DE4041095A1 - Piezoelektrischer steg-tonabnehmer fuer saiteninstrumente - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Wandler zum Umformen von Sai­ tenschwingungen eines Musikinstrumentes in elektrische Signale und insbesondere Steg-Tonabnehmer, die einen direkt mit den Sai­ ten in Kontakt stehenden Sattel aufweisen.

Nach dem Stande der Technik sind eine Vielzahl von Tonabnehmer­ vorrichtungen bekannt, die in einen Instrumentensteg eingebettet sind. Beispielsweise zeigt US-PS 41 89 969 einen Tonabnehmerauf­ bau mit einzeln vergossenen, piezoelektrischen Sensorelementen, die einen T-förmigen Schlitz zur Aufnahme auswechselbarer, in Kontakt mit den Saiten stehender Scheitelelemente aufweisen.

DE 35 36 921 zeigt eine langgestreckte, abgeschirmte Struktur piezoelektrischer Kristalle, die innerhalb eines Sattelteils an­ geordnet sind. Verschiedene andere Konstruktionen sind in den US- PS 31 54 701, 42 52 990, 42 78 000, 42 90 331, 43 78 721, 43 80 357 und 41 60 401 sowie DE-PS 36 13 888 gezeigt.

In der Regel ist das zentrale Konstruktionsproblem eines jeden Tonabnehmers sowohl die Erzeugung eines naturgetreuen Signals als auch ein gutes Signal-Störgeräusch-Verhältnis. In einem piezo­ elektrischen Tonabnehmer erhält dieses Problem spezielle Dimensi­ onen, weil der Tonabnehmer ein sogenannter "Kontakt"- Tonabnehmer ist. Dabei wird das Signal durch direkte Einwirkung von Druck­ wellen erzeugt, die durch ein oder mehrere Piezokristallelemente über eine Koppelstruktur wie dem Sattelelement des Steges über­ tragen werden. So werden sowohl die Geometrie als auch die mecha­ nisch-akustischen Eigenschaften der Koppelstruktur sehr wichtig. Idealerweise sollte die Übertragung der Schwingungsenergie der Saite über die Koppelstruktur zum Sensorelement mit bester Klang­ treue und einem hohen Wirkungsgrad erfolgen.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß die bekannten pie­ zoelektrischen Tonabnehmer diesen Ansprüchen nicht vollumfänglich genügen - bezeichnenderweise hat jedes Fabrikat seinen "Eigen­ klang". Oftmals werden tiefe Resonanzen konstruktionsbedingt aus­ gefiltert, was zu einem schrillen Ton mit überbetonten Saitenne­ bengeräuschen führt. Konstruktionen mit einer Tonabnehmereinheit für mehrere Saiten zusammen neigen dazu, die einzelnen Saiten in unterschiedlichen Pegeln zu übertragen.

Die moderne elektronische Klangbearbeitung wie beispielsweise MIDI (Musical Instrument Digital Interface) oder Mehrkanal-Ton­ aufzeichnung erfordert von jeder Saite ein separates Signal mit hoher Übersprechdämpfung (≧40 MB) zu den benachbarten Saiten.

Die Anwendung eines Tonabnehmers in akustischen Instrumenten wirft zusätzliche Probleme auf. Insbesondere tritt häufig schon vor Erreichen eines ausreichend großen Verstärkungseffekts Rück­ kopplung auf, die durch die rückwirkende Anregung des Resonanz­ körpers durch die Schallwellen des Lautsprechers erzeugt wird. Traditionelle und "exotische" Saiteninstrumente wie beispiels­ weise Harfe oder das chinesische Cheng erfordern eine mechanisch ungebundene Tonabnehmer-Baugruppe für jede Saite, da der Saiten­ abstand untereinander von Instrument zu Instrument variiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen piezoelektrischen Steg-Tonabnehmer so weiterzuentwickeln, daß er absolute Klangtreue zum originalen Saitenklang gewährt und hinsichtlich der Nebengeräusch-Dämpfung, insbesondere der beim Spiel erzeugten Saitenschleifgeräusche, der akustischen Rückkopp­ lung und dem Übersprechen von benachbarten Saiten, überlegene Eigenschaften aufweist, welche zusätzlich die Möglichkeit öffnen, neuartige mehrkanalige Musikelektronik mit unterschiedlichsten Instrumenten anzusteuern.

Studien an den bekannten Tonabnehmern sowie Versuche an eigenen Prototypen bestätigen die oben erwähnte zentrale Rolle der Kop­ pelstruktur als Übertrager der Saitenschwingungsenergie. Diese Schwingungsenergie soll sich möglichst direkt und absolut kraft­ schlüssig von der Saite auf das Sensorelement übertragen, wozu ein leichter und in seiner Masse geringer Aufbau der Koppelstruk­ tur vorteilhaft ist. Dabei ist zu gewährleisten, daß die Koppel­ struktur die Schwingungsenergie einzig auf das Sensorelement lei­ tet; schwingungsübertragender Kontakt mit weiteren Komponenten wie beispielsweise einer Nut zur seitlichen Führung der Koppel­ struktur erwirkt ein teilweises Ab- oder Umleiten der Schwingung, was einem akustischen Filter für das Sensorelement gleichkommt und entsprechende Klangverfälschungen erwirkt. Dabei sind eine erhöhte Rückkopplungsanfälligkeit sowie eine Reduktion des Wir­ kungsgrades festgestellt worden.

Entgegen der Mehrzahl der bekannten Steg-Tonabnehmer liegt der vorliegenden Erfindung die Betrachtungsweise zugrunde, daß ein Tonabnehmer zur Erreichung eines originalgetreuen Klanges einzig der "reinen" Saitenschwingungen bedarf, da sie bekanntlich von den mechanisch-akustischen Eigenschaften des Instrumentes geformt werden und somit den Großteil dessen Klangcharakters beinhalten. Ergänzende Klangsimulationen beispielsweise des Abstrahlverhal­ tens des Klangkörpers können elektronisch erwirkt werden.

Diese Betrachtungsweise stützt sich sowohl auf eigene Erfahrung als auch auf eine Veröffentlichtung im AES-Journal (Audio Engineer Society) 03/1982, die die Wichtigkeit der Erfassung der "reinen" Saitenschwingungen unter konsequentem Ausschluß der Klangkörper­ reaktionen zur Erreichung eines vorteilhaften Rückkopplungs- und Klangverhaltens verdeutlicht. Dabei kommt dem Eigenschwingverhal­ ten des Tonabnehmergehäuses besondere Beachtung zu. In der Praxis erwies sich ein formstabiler und eigenschwingungsbedämpfter Sen­ sor-Halter als vorteilhaft.

Es ist bekannt, daß die Zug- und Druckbelastung eines polari­ sierten piezoelektrischen Sensorelementes elektrische Spannung an seinen Elektroden erzeugt. Eine Kombination von Zug- und Druck stellt die Biegung dar, auf welche der Piezo-Sensor stärker rea­ giert. Diese Leistungssteigerung macht sich die Erfindung zunutze.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzei­ chen des Anspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Wei­ terbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird anhand der Figuren, die ein grundsätzliches Ausführungsbeispiel mit einer Ausführungsvariante zeigen, die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfin­ dungsgemäßen Tonabnehmers,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 3,

Fig. 3 einen Längsschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 2,

Fig. 4 die Einzelheit X aus Fig. 3, welche eine Ausführungsvariante der einen elektrischen Kontaktierung darstellt.

Der piezoelektrische Tonabnehmer nach Fig. 1 eines nicht näher dargestellten Saiteninstrumentes ist anstelle des Steg-Sattel­ elements in eine Aufnahmenut 1 eingesetzt oder einfach auf den Klangkörper aufgesetzt. Die Auflagefläche 1a ist mit elektrisch leitendem Material, beispielsweise Kupferfolie 2, belegt und zur Durchführung des Signalleiters 9 mit einer Bohrung und/oder einem Kanal 3 versehen. Die an Massepotential (-) angeschlossene Auf­ lage 2 kontaktiert den Basiskörper 4 an seiner Unterseite und bildet eine Abschirmung gegen elektrische Störfelder auf das Sen­ sorelement 7. Fig. 3 veranschaulicht das Zusammenspiel der einzel­ nen Komponenten: Das Sensorelement 7 liegt mit seinen längsseiti­ gen Endpartien 7a auf den Lagerflächen 5a der Fassung 5, auf wel­ chen es mittels Cyanoacrylatklebstoffes befestigt ist. Zusätzlich umrandet die Fassung 5 das Sensorelement 7 zu etwa der Hälfte seiner Dicke und gewährleistet durch die Ausführung in Kunststoff die sichere elektrische Isolation der Sensorelektroden-Unterseite 7.2 (+Potential) vom Grundkörper 4. Der einwirkende Wechseldruck Pgs der Saite 14 auf das Sensorelement 7 erzwingt sowohl Druck- als auch Biegespannung. Die Fassung 5 liegt kraftschlüssig auf der Grundfläche 4.1a der Aufnahme-Tasche 4.1 und der Durchbruch 6 in ihrem Mittelbereich ermöglicht das direkte Anbringen eines elektrischen Leiters 9.1 an die untere Elektrodenfläche 7.2 des Sensorelementes 7, vorzugsweise mittels weichlöten mit Niedrig­ temperaturlot. Der isolierte Leiter 9 ist durch eine Bohrung 4.2 im Basiskörper-Boden 4a nach außen geführt und in derselben mit­ tels Klebstoff 11 gegen ein Ausreißen gesichert. Außerhalb des Tonabnehmers wird der Leiter 9, unter Berücksichtigung der Ab­ schirmung gegen elektrische Störfelder, an einen möglichst nahe angebrachten elektrischen Vorverstärker geführt zur Herabsetzung der Impedanz. An der oberen Elektrodenfläche 7.1 liegt das elek­ trisch leitende Druckstück 8 auf, welches als Masse-Leiter gemäß den Ansprüchen 5, 6 oder 7 fungiert. Fig. 2 veranschaulicht die kraftschlüssige Übertragung des Wechseldrucks Pgs der Saite 14 auf das Sensorelement 7 unter Einhaltung eines Luftspaltes 1 zwi­ schen den Druckstück-Breitseiten und den Seitenwänden 4.1b, 4.1c der Aufnahme-Tasche 4.1 sowie der Schrägstellung der Aufnahme- Tasche und der darin aufgenommenen Komponenten 5, 7, 8 entspre­ chend der Richtung α des Saitendrucks Pgs. In der Praxis fällt diese Schrägstellung in einem Winkel um 10° zur Vertikalen aus. Wie Fig. 3 zeigt, ist das Druckstück 8 an seinen Stirnseiten 8a, 8b mittels zähhärtendem Kunstharzklebstoff 12 am Basiskörper 4 be­ festigt. Mit der Ausführungsvariante gemäß Anspruch 7 wird die mechanische Fixierung und die elektrische Verbindung mit demsel­ ben Medium erreicht.

Es ist weiterhin anzumerken, daß der leitende Basiskörper 4 zusammen mit dem Druckstück 8 und der oberen Elektrodenfläche 7.1 einen Faradayschen Käfig bildet, der das Sensorelement von exter­ nen elektrischen oder elektromagnetischen Störsignalen abschirmt. Desweitern ermöglicht die Ausführung als separate Baugruppe pro Saite größte mechanisch-akustische Anwendungsbreite.

Claims (9)

1. Piezoelektrischer Steg-Tonabnehmer für Saiteninstrumente, aus­ gebildet als separate Baugruppe pro Saite, mit

• - einem piezoelektrischen Sensorelement (7), das eine obere und untere Elektrodenkontaktfläche (7.1, 7.2) aufweist,
• - einer Fassung (5) zur Halterung und elektrischen Isolierung des Sensorelementes an seinen Seitenflächen und seiner Unter­ seite und
• - einer Leitung (9) zum Herausführen eines Signals von der un­ teren Elektrodenkontaktfläche (7.2) des Sensorelementes,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein metallischer Basiskörper (4), vorzugsweise aus einer Kup­ fer-Zink-Legierung bestehend, mit einer quer zur Saite verlau­ fenden Aufnahme-Tasche (4.1)
• - eine Bodenwand (4a) von mindestens 2 mm Dicke aufweist,
• - mit seinen Seitenwänden (4.1b, 4.1c) mindestens bis zum Niveau der Sensor-Oberfläche (7.1) reicht und dadurch eine verwindungssteife Einheit darstellt.

2. Tonabnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme-Tasche (4.1) in Saitenlängsrichtung schräggekippt ist entsprechend dem Winkel (α), den der Saitendruck Pgs zur Verti­ kalen ausübt.

3. Tonabnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckstück (8)

• - breitseitig berührungsfrei in der Aufnahme-Tasche (4.1) sitzt und
• - an seinen Stirnflächen (8a) mit zähhärtendem Kunstharzkleb­ stoff (12) am Basiskörper (4) befestigt ist.

4. Tonabnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckstück (8)

• - halbrunden Querschnitt aufweist,
• - aus einem Material der Härte HRc 22 ± 2 besteht und
• - ein Biegemoment Mb_max von 172 cm N ± 2 aufweist.

5. Tonabnehmer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Druckstück (8)

• - aus elektrisch leitendem Material besteht und
• - durch den Kontakt mit der Massepotential aufweisenden Metall­ saite (14) die elektrische Verbindung (-) zur Sensor-Elektroden- Oberfläche (7.1) bildet.

6. Tonabnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckstück (8) aus einer Kupfer-Nickel-Legierung besteht und mit dem Massepotential aufweisenden Basiskörper (4) durch anlöten eines Kupfer-Feinleiters (13) elektrisch verbunden ist.

7. Tonabnehmer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckstück (8) an seinen längsseitigen Stirnflächen (8a) mit elektrisch leitfähigem Kunstharzklebstoff (12) am Basiskörper (4) befestigt ist.

8. Tonabnehmer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fassung (5)

• - aus einem harten, thermoplastischen Kunststoff besteht und
• - das Sensorelement (7) an seinen längsseitigen Endpartien (7a) zu je maximal ¹/₃ seiner Länge lagert.