЛОМ).
Известен способ ПОДАВЛЕНИЯ помех в АКТИВНЫХ звукоснимателях встроенным интегральным дифференциальным усилителем, заметно улучшающим все параметры звукоснимателя.
Катушка АКТИВНОГО звукоснимателя подключается к входам Операционного Усилителя (ОУ) или Инструментального Усилителя (ИУ). Усилитель на ОУ (фиг. 1) ПОДАВЛЯЕТ синфазные сигналы (помехи), поступающие на его входы, до 60 дБ при точном равенстве сопротивлений пары согласованных резисторов (R1=R2). При разбросе сопротивлений пары 1% степень подавления помех падает до 40 дБ. Применение катушки с обмоткой в несколько десятков витков (у пассивных звукоснимателей нескольких тысяч) позволяет использовать режим короткого замыкания катушки при широкой полосе воспроизводимых частот, при этом помехозащищенность катушки намного выше и ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ помех максимальное.
Для ПОДАВЛЕНИЯ синфазного сигнала выше 100 дБ используют усилитель на ИУ (фиг. 2), при этом требуется также одна пара согласованных резисторов (R1=R2), но, с допуском 0,001%. Коэффициент усиления ИУ задается внешним резистором R. Такой способ используется в патенте США №2015/0068392, кл. G10H 3/18, 2015 г., принятом заявителем за прототип. Резисторы R1 и R2 на схеме в этом патенте не показаны, но совершенно необходимы для обеспечения функционирования усилителя.
Недостатком существующих активных звукоснимателей является невозможность при промышленном производстве подбирать пары резисторов с максимальной точностью.
Технической проблемой описанного способа является отсутствие совмещенного максимального ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ и максимального ПОДАВЛЕНИЯ помех и обязательное наличие согласованных резисторов.
Поставленная проблема решается тем, что в предлагаемом решении используют катушку звукоснимателя с малым количеством витков и инструментальный усилитель с максимальным подавлением синфазного сигнала, инструментальный усилитель включают по схеме дифференциального трансимпедансного усилителя, за счет чего обеспечивают максимальное предупреждение и максимальное подавление помех.
Технический результат, достигаемый от использования предлагаемого изобретения, заключается в отсутствии зависимости степени подавления помех от разброса сопротивлений согласованных резисторов и в высокой помехозащищенности, что позволяет практически уничтожить помехи в сигнале звукоснимателя.
На фиг. 1 изображен активный звукосниматель с дифференциальным усилителем на операционном усилителе (ОУ);
на фиг. 2 - активный звукосниматель с дифференциальным усилителем на инструментальном усилителе (ИУ);
на фиг. 3 - активный звукосниматель с дифференциальным трансимпедансным усилителем на ИУ;
на фиг. 4 - дифференциальный трансимпедансный усилитель на ИУ с согласующим трансформатором на входе.
Поставленная задача устранения помех в струнных электромузыкальных инструментах решена нестандартным включением ИУ по схеме дифференциального трансимпедансного усилителя (фиг. 3), который не требует использования согласованных резисторов и позволяет получать максимальное для конкретной модели ИУ ПОДАВЛЕНИЕ помех 100-130 дБ. Уровень помех на его входе минимальный благодаря режиму короткого замыкания катушки звукоснимателя, то есть ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ помех значительное. Общее ПОДАВЛЕНИЕ помех на входе и внутри схемы выше 150 дБ! Дополнительное ПОДАВЛЕНИЕ помех на 30-40 дБ можно получить при замене СИНГЛА на ХАМБАКЕР.
Дифференциальный трансимпедансный усилитель (фиг. 3) на базе ИУ сочетает высокую помехозащищенность катушки в режиме короткого замыкания (КЗ) и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (более 100 дБ) без дополнительных резисторов. Катушку 1 подключают к выводам 2 ИУ 3, к которым обычно (фиг. 2) подключают резистор R, задающий коэффициент усиления ИУ. Входные (для типового включения согласно фиг. 2) выводы 4 ИУ 3 подключают к «земле» 5. Коэффициент усиления дифференциального трансимпедансного усилителя обратно пропорционален импедансу источника сигнала, то есть катушки звукоснимателя (Zк). Например, для ИУ AD8221 коэффициент усиления равен 49400 Oм/Zк и зависит от количества витков и сечения провода катушки. При уменьшении количества витков катушки соответственно уменьшаются величины импеданса катушки и ЭДС сигнала. Дифференциальный трансимпедансный усилитель снижение ЭДС сигнала автоматически компенсирует. Изменяя количество витков и тип материала магнита, получают разное звучание инструмента.
Использование предлагаемого технического решения позволило практически уничтожить помехи в сигнале звукоснимателя и упростить конструкцию активных звукоснимателей за счет отсутствия согласованных (и вообще каких-либо) резисторов.
Предлагаемый способ применим для повышения помехозащищенности различных индуктивных датчиков и согласующих трансформаторов 6 (фиг. 4).