電吉他拾音器參數(shù)優(yōu)化研究

田 聰，蘇 暢，劉 剛，劉曉宇，胡麗娜

（黑龍江工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程系，黑龍江 雞西 158100）

1 電吉他簡(jiǎn)介

電吉他是流行音樂(lè)中不可缺少的主要樂(lè)器之一，主要由琴頭、琴頸、拾音器、琴橋、護(hù)板構(gòu)成。與傳統(tǒng)吉他相比，電吉他的琴身為實(shí)體的音箱，沒(méi)有共鳴箱裝置，在琴身上裝有2～3塊磁鐵，即拾音器［1］。不同于傳統(tǒng)吉他利用箱體的振動(dòng)發(fā)聲的原理，電吉他主要使用拾音器拾取聲音信號(hào)，通過(guò)擴(kuò)音器將聲波信號(hào)放大，因此拾音器是電吉他最關(guān)鍵的設(shè)備。和一般吉他相比，由于沒(méi)有共鳴箱束縛，電吉他的音量可以自行調(diào)節(jié)，聲音范圍空間更大，因而其演奏靈活性大大增強(qiáng)，在顫音、滑音方面優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

2 拾音器的工作原理

拾音器（Pickup）是電聲吉他的主要組成部分，在某些方面上決定其音色［2］。拾音器自身不能發(fā)聲，只具有“信號(hào)傳輸特性”，即像麥克風(fēng)一樣從琴弦的震動(dòng)中拾取信號(hào)后，以自己的方式改變并傳輸這些信號(hào)。

拾音器主要是由磁鐵和絕緣的銅線圈構(gòu)成，導(dǎo)線在磁鐵上繞成線圈，線圈連接到擴(kuò)音器。拾音器磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)使弦線磁化，弦線反過(guò)來(lái)會(huì)產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)。琴弦靜止時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量是個(gè)常數(shù)。琴弦震動(dòng)時(shí)相對(duì)線圈運(yùn)動(dòng)，通過(guò)線圈的磁通量就會(huì)發(fā)生變化。跟據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，振動(dòng)的琴弦會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其幅度與琴弦震動(dòng)頻率成正比，因而線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，其頻率與弦線震動(dòng)的頻率相同。此感應(yīng)電流通過(guò)擴(kuò)音器進(jìn)行放大還原，即可聽(tīng)到電吉他彈奏的聲音［3］。

3 電吉他拾音器參數(shù)優(yōu)化

（1）拾音器等效電路。實(shí)際的拾音器由導(dǎo)體線圈、被線圈圍繞的多個(gè)磁體以及用以固定的框架組成。當(dāng)撥動(dòng)琴弦時(shí)，琴弦切割被線圈包圍的磁體，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)外接線流向放大器，從而產(chǎn)生聲音。從電學(xué)特性來(lái)看，拾音器可以等效為一個(gè)RLC諧振電路。各個(gè)元器件的參數(shù)影響著電路模型內(nèi)的R、L、C三個(gè)參數(shù)，從而影響輸出信號(hào)的諧振頻率點(diǎn)，諧振頻率點(diǎn)附近的泛音會(huì)被放大（基音則不受影響），遠(yuǎn)離諧振頻率點(diǎn)的泛音則會(huì)快速衰減。

一個(gè)實(shí)際的線圈可以被描述成一個(gè)理想電感器L和一個(gè)電阻器R串聯(lián)，并且與線間電容C并聯(lián)。其中電感量L是主要參數(shù)，由線圈匝數(shù)、磁芯材料和線圈的幾何形狀決定。電阻R和電容C的影響較小，可忽略不計(jì)。當(dāng)琴弦運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中產(chǎn)生交流電壓。因此拾音器可以看作一個(gè)附帶一些電子元件的交流信號(hào)源，外部負(fù)載由電阻（吉他的音量和音色電位器，放大器輸入端的電阻）和電容（吉他線的芯與屏蔽層之間電容）構(gòu)成。吉他線電容對(duì)音色影響重大，不可忽略。這些元件的組合就形成了所謂的二級(jí)低通濾波器，如圖1所示。

圖1 拾音器二級(jí)低通濾波器等效電路

（2）拾音器電參數(shù)優(yōu)化方案。針對(duì)某電吉他廠中最常見(jiàn)、用途最廣的x拾音器進(jìn)行研究，對(duì)其電參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高其性能。拾音器的電參數(shù)有很多，如直流電阻、電感、電容、阻抗、質(zhì)量參數(shù)、損耗、諧振頻率、諧振峰值等。其中，銅線線圈的粗細(xì)和銅線的纏繞匝數(shù)兩者都對(duì)直流電阻有影響。電阻與音量有關(guān)，電感與音質(zhì)與音量有關(guān)，電容僅供參考，拾音器的音色功率取決于直流電阻和諧振峰值，所以本文主要從電阻與電感兩個(gè)方向來(lái)提高拾音器性能，電容作為參考值。

拾音器的匝數(shù)、磁鐵材料、線徑，對(duì)其性能有不同影響，如下表所示，表1和表2中是拾音器的部分相關(guān)數(shù)據(jù)，以及其他3個(gè)公司的拾音器參考數(shù)據(jù)。

通過(guò)研究現(xiàn)有數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，拾音器線夾圈數(shù)相同，但磁鐵磁性不同，做出的拾音器性能可能不同，所以在優(yōu)化方案中，減少拾音器的匝數(shù)，琴頸拾音器電參數(shù)測(cè)得為R=11.86K、L=4.78H、C=530.4nF，琴體拾音器的電參數(shù)測(cè)得為R=13.32K、L=5.21H、C=560.5nF。圖2和圖3分別為優(yōu)化方案中電吉他琴頸拾音器和琴體拾音器等效電路圖。

表1 琴頸拾音器參考數(shù)據(jù)

表2 琴體拾音器參考數(shù)據(jù)

表3 x拾音器所測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 電吉他琴頸拾音器電路模型

圖3 電吉他琴體拾音器電路模型

（3）優(yōu)化方案驗(yàn)證。按照以上的優(yōu)化方案，制作拾音器并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試所用儀器為示波器、信號(hào)發(fā)生器和交流微伏表。通過(guò)10組拾音器測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)一直在優(yōu)化方案所測(cè)數(shù)據(jù)大致范圍內(nèi)波動(dòng)。在測(cè)試時(shí)，用信號(hào)發(fā)生器給出一個(gè)1000Hz的信號(hào)，此時(shí)拾音器測(cè)得為1.1KHz，用交流微伏表測(cè)得此時(shí)波形峰值為20 mV，頻率波形圖如圖4所示。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器給出一個(gè)500 Hz的信號(hào)，此時(shí)拾音器測(cè)得為502 Hz，此時(shí)用交流微伏表測(cè)得波形峰值為30mV，頻率波形圖如圖5所示。

通過(guò)分析波形圖和測(cè)試結(jié)果可以得出，拾音器頻率越快，拾音器音色就更清晰；頻率峰值越大，拾音器音量更大。當(dāng)把所做拾音器安裝在電吉他上后，調(diào)音發(fā)現(xiàn)琴頸、琴體拾音器彈奏時(shí)音色清晰、純凈，達(dá)到期望值，所以證明此方案達(dá)到優(yōu)化的效果。

圖4 1KHz的頻率波形圖

圖5 500Hz的頻率波形圖

4 結(jié)語(yǔ)

拾音器的性能取決于其結(jié)構(gòu)、繞線線徑、圈數(shù)、磁鐵磁性大小和形狀等。一般來(lái)說(shuō)，線圈匝數(shù)越多，直流電阻越大，輸出功率也就越大，高音就越低。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：

（1）影響拾音器性能的主要因素有線圈匝數(shù)（即拾音器直流電阻）和拾音器內(nèi)部磁鐵磁力強(qiáng)度。拾音器線圈銅線的粗細(xì)和匝數(shù)對(duì)電阻有影響，電阻與音量有關(guān)，電感與音質(zhì)與音量有關(guān)，電容僅供參考。

（2）改變漆包線直徑，可以改變拾音器阻值。理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng)線夾纏繞圈數(shù)、漆包線電阻率不變時(shí)，漆包線直徑越細(xì)，拾音器阻值越大，但也不能無(wú)限增加，匝數(shù)的增加伴隨著高音的減少。

（3）從理論上來(lái)講，拾音器測(cè)得數(shù)據(jù)中，D（即損耗）越少，拾音器性能越好。

（4）拾音器的材料、制造工藝和外殼也會(huì)對(duì)拾音器性能產(chǎn)生影響。

本文研究的重點(diǎn)是電吉他拾音器電參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)對(duì)電吉他廠現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，提出一種優(yōu)化方案，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證了該方案的有效性。研究還有不足之處，需要進(jìn)行改進(jìn)，比如可以從線圈松緊、磁鐵強(qiáng)弱等方面來(lái)提出改進(jìn)方案，以達(dá)到參數(shù)優(yōu)化的目的。相信未來(lái)會(huì)有更多新的改進(jìn)方案不斷提出。