电吉他的电路构造硬核科普！

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本文作者：梓文



不知道读者有没有经历过像我一样的意外：某一天早晨拿起我的琴，插上线，接上电源，却发现除了底噪之外什么都听不到。当时正是疫情隔离期间，没办法，自己拆开看看里面的电路吧（虽然这其实是贝斯）。

最常见的电吉他的外观大家都很熟悉了，电路部分从拾音器开始，有切换拾音器挡位的拨档，再经过琴上的Volume和Tone等几个旋钮，最后到输出插口。有的琴也可能提供其它的功能，比如双线圈切单、主动电路EQ等等，但让我们从最常见的功能开始，一步步搞清楚它们的电路是如何实现的吧。




01

拾音器

最常见的电吉他拾音器（Pickup）是靠电磁感应原理工作的，和发电机一样。拾音器固定在琴弦正下方，拾音器上的那些磁柱就是由线圈缠绕的磁铁，你会发现琴弦会被它吸上去。琴弦振动时在磁场中切割磁感线，拾音器把声音转变成交流电输出。


但拾音器的制作远远比发电机的原理复杂，因为乐器的声音远远不止是正弦波，而是分布在几十赫兹到一万多赫兹的全频段信号。要如何保证在这么宽的范围内频率和动态的相应，输出好听的声音，是制造拾音器时面对的首要难点。


第二个便是噪音问题。试过把手机靠近拾音器或者吉他连接线吗？这些电子产品发出的电磁波都会被拾音器平等地拾取进去，特别是在失真之后，传统单线圈（Single Coil）拾音器的噪音会被无限放大。

在乐器上降噪的方法很简单。在近几年人工智能算法诞生之前，最基本的思路都是通过噪声的反相抵消——想办法得到两路信号，其中我们需要的信号相位相同，但噪声的相位相反，然后把两者叠加。



于是双线圈（Humbucker）拾音器诞生了。两排单线圈拾音器并列，但磁极和线圈缠绕方向都是反向的。两个拾音器串联叠加，使吉他的信号翻倍，但外界的噪音刚好被反相消除了。

由于拾音器本身具有电容和电感，两个拾音器串联会改变整体的共振频率，也会抵消一部分高频信号。在降噪的同时，可能也“意外”形成了双线圈特有的厚重音色，最终也成为了历史上的经典。不过这是这系列之后的主题了。


02

音量和音色旋钮

我们现在已经有了这样的电路，拾音器输出的交流信号，通过大二芯的吉他线与音箱连接。


吉他输出的声音波形就是变化的电流。在通常的被动电路上，现在就是音量全开的状态。因为如果不通过电池的额外输入，吉他上已经不可能把能量继续提升了。音量旋钮（Volume Knob）调整音量的方式是衰减信号：旋钮关得越小，输出电流被衰减得越多，音量也就越小。



它是仅仅通过一个电位器（Potentiometer）实现的。从最大关到最小的过程中，音箱输入的电位从最高电位逐渐降到0（接地），音量便逐渐减小，直到完全没有电流通过音箱。



同样，吉他上的音色调整，也是通过滤除高频来实现的。在音色旋钮（Tone Knob）全开时，滤除的高频最少；把旋钮关小时，滤波器的截止频率逐渐降低，更低的频率也会被逐渐削减，让人感觉整体音色越来越柔和。



为什么说在音色旋钮全开时，滤除的高频“最少”而不是“没有”呢？因为只要在吉他上装上音色旋钮，它就始终在工作，不像音量旋钮开到最大就完全断开了。





音色旋钮包含串联的可变电阻和电容（Capacitor），整体是并联在整个电路内的。还记得电容的特性吗？当通过高频的交流电时，它会在两极不断充电放电，对电流几乎没有影响，当交流电的频率降低时，它在每个周期内会被充得越来越满，通过的电流会逐渐减少。



但是我们的使用方法刚好相反，把它并联在电路中并接地。这样高频信号会通过它流走，而它阻碍了低频，所以低频信号能够进入后面的电路。这样，它就成为了一个经典的低通滤波器（Low Pass Filter）。





在中间串联电阻，就可以控制高频“流走”的量。当电阻为0时，显然流走的高频最多；电阻越大，由于中间有电阻的阻碍，流走的高频越少。当然这只是最简单的理解，通过计算，我们发现电阻值影响的是这个低通滤波器的截止频率（Cutoff Frequency）。也就是说，高频是从某个频率开始被衰减的（如上图），电阻变化仅仅会让这条EQ曲线左右移动。



因此，只要装上音色旋钮，就算把它开到最大（把电阻值拧到最高），它依然还在这个电路里，仍然有可能滤掉一部分高频，只是它的截止频率比较高罢了。这也是为什么有许多人选择在吉他上安装特殊的电路：当音色旋钮拧到最大时，会导致整个滤波电路断路，这样就可以完整保留吉他的高频，也就是所谓的“不吃Tone”了。



03

大家都纠结的Tone

虽然都是如此简单的电路结构，但吉他手们对自己手中的音色似乎有着无尽的追求……


如果弹过比较复古的曲子，大家一定会知道一个常用的方法：把吉他音箱上的Gain调整到合适的临界状态，在演奏中就可以调整琴上的音量旋钮，即时在过载和清音之间切换。或者吉他手出于各种原因仅仅是想让琴的输出低一些。但这时人们发现，为什么调低音量的同时，吉他的声音也变闷变糊了呢？





原来这还是跟拾音器的构造有关。拾音器并不是一个理想的交流电源，它也有自身的电阻、电容、电感（而且恰恰就是这些形成了每个拾音器不同的音色特性），吉他连接线也不是一根完美的导线。由于音量旋钮就是一个电位器，当调低音量时，可以简化成它与电容串联在一起。因此，又形成了一个低通滤波电路！



这种情况不一定是不好的，特别是把音量旋钮调低后能得到温暖的法兹（Fuzz）效果，这是历史上的一大经典。但对另外一群人来说，滤掉了许多高频、变得很闷的清音并不好听。于是吉他手们也想尽了办法，对电路做了许许多多的魔改：




图为Fender美专Tele的高频补偿电路，来自Fender官网



一种流行的高频补偿的方式叫做Treble Bleed，使用电阻和电容跟音量旋钮的电位器并联，利用电容能够通过高频的特性，让一部分的高频“漏”（Bleed）过去，就不会受到音量旋钮的影响了。除此之外，还有“50s接线法”等等其它高频补偿的方式，在不同的使用场景下，吉他手们也有不同的喜好。比如一些人会认为50s接线法在Fuzz单块前的响应更自然，在此笔者不多赘述。



同样的，讨论完拾音器的电容，它还有电感（Inductance）。电感可以想象成电流的惯性，吉他输出的电流信号在不断变化，但它却变得没那么快，总有一点阻力。拾音器的电感和电路的其它部分相互作用，大幅改变了吉他的响应。






与之前理想化的滤波电路不同，上图才是音色旋钮真正的频率响应。实际上，吉他的滤波电路在截止频率上都有一个凸起的共振峰（Resonance Peak），在高切之前的部分频率反而会被稍稍提升。在音色旋钮转动的过程中，共振峰的高低也会有复杂的动态变化。电子元件不同的参数使得这些曲线各异，也因此形成了不同的吉他各自的音色特性，很多人也认为这是模拟电路的“味道”所在。



当然，如果再深究下去，通过建模和数学计算，每个元件的阻值、电容值，还有电位器的变化尺度（Taper）等等方方面面，包括工业上的误差，都会极大地影响整体的音色，都是设计时需要考虑的地方。






不过，对于我们使用者来说，了解原理虽然有用，但也切勿陷入“设备党”的怪圈。如果最终为了一点音色的改变，却牺牲大量真正学习音乐的时间，那就得不偿失了。