ÄÄNISIGNAALIN MUOKKAUS TRANSISTORI- POHJAISELLA SÄHKÖKITARAN EFEKTI- LAITTEELLA Topi Tikkanen Opinnäytetyö Toukokuu 2018 Tieto- ja viestintätekniikan koulutusohjelma Sulautetut järjestelmät ja elektroniikka
TIIVISTELMÄ Tampereen ammattikorkeakoulu Tieto- ja viestintätekniikan koulutusohjelma Sulautetut järjestelmät ja elektroniikka TIKKANEN, TOPI: Äänisignaalin muokkaus transistoripohjaisella sähkökitaran efektilaitteella Opinnäytetyö 25 sivua, joista liitteitä 1 sivu Toukokuu 2018 Työn tarkoituksena oli tutkia äänisignaalien käyttäytymistä ja muokkausta vahvistinkytkennällä, tarkastella transistorien roolia sen toiminnassa sekä rakentaa efektilaite sähkökitaraa varten. Efektilaite rakennettiin 60-luvulta tunnetun laitteen kytkentäkaavion pohjalta. Laite valittiin sen alkuperäisyyden sekä yksinkertaisuuden takia. Kyseistä laitetta ei myöskään ole valmistettu kymmeniin vuosiin, ja pienimuotoisen kulttimaineensa vuoksi hinnat vanhoissa yksilöissä ovat korkealla. Näiden tosiasioiden varjolla laitteen rakentaminen itse kuulosti hyvältä ja erittäin toteutettavalta ajatukselta. Kyseisestä laitteesta löytyy myös edellä mainittujen seikkojen vuoksi suuresti dokumentaatiota. Matkalla tavoitteeseen sai oivan mahdollisuuden tutustua yleisellä tasolla sähkökitarasta saataviin signaaleihin sekä tutkia erilaisten elektroniikan komponenttien vaikutuksia äänisignaalien aaltomuotoihin. Kytkennän toimintaa simuloitiin LTspice IV -piirianalyysiohjelmalla ja analysoitiin TAMK:n tieto- ja viestintätekniikan laboratorion mittalaitteilla. Laitteen toimintaa käyttötarkoituksessaan testattiin myös kotona kitaran ja vahvistimen kera. Työn ensisijaiseksi tavoitteeksi asetettiin efektilaitteen rakentaminen valmiin kytkentäkaavion perusteella. Itse kytkennän lisäksi kaikki muu, kuten kotelointi ja käytännön ratkaisut, oli toki suunniteltava itse. Tavoite saavutettiin aikataulun puitteissa, ja lopullisen laitteen toiminta oli tarkoituksenmukaista. Asiasanat: elektroniikka, äänisignaali, simulointi, kitara, efektilaite, särö, fuzz
ABSTRACT Tampereen ammattikorkeakoulu Tampere University of Applied Sciences Degree Programme in ICT Engineering Embedded Systems and Electronics TIKKANEN, TOPI: Sound Signal Modification with Transistor-Based Guitar Effects Devices Bachelor's thesis 25 pages, appendices 1 page May 2018 The purpose of this thesis was to study the characteristics of sound signals and their modification with an amplifier circuit, examine the role of transistors in the circuit and to build a properly functional effects device for an electric guitar. The effects device was built using the schematic for a well-known 60 s device as a basis. The original device was chosen for its simplicity and originality, after all it was one of the first such devices to be widely used and recognized for its characteristic, highly distorted sound which earned the moniker fuzz. The Fuzz Face has not been manufactured for decades, and the price-tags for the remaining old units are only getting higher. In light of the aforementioned facts, building the device from scratch seemed like a good idea, and due to the plentiful documentation to be found for the original device, a very accomplishable task as well. The operation of the circuit was simulated with a free circuit design software called LTspice IV and analyzed with the measuring equipment found in the laboratory facilities for the study program of information and communications technology in Tampere University of Applied Sciences. Building the effects pedal device itself was set as the primary goal of this thesis. Working towards the goal offered a great opportunity to research the output signals of an electric guitar on a general level and to study the effects of various electronics components on the waveforms of sound signals. The goal was reached within the planned schedule and the final device worked as expected. Key words: electronics, sound signal, simulation, guitar, effects device, distortion, fuzz
4 SISÄLLYS 1 JOHDANTO... 5 2 SUOTIMET JA SÄRÖ... 6 3 EFEKTIKYTKENTÄ... 7 3.1 Efektikytkennän perusperiaatteet... 7 3.2 Transistorit ja muut komponentit... 9 3.3 Kytkennän toiminta... 10 4 TESTAUS JA ANALYSOINTI... 12 4.1 Simulointi... 12 4.1.1 Vahvistinkytkentä... 13 4.1.2 Taajuusvaste... 14 4.2 Laboratoriomittaukset... 15 4.2.1 Vahvistimen tuloaste... 16 4.2.2 Vahvistimen lähtöaste... 18 4.2.3 Taajuusvaste... 21 4.3 Yhteenveto... 22 5 JOHTOPÄÄTÖKSET JA POHDINTA... 23 LÄHTEET... 24 LIITTEET... 25 Liite 1. Kytkentäkaavio... 25
5 1 JOHDANTO Sähkökitarasta saatavan äänen muokkaamiseen on etsitty ja tutkittu mitä erikoisempia tapoja, ja tuohan jokainen kitarakin oman vivahteensa sillä soitettavaan musiikkiin. Käytetyimpiä muokkaustyökaluja itse kitaravahvistimien lisäksi ovat kuitenkin erilaiset efektipedaalit niiden helppokäyttöisyyden ja yhdisteltävyyden vuoksi. Lontoolainen Arbiter Electronics Ltd kehitti vuonna 1966 sähkökitaran efektilaitteen nimeltään Fuzz Face. Laite tuottaa tunnusomaista, suuresti säröytynyttä ääntä, jota kutsutaan tuttavallisemmin futsiksi. Kyseinen efektilaite oli ensimmäisten kitaralle tarkoitettujen jalkakytkimellisten pedaalien joukossa. Vuosien kuluessa laitteesta valmistettiin muutamia eri versioita, joissa lähes ainoina eroina olivat transistorit ja niiden valmistusmateriaali. Tässä opinnäytetyössä itse efektilaite rakennettiin valmiiden piirustusten pohjalta. Syy tähän lähestymistapaan oli se, että musiikillisesti hyvältä kuulostavan ja tarkoituksenmukaisen vahvistinkytkennän rakentaminen ei onnistu yksinomaan hyväksi havaittuja vahvistinsuunnittelun periaatteita noudattamalla. Optimaalinen vahvistinhan ei suinkaan muuttaisi puhtaasta siniaallosta näin epäsymmetristä ja pieniamplitudista signaalia. Tavoitteena oli saada kitarasta ulos juuri tämä tietyltä kuulostava ääni, ja tämän saavuttamiseksi järkevintä oli aloittaa tutkimalla vanhoja efektilaitteita, joilla kyseinen ääni aikoinaan tuotettiin. Työssä tutustutaan myös yleisellä tasolla kitarasta saataviin signaaleihin sekä äänisignaalien ominaisuuksiin ja muokkaukseen transistoripohjaisilla kytkennöillä, kuten työssä rakennettavalla efektilaitteella. Työn alussa esitetään hieman periaatteita muutamasta kytkennän toimintaan liittyvästä elektroniikan ilmiöstä ja tutkitaan itse efektikytkennän suunnitteluperiaatteita sekä tarkastellaan sen toimintaa syvemmin. Kytkentää simuloidaan tietokoneohjelmistolla sekä tutkitaan mittalaitteilla, ja näistä saatuja tuloksia vertaillaan, jonka jälkeen tehdään johtopäätöksiä testivaiheen havainnoista.
6 2 SUOTIMET JA SÄRÖ Efektikytkennän suunnitteluun sekä toimintaperiaatteeseen liittyy olennaisesti muutamia elektroniikan ilmiöitä. Ali- ja ylipäästösuotimilla on tärkeä tehtävä laitteen oikeanlaisen toiminnan kannalta, ja niillä myös osaltaan varmistetaan yhteensopivuus muiden signaalitiellä olevien laitteiden kanssa. Erilaisia taajuuksien sekoittumisen ja särön ominaisuuksia on tutkittava, jotta voidaan ymmärtää, miksi efektilaitteella muokattu äänisignaali kuulostaa omanlaiseltaan. Suodin on piiri, jolla voidaan rajoittaa signaalin kaistanleveyttä ja muokata taajuusvastetta, poistaa häiriöitä sekä vähentää kohinan vaikutusta. Tässä työssä hyödynnetään vastuksilla ja kondensaattoreilla muodostettuja yli- ja alipäästösuotimia. Rajataajuudella f c tarkoitetaan pistettä, jossa signaalin teho on laskenut 3 db eli toisin sanoen puolittunut. Käytännössä alipäästösuodin vaimentaa kaikkia f c :n ylittäviä taajuuksia, kun taas ylipäästösuodin vaimentaa kaikkia f c :n alapuolella olevia taajuuksia. RCsuotimen rajataajuus f c : f c = 1 2πRC (1) Säröllä ilmaistaan signaalin toistumisen epäpuhtautta. Signaaliin summautuvat häiriöt tai kohina eivät ole säröä, jota siis syntyy esimerkiksi silloin, kun vahvistin ei pysty toistamaan signaalia puhtaana ja leikkaa aaltomuotojen huippuja (Karjalainen 1999, 149). Signaalin perustaajuuden monikerrallisia taajuuskomponentteja kutsutaan harmonisiksi. Rakennettavassa efektikytkennässä harmonisella säröllä on suuri merkitys laitteesta saatavan äänen kannalta. Keskeismodulaatiosäröä esiintyy epälineaarisessa järjestelmässä, kun signaalissa on kahta tai useampaa eri taajuutta. Taajuuskomponenttien välinen keskeismodulaatio synnyttää uusia komponentteja harmonisten kerrannaisten lisäksi alkuperäisten signaalien summa- ja erotustaajuuksille, ja yleisesti ottaen korva kuulee tämän häiritsevänä. Kuitenkin tiettyyn pisteeseen asti tätä voi hyödyntää tuomaan ääneen aliharmonisia komponentteja.
7 3 EFEKTIKYTKENTÄ Arbiter Electronics Ltd:n kehittämän sähkökitaran efektilaitteen Fuzz Face:n piiri on verrattain yksinkertainen toisen asteen vahvistin, jossa on negatiivinen takaisinkytkentä. Syitä efektin ominaiselle toiminnalle tutkittiin ja alkuperäiseen kytkentään tehtiin tarpeellisia muutoksia. 3.1 Efektikytkennän perusperiaatteet Efektin toiminnan periaate on se, että kun kitaraa soitetaan kevyemmin, leikkautuu siitä saatava signaali epäsymmetrisesti eli vain toiselta puolijaksolta. Kuultavaan ääneen vaikuttaa tässä tilanteessa enemmissä määrin signaalin perustaajuuksien harmoniset komponentit, jolloin ääni kuulostaa oikein musikaaliselta ja niin sanotusti pehmeämmältä. Voimakkaammin soitettaessa signaali taasen leikkautuu molemmilta puolijaksoilta, jolloin kasvava keskeismodulaatiosärön määrä tuo ääneen terävyyttä ja saa sen kuulostamaan aggressiivisemmalta. Kytkennän ensimmäinen aste eli tuloaste koostuu kytkentäkondensaattorista C1, transistorista Q1 sekä kollektorivastuksesta. Alkuperäisessä kytkennässä ensimmäisen asteen transistorin emitteri on kytkettynä suoraan maihin, mutta tässä työssä virtavahvistuksen kohdilleen saamisen vuoksi emitteri kytkettiinkin vastuksen kautta maihin. Sisääntulon kytkentäkondensaattori muodostaa laitteen tuloimpedanssin kanssa ylipäästösuotimen, joka estää laitteelle haitallisen DC-tason sekä matalataajuisimmat bassoäänet ja muut ylimääräiset huminat. Tuloimpedanssin Z in suuruudeksi mitattiin Hioki 3532-50 LCR Hi- Tester -laitteella 1 khz:n taajuudella 4220 Ω, ja kytkentäkondensaattori C1 on suuruudeltaan 2,2 μf, joten alarajataajuudeksi f c saadaan kaavan 1 mukaan: f c = 1 2 π Z in C1 = 1 2 π 4220 Ω 2,2 µf = 17,1 Hz (2) Toiseen asteeseen kuuluu transistori Q2, lähdön kytkentäkondensaattori C2 sekä potentiometrit äänenvoimakkuuden ja efektin vahvuuden säätämistä varten. Q2:n kollektorilla
on jännitteenjakovastukset, jotta lähtösignaalin amplitudi pysyy kurissa. LTspice IV:llä mallinnettu efektikytkentä on kuvassa 1 sekä liitteessä 1. 8 KUVA 1. Efektikytkentä Negatiivinen takaisinkytkentä aiheuttaa haluttua ääntä ajatellen monia hyödyllisiä asioita. Kytkennän virtavahvistus saadaan takaisinkytkennän avulla vähemmän riippuvaksi transistoreille ominaisesta lämpötilavaihtelusta, jonka vaikutuksesta myös epälineaarisuudesta johtuva särö vähenee, koska vahvistus on tällöin tasaisempi. Varsinkin laitteessa alun perin käytetyt germaniumtransistorit ovat erityisen herkkiä lämpötilavaihteluille. Myös vahvistimen kaistanleveys suurenee, ja ei-haluttujen signaalien vaikutus kytkentään vähenee, joten kohina heikkenee. Laboratoriossa tehtyjen havaintojen pohjalta alkuperäiseen efektikytkentään oli ideoitava erinäisiä muutoksia. Laitteen oikeanlaisen toiminnan kannalta tärkein muutos oli emitterivastuksen lisääminen ensimmäiselle transistorille. Koska käytetyn transistorin virtavahvistuskerroin oli ensimmäiselle asteelle hieman liikaa, leikkaantui lähtösignaali molemmilta puolijaksoilta jo pienellä tulojännitteellä eli toisin sanoen liian aikaisin. Emitterivastuksen avulla transistorin toimintapiste siirtyi korkeammalle. Käyttöjännitteen syöttöön lisättiin alipäästösuodin, jonka on tarkoitus poistaa hakkurivirtalähteen mahdollisesti aiheuttamia vaihtovirran komponentteja tai häiriöitä tasajännitteeseen (Hakala 2017, 21). Suotimen rajataajuus f c lasketaan kaavalla 1:
f c = 1 2 π R C = 1 2 π 100 Ω 100 µf = 15,9 Hz (3) 9 Käyttöjännitteen alipäästösuotimen rajataajuudeksi saadaan 15,9 Hz, joka tarkoittaa käytännössä kaikkien korvalla kuultavien taajuuksien vaimentumista ei-haluttujen komponenttien ja mahdollisten häiriöiden osalta. 3.2 Transistorit ja muut komponentit Efektikytkennässä käytetään bipolaaritransistoreja vahvistimina. Bipolaaritransistori (BJT) on aktiivinen elektroniikan peruskomponentti. Koska kannan kautta emitterille kulkevalla pienellä virralla voidaan säädellä huomattavasti suurempaa kollektorilta emitterille menevää virtaa, on transistori käytännössä virtaohjattu virtalähde eli CCCS (Current Controlled Current Source). Lineaarisella toiminta-alueella kollektorivirta on suoraan verrannollinen kantavirtaan, joten transistorin sanotaan tällöin toimivan virtavahvistimena. Tätä varten transistori tarvitsee kuitenkin aina tasajännitelähteen kollektorille. (Silvonen 2009, 137.) Laitteessa käytettiin alun perin tuohon aikaan yleisiä AC128-germaniumtransistoreita, joista siirryttiin myöhemmissä erissä luotettavampiin ja tasalaatuisempiin silikonitransistoreihin. Virtavahvistuskerroin (hfe) vaihtelee vanhoissa germaniumtransistoreissa suuresti, ja oikeanlaista ääntä varten ensimmäisen asteen transistorin hfe:n tulisi olla jotakuinkin 60 80 ja toisen asteen 110 130, tai hieman kompressoidumpaa ääntä varten 90 120 ja 150 190 (ElectroSmash 2017). Germaniumtransistorit tosin tuovat laitteen ääneen hieman miellyttävältä kuulostavaa pehmeyttä, joka johtunee osittain siitä, että niissä on tyypillisesti hieman ylimääräistä kapasitanssia, joka käytännössä pyöristää terävien aaltojen reunoja. R. G. Keenin (1998) mukaan joissain myöhemmissä Fuzz Face:n silikoniversioissa tätä samaa vaikutusta haettiin kytkemällä pieni, 50 150 pf:n kondensaattori kummankin transistorin kollektorilta kannalle.
10 Tässä työssä kuitenkin käytettiin BC140-10 TO-38 NPN -silikonitransistoreita. Ääntä testattiin sekä kollektori-kantakondensaattoreiden kanssa että ilman, ja todettiin, ettei kyseisiä kondensaattoreita tarvittu pehmentämään ääntä. Transistorien virtavahvistus on kokoluokkaa 120 160, ja ensimmäisen asteen todellista virtavahvistusta on pienennetty n. 80:een 470 :n emitterivastuksen avulla. Kytkennässä käytettiin hiili- ja metallikalvovastuksia, joiden toleranssit vaihtelevat 2 5 %:n välillä. Kondensaattoreina hyödynnettiin dielektriltään eli eristemateriaaliltaan muovisia sekä elektrolyyttikondensaattoreita. Elektrolyyttikondensaattoreita käytettäessä on tärkeää ottaa huomioon niiden napaisuus. Potentiometreinä käytettiin äänenvoimakkuuden säätöön toiminnaltaan logaritmista ja efektin vahvuuden säätöön toiminnaltaan lineaarista potentiometriä. Äänenvoimakkuuden säätöön logaritminen on oikea valinta, sillä myös kuulo toimii käytännössä logaritmisella asteikolla. Efektin vahvuutta säätäessä taas mahdollisimman tasaisesti muuttuva vastuksen arvo on käytännöllisin vaihtoehto. 3.3 Kytkennän toiminta Koska toisen asteen transistorin (Q2) kanta on suoraan kytkettynä Q1:n kollektoriin, määrää sen biasointivirran suurimmaksi osaksi Q2:n emitterivastus, joka on tässä tapauksessa 1 k :n potentiometri, jolla säädetään itse efektin vahvuutta. Potentiometrin keskijalasta on kytkettynä maihin 20 µf:n kondensaattori C3. Kun potentiometri on asetettuna pienimmille tasoille, suurin osa signaalista kulkee suoraan Q2:n emitteriltä 100 k :n takaisinkytkentävastuksen kautta Q1 kannalle, vähentäen kokonaisvahvistusta. Kun potentiometriä käännetään suuremmalle (kuvassa 1 vastus R6 suurenee ja vastaavasti R5 pienenee), päästää C3 samassa suhteessa enemmän takaisinkytkentäsignaalia maihin, jolloin vahvistus on suurempi. Toisin sanoen tämä potentiometri vaikuttaa siihen, kuinka suurella tulojännitteellä lähtö alkaa leikkaantua positiivisellakin puolijaksolla. Signaali kulkee Q2:n kollektorilla olevien jännitteenjakovastusten kautta lähdön kytkentäkondensaattorin C2 ja 440 k :n äänenvoimakkuuden säätöön tarkoitetun potentiometrin muodostaman ylipäästösuotimen läpi ulostuloon. Mitä suuremmalle vastusta käänne-
11 tään (kuvassa 1 vastus R8 kasvaa ja R7 pienenee), sitä tasaisemmaksi muuttuu taajuusvaste. Pienemmillä potentiometrin arvoilla eli äänenvoimakkuuksilla taajuusvaste on hieman jyrkempi, ja korostaa korkeampia taajuuksia suhteessa enemmän kuin matalia. Lähdön kytkentäkondensaattori ja äänenvoimakkuuspotentiometri muodostavat siis ylipäästösuotimen, jonka rajataajuus nousee potentiometrin arvon pienentyessä. Rajataajuus tosin nousee merkittävästi vasta aivan pienimmillä potentiometrin vastusarvoilla. Laitteen lähtöimpedanssi nousee äänenvoimakkuuden pienentyessä. Laitteen lähdöstä saadaan jännitteenjakovastusten ansiosta amplitudiltaan enimmillään vain hieman vahvistunutta signaalia sisääntuloon verraten, sillä laite on aina tarkoitus kytkeä erilliseen kitaravahvistimeen. Laitteessa onkin enemmän kyse signaalin muokkauksesta ja värittämisestä muin keinoin sekä siitä, kuinka sisääntulosignaalin amplitudi vaikuttaa kytkennän toimintaan. On tarkoituksenmukaista, että efekti voidaan kytkeä jalan painettavalla kytkimellä päälle tai pois, ja jälkimmäisessä asennossa tulisi kitarasignaalin ohittaa efektikytkentä täysin (True Bypass). Tätä varten jalkakytkin on mallia 3PDT eli Triple-Pole Double-Throw, joka tarkoittaa sitä että kytkin on kolmenapainen ja kaksiasentoinen (kuva 2). KUVA 2. Triple-Pole Double-Throw -painikkeen kytkentä efektin ollessa päällä Kytkimen liittimet johdotettiin siten, että efektin ollessa pois päältä on piirilevyn tulo ja lähtö kytkettynä suoraan maihin, ja laitteeseen kytketyt tulo- ja lähtökaapelit suoraan toisissaan kiinni. Näin efektikytkentä on täysin erotettuna signaalitiestä, ja kitaran oma signaali saadaan muuttumattomana vahvistimelle tai esimerkiksi jollekin muulle efektilaitteelle. Kun efekti kytketään painonapilla päälle, yhdistyy aiemmin kellunut efektin tilasta kertova LED-valo maihin, jolloin valo syttyy. Laitteeseen kytketyt tulo- ja lähtökaapelit yhdistyvät efektikytkennän kautta.
12 4 TESTAUS JA ANALYSOINTI Kytkentää simuloitiin Linear Technology Corporationin LTspice IV -tietokoneohjelmistolla ja analysoitiin TAMK:n tieto- ja viestintätekniikan laboratorion mittalaitteilla. Laitteen toiminnan kannalta tärkeintä oli lähtösignaalin aaltomuoto sisääntuloon verrattuna sekä taajuusvaste. Myös ensimmäiseltä vahvistinasteelta saatavaa signaalia tutkittiin, jotta saataisiin parempi ymmärrys kytkennän toiminnasta. Laitteen äänenvoimakkuudensäädin asetettiin maksimiarvoonsa ja efektin vahvuus puoleen väliin, koska näillä asetuksilla kytkennän toiminta on parhaimmin havainnollistettavissa aaltomuotoja tarkastelemalla. 4.1 Simulointi LTspice IV on ilmainen piirianalyysiin tarkoitettu tietokoneohjelmisto, jolla voidaan mallintaa kytkentöjä ja suorittaa laajalti mittauksia optimaalisessa ympäristössä. Eri mittauspisteiden aaltomuotoja aika-akselilla voidaan tutkia ja vertailla Transient Analysis -työkalulla, jossa valitaan haluttu tarkasteltava ajanjakso. Taajuusvasteen tutkimista varten on työkalu AC Analysis, jossa signaalin voimakkuus esitetään logaritmisen taajuuden funktiona. Tämä toiminto ei kuitenkaan ota huomioon signaalin säröytymistä, joten taajuusvasteen tarkastelemiseksi oli käytettävä FFT-toimintoa. Hakkurivirtalähteen todelliseksi jännitteeksi mitattiin 9,15 V, joten simulaattorissa käyttöjännite asetettiin vastaavasti samaiseen arvoon. Kytkennän tasajännitteen suuruutta tutkittiin solmukohdissa sekä transistorien jaloissa (kuva 3). Kuvassa on merkittynä myös kummankin transistorin kannalle sekä kollektorille kulkevan tasavirran suuruus.
13 KUVA 3. Simuloidun kytkennän DC-pisteet Simuloinnissa tyydyttiin tärkeimmiltä arvoiltaan, kuten virtavahvistukseltaan, läheisimpään transistorimalliin. Tämä ratkaisu tehtiin, sillä todettiin eri transistorien vähäpätöisimpien arvojen vaikuttavan tässä kytkennässä hyvin vähän signaalin aaltomuotoihin. Transistorimallin vastaavuus kytkennässä käytettyihin komponentteihin todettiin myös alustavalla testillä. 4.1.1 Vahvistinkytkentä Lähtöasteen transistori saavuttaa ensin saturaation pelkästään signaalin negatiivisella puolijaksolla (kuva 4) ja hieman kovempaa soitettaessa pehmeä saturaatio saavutetaan molemmilla puolijaksoilla kuten kuvassa 5. Kevyemmällä soitannalla signaali siis leikkautuu epäsymmetrisesti ja tämä kuulostaa hyvinkin musikaaliselta, kun taas voimakkaammalla soittamisella koko signaali leikkautuu terävämmin tuoden säröisempää ja metallisempaa vivahdetta ääneen. Tätä toiminnallisuutta voi siis soittaja hyödyntää käsittelemällä sähkökitaraa hellemmin tai kovemmin ottein, kitaran äänenvoimakkuuden säätimellä tai tavallisemmin näitä kahta yhdistelemällä.
14 KUVA 4. Laitteen lähtösignaali kitaran kevyellä soitannalla KUVA 5. Laitteen lähtösignaali kitaran voimakkaalla soitannalla Sähkökitara antaa soittaessa sisääntuloon samanaikaisesti useita taajuuksia. Mitä terävämmin signaali leikkautuu, sitä enemmän on keskeismodulaatiosäröä. Hillityllä soitolla harmoniset särökomponentit korostuvat äänessä enemmän, sillä signaalin aaltomuodossa on vähemmän teräviä reunoja ja äkkinäisiä muutoksia. 4.1.2 Taajuusvaste Simulaatiokytkentään lisättiin toinen jännitelähde, ja piiriin syötettiin samanaikaisesti kahta signaalia. Signaalit olivat amplitudiltaan 60 mv ja taajuuksiltaan f 1 = 300 Hz ja f 2 = 400 Hz. Kyseiset taajuudet valittiin siksi, etteivät ne ole keskenään harmonisia. Tällä menetelmällä oli tarkoitus tutkia laitteelle ominaista signaalin säröytymistä ja siitä
15 johtuvia erilaisia taajuuskomponentteja. FFT-spektrin korkeimmat piikit ovat tulosignaalin perustaajuudet, ja muut piikit niiden harmonisia kerrannaisia sekä keskeismodulaatiosärökomponentteja. Kuvassa 6 esitetty 100 Hz:n piikki f A on perustaajuuksien f 2 ja f 1 erotustaajuus ja sen amplitudi on korkea, sillä siihen summautuu myös esimerkiksi särökomponentit 3f 1 2f 2 sekä 4f 2 5f 1. KUVA 6. Laitteen lähtösignaalin simuloitu taajuusvaste 4.2 Laboratoriomittaukset Koekytkentälevylle rakennettua efektikytkentää tutkittiin laboratorion mittalaitteilla. Käyttöjännite saatiin lopullisessakin laitteessa käytettävästä hakkurivirtalähteestä. Sisääntulosignaali otettiin Agilent 33250A -funktiogeneraattorilta ja mittauksia tehtiin Fluke PM3380B -mallisen oskilloskoopin analogisella puolella sekä Rohde & Schwarz UPL -audioanalysaattorilla. Kytkennän vastusten koot todennettiin ja tasajännitteet mitattiin yleismittarilla Fluke 75 III. Tasajännitteen suuruus mitattiin yleismittarilla kytkennän solmupisteistä sekä transistorien jaloista (kuva 7). Myös kummankin transistorin kanta- ja kollektorivirta mitattiin. Q1:n kollektorijännite näkyy 200 mv simulointitulosta pienempänä, sillä käyttöjännitteen syötössä olevan alipäästösuotimen yli jää juuri sen verran enemmän jännitettä kuin
16 simulointituloksessa. Muut eroavaisuudet jännitteissä johtuvat siitä, etteivät simulaattorissa käytetyt transistorimallit täysin vastaa kytkennässä käytettyjä virtavahvistuksiltaan ja muilta ominaisuuksiltaan. KUVA 7. Kytkennän DC-pisteet Hakkurivirtalähde tarjoaa efektilaitteelle 9,15 V:n käyttöjännitteen. Sisääntulosignaaliksi syötettiin funktiogeneraattorilta amplitudiltaan 20 100 mv:n suuruista ja 1 khz:n taajuista siniaaltoa. Kuten aiemmin todettu, kytkentää oli testattava erisuuruisilla sisääntulosignaaleilla, jotta saataisiin dokumentoitua efektin toiminnan vaihtelu suhteessa erilaiseen soitantaan. 4.2.1 Vahvistimen tuloaste Oskilloskoopin ensimmäinen kanava CH1 kytkettiin mittapäällä kytkennän sisääntuloon ja toinen kanava CH2 ensimmäisen transistorin kollektorille, sillä tarkoituksena oli mitata sisääntuloasteelta saatavaa signaalia. Syötettiin kytkentään amplitudiltaan 20 mv:n signaalia (kuva 8). Tässä nähdään niin sanottu perusmuoto ensimmäiseltä asteelta saatavalle signaalille. Transistori saturoituu kevyesti positiivisella puolijaksolla negatiivisen puoliskon pysyessä muodoltaan siniaaltoa vastaavassa tilassa. Signaali on amplitudiltaan vielä verrattain pientä.
17 KUVA 8. Q1:n kollektorilta saatava signaali 20 mv:n tulojännitteellä Kun tulosignaali on amplitudiltaan 80 mv, negatiivinenkin puolijakso leikkautuu jo selvästi, ja sen amplitudi on lähellä maksimiaan (kuva 9). KUVA 9. Q1:n kollektorilta saatava signaali 80 mv:n tulojännitteellä Efektin vahvuuden (Fuzz) muutoksen vaikutus signaaliin havainnollistuu selkeimmin, kun kytkentään syötetään keskisuuruinen jännite ja tutkitaan signaalin aaltomuotoa erisuuruisilla efektin voimakkuuksilla. Tulojännite asetettiin 50 mv:n amplitudiin ja signaalia Q1:n kollektorilla mitattiin vahvuuden ollessa minimissään, puolessa välissä ja maksimissaan (kuva 10). Huomataan säätimen toimivan oikein, kun efektin vahvuuden lisäys eli samalla kokonaisvahvistuksen kasvatus vie transistorin toimintapisteen korkeammalle aaltomuodon leikkautuessa sen takia aikaisemmin.
18 KUVA 10. Efektin vahvuuden vaikutus tuloasteen signaalin aaltomuotoon 4.2.2 Vahvistimen lähtöaste Laitteelta ulos saatavan signaalin tarkastelua varten siirrettiin oskilloskoopin toinen kanava laitteen ulostuloon eli äänenvoimakkuutta kontrolloivan potentiometrin keskimmäiselle jalalle. Mittaukset aloitettiin jälleen amplitudiltaan 20 mv:n suuruisella sisääntulojännitteellä (kuva 11). Laitteen lähdön signaali on Q2:n kollektorivastusten jännitteenjaon takia noin kolme kertaa pienempää kuin ensimmäiseltä asteelta saatava signaali. KUVA 11. Lähtösignaali amplitudiltaan 20 mv:n sisääntulolla Kuten tarkoituskin, huomataan että heikolla tulosignaalilla lähtö saturoituu negatiivisella puolijaksolla, mutta positiivinen puolijakso pysyy verrattain muuttumattomana. Aaltomuodosta huomioidaan myös negatiivisen puolijakson ominainen, hieman nouseva suora.
Puolijakso ei siis leikkaudu täysin tasaisesti kondensaattorien purkautumisen seurauksena, ja tämäkin yksityiskohta tuo ääneen tietynlaisen vivahteen. 19 Kun laitteeseen syötetään 40 mv:n tulojännitettä, alkaa lähdön positiivisellakin puolijaksolla ilmenemään kevyttä leikkautumista. Negatiivinen puolijakso pysyy edelleen saturoituneena (kuva 12). KUVA 12. Lähtösignaali amplitudiltaan 40 mv:n tulojännitteellä Kun tulon amplitudi on 60 mv, lähtöjännitteen aaltomuoto on lähestulkoon sellaisessa muodossa, josta se ei enää suuremmin muutu (kuva 13). Positiivisenkin puolijakson huippu on tässä pisteessä leikkautunut täysin, ja laitteesta saatavan äänen pitäisi nyt kuulostaa terävämmältä ja erittäin säröytyneeltä. Tästä eteenpäin tulojännitteen lisääminen lähinnä vie aaltomuotoa vielä enemmän puhtaan kanttiaallon suuntaan, kun nousu- ja laskureunat suoristuvat sisääntuloasteen negatiivisen puolijakson saturoitumisen seurauksena. Huippuja leikkaavat suorat pysyvät silti kaltevina.
20 KUVA 13. Lähtösignaali amplitudiltaan 60 mv:n sisääntulolla Tulojännitteen amplitudiksi asetettiin 50 mv. Kytkennän lähtösignaalia mitattiin, kun Fuzz oli minimissään, puolessa välissä ja maksimissaan (kuva 14). Kuvassa molemmat oskilloskoopin kanavat on skaalattu 100 mv:iin ruutua kohden. Säädin toimii odotetusti, kun efektin vahvuutta lisäämällä kokonaisvahvistuksen kasvatus saa aaltomuodon leikkautumaan aikaisemmin, koska transistorin toimintapiste nousee. KUVA 14. Efektin vahvuuden vaikutus lähtöasteen signaalin aaltomuotoon
21 4.2.3 Taajuusvaste Fast Fourier Transform (FFT) on algoritmi, joka jakaa signaalin taajuuskomponentteihinsa. Taajuusvastetta mitattiin Rohde & Schwarz UPL -audioanalysaattorilla. Kytkentään syötettiin analysaattorin generaattorilähdöstä Multisine-toiminnolla kahta eri taajuista 60 mv:n sinisignaalia ja samanaikaisesti analysaattori mittasi kytkennän lähtösignaalia ja esitti sen FFT:n avulla taajuuden funktiona (kuva 15). Tulosignaalien perustaajuudet f 1 = 300 Hz ja f 2 = 400 Hz näkyvät spektrissä korkeimpina piikkeinä. 100 Hz:n piikki f A on perustaajuuksien f 2 ja f 1 keskeismodulaation aiheuttama erotustaajuus, johon summautuu myös esimerkiksi särökomponentit 3f 1 2f 2 sekä 4f 2 5f 1. Spektri vastaa simuloinnin tuloksia. KUVA 15. Efektilaitteen lähtösignaalin taajuusvaste Käyttöjännitehaaran suotimesta huolimatta laboratorion lukuisat laitteet häiritsevät mitattavaa signaalia, ja tästä johtuen spektrissä on verkkovirran 50 Hz:n taajuudella kumpu. Lopullista laitetta testatessa verkkovirrasta ei kuitenkaan aiheudu kuultavissa olevaa häiriötä.
22 4.3 Yhteenveto Alustavien laboratoriomittauksen avulla havaitut epäkohdat korjattiin luvun 3.1 lopussa mainituilla muutoksilla. Mittalaitteilla saadut tulokset vastasivat suurimmaksi osaksi simuloituja tuloksia, tosin laboratorioympäristön häiriöt aiheuttivat avonaiseen kytkentään jonkin verran kohinaa. Taajuusvasteen tutkimisella havainnollistettiin onnistuneesti kitarasignaalin säröytymistä efektilaitteessa. Laitteen lähtösignaalin aaltomuoto ja sen muutokset sisääntulosignaalin amplitudin sekä efektin vahvuuden mukana vastasivat jopa hämmästyttävän tarkasti sekä oletuksia että simuloiden saatuja tuloksia. Komponentit juotettiin täpläkuparoidulle piirilevylle ja asennettiin valualumiiniseen koteloon, johon istutettiin efektin kytkimenä toimiva painike ja siitä kertova LED -valo, potentiometrit äänenvoimakkuuden ja efektin vahvuuden säätöä varten sekä liittimet virransyöttöä ja signaaliteitä varten. Alumiininen umpikotelo vähentää omalta osaltaan ulkopuolisista häiriöistä johtuvaa kohinaa.
23 5 JOHTOPÄÄTÖKSET JA POHDINTA Työssä tutkittiin äänisignaalien muokkausta sekä niiden käyttäytymistä vahvistinkytkennässä. Ymmärrys bipolaaritransistoreista syveni, kun erimallisia transistoreita oli vertailtava toisiinsa ja niiden ominaisuuksia tarkasteltava kytkennän toiminnan kannalta. Alkuperäiseen 60-luvun efektikytkentään jouduttiin ennalta-arvaamatta tekemään muutamia muutoksia käytettyjen transistorien takia, mutta kyseisillä muutoksilla laite saatiin kuin saatiinkin toimimaan odotetulla tavalla. Tämä oli loppujen lopuksi hyvä asia, sillä ratkaisuja etsiessä opittiin uusia asioita, ja vastaisuudessa samankaltaisten efektilaitteiden suunnittelu ja rakentelu on nyt astetta helpompaa. Mittaustulokset vastasivat, varsinkin aaltomuotojen osalta, erittäin hyvin simuloinnilla saatuja tuloksia. Jokaiselta sähkökitaralta saatava äänisignaali on erilainen ja kitaravahvistinten vaikutukset signaaleihin vaihtelevia. Valmista efektilaitetta testattiin oikeassa käyttötarkoituksessaan ja se toimi suurimmaksi osaksi juuri kuten odotettiin. Testaus suoritettiin kuitenkin vain yhdenlaisen kitaran ja vahvistimen kanssa, joten voidaan olettaa että joillain yhdistelmillä se ei suoriudu tehtävästään yhtä hienosti, joskin efektin vahvuutta muuttamalla voidaan jollain tasolla mukauttaa laitetta eri kokoonpanoille. Vastaavasti tietyllä yhdistelmällä saattaa se kuulostaa vieläkin paremmalta.
24 LÄHTEET ElectroSmash 2017. Fuzz Face Analysis. Luettu 10.04.2018. https://www.electrosmash.com/fuzz-face Hakala, K. 2017. Kitaraefektilaitteen toteutus ja analysointi. Tietotekniikan koulutusohjelma. Tampereen ammattikorkeakoulu. Opinnäytetyö. Karjalainen, M. 1999. Kommunikaatioakustiikka. Espoo: Teknillinen Korkeakoulu, Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio. Keen, R.G. 1998. The Technology of the Fuzz Face. Luettu 26.04.2018. http://www.geofex.com/article_folders/fuzzface/fftech.htm Silvonen, K. 2009. Elektroniikka ja puolijohdekomponentit. Helsinki: Hakapaino.
25 LIITTEET Liite 1. Kytkentäkaavio