Схема простого вокодера для музыкальных инс­тру­мен­тов

Эффект поющей гитары без гастроскопии и прочих неприятных из­ли­шеств

Вокодер - нечастый гость в музыкантской оружейни. Большинство гитаристов, так вообще, обходит эту приблуду стороной, не видя в ней целесообразности для использования в музыке своего жанра.
И только отдельные патлатые мужички, местами вполне адекватной наружности, засовывают в рот что-то вроде садового шланга, как будто рассчитывая изжевать его решительно и без остатка.
Делая отчаянное лицо: то вытягивая губы вперёд в форме рупора, то широко раскрывая рот, как будто желая что-то исторгнуть из себя, они тем самым реализуют весьма редкий, но интересный эффект “поющей электрогитары”, т.е. звучания инструмента с речевыми особенностями и интонациями голоса человека.
Эффект этот называется Talkbox, реализуется достаточно просто, но создаёт неудобства организму исполнителя в виде неприятных ощущений от наличия в полости хавальника постороннего объекта.

Гораздо более гуманными методами можно получить подобный результат при помощи устройства, которое называется вокодер.
Вокодер - это полностью электронное устройство, позволяющее перенести свойства сигнала-модулятора, в качестве которого используется голос человека, снимаемый с микрофона, на сигнал, формируемый синтезатором, электрогитарой или иным музыкальным инструментом.
А поупражнявшись в освоении своих внутренних голосовых резервов, от вокодера можно ожидать практически неограниченных и недоступных другим примочкам возможностей по обогащению звучания музыкального инструмента выразительными вариантами тембральных и амплитудных эффектов.

Схемотехническим разнообразием данный звуковой эффект не блещет. Пожалуй, единственная схема в русскоязычном исполнении была опубликована в далёком 1984 году в журнале Радио №9. Схема полностью повторила японский Okita Analog Vocoder, с той лишь разницей, что была переведена на отечественную элементную базу. Ни лучше, ни хуже она от этого не стала, при этом "относительная простота" устройства, продекларированная в источнике, вызывает если уж не явное возмущение, то справедливый скепсис - наверняка.
Попробуем устранить данный недостаток.

Описываемое устройство относится к полосным (канальным) вокодерам.
Полосный вокодер (по типу многополосного графического эквалайзера) разделяет сигнал музыкального инструмента на определённое количество полос (обычно 6-20 полос). Большее число каналов в вокодере даёт большую натуральность и разборчивость.
На такое же количество полос разбивается и модулирующий сигнал, поступающий с микрофона. На выходе каждого из микрофонных ПФ включены детектор и сглаживающий НЧ-фильтр, выделяющий огибающую речевого сигнала.
Далее всё просто - относительно медленная огибающая речевого сигнала управляет амплитудой находящегося в той же частной полосе инструментального сигнала, после чего выходные амплитуды всех инструментальных каналов суммируются и через регулятор громкости подаются на выход устройства.

Рис. 1 Схема простого вокодера

Матрица фильтров вокодера покрывает частотную полосу 80-6100 Гц. Эта полоса вмещает в себя как полный частотный диапазон (включая обертоны) электрогитары, так и частотный спектр голоса, несущий максимум информации, связанной с формантной разборчивостью речи.

Поскольку задачи достижения максимально достоверного звучания классического хора мальчиков в рамках данной конструкции не подразумевалось, то было решено ограничиться октавными полосовыми фильтрами (по 6 шт. на весь диапазон), а для усиления глубины звучания вокодерного эффекта применить полосовые фильтры не 2-го порядка (что было бы логично для октавных фильтров), а чего уж там мелочиться, сразу 4-го.

Речевой сигнал усиливается операционным усилителем с нормированной характеристикой шума ОР1.1 и поступает на матрицу фильтров, выполненных на ОУ OPf1.1 и OPf1.2. На выходе каждого из микрофонных ПФ включён пиковый детектор уровня звукового сигнала на транзисторе Tf1 и сглаживающий фильтр R17, Cf5, выделяющий огибающую речевого сигнала. Частота среза данных НЧ-фильтров обычно выбирается ≈1/10 от величины минимальной частоты пропускания полосового фильтра. Далее сигнал, следующий с выхода пикового детектора, управляет коэффициентом передачи аналогичного фильтра, входящего в матрицу фильтров инструментального сигнала.
Как это происходит?

А происходит это благодаря жизнедеятельности доморощенного ШИМ-контроллера.

ОР2.1 и ОР2.2 с обвесом - это классический генератор треугольного напряжения.
Размах амплитуды выходного треугольного напряжения составляет в теории: Upp ≈ 2Uпит×R5/R6, частота F≈R6/(4R5×R12×C4).
В реальной жизни, в связи с проявлением инерционности ОУ, получились значения: Upp≈1В, F≈33кГц.
Переменный резистор R8 призван регулировать уровень постоянного смещения треугольного сигнала, а заодно - и глубину влияния модулирующего канала на изменение уровней инструментального.

Треугольное 30-ти килогерцовое напряжение с выхода генератора поступает на прямой (неинвертирующий) вход компаратора, где сравнивается с выходным напряжением детектора огибающей речевого сигнала, подаваемого на инвертирующий вход.
Таким образом на выходе компаратора образуется импульсный сигнал с частотой 33кГц и длительностью, зависящей от уровня напряжения на детекторе. Чем больше этот уровень - тем меньше длительность.
Далее этот широтно-модулированный сигнал поступает на затвор ключевого транзистора Tf2, который и осуществляет ШИМ регулировку уровня сигнала, поступающего с выхода инструментального фильтра. Чем меньше длительность импульсов (т.е. чем больше уровень напряжения на детекторе) тем слабее влияние, ключевого транзистора на работу делителя, образованного R19 и Rси открытого транзистора, а, соответственно - тем выше амплитуда инструментального сигнала. И наоборот.

Каскад на операционном усилителе ОР3 осуществляет функцию суммирования всех сигналов, поступающих с инструментальных каналов. Потенциометром R10 устанавливается уровень выходного сигнала.

Теперь, что касается элементной базы.
Входной усилитель речевого сигнала (ОР1.1) желательно выбрать малошумящим.
Операционники, работающие в генераторе треугольного напряжения (ОР2.1, ОР2.2) должны иметь граничную частоту не менее 10МГц.
Время задержки переключения компараторов (DAf) - не более 100нс.
Транзисторы Tf - любые маломощные, например: КТ3102.
К ОУ, работающему в составе фильтров, никаких особых требований не предъявляется.

И напоследок приведу номиналы пассивных элементов полосовых фильтров.

Диапазон (Гц)	Rf1=Rf4(кОм)	Rf2=Rf5(кОм)	Rf3=R f6(кОм)	Cf1-4 (нФ)	Сf5 (нФ)
80 - 174	27	8,2	56	68	680
163 - 354	27	8,2	56	33	330
332 - 721	27	10	56	15	150
677 - 1469	22	10	47	8,2	82
1380 - 2993	27	10	56	3,6	47
2811 - 6100	27	10	56	1,8	22

Приведённые в таблице элементы должны иметь отклонения от номинальных значений - не выше 5%.

При исправных деталях и отсутствии ошибок в монтаже устройство не требует налаживания и начинает пахать сразу после включения питания.

Подключив электрогитару (клавишные, балалайку, арфу, либо любой другой предмет, снабжённый звукоснимателем) к инструментальному входу вокодера, покрутите переменный резистор R8, наблюдая за изменением уровня проникновения прямого сигнала инструмента на выход от нулевого до 100%. Чем выше будет установлен этот начальный уровень, тем ниже будет глубина эффекта. Для начала, найдите точку, когда громкость звучания инструмента уже не ненулевая, но достаточно низкая по сравнению с максимальной.
А вот теперь можно подключить микрофон к одноимённому входу примочки и голосом музинструмента отправить вокодерного скептика в эротическое путешествие в места заповедные, да и не столь отдалённые.