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Homerecording and Guitars

Piezoelektrische Tonabnehmer bestehen aus piezoelektrischer Keramik: Mechanischer Druck oder Körperschall des Klangkörpers lässt eine elektrische Spannung entstehen. Da kein magnetischer Effekt zugrunde liegt, funktionieren die Piezo-Tonabnehmer bei Saiteninstrumenten mit allen Saitenarten, auch mit Nylon- oder Darmsaiten. Piezo-Tonabnehmer eignen sich für den Einsatz an all jenen akustischen Instrumenten, bei denen der Körper mitschwingt.

Sie werden an akustischen Gitarren (Westerngitarren, Konzertgitarren), Kontrabässe und anderen Zupfinstrumenten, wie beispielsweise Mandolinen, eingesetzt.Auch Violinen und E-Geigen verwenden überwiegend diese Abnehmer. Bei Modellinggitarren wird diese Form des Tonabnehmers verwendet um ein Saitensignal zu bekommen, welches dann über eine ausgeklügelte Elektronik in nahezu jeden gewünschten magnetischen und piezoelektrischen Gitarrensound umzuwandeln. Piezo-Tonabnehmer eignen sich für den Einsatz an all jenen akustischen Instrumenten, bei denen der Körper mitschwingt. Sie werden an akustischen Gitarren (Westerngitarren, Konzertgitarren), Kontrabässe und anderen Zupfinstrumenten, wie beispielsweise Mandolinen, eingesetzt. Auch Violinen und E-Geigen verwenden überwiegend diese Abnehmer.

Meistens wird der Tonabnehmer in den Steg eingebaut oder zwischen Steg und Korpus geklemmt. Er empfängt dann direkt die Druckunterschiede. Wird er auf den Korpus des Instrumentes geklebt, funktioniert er wie ein Körperschallmikrofon.

Die Schwingung der Saite, der sich über den Steg auf die Decke überträgt, wird vom Tonabnehmer durch dessen Trägheit in eine Druckschwankung und eine Wechselspannung gewandelt. Wichtig ist nicht nur eine Position, von der möglichst viel der Schwingung auf den Abnehmer übertragen wird, sondern auch der gewünschte Klangcharakter, der an verschiedenen Stellen sehr unterschiedlich ist. Da Piezo-Tonabnehmer eine hohe Ausgangsimpedanz haben, gehört zu dem System fast immer auch ein batteriebetriebener Vorverstärker, der ins Instrument eingebaut wird und meistens einen Lautstärkeregler sowie eine einfache Klangregelung besitzt.

Nachteilig ist, dass sie jeden vom Korpus aufgenommenen Körperschall (Klopfen/Kratzen, Hintergrundgeräusche) in Signale umsetzen und daher auch störende Rückkopplung (Feedback) auftreten kann, wenn dieser Schallsignale der Lautsprecher empfängt.

Bei einigen Gitarren werden Piezowandler eingesetzt, um zusätzlich zu magnetischen Abnehmers einen der Akustik-Gitarre ähnlichen Klangzu erzielen. Sie sind nützlich für Musikstücke, in denen sich „akustische“ und andere Passagen abwechseln, können eine echte Akustikgitarre jedoch nicht ersetzen.

Um 1880 entdeckt der französische Physiker Pierre Curie den Piezoeffekt: Beim Verformen spezieller Kristallplättchen entsteht an deren Oberfläche eine elektrische Spannung. Montiert man ein derartiges Kristallplättchen an die Gitarrendecke oder den Gitarrensteg, so führen Schwingungen der Gitarre zu Kristallverformungen und damit zu elektrischen Signalen. Im Gegensatz zum elektromagnetischen Wandlungsprinzip wird hierbei nicht die originäre Saitenschwingung abgegriffen, sondern deren Wirkung auf schwingungsfähige Gitarrenteile – mit dem Vorteil, dass nun auch die Schwingungen nichtmagnetischer Saiten erfasst werden können.

Piezo- und Magnet-Tonabnehmer unterscheiden sich aber nicht nur im Wandlungs- prinzip, sondern auch in ihrer Übertragungsfunktion: Der Magnet-Tonabnehmer erfasst die Schwinggeschwindigkeit (Schnelle) der Saite mit positionsabhängigen Kammfilterwirkungen. Der Piezo- Tonabnehmer wandelt hingegen entweder die im Steg wirkende Kraft in elektrische Signale (sog. Stegeinlagen-Tonabnehmer), oder er erfasst die Bewegung eines kleinen Bereichs der Gitarrendecke (Decken-Tonabnehmer).

Materialgröße sowohl Kraft und elektrische Spannung,als auch Schnelle und Strom miteinander im Sinne eines elektromechanischen Wandler-Zweitors verknüft. Die meisten Piezo-Sensoren werden heute aus künstlich polarisierten ferroelektrischen Misch- kristallen (Blei-Zirkonat/Titanat) hergestellt, die durch unterschiedliche Dotierungen und Zusammensetzungen optimal an die spezifischen Anwendungen angepasst werden können.

Daneben kommen auch PVDF-Folien (=Polyvinylidenfluorid) zum Einsatz. Die aus Misch- Kristallen aufgebauten Piezokeramiken müssen nach der Herstellung (Sintern, Schleifen, Me- tallisieren) in einem starken elektrischen Gleichfeld bei hoher Temperatur polarisiert werden.

Im Laufe der Jahre nimmt diese Polarisation zwar wieder ab, aber nur in relativ unbedeutendem Ausmaß, so dass die Langzeitstabilität in der Regel sehr gut ist.

In den Sechzigerjahren des 20. Jh. begannen Decken- Tonabnehmer von Barcus-Berry als Nachrüstsatz für Akustik-Gitarren den Markt zu erobern, ab Werk rüstete vor allem Ovation seine Westerngitarren mit Stegeinlagen-Tonabnehmer aus. Inzwischen enthalten auch einige Massivgitarren einen Piezo-Tonabnehmer als Alternative oder Ergänzung zum Magnet-Tonabnehmer.

Die beschreibenden piezo- elektrischen Materialparameter haben eigentlich Tensorcharakter, weil sowohl die mechanische als auch die elektrische Spannung dreidimensional-räumlich wirken.Beim Gitarren- Tonabnehmer ist aber eine vereinfachte Beschreibung ausreichend, bei der eine skalare

Übersicht gebräuchlichste Bauformen Piezo-Tonabnehmer

Stegeinlage mit Piezo

Piezo-Element

Piezo mit Vorverstärker

Vorverstärker für Schallochmontage

Vorverstärker für Zargenmontage

Piezo vs. Mikrofon

Eine Akustikgitarre mit eingebautem Piezotonabnehmer bietet zwei Möglichkeiten zur Schall- abnahme: Luftschall über Mikrofon, und Körperschall über Piezo. Da der vom Korpus abge- strahlte Schall nicht besonders laut ist, muss das Aufnahmemikrofon möglichst nahe an der Gitarre platziert werden – was a) den Gitarristen zu Positionsdisziplin nötigt, und b) das permanente Angstgefühl erzeugt, in einem unachtsamen Moment plötzlich das Mikrofon in die einzigartige "prewar" Adirondack-Fichte zu rammen.

Gerade diese Unzulänglichkeiten waren ja Anlass, den Piezotonabnehmer zu entwickeln der Bewegungsfreiheit ermöglicht, aber halt einen anderen Klang erzeugt. Es hat sich gezeigt, dass ein Piezotonabnehmer den ganzen Frequenzumfang des menschlichen Gehörs in guter Qualität übertragen kann. Da Nichtlinearitäten (Klirrfaktor) und Rauschen ebenfalls nicht qualitätsmindernd in Erscheinung treten, ist mit einem Piezotonabnehmer prinzipiell eine sehr hochwertige Schall- abnahme möglich.

Dass zum abgestrahlten Luftschall trotzdem deutlich hörbare Unterschiede auftreten, liegt am Fehlen der (von Korpus und Hals gebildeten) Übertragungsfilter. Der Piezotonabnehmer wandelt die (deckennormal) in den Steg eingeleitete Wechselkraft in eine elektrische Spannung um. Das Mikrofon wandelt demgegenüber den von der Decke (sowie Hals, Boden und Zargen) abgestrahlten Luftschall in eine elektrische Spannung um, und misst somit eine andere Größe. Die ihre Ursache zwar auch u.a. in der Stegkraft hat, von dieser aber über komplizierte frequenzabhängige Funktionen abhängt.

Qual der Wahl

Piezo- und Mikrofonsignal sind folglich in hohem Maß einander ähnlich und durch (nicht ganz triviale) Filterung ineinander überführbar. Dies stellt nicht in Abrede, dass auch über den Sattel wesentliche Schallenergie in den Hals eingekoppelt und von dort direkt abgestrahlt oder zum Korpus weitergeleitet wird,was der Stegtonabnehmer ja nicht "mitbekommt".

Aber sowohl Steg- als auch Sattelschallfluss haben die Saitenschwingung als gemeinsame Quelle und sind mathematisch über eine gebrochen-rationale Übertragungsfunktion verbunden.

Komplizierter wirkt sich hingegen die Saiten-Schwingungsrichtung aus: Wenn eine griffbrettnormale 110-Hz-Eigenschwingung und eine griffbrettparallele 111-Hz-Eigenschwingung (Beispiel) zusammen auf den Steg wirken, könnten beide zur Schallabstrahlung führen; der Stegtonab- nehmer wird aber hauptsächlich die griffbrettnormale Komponente erfassen.

Theoretisch könnte man auch hier das eine Signal durch Filterung aus dem anderen erzeugen, die erforderlichen Filtergüten verbieten aber eine Realisierung. Vermutlich liegt hier einer der Haupt- gründe für noch verbleibende Unterschiede,die aber nur schwach ausgeprägt sind.

Zweifellos ist eine gut mikrofonierte Akustikgitarre realitätsnaher und bei vielen Musikstilen unersetzlich, andererseits setzt sich oftmals eine Piezo-Abnahme im Bandgefüge jedoch besser durch. So gilt auch hier...Probieren geht über Studieren.

Grundlagen

Piezokeramische Tonabnehmer

Historisches

Piezo das Nonplusultra?

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