Imitating Tube Distortion With Stompboxes
The softer clipping of tubes has been a model for effect pedals, sc. stompboxes. The article deals with their history, their influence on pop music, their technical construction etc. Steve Ray Vaughn's famous pedal, Ibanez Tube Screamer, is presented as a case study. But was the real reason for its sound the legendary JRC 4558D transistor? Kalev Tiits is Department director at the Sibelius Academy, Centre for Music & Technology.
The full article in Finnish.
Sähkösoittimien äänen käsittelyyn tarkoitetut efektilaitteet ovat muokanneet popmusiikin sointia yli 40 vuoden ajan. Eräät suosituimmista laitteista ovat perustuneet transistorikytkentään putkisärön jäljittelemiseksi.
Memory Man, Electric Mistress, French Toast, Cry Baby, Tube Screamer, Dimension IV, Rat ovat kuuluisia efektilaitteita tai –pedaaleja, stompboxeja. Näitä ”kaasupolkimia”, ”matolaatikoita” tai ”käkikelloja” käytetään tyypillisesti sähkökitaran – mutta myös muiden soittimien – ja instrumenttivahvistimen välissä.
Efektipolkimien käyttö on kasvanut pop(ulaari)musiikin soundiin vähitellen. Täsmällistä alkuhetkeä on vaikea osoittaa. Guitar Player- lehden teknisen toimittaja Art Thompson kertoo kirjassaan The Stompbox (Thompson 1997: 12-13) seuraavan tarinan: ”Kun Nashvillen Quonset Hut –studiolla äänitettiin bassokitarasooloa Marty Robbinsin hittiin “Don’t Worry”, äänipöydän bassoon käytetystä kanavasta hajosi putki, jonka seurauksena taltiolle jäi reippaasti säröytynyt ääni. Kun äänitettä kuunneltiin, joku paikallaolija piti särösoundista kovasti, ja se päätettiin jättää levylle.” Vuosi oli 1960. Laulu nousi listahitiksi, ja sointi herätti laajempaa kiinnostusta. Ei aikaakaan kun äänitarkkailija Glen Snotty kyhäsi pienen transistorikytkennän, joka jäljitteli rikkinäisen mikserikanavan sointia. Kytkentä joutui CMI-konsernin (Chicago Musical Instruments) Gibson-kitaratehtaalle, joka kehitti siitä Fuzz-Tone –pedaalin vuonna 1963 (ibid: 84). Maestro Fuzz-Tonen suosio kasvoi kohisten vuonna 1965, kun kitaristi Keith Richards käytti sitä Rolling Stones –yhtyeen hitissä (I can get no) Satisfaction. Loppu onkin historiaa. Electro-Harmonix, MXR ja myöhemmin myös Ibanez ryhtyivät kehittämään omia efektipedaalejaan.
Putkista ja transistoreista
Yksinkertaistaen säröä saadaan vahvistimen asteita yliohjaamalla tai lisäämällä signaalitielle epälineaarista käyttäytymistä aiheuttavia komponentteja. Jos yliohjattu komponentti on transistori, yliohjaus yleensä aiheuttaa signaalin voimakkaan leikkautumisen. Putkien kanssa leikkautuminen on asteittaisempaa. Pehmeäpi signaalifunktio kuullaan pehmeämpänä ja täyteläisempänä sointina. Vahvistetun äänen spektrissä ero näkyy siten, että perustaajuuden f harmonisista kerrannais-osasävelistä yliohjattu puolijohdekytkentä painottaa parittomia kerrannaisia 3f, 5f, 7f, ... , kun yliohjattu putki tuottaa myös parillisia harmonisia osasäveliä.
Yliohjatun putkivahvistimen tasapainoisempaa sointia on arvostettu siinä määrin, että transistorivahvistimien edut (hinta, paino, jne.) eivät ole korvanneet putkitekniikkaa instrumenttivahvistimissa. Myös puolijohderakenteisia säröpedaaleja suunniteltaessa onnistumisen kriteerinä on pidetty, kuinka aidon tuntuisesti putkikytkennän pehmeää soundia on osattu jäljitellä.
Transistoreilla ei ole kuitenkaan yksinoikeutta korkeataajuisiin särökomponentteihin. Kitaravahvistimien sointiin vaikuttaa merkittävästi myös kaiuttimen aiheuttama taajuusvasteen muokkautuminen. Sähkökitaran kanssa yleensä käytetään 10- tai 12-tuumaisia yksitiekaiuttimia, jotka toimivat (myös) korkeiden taajuuksien suotimena: yli 4 kHz taajuudet toistuvat vain marginaalisesti. Lisäksi monet vahvistimien kotelot ovat takaa avoimia, jolloin kaiuttimen taka-aallon vuotaminen etupuolelle syö matalien taajuuksien vastetta. Suuntaominaisuudet ovat epätasaiset ja off-axis -taajuusvaste värittynyt. Äänittäessä hyvää sointia haetaankin muuttelemalla mikrofonin paikkaa.
Transistorien putkista poikkeava käyttäytyminen aiheuttaa muitakin eroja suunnittelussa. Näillä on puolestaan kerrannaisvaikutuksia. Esimerkiksi liian voimakkaan keskeismodulaatiosärön välttämäiseksi transistoreihin tai vastaavaan IC-tekniikkaan eli operaatiovahvistimiin perustuvissa kytkennöissä on yleensä tapana suodattaa matalia taajuuksia reilusti. Tämä on ollut merkittävä asia monien transistoreihin tai operaatiovahvistimiin perustuvien särölaitteiden soinnin muodostumisessa. Kun sähkökitaran, basson, Hammond-urun ja Rhodes-pianon soinneissa on voimakasta alipäästö- ja ylipäästösuodatusta, on särölaitteiden usein kapeakaistainen signaalin toisto hyväksyttävä ja toivottavakin seikka.
Stevie Ray Vaughan ja Ibanez-pedaalit
Sähkökitaran säröpedaaleista, varsinkin Ibanez-merkkisistä, ei oikein voi puhua mainitsematta edesmennyttä amerikkalaista blueskitaristia Stevie Ray Vaughania (1954-1990). Vaughan soitti pääasiassa Fender Stratocaster –kitaraa, ja käytti usein Fender-putkivahvistimia (Twin, Vibroverb, ’59 Bassman), toisinaan niiden rinnalla tai sijasta Marshalleja (mm. JCM800), useampia yhdessä. (Mike’s Guitar Site – Stevie Ray Vaughan’s Gear).
Vaughan suosi paksuja kieliä, jykeviä kitaran kaulaprofiileja, reipasta voimankäyttöä ja vahvistimia ‘nupit kaakossa’. Energisyyden ansiosta hän voitti bluesille laajempaa populaarimusiikin kuulijakuntaa jopa keskellä 1980-lukua. Kovan käsittelyn vuoksi hänen kitaransa kävivät huollossa usein. Kiinnostus paranteluun yhdessä riuskanäppisen soiton kanssa aiheuttivat sen, että soittimia modifioitiin runsaasti (Stevie Ray Vaughan’s Guitars). Tästä syystä Vaughanin Straton sointi saattoi poiketa vakiokuntoisesta Fender Stratocasterista.
Vaughanin efektipolkimien käyttö oli trendeihin nähden konservatiivista. Olennaisena osana SRV:n sointia on pidetty Ibanezin Tube Screamer –pedaalia, jonka TS-9 –versiota valmistettiin vuosina 1982-85. Tube Screamer on overdrive/distortion-pedaali, joka pyrkii jäljittelemään yliohjatun putkivahvistimen sointia. Laite on kotonaan bluesin ja perinteisen rockin tyylilajeissa. TS-9:n sijasta Vaughan käytti myös varhaisempaa versiota TS-808:a, jota monet pitävät ‘alkuperäisenä SRV-pedaalina’. Vanhat TS-808:t ovat nykyään erittäin haluttuja harrastajien keskuudessa.
SRV käytti Tube Screameria enemmän overdrive kuin distortion-idealla eli rakensi soundia enemmän vahvistimen etuastetta yliohjaamalla ja vähemmän varsinaisella polkimen särökytkennällä. Toisaalta Tube Screamer suodattaa matalia taajuuksia jopa kitaravahvistimienkin mittapuulla huomattavasti, eikä kovin korkeitakaan taajuuksia pääse pedaalin läpi. Alkuperäiskuntoisen Tube Screamerin sointia ei myöskään saa kokonaan ‘kliiniksi’; maltillisillakin drive-asetuksilla se lisää signaaliin oman värinsä, joka on tiiviimpi ja vähemmän ilmava kuin suoraan putkivahvistimeen kytketty soitin. Toisaalta, kun soinnissa on mukana lähes täysille käännettyjä vahvistimia, säröä syntyy joka tapauksessa jokaisessa vahvistusasteessa. Jo kaiuttimienkin särön vuoksi isommalla äänenvoimakkuudella ei ole aivan helppoa erottaa pedaalin lisäämiä särökomponentteja vahvistimen tuottamista.
Elektronisen rakenteensa puolesta Ibanez Tube Screamerit edustavat tyypillistä 1970- ja 80-luvun massatuotantoa. Bufferoidun sisääntulon jälkeen signaalia vahvistetaan reilusti operaatiovahvistinkytkennällä, joka tuottaa säröä takaisinkytkentäsilmukkaan sijoitetulla diodileikkurilla, minkä jälkeen se kuljetetaan äänensävysäätönä toimivan toisen pienellä vahvistuksella toimivan operaatiovahvistinkytkennän läpi. Viimeisenä ketjussa on lähtöbufferi (The Technology of the Tube Screamer).
Vahvistinpiirinä on eri malleissa ja eri vuosina käytetty erilaisia DIL8 –koteloituja dual opampeja. Tulo- ja lähtöbufferit sisältävät kumpikin yhden yhteiskollektorikytketyn NPN-transistorin tarpeellisine ympäryskomponentteineen. Tämä lienee yksinkertaisin tarkoitukseen sopiva laite, joka voitiin suursarjana valmistaa.
Tube Screamereissa on aktiivinen bypass- eli ohitus-toiminto. Tämä aikanaan edistyksellinen yksityiskohta tuli sittemmin rasitteeksi. Aktiiviohitus nimittäin hienoisesti muokkaa läpi kulkevaa ääntä myös bypass-tilassa, kun pedaali jää kitaramikrofonin ja vahvistimen muodostaman suuriinduktanssisen piirin ylimääräiseksi kuormaksi. Tube Screamer-pedaaleissa tämä kuorma on kuitenkin suurehko, suuruusluokaltaan puoli megaohmia, joten signaalia värittävä vaikutus on pieni.
Signaalin leikkaus diodeilla
Signaalinvahvistuksen jälkeinen signaalihuippujen leikkaus tehdään yleensä diodeilla. Tässä käytetään hyväksi sitä, että käytännössä diodit eivät vaihda vastasuunnasta myötäsuuntaan aivan nollajännitteessä, vaan edellyttävät pientä myötäsuuntaista esijännitettä, biasta. Kun diodit kytketään opampin lähtöpuolelle signaalin ja maan välille, ne eivät pienillä tasoilla vaikuta signaaliin, mutta yli bias-jännitteen tasoilla oikosulkevat eli shunttaavat sen maahan. Shunttaus tuottaa melko terävät kulmat signaalifunktioon, ja voimakkaasti lisää signaaliin parittomia harmonisia osasäveliä. Mikäli leikattavaa signaalia on vahvistettu tarpeeksi, se on muodoltaan lähes sakara-aaltoa. Tämä sointi vastaa pääpiirteissään yleistä käsitystä siitä, miltä kuulostaa puolijohdesärö, verrattuna putkisäröön. Kytkentätapa tunnetaan nimellä hard clipping. Ympäryskomponenteilla voi jyrkkää leikkausta lieventää. (Guitar Amplifiers – Overdrive & Distortion).
Opampin jälkeisen shunttauksen sijasta diodileikkaus voidaan saada aikaan sijoittamalla signaalidiodi tai diodit opampin takaisinkytkentätielle. Siellä diodit yleensä shunttaavat takaisinkytkentävastuksen. Mahdollisesti niiden kanssa sarjassa on pienempi vastus, kuten Marshall BluesBreakerissa, ja usein diodien rinnalla nähdään kondensaattori, kuten Ibanez Tube Screamereissa ja Boss Super Overdrive SD-1:ssä on (ibid.). Tätä kytkentätapaa kutsutaan nimellä soft clipping.
Diodien tyypillä on suuri merkitys leikkauspiirin toiminnalle. Yleensä käytetään piistä valmistettuja signaalidiodeja, mutta myös germanium-pohjaisia. Piidiodin tarvitsema myötäsuuntainen bias-jännite on luokkaa 0.6 – 0.7 V, germaniumdiodin 0.3 V tietämillä. Niinpä nämä toimivat särökytkennöissä eri tapaan. Kytkennöistä on muunnelmia; jos germaniumdiodeja kytketään samansuuntaisesti sarjaan kaksin kappalein, yhteinen bias nousee piidiodin suuruusluokkaan, mutta ominaisuudet ovat muuten erilaiset, mikä taas tuottaa erilaisen käyttäytymisen. Soundiero germaniumilla ja piillä toteutetuilla leikkureilla on helposti kuultavissa. Joskus diodi korvataan puolikkaalla transistorilla. Esimerkiksi AC 128-ge-transistorin toista liitosta on käytetty menestyksellisesti.
Signaalidiodien sijaan leikkurikytkennöissä on käytetty myös LEDejä. Tasasuuntausdiodien käyttö signaalidiodien sijasta on myös mahdollista.
Diodileikkurin eri puolijaksoja leikkaavien piirien ei luonnollisestikaan tarvitse olla samanlaiset. Epäsymmetrinen signaalin leikkaus onkin kiinnostava vaihtoehto, mikäli putkielektroniikkaa pidetään esikuvana. Putkivahvistimille tyypilliseen särön liittyy usein signaalin epäsymmetrinen muokkautuminen. Huomattavinta tämä on A–luokan putkikytkennöissä. Epäsymmetrisiä leikkureita saadaan esimerkiksi leikkaamalla signaalista vain toinen puolijakso, kytkemällä puolijaksoille erilaiset diodit, esimerkiksi toiselle pii ja toiselle germanium, tai kytkemällä toiselle puolijaksolle kaksi diodia ja toiselle yksi. Kaikki vaihtoehdot eivät välttämättä ole musiikillisesti käyttökelpoisia, ja putkikytkennän pehmeyttä puolijohdeleikkurilla ei välttämättä synny muuten kuin kytkemällä mukaan lisäosia kuten RC-suotimia. Sopivan leikkurin suunnittelu eteneekin usein yrityksen ja erehdyksen tietä.
JRC 4558D:n legenda
Verrattuna diodeihin, jotka sisältävät huomattavia variaatiomahdollisuuksia, opamppien laatu ei vaikuta kovin kiinnostavalta. Aiheesta kuitenkin väitellään. Opampin vaikutusta voisi perustella vaikkapa seuraavasti: särökytkennöissä opampeista otetaan runsaasti vahvistusta, tyypillisesti lähes 50 dB tai jopa sen yli. Kun laitteet on usein rakennettu toimimaan 9 V paristolla, joutuu siru toimimaan suorituskykynsä rajoilla. Voimakas syöttösignaali vie piirin tilanteeseen, jossa käyttöjännite ei riitä signaalin dynamiikkaan ja vahvistuskertoimeen nähden, vaan vahvistimen lähtöjännite “törmää” päin käyttöjännitteen asettamia eli +- 4.5 V suuruisia rajojaan. Tämä puolestaan aiheuttaa säröä, jonka luonne voi erityisesti transienteissa olla tunnusomainen opamp-tyypille. Onko tämä merkittävää, on asiasta käydyn keskustelun ydinasia. Muitakin särömekanismeja saattaa esiintyä: esimerkiksi voi olla, että leikkuri näkyy opampille liian pienenä kuormana, ja laukaisee opampin oman ylivirtaeston. Tässä suhteessa eri opampit voivat poiketa toisistaan.
Särölaitteiden opamppien kuninkaaksi on pyritty kruunaamaan Japan Radio Corporationin valmistamaa sirua JRC4558D, lähinnä siksi, että sirun uskotaan olleen yleinen Ibanezin alkuperäisissä Tube Screamer –polkimissa, joita siis muun muassa Stevie Ray Vaughan käytti. Piiri oli 1980-luvun alkupuolella hyvin tavallinen myös halvoissa stereolaitteissa.
JRC4558D:n käytöstä Ibanez-pedaaleissa on kuitenkin erilaisia tietoja. Eri lähteistä on selvinnyt, että käytössä oli muitakin opamppeja kuten RC4558P Malaysia –piiri, Toshiba TA75558 ja JRC2043. Näyttääkin, että Ibanez ei alunperin pitänyt JRC4558D-piiriä ainoana soveltuvana kytkentäänsä, vaan käytti osia, joita oli edullisesti saatavana. Oli miten oli, Ibanez on kuitenkin hiljakkoin julkaissut TS-808 reissuen, jossa muista reissue-pedaaleista poiketen väitetään käytetyn NOS (new old stock) JRC4558D:tä.
Mikäli opamp-tyypillä on ollut vaikutusta sointiin, se ei ole ollut ainoa soundiin vaikuttava komponenttiperäinen tekijä. Laiteyksilöiden havaittuihin sointieroihin on luultavavasti vaikuttanut huomattavasti sekin seikka, että TS-808- ja alkuperäisten TS-9 –pedaalien valmistuksen aikaan käytetyt vastukset eivät olleet metallikalvovastuksia, vaan hiilimassavastuksia, joiden toleranssirajat ovat suuremmat.
Lopuksi
Digitaalinen mallinnus on edistynyt, prosessoriteho on kasvanut, mutta särölaitteissa digitaalitekniikka ei ole korvannut analogista. Hyvä sähkökitarasoundi on elävä ja muuttuva, ja vaikea mallintaa. Soundi riippuu muun muassa soittimen ja vahvistimen vuorovaikutuksesta, vahvistimen päätemuuntajan ja kovaääniselementtien epälineaarisuudesta. Tätä kaikkea ei ehkä tunneta riittävällä tarkkuudella mallinnuksen kannalta. Kun lisäksi analogiset efektipedaalit ovat monin tavoin käytännöllisiä, säilyttänevät nämä pienet, low-tech –käkikellot toistaiseksi elintilansa hyvin.
Kirjallisuutta
Patoski, Joe Nick & Bill Crawford (1993). Stevie Ray Vaughan. Caught in the Crossfire. Boston: Little, Brown & Company.
Pittman, Aspen (2003). The Tube Amp Book. 4th edition. London: Backbeat UK.
Thompson, Art (1997). The Stompbox. San Francisco, CA: Miller Freeman.
Internet
Guitar Amplifiers – Overdrive & Distortion. Saatavilla www-muodossa: http://users.chariot.net.au/~gmarts/ampovdrv.htm
Ibanez TS-9 Pedal Page. http://www.jacquesstompboxes.com/ts9.htm
Ibanez Tube Screamer History. http://www.analogman.com/tshist.htm
Mike’s Guitar Site – Stevie Ray Vaughan’s Gear. http://www.mikesguitarsite.co.uk/gear/stevie_ray_vaughan/index.php?page=amps_effects
Stevie Ray Vaughan’s Guitars. http://comp.uark.edu/~scherry/srv/guitars.html
The Technology of the Tube Screamer. http://www.geofex.com/Article_Folders/TStech/tsxfram.htm
Boost, overdrive, distortion, fuzz
Boostereilla eli etuvahvistimilla on alun perin pyritty saamaan signaalireitille lisää vahvistusta (“gainia”), jolla voidaan yliohjata varsinaisen instrumenttivahvistimen tuloastetta. Toisaalta boostereita on käytetty lisäämään soinnin kirkkautta tilanteissa, joissa varsinaisen instrumenttivahvistimen ääni on todettu turhan pehmeäksi (treble booster). Normaalisti booster lähinnä vahvistaa ääntä, värittämättä sitä yhtä voimakkaasti kuin overdrive tai fuzz, ja lisäväri muodostuu varsinaisen instrumenttivahvistimen (putki)etuasteen yliohjautuessa ja tuottaessa säröä. Näin booster tuo putkivahvistimen luonnollista säröä voimakkaammin esiin. Sointi ei synny pelkästään efektiboksissa, vaan riippuu boosterin ja varsinaisen kitaravahvistimen yhteispelistä.
Overdrive on aggressiivisempi versio boosterista. Overdrive luo särökomponentteja, jotka pyritään tavallisesti räätälöimään putkivahvistimen särökäyttäytymistä muistuttavaksi. Useimmat overdrive-pedaalit vahvistavat myös signaalin tasoa niin että booster-tyyppinen käyttäytyminen, eli varsinaisen instrumenttivahvistimen etuastesärö saadaan aikaan. Pienillä säröasetuksilla (yleensä distortion, gain tai drive) nämä laitteet ovat usein melko puhtaasti soivia etuvahvistimia. Asetuksilla, joilla pedaali tuottaa omaa säröä, on tarkoitus saada pedaalin soinnin ja vahvistimen soinnin särökomponentit sekoittumaan keskenään tasaisesti ja ‘huomaamattomasti’. Tuloksena olevaa sointia luonnehditaan usein kotoisasti sellaisilla termeillä kuten paksu, tukeva, muheva tai lämmin. Overdrive-sointi on tyypillinen roots-henkiselle musiikille: rhythm’n’blues ja rock-klassikot.
Distortion on säröä tarkoittavista määreistä väljimmin viljelty. Joskus sillä tarkoitetaan kaikkia särötyyppejä – siis särölaitetta tai kitaravahvistimen särökanavaa yleisesti, toisaalla termiä näkee käytettävän tarkoittamaan särölaitetta, joka on aggressiivisempi - voimakkaammin värittävä - kuin overdrive mutta ‘miedompi’ kuin fuzz. Distortion-termiä kuulee käytettävän sekä blues-orientoituneesta laulavasta soinnista että soinnista, joka lähtee heavy metal -musiikkiin suunnatuista pedaaleista.
Termi fuzz tuli käyttöön jo 1960-luvun alkupuolella Maestro Fuzz-Tonen myötä. Pian erilaisia fuzz-laitteita valmistettin monilla eri nimillä ja jonkin verran toisistaan poikkeavilla kytkennöillä. Eräs varhainen laite, Arbiter Fuzz Face, tuli kuuluisaksi mm. siksi, että se kuului Jimi Hendrixin työkalustoon pitkän aikaa. Fuzz-sointia luonnehditaan yleensä termillä buzzy, suriseva, kun sitä verrataan overdrive- tai distortion –koneisiin. Alun perin fuzzilla on myös pyritty korvaamaan 1950-luvulla käytössä ollutta särökikkaa – kaiutinelementtien rikkomista pistelemällä kartiopahviin reikiä. Fuzz tarkoittaa voimakkaasti käsitellyn tuntuista tai hyökkäävää säröääntä.