第二届电力电子科普征文大赛-入围奖

上海科技大学 李晨曦 

如果你是一位音乐爱好者，当你戴上耳机，聆听着美妙的音乐时，吉他那多变的音色一定能够吸引你的注意。它时而清脆明亮，仿佛阳光灿烂；时而沉稳厚重，带着岁月的厚重感；时而又尖锐狂放，如同冲破束缚的热情。

而这些独特的音色，如今大多数都是由数字芯片经特定算法采样处理所生成的。为什么音乐人们要用数字芯片去生成这些音色呢？这些音色的源头又是什么呢？让我们把时钟向回拨，回到摇滚乐最为兴盛的上世纪六七十年代。那个时候，人们只是简单的把几种晶体管组合在一起，却创造出了无限可能。

一、缺陷创造的美

电吉他的发声原理非常简单，当吉他的金属弦振动时，会在磁场拾音器附近产生变化的磁场。这个变化的磁场会影响到磁性材料，导致其产生微小的电流。这个电流通过线圈，产生的变化电磁场会感应出电信号。这个电信号经过放大和处理后，就能够输出为声音。在没有晶体管的年代，这个电信号需要通过电子管放大处理后，才能被人们所听到。

电子管是一种利用真空中的电子流来控制电流的设备，它的工作原理十分简单。电子管内部有一个称为阴极的热发射器件，通常由一根被加热的金属丝或者涂有发射材料的表面组成。当阴极受到加热时，它释放出电子。当阴极释放出的电子进入到电子管的空间时，它们受到阳极的吸引，从而形成了电子流。在电子管的结构中通常还包括一个控制栅，它位于阴极和阳极之间。当控制栅上施加不同的电压时，会影响到电子流的密度，从而控制电子流的强弱。

图1. (a) 6L6电子管; (b) 电子管结构图

图2. 电子管放大电路

相较于晶体管，电子管的放大是非线性的，这就使得电子管音箱所发出的声音都具有不同程度的失真。当输入信号较大时，电子管会饱和并且输出信号的增益将不再随输入信号的增大而线性增加。

图3. 电子管的非线性特性

那时，手头不够宽裕的乐队，因为没有钱买音量足够大的音响，只能在演出时拼命的增大电子管音箱的音量，这使得电子管控制栅上的最大电压已经超过了其饱和值，于是正弦输出信号的两端被削平，削波失真的音色便由此诞生。

图4. 不同程度的削波失真

不同于以往的吉他音色，失真音色嘈杂、尖锐、肮脏、破碎，充满了野性与力量感，深受吉他手们的喜爱，被广泛运用于各种音乐形式中，逐渐成为了电吉他的标志性音色。

二、失真类效果器

为了得到失真音色，人们往往需要把音箱的音量开到很大，这样做不仅扰民，而且得到的声音也很不稳定，那么有没有一种方法能够在较小的音量下得到失真音色呢？随着半导体技术的发展，失真类效果器应运而生。

在介绍失真类效果器之前，需要先简单介绍一下二极管削波电路。二极管削波电路通常由一个或多个二极管、电阻和电容组成。当输入信号的振幅超过二极管的导通电压时，二极管开始导通，将多余的部分截去，使输出信号的振幅保持在一个较小的范围内。这样就可以实现信号的削波效果。

图5. 二极管削波电路

失真类效果器以其失真度从弱到强可大致分为三类，过载、失真、法兹。

1、过载 (Overdrive)

图6. Ibanez Tube Screamer 808

过载效果器通过对音频信号进行软削波，从而得到失真程度较低的输出信号。以Ibanez公司推出的Tube Screamer为例，输入信号先通过一个缓冲电路，其由经典的三极管放大电路构成，以确保各频段信号的完整性（这种设计被广泛使用在不同种类的效果器中）。

图7. 输入缓冲电路

随后信号通过削波模块进行失真处理。如图所示，二极管削波模块被巧妙的放置在放大器的反馈回路中，这通过将原信号与硬削波后的反馈信号叠加，我们就能够得到模拟电子管软削波处理后的输出信号。

图8. Tube Screamer的削波放大电路

经过载效果器软削波处理后的音色饱满、厚重，此类效果器对于吉他手的演奏动态非常敏感，演奏者可以通过控制演奏的力度进而控制破音程度，以表达情绪上的变化。著名布鲁斯吉他手Stevie Ray Vaughan就经常使用Tube Screamer进行演奏。

2、失真 (Distortion)

图9. Boss DS-1

失真效果器是对电子管硬削波信号的模拟，能够在低增益下还原出电子管音箱高增益下的失真音色。以Boss公司推出的DS-1为例，其二极管削波模块被放置在运算放大器的输出端，直接对输出信号进行硬削波处理。

图10. DS-1的削波放大电路

失真效果器的音色相较于软削波的过载更加尖锐、粗犷、有力，常被乐手们应用于硬摇滚乐与金属乐中，如Guns N' Roses，AC/DC等乐队。我们现在所听到的大部分电吉他音色往往都为失真效果器处理后的音色。

3、法兹 (Fuzz)

图11. Fuzz Face

法兹效果器诞生于上世纪60年代中期，其结构非常简单，其内部往往只有十几个元器件。以Fuzz Face为例，其原理为增大三极管基极的偏置电压，从而使放大器工作在截止区域，进而得到近似于方波的硬削波输出信号。

图13. Fuzz Face电路的直流偏置点

法兹效果器的声音更加狂放，颗粒感极强，听感上就像是音响纸盆坏掉的声音，在上世纪70年代被广泛运用于布鲁斯音乐中。著名吉他手，被誉为吉他之神的Jimi Hendrix经常使用Fuzz Face进行演奏。在90年代，一些另类摇滚乐队也会使用法兹以达到富有张力的情绪表达，如Nirvana乐队。

三、时延类效果器

如果失真类效果器是拿信号的幅值开刀，那么时延类效果器则是在信号的时域特性上做文章。根据原理的不同，可以将时延类效果器大致分为两类，混响、延迟。

1、 混响 (Reverb) 

混响效果器旨在模拟大型音乐厅中的混响效果，混响效果器能够为音频信号增添情感和氛围，使得声音听起来更加宏大、梦幻或者温暖，适用于不同风格和情感的音乐作品。演奏者在开放空间下往往会使用到混响效果器来模拟音乐厅中的混响效果。想要实现混响效果的模拟往往需要复杂的计算，而在模拟电路时代并没有足够的条件，人们只能另辟蹊径，用机械弹簧的反复振动模拟声音在空间中的回响。最早的弹簧混响器在上世纪50年代便被发明且应用于录音室中。为方便吉他手们的使用， Fender公司在60年代将弹簧混响器直接安装在吉他音箱中。

图13. Fender Twin Reverb电子管吉他音箱

图14. Fender Twin Reverb中的弹簧混响模块

以Fender Twin Reverb音箱中的弹簧混响盒为例，两侧接有磁片的弹簧被放置在输入与输出线圈之间，连接其输入信号通过线圈产生磁信号，驱动磁片振动，进而使整根弹簧发生往复运动，产生类空间回响式机械波，输出侧的线圈则感应磁片的运动，将机械波重新转化为电信号，得到类似空间混响效果的音频信号。现如今的空间效果器多使用数字电路进行运算模拟，其多被用于前卫摇滚以及后摇滚中，用以渲染虚无缥缈的空间感。

2、 延迟 (Delay)、合唱 (Chorus)

与混响效果器类似，延迟类效果器也是对信号做时域上的处理。如果说混响效果器模拟的是音乐厅中的回响效果，那么延迟类效果器模拟的就是山谷中的回声效果。延迟效果器允许使用者控制延迟的时间，即延迟信号在多长时间后再次播放。这种延迟时间可以非常短暂，例如几毫秒，也可以非常长，甚至可以达到数秒。小型化的吉他延迟效果器主要基于BBD (Bucket Brigade Device) 芯片，基本原理图如下。

图15. BBD芯片基础原理图

通过输入侧电容C0采样输入电压，随后时钟信号控制MOS管依次导通，采样到的输入电压便通过其间的电容依次向后传递，到达输出端，其采样频率应满足采样定理。通过控制时钟信号的频率以及信号链的长度，即可控制信号延迟的时间。合唱效果器的原理与延迟效果器相同，区别为合唱效果器会产生多个延迟很小的副本，并将它们与原始信号混合，以模拟多个声音同时演唱的效果，增强吉他音色的氛围感。

图16. 基于BBD芯片的Boss CE-2 

四、哇音效果器

图17. Xotic XW1

哇音效果器 (Wah)，又称为滤波效果器，其原理顾名思义，及通过对音频信号的滤波，达到改变音色的效果。以Vox公司推出的V847为例，哇音效果器通过一个踏板控制滤波电容的等效容值，可以调整一个带通滤波器的中心频率，产生类似于人声发出的"哇-哇"音效。当踏板向下踩压时，高频信号会被削弱，产生低音"哇"的音效；当踏板向上抬起时，低频信号会被削弱，产生高音"哇"的音效。哇音效果器盛行与上世纪60年代，吉他手们通过其独特的声音来传递情绪的变化。

图18. Vox V847原理图

五、结语

如今，虽然数字技术已经取代了很多传统的模拟设备，但音乐制作者们努力保留并再现那些经典的音色。通过数字芯片和算法，他们努力模拟和再现那些传奇的音色，使得新一代的音乐作品中依然能够听到昔日的经典和传奇。数字技术让我们能够更加便捷地探索、再现和创造各种音色，同时也为音乐创作带来了更多的可能性。而这些似乎已经过时的古老技术，则蕴含着当时工程师们的无穷智慧，这些精巧的设计理念在今天也依然值得我们借鉴与学习。

参考资料

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Distortion_(music)

[2] https://www.analogethos.com/post/tube-amp-explained-intro

[3] https://robrobinette.com/Tube_Guitar_Amp_Overdrive.htm

[4] https://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode-clipping-circuits.html

[5] https://www.amplifiedparts.com/tech-articles/spring-reverb-tanks-explained-and-compared

[6] https://www.electrosmash.com/

[7] https://reverb.com/