How it Works – Eine Kompaktübersicht zur Gitarrenelektronik

[Sele]

Vorwort​

Die E-Gitarre ist seit Jahrzehnten ein fester Bestandteil der populären Musik. Im Internet existieren zahlreiche Erklärungen zur Funktionsweise der E-Gitarre, zum Ursprung ihres Sounds sowie zur Frage, inwiefern das verwendete Holz den Klang beeinflusst. Physikalische Aspekte werden häufig diskutiert, sollen jedoch an dieser Stelle nicht weiter vertieft werden. Stattdessen folgt hier eine kompakte Übersicht über die Elektronik von E-Gitarren, unterstützt durch elektrotechnische Praxisbeispiele. Hörbeispiele werden in diesem Kontext nicht behandelt. Der Fokus liegt auf drei Pickup-Typen: dem klassischen Humbucker, sowie den S-Type- und T-Type-Singlecoils. Wenn ich also von Singlecoil nachfolgend rede, sind diese Typen gemeint. Ich werde versuchen es möglichst verständlich zu halten, werde jedoch Fachtermini nutzen.

Der Tonabnehmer​

Der Tonabnehmer, genauer gesagt der passive elektromagnetische Tonabnehmer, wie wir in der E-Gitarre seit Jahrzehnten finden, ist für sich genommen eine recht simple Konstruktion, aber auch simple Konstruktionen lassen sich manchmal schwieriger erklären als man zunächst denkt. Der Single Coil, als einfachste Form, besteht aus 6 nebeneinanderliegenden zylinderförmigen Magneten. Um die äußeren beiden zylinderförmigen Magnete wird ein Lackdraht gewickelt. Der Lackdraht besitzt typischerweise eine Stärke zwischen 0,06 mm und 0,07 mm, wobei der Lack als elektrische Isolierung dient. Der Lackdraht wird rund 8000-mal um die beiden äußeren Magnete gewickelt. Man würde daher sagen der Tonabnehmer besitzt eine Wicklung mit circa 8000 Windungen.

Die Rund 8000 Windungen des Lackdrahts bilden nicht nur eine Wicklung, sondern eine elektromagnetische Spule. Jede Spule besitzt eine Induktivität, also eine Fähigkeit, ein Magnetfeld aufzubauen und Änderungen dieses Magnetfelds in elektrische Spannung umzuwandeln.

Im Tonabnehmer passiert genau das:

• Die sechs Magnete erzeugen ein statisches Magnetfeld
• Die Saite aus ferromagnetischem Material befindet sich in diesem Feld
• Sobald die Saite schwingt, verändert sie das Magnetfeld
• Die Spule mit ihren vielen Windungen „reagiert“ auf diese Änderung und erzeugt eine elektrische Spannung

Je mehr Windungen eine Spule besitzt, desto größer ist ihre Induktivität. Bei einem klassischen Single-Coil-Tonabnehmer liegen typische Werte im Bereich von etwa 2–4 Henry. Die genaue Induktivität hängt jedoch nicht nur von der Wicklungszahl ab, sondern ebenso von der Stärke des Lackdrahts, dem verwendeten Magnetmaterial und der geometrischen Form des gesamten Tonabnehmers.

Durch die Lackisolierung des Drahts und die vielen übereinanderliegenden Windungen entsteht zusätzlich ein kapazitiver Anteil innerhalb der Spule. Dieser liegt zwar nur im Bereich weniger Picofarad und ist damit vergleichsweise klein, spielt aber zusammen mit der Induktivität eine entscheidende Rolle: Beide bilden einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz den charakteristischen Klang eines Tonabnehmers prägt.

Um einen Tonabnehmer angemessen zu charakterisieren, sind mindestens die Induktivität (L), Kapazität (C) und der elektrische Widerstand (R) erforderlich. Letzterer wird von Tonabnehmerherstellern häufig als „Kiloohm“ (kΩ) Angabe veröffentlicht. Die einfachste Ersatzschaltung eines Tonabnehmers basiert auf diesen Parametern und bietet bereits eine solide Grundlage für Modellierungen. Für realistische Aussagen müssen zusätzlich das Umfeld des Tonabnehmers berücksichtigt werden, darunter Potentiometer, Kondensatoren, Gitarrenkabel und der Verstärkereingang.

Im Folgenden erläutern wir, warum dieser Aspekt von Bedeutung ist. Es handelt sich um eine Schaltung mit einer Spannungsquelle (U), einer Induktivität (L), einem Widerstand (R) und einer Kapazität (C).

Wird eine Induktivität von 5,782 H, ein Widerstand von 9,2 kΩ sowie eine Kapazität von 64 pF angesetzt, ergibt sich daraus der folgende Frequenzgang des Schwingkreises.

Die Resonanzüberhöhung des Schwingkreises beträgt 30 dB und liegt außerhalb des zu erwartenden Bereichs. In der Praxis wird ein Pickup jedoch stets zusammen mit Potentiometern, Kabeln und Verstärkereingang betrieben; dies sollte berücksichtigt werden. Der Verstärkereingang wird als rein resistiv betrachtet, was eine angemessene Vereinfachung darstellt, da der Fokus auf dem Tonabnehmer liegt. Das Kabel wird als rein kapazitiv angenommen und die beiden Potentiometer werden als parallele Widerstände zusammengefasst. Sind beide Potentiometer vollständig geöffnet, bilden sie eine Parallelschaltung zweier Widerstände. Die Annahmen für die Bauteilwerte sind: R2 mit 125 kΩ, R3 mit 1 MΩ und C2 mit 470 pF. Diese Werte entsprechen typischen Realbedingungen. Die Wahl von 125 kΩ resultiert aus der Parallelschaltung zweier identischer Widerstände, was zu diesem Wert führt und somit physikalisch nachvollziehbar ist.

Sehen wir uns von dieser nun den Frequenzgang beider Schaltungen einmal an, stellen wir fest: Ja die Belastung des Tonabnehmers führt dazu das a) die Resonanzfrequenz tieferrutscht und b) Resonanzüberhöhung nun deutlich geringer ausfällt.

Dieses Modell ermöglicht bereits einen fundierten Vergleich verschiedener Tonabnehmer. Soll jedoch eine realitätsnahe Nachbildung erfolgen, welche zusätzliche Verluste – beispielsweise hervorgerufen durch Wirbelströme im Metall der Tonabnehmerkappen von Humbuckern oder durch deren Schrauben und/oder Polepieces – berücksichtigt, so müssen im Modell ergänzend Verlustwiderstände integriert werden. Dies lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass die ursprüngliche Induktivität L1 in zwei Teilinduktivitäten aufgeteilt und diesen jeweils parallelgeschaltete Verlustwiderstände hinzugefügt werden.

Tonabnehmer messen und charakterisieren

Um die Tonabnehmer zu charakterisieren, d.h. ihren Frequenzgang zu ermitteln, gibt es verschiedene Ansätze. Manfred Zollner nutzt in seinem Buch „Physik der Elektrogitarre“ u.a. eine Erregerspule, um damit eine Änderung im Magnetfeld des Tonabnehmers zu erzeugen. Eine solche Messapparatur habe ich ebenfalls schon mehrmals genutzt. Dabei wird die Erregerspule auf den Tonabnehmer gelegt und der Ausgang des Tonabnehmers belastet. Ich nutze dazu 200 kΩ und 470 pF. Nachgeschaltet wird ein Integrator. Die Erregerspule wird an einen Signalgenerator angeschlossen und der Integrator wird an ein Oszilloskop angeschlossen. Das sehen wir in der nachfolgenden Abbildung als Blockbild dargestellt.

Eine weitere zulässige und besonders praxistaugliche Methode – vorausgesetzt, es treten keine nennenswerten Wirbelstromverluste auf – besteht darin, die elektrischen Parameter des Tonabnehmers direkt zu messen, ohne eine Erregerspule einzusetzen. Helmut Keller hat hierzu mit dem Pickup Wizzard ein gelungenes Konzept entwickelt. Sofern die jeweiligen Grenzen dieser Methode bekannt sind und richtig eingeordnet werden, bietet sie eine komfortable Möglichkeit, einen Tonabnehmer unmittelbar in der Gitarre zu analysieren: Die Messapparatur wird einfach an den Klinkenausgang angeschlossen, woraufhin die relevanten elektrischen Kenngrößen direkt erfasst werden.

Ein Beispiel der beiden Messverfahren an einem T-Style Stegtonabnehmer demonstriert.

In blau dargestellt ist die Übertragungsfunktion des Tonabnehmers ermittelt über eine Erregerspule. In orange dargestellt ist die modellbasierte Übertragungsfunktion des Tonabnehmer über die ermittelten Werte vom Pickup Wizzard. Die Kurven sind nahezu Deckungsgleich. Wenn man die Limitierungen der Messapparaturen kennt ist es somit egal welche Methode man wählt.

Zwei Gitarren, zwei Klänge, gleiche Elektronik

Jetzt wird es doch noch etwas esoterisch oder etwas philosophisch: Ich höre immer wieder in Foren oder auf YouTube das Argument, das man aus Erfahrung weiß, dass zwei Gitarren aus dem gleichen Holz und der gleichen Hardware und Elektronik doch anders klingen.

Was das Übertragungsverhalten u.a. beeinflusst, sind nach Manfred Zollner:

• Tonabnehmerposition
• Stärke des statischen Magnetfelds
• Spulenposition und deren Geometrie
• Reversible Permeabilität
• Tonabnehmerimpedanz
• Kapazitive Belastung
• Resistive Belastung durch Potentiometer und Verstärker
• Magnetische Apertur
• Saite und auf die Saite ausgeübte Kraft

Nun das ist eine ganze Menge, die übereinstimmen muss, bevor man sagen kann, dass zwei Gitarren gleich wären. Und manchmal ändert der Hersteller auch durch einen kleinen Zusatz seine Tonabnehmer ein wenig ab. Zum Beispiel die zwei 85/15 Tonabnehmer, die eigentlich gleich wären aber nicht gleich sind. Bei dem einen Tonabnehmer hat der Hersteller ein TCI (Tuned Capacitance and Inductance) an die Bezeichnung drangehängt. Und ja da wurde die Kapazität und Induktivität geändert, was den Frequenzgang leicht änderte. Das ist nicht viel und vielleicht fällt es der ein oder anderen Person auch gar nicht auf.

Wenn es um Vergleich geht, liest und hört man auch das „das die Gitarre gut am Volume Poti hängt“. Gemeint kann unter anderem damit sein, dass der Regelweg des Lautstärke Potentiometers der spielenden Person ihren Vorlieben entspricht. Es „fühlt sich gut an“.

Ich hatte vorher die Potentiometer durch Widerstände ersetzt. Typischerweise fungieren die Lautstärke Potentiometer als Spannungsteiler in der Schaltung. Und der Spannungsteiler wird über die Potentiometer Stellung geändert. Wie stark nach Drehwinkel hängt von seiner Kennlinie (Engl. Taper) ab. Typischerweise findet man in dieser Stelle Potentiometer mit Linearer oder Logarithmischer Kennlinie. Die Lineare ist recht einfach erklärt: Potentiometer um die Hälfte zurückgedreht und ist der Widerstand ebenfalls um die Hälfte der gegenüber der Maximalstellung gesunken. Bei Logarithmischer Kennlinien findet man in Datenblättern zusätzlich noch einen prozentualen Wert, der angibt wieviel Prozent des Widerstands bezogen auf die Maximalstellung bei 50% Drehweges vorhanden sind. So findet man bei Hersteller zum Beispiel 5%, 10%, 15%, 20%, 25% und 30%.

Das lässt sich auch wunderbar nachmessen an Potentiometern, wie die nachfolgende Abbildung ganz gut zeigt.

Ich möchte dazu Anmerken das es Drehungenauigkeiten, es ist halt an realen Potentiometern gemessen worden, um eine quantitative Aussage treffen zu können. Es spielt keine Rolle wie teuer das Potentiometer ist, zwischen dem blauen und lilanen Graph liegt ein preislicher Faktor von 7. Leider wird von einigen Vertrieben nicht genau spezifiziert, welches Logarithmische Kennlinie das jeweiligen Logarithmische Potentiometer hat. Eines der Potentiometer wurde sogar mit 30% angegeben es waren am Ende aber 22% also näher an den 20% dran.

Der Zusammenhang hat tatsächlich eine gewisse Auswirkung auf die Interaktion zwischen spielende Person, Gitarre und Hörereignis. Zum einen kommt es zu einer Dämpfung der Resonanzspitze, was wir als „die Höhen gehen verloren“ häufig von der Gitarre spielenden beschrieben hören. Das sehen wir am Beispiel eines 85/15 TCI-Tonabnehmers im nachfolgenden Bild dargestellt.

Beim blauen Graph wurde ein Potentiometer bei 50% des Regelwegs mit einem 30% Logarithmischen Potentiometer simuliert. Beim orangenen Graph wurde ein Potentiometer bei 50% des Regelwegs mit einem 5% Logarithmischen Potentiometer simuliert. Und die Höhen werden damit abgesenkt. Das weiß man als Gitarrenbauer und deswegen findet man in einigen Modellen auch einen zusätzlichen Kondensator oder Widerstand am Lautstärke Potentiometer der häufig dann als Treble Bleed bezeichnet wird und den „Höhenverlust“ verhindert. Findet man unter anderem auch bei PRS, ist hier aber nicht dargestellt.

Aber nicht nur die Höhen, sondern auch die Amplitude, es wird eben leiser. Wenn man nun Gitarren mit den gleichen Tonabnehmern vergleicht, zwei unterschiedliche Logarithmische Potentiometer verwendet, würde man zum Trugschluss kommen das der eine Tonabnehmer „schwächer“ wäre, es ist aber nur eine andere Potentiometer Kennlinie. Man kann sich dies auch zu Nutze machen um einer Gitarre einen mehr „Vintage-Vibe“ zu geben.

Zusammenfassung​

Wie man sieht, habe ich mich darauf beschränkt die Gitarrenelektronik auf das wesentliche zu reduzieren. Ich habe bewusst Details wie „Treble Bleed“-Schaltungen, Anschlussvarianten wie 50s/Modernwiring, etc. ausgenommen. Genauso ausgenommen habe ich aber auch, wie früher Tonabnehmer gebaut wurden, aus welchen Materialien sie sind und so weiter, da ich mich auf das Übertragungsverhalten konzentrieren wollte. Auch wenn Hersteller inzwischen z.T. Materialkopien herstellen, so ist manchmal schon die Frage aufzuwerfen, inwieweit dies noch einen Einfluss auf das Übertragungsverhalten hat. Natürlich kann man sagen: Alles hat einen Einfluss, aber wirklich einmal nachgemessen und veröffentlichen tut es am Ende keiner.

Auch spärlich veröffentlicht werden Tonabnehmerdaten, die ich zur modellhaften Gegenüberstellung des Tonabnehmerübertragungsverhaltens genutzt habe. Das macht es auch beim Kauf schwierig die Tonabnehmer zu vergleichen und den passenden herauszusuchen. Am Ende des Tages sind die Unterscheide vielleicht auch gar nicht mehr so groß unter den Herstellern, denn es hängt ja nur von den genannten Parametern ab und betrachtet man welche Spulenkörper, Wickeldrähte eingesetzt werden ist die Anzahl der nicht homöopathischen Varianten auch endlich. Vielleicht kam GiTec vor ein paar Jahren beim Vergleich eines bestimmten Humbucker Typs unterschiedlicher Hersteller deswegen auch zum Schluss das alle so ähnlich sind das ein Unterschied kaum hörbar sei. In diesem Sinne: Rock’n’Roll!

 

[Sele]

Vorwort​

Im ersten Teil haben wir das Übertragungsverhalten eines passiven elektromagnetischen Tonabnehmers sowie die Auswirkungen von Potentiometern betrachtet. Im zweiten Teil geht es um das Über- und Unterwickeln von Tonabnehmern und den Einfluss der Kabelkapazität. Die englischen Begriffe dafür sind Overwound, Underwound und Cable Capacitance.

Over- und Underwound​

Wie so häufig im Bereich der Musikelektronik verwenden wir Begriffe, die wir als selbsterklärend einfach hinnehmen. Overwound und Underwound könnten wir sicherlich ebenfalls in diese Kategorie einordnen. Wenn ich mir den einen oder anderen Hersteller so ansehe, versteht dieser unter Overwound – also das Aufbringen von mehr Windungen auf den Tonabnehmer im Vergleich zu einem baugleichen Modell. Dementsprechend bedeutet Underwound das Aufbringen von weniger Windungen gegenüber demselben Modell. Das ist klar, oder? Was passiert beim Überwickeln: Es wird mehr Draht auf den Spulenkörper gewickelt. Das führt einerseits dazu, dass der elektrische Widerstand steigt, und durch die höhere Anzahl der Windungen auch die Induktivität sowie, durch das „Mehr“ an Lagen, die Kapazität. Beim Unterwickeln ist es genau umgekehrt. Damit sind wir auch schon wieder bei unserem Tonabnehmermodell aus Teil 1, das wir gleich dazu verwenden wollen.

Das Unterwickeln eines Tonabnehmers wird also als Underwound und das Überwickeln als Overwound bezeichnet. Es gibt zudem Hersteller, die ihr Tonabnehmermodell als Hals-Variante und als Steg-Variante anbieten. Man könnte frech behaupten, dass die Steg-Variante häufig einfach ein Overwound der Hals-Variante ist. Man sieht, die Begriffe sind – nennen wir es mal – flexibel verwendbar.

Wir werden uns nun anhand eines Modells ansehen, was das Überwickeln und Unterwickeln konkret für den Frequenzgang bedeutet. Dazu verwende ich das einfachste Modell und belaste es entsprechend. Die Parameter wähle ich ähnlich wie bei einem Humbucker, wie folgt:

Bezeichnung	Underwound	Normal	Overwound
L1 [H]	4.2	5.1	6.6
R1 [kΩ]	7.5	8.3	11.8
C1 [pF]	80	100	120
R2 [kΩ]	250	250	250
R3 [MΩ]	1	1	1
C2 [pF]	470	470	470

Die Bezeichnung der Modellparameter wurde wie in Teil 1 gewählt. Wer vergleichen möchte, kann dies gerne tun. Die Parameter R2 (Potentiometer), R3 (Verstärkereingang) und C2 (Kabelkapazität) bleiben für den Vergleich konstant. Der Widerstand am Potentiometer ist – wie aus Teil 1 bekannt – halbiert, da eine Parallelschaltung von Ton- und Lautstärkepotentiometer vorliegt.

Wir sehen, dass die Resonanzfrequenz beim überwickelten Tonabnehmer nach unten wandert und die Resonanzspitze gedämpft wird. Beim unterwickelten Tonabnehmer ist es umgekehrt. Das entspricht auch unserer Erwartung – so kennen wir das.

Kabelkapazität​

Im ersten Teil und auch zu Beginn habe ich die Kabelkapazität des Gitarrenkabels konstant gelassen, das heißt, ich habe diesen Parameter nicht variiert. Das holen wir jetzt nach. In unserem Modell hat das normale Kabel eine Kapazität von 470 pF. Ich habe einmal bei Thomann nachgesehen, welches Instrumentenkabel als Meterware aktuell am meisten verkauft wird, und ganz oben in der Beliebtheitsskala steht das Sommercable The Spirit XXL. Und bevor der Verdacht aufkommt: Das ist hier alles nicht gesponsert, es hätte auch ein anderes Kabel oder ein anderer Händler sein können – es gibt ja noch andere nette Händler und Kabelhersteller.

Das Sommercable The Spirit XXL hat eine Kapazität von 88 pF pro Meter. Dementsprechend wäre in unserem Modell eine Länge von etwa 5,3 m berücksichtigt. Ich kann auch nichts dafür, dass es nicht 5,67 m geworden sind – es ist jetzt eben so. Ich habe das Kabel im Modell einmal um 30 cm auf 5 m gekürzt, damit wir auch ein (etwas) kürzeres Kabel haben. Außerdem habe ich noch Längen von 6 m, 8 m und 10 m in das Modell aufgenommen. Wir lassen nun L1, R1, C1, R2 und R3 konstant und betrachten folgende Parameter:

​

Bezeichnung	Normal
L1 [H]	5.1
R1 [kΩ]	8.3
C1 [pF]	100
R2 [kΩ]	250
R3 [MΩ]	1
C2 [pF]	382 - 880

Nachfolgend lassen wir uns die Übertragungsfunktionen des Modells ausgeben.

Wir sehen, dass sich die Resonanzfrequenz nach unten verschiebt, die Resonanzspitze jedoch höher wird. Vergleichen wir das einmal mit dem Effekt, den wir durch das Überwickeln oder Unterwickeln eines Tonabnehmers erzielen. Dazu habe ich die beiden Grafiken einmal zusammengefügt; die Kabelkapazität ist als Pseudohüllkurve (Min-Max) in Grau dargestellt.

Wir sehen, dass die Kabelkapazität einen ähnlichen Einfluss auf die Übertragungsfunktion des Tonabnehmers hat wie die Induktivität des Tonabnehmers. Über die Tonabnehmer wird viel gesprochen, über das verwendete Kabel hingegen weniger – dabei ist der Effekt im Vergleich deutlich zu erkennen. Wenn man sich die Preise für Instrumentenkabel als Meterware anschaut, kostet ein 5-m-The Spirit XXL-Kabel aktuell bei Thomann 13 €. Ein Tonabnehmer kostet je nach Hersteller zwischen 50 € und 400 €. Da stellt sich die Frage, ob das kosteneffizient ist, wenn die Effekte eines Instrumentenkabels ähnlich groß sind. Zugegeben, sie sind nicht identisch, aber wir wissen doch aus Teil 1, dass da etwas mit der Tonabnehmerbelastung war, oder?

Angleichen der Übertragungsfunktion​

In Teil 1 haben wir gesehen, dass wir durch Belastung die Resonanzfrequenz und Überhöhung reduzieren können, wenn der Tonabnehmer durch Kabelkapazität, Potentiometer und Verstärkereingang belastet wird. Bisher haben wir nur die Kabelkapazität variiert. Schauen wir uns daher einmal an, ob wir aus einem „Normal“ einen „Overwound“ machen können, wenn wir die Parameter Kabelkapazität und Potentiometer verändern dürfen.

Wir gehen dazu, aus didaktischen Gründen, zweistufig vor. Zunächst variieren wir die Kabelkapazität und passen anschließend den Wert des Potentiometers an. Damit die Resonanzfrequenz auf einen ähnlichen Wert wie beim Overwound kommt, fügen wir 200 pF zur Kabelkapazität hinzu. Die Kabelkapazität im Modell beträgt damit 670 pF. Wie zu erwarten, kommt es zu einer Erhöhung der Resonanzspitze. Wir belasten daher den Tonabnehmer stärker, indem wir den Wert des Potentiometers verringern. Ich habe das Potentiometer im Modell einmal um 70 kΩ reduziert. Der nachfolgende Frequenzgang zeigt dann das Resultat, welches als „Normal angeglichen“ annotiert wurde.

Die Graphen „Overwound“ und „Normal angeglichen“ sind nahezu deckungsgleich. In der Psychoakustik werden Pegeländerungen erst ab 1 dB wahrgenommen, insofern können wir davon ausgehen, dass es keinen hörbaren Unterschied gibt.

Im Modell habe ich das Angleichen durch einfaches Ändern des Potentiometerwerts durchgeführt. Das ist in der Praxis nicht so einfach möglich; hier würde man eher einen Widerstand und einen Kondensator parallel schalten, die dann die gleiche Aufgabe erfüllen. Wenn man sich die Preise für einen Kondensator und einen Widerstand im Handel ansieht, stellt sich natürlich die Frage, ob ein Tonabnehmertausch, der teilweise mehrere hundert Euro kosten kann, dann noch zu rechtfertigen ist. Wer nun auf die Idee kommt und sagt: „Ja, aber ich tausche ja auch den Magneten aus, und bei einem ‚Overwound‘ ist ja auch die Ausgangsleistung größer“, dem sei gesagt: Zum einen gibt es auch kleine Verstärker (Booster), die Ähnliches leisten, zum anderen kann man die Tonabnehmer auch etwas höher schrauben. Und ob letztendlich das den Mehrwert bringt, um mehrere hundert Euro für einen Austausch-Tonabnehmer zu bezahlen, muss jeder selbst entscheiden. Zugegebenermaßen: Es ist einfacher, da man keine Berechnung oder Try & Error durchführen muss, um „exakt die Übertragungsfunktion“ zu erhalten. Aber die exakte Übertragungsfunktion kennt man meist auch nicht, wenn man einen Tonabnehmer kauft, denn die Tonabnehmerdaten werden häufig nicht veröffentlicht.

Zum Erreichen einer höheren Resonanzfrequenz lässt sich analog vorgehen, jedoch wird hier in der Praxis ein Austausch der Potentiometer notwendig sein.

Fazit​

Im zweiten Teil haben wir untersucht, welche Auswirkungen das Über‑ und Unterwickeln von Tonabnehmern auf deren Übertragungsfunktion hat. Dabei wurde deutlich, dass sich sowohl die Resonanzfrequenz als auch die Resonanzüberhöhung in vorhersehbarer Weise verändern. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass auch die Kabelkapazität einen signifikanten Einfluss auf die Übertragungsfunktion besitzt, da sie den Tonabnehmer zusätzlich belastet. Ihr Effekt ist im Modell klar erkennbar und in seiner Größenordnung mit Änderungen der Tonabnehmerinduktivität vergleichbar. Schließlich wurde gezeigt, dass sich Übertragungsfunktionen durch gezielte Anpassungen der externen Beschaltung – insbesondere durch Widerstands‑ und Kapazitätsänderungen – einander annähern lassen. Auf diese Weise kann das Übertragungsverhalten eines Tonabnehmers innerhalb gewisser Grenzen gezielt beeinflusst werden, ohne den Tonabnehmer selbst zu verändern.

In diesem Sinne: Rock'n'Roll!

 

[boisdelac]

Kannst Du etwas dazu sagen, wie sich verschiedene Magnetmaterialien (Keramik, Alnico /2/3/4/5/8, elektromagnetisch durch eine Spule erzeugtes Magnetfeld) auf den Klang auswirken?

 

[Sele]

Das Magnetfeld, was die Saite sieht, wird durch den Dauermagneten erzeugt nicht durch die Spule. Je nach Magnet kann sich die Induktivität der Spule leicht ändern, also das L von oben. Den Effekt hat Manfred Zollner mal untersucht und für Alnico auch Übertragungsfunktionen gezeigt.


View: https://youtu.be/dXDXEhsuStM?si=r14fvgJLKNSqvV15&t=2441

Ich weiß jetzt nichts ob er es an einem S-Type Tonabnehmer aufgenommen, Anhand der Lage der Resonanzspitze würde ich es jedoch vermuten. Durch Wirbelströme in den Stiften und Schrauben von Humbuckern würde da die Resonanzfrequenz aber auch gedämpft werden und runterrutschen. Bei Keramik (aka Hartferrit) sieht es ähnlich aus, die relativ Permeabilität ist nahe 1 damit sinkt die Induktivität der Spule die Resonanzfrequenz geht nach oben. Bei Humbuckern aber wieder Stifte + Schrauben aus Metal bedeutet Wirbelströme mit den ganzen Folgen. Wenn man sich die Übertragungsfunktionen von Manfred Zollner aber ansieht könnte man auch sagen: Kürzeres Kabel tut es auch.

 

[Ben zen Berg]

Wir sehen, dass die Kabelkapazität einen ähnlichen Einfluss auf die Übertragungsfunktion des Tonabnehmers hat wie die Induktivität des Tonabnehmers. Über die Tonabnehmer wird viel gesprochen, über das verwendete Kabel hingegen weniger – dabei ist der Effekt im Vergleich deutlich zu erkennen. Wenn man sich die Preise für Instrumentenkabel als Meterware anschaut, kostet ein 5-m-The Spirit XXL-Kabel aktuell bei Thomann 13 €. Ein Tonabnehmer kostet je nach Hersteller zwischen 50 € und 400 €. Da stellt sich die Frage, ob das kosteneffizient ist, wenn die Effekte eines Instrumentenkabels ähnlich groß sind. Zugegeben, sie sind nicht identisch, aber wir wissen doch aus Teil 1, dass da etwas mit der Tonabnehmerbelastung war, oder?

Das möchte ich so aber nicht unkommentiert stehen lassen. Die Realität erscheint mir doch wesentlich komplexer als die bekannten Messverfahren es abbilden können. Die Kapazität wird berechnet indem eine gespeicherte Ladung durch eine Spannung geteilt wird. Die gespeicherte Ladung wird in Amperesekunden, die Spannung natürlich in Volt definiert. Genau betrachtet sind das drei Werte, die für eine idealisierte Darstellung festgeschrieben werden müssen. Wenn ich das mal auf die elektronische Bildbearbeitung übertrage, ist es vergleichbar mit einem Farbwert für ein Bild, der ermittelt wird, in dem der RGB Gesamtwerte aller Pixel durch deren Summe dividiert wird. Für homogene, monochrome Bilder wird das gut passen. Für alle anderen Bilder werden wir den universalen Farbwert wohl kaum mit dem realen Bild assoziieren.
Ich möchte damit keinesfalls das Messverfahren in Frage stellen, sondern nur auf dessen extreme Idealisierung hinweisen.
Die parasitären Kapazitäten - gerade bei scatterwound Spulen - wirken doch viel differenzierter auf unterschiedliche Geschwindigkeiten (Hertz/Pegel) im Signal. Bei einem Kabel treten kapazitive Unterschiede doch nur durch Toleranzen in der Materialstärke der Isolation auf.
Und wie relevant sind Gitarrenkabel eigentlich noch in der Realität? Wer rennt denn noch mit einem zehn-Meter-Kabel über die Bühne? Da wird doch mittlerweile eher die Funkstrecke bemüht. Oder das lange Kabel steckt erst im Ausgang des Pedal Boards, das eigentlich immer mit einem digitalem Wandler oder einem Buffer bestückt ist.

 

[Sele]

Das möchte ich so aber nicht unkommentiert stehen lassen. Die Realität erscheint mir doch wesentlich komplexer als die bekannten Messverfahren es abbilden können.

Danke für deinen Beitrag. Den zweiten Teil des Satzes lese ich häufig bei Personen, die sich in Themen eingearbeitet habe keine tieferen Kentnisse in Messtechnik, Elektrotechnik und Modellierung haben. Insofern lese ich gerne deinen Kommentar etwas genauer.

Die Kapazität wird berechnet indem eine gespeicherte Ladung durch eine Spannung geteilt wird. Die gespeicherte Ladung wird in Amperesekunden, die Spannung natürlich in Volt definiert. Genau betrachtet sind das drei Werte, die für eine idealisierte Darstellung festgeschrieben werden müssen.

Na aber das ist jetzt schon eine sehr weit weg von der Fragestellung, wir müssen ja hier noch nicht bei den physikalischen Grundlagen anfangen, wie die elektrische Kapazität definiert wurde. Aber da definitionen eindeutig sein sollen. Die Aussage hier ist falsch. Es muss lauten: Die elektrische Kapazität (C) ist per Definition das Verhältnis zwischen gespeicherten Ladung (Q) zur angelegten Spannung (U). Unter Realbedinungen wird sie definiert als Differentialquotient C(U) = dQ/dU.

Genau betrachtet sind das drei Werte, die für eine idealisierte Darstellung festgeschrieben werden müssen.

Die drei Werte festgeschrieben müssen? Die sind voneinander abhängig, da reichen 2 aus!

Wenn ich das mal auf die elektronische Bildbearbeitung übertrage, ist es vergleichbar mit einem Farbwert für ein Bild, der ermittelt wird, in dem der RGB Gesamtwerte aller Pixel durch deren Summe dividiert wird. Für homogene, monochrome Bilder wird das gut passen. Für alle anderen Bilder werden wir den universalen Farbwert wohl kaum mit dem realen Bild assoziieren.

Das ist am Thema vorbei: Wir sind hier in der Elektrotechnik und nicht in der Bildverarbeitung.

Die parasitären Kapazitäten - gerade bei scatterwound Spulen - wirken doch viel differenzierter auf unterschiedliche Geschwindigkeiten (Hertz/Pegel) im Signal.

An der Stelle würde ich empfehlen mal die ersten 3 Semester Elektrotechnik zu studieren, insbesondere Grundlagen der Elektrotechnik 3 - dort wird über elektrische Felder etc. gesprochen. Eines mal Vorweg: Hertz ist die Einheit der Frequenz also Schwingung pro Sekunde das hat nichts mit Geschwindigkeit zu tun! Und der Pegel ist auch keine Geschwindigkeit.

 

[Ben zen Berg]

An der Stelle würde ich empfehlen mal die ersten 3 Semester Elektrotechnik zu studieren, insbesondere Grundlagen der Elektrotechnik 3 - dort wird über elektrische Felder etc. gesprochen.

Oh, ich hatte gehofft, dass an dieser Stelle vielleicht keine Standesdünkel aufkommen.

Die elektrische Kapazität (C) ist per Definition das Verhältnis zwischen gespeicherten Ladung (Q) zur angelegten Spannung (U). Unter Realbedinungen wird sie definiert als Differentialquotient C(U) = dQ/dU.

In diesem Zusammenhang steht Q für die elektrische Ladung, die auf den Leitern gespeichert ist. Die Einheit der Ladung wird in Coulomb (C) gemessen. Das Coulomb
definiert die Ladungsmenge, die bei einem Stromfluss von einem Ampere (1 A) in einer Sekunde (1 s) transportiert wird. Hatte ich da irgend etwas Falsches behauptet?

Die drei Werte festgeschrieben müssen? Die sind voneinander abhängig, da reichen 2 aus!

Wieviel Ampere in wieviel Sekunden welche Sättigung erreicht, das sind für mich drei Werte.

Das ist am Thema vorbei

Wegen eines Vergleiches mit Mediensprung? Da wird im Audio Bereich gerne drauf hingewiesen. In der Bild- und Datenbearbeitung gibt es auch eine zeitliche Dimension, und da gehören Metaphern zur Präzision der Anforderung.

Eines mal Vorweg: Hertz ist die Einheit der Frequenz also Schwingung pro Sekunde das hat nichts mit Geschwindigkeit zu tun! Und der Pegel ist auch keine Geschwindigkeit.

Ähm, Hertz ist eine Zeit-Einheit und der Pegel (Amplituden Ausschlag) eine Strecken-Einheit, Zeit x Strecke = Geschwindigkeit.

 

[GroovigesMeerschweinchen]

Du hast Dir viel Mühe gegeben. Ich würde z.B. den Vorgang der Induktion etwas anders beschreiben: Durch das Magnetfeld der Permanentmagneten werden die (ferromagnetischen) Saiten magnetisiert. Jede Saite wirkt nun wie ein kleiner, schwingender Permanentmagnet, der so ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses Wechselfeld induziert in den Spulenwicklungen eine elektrische Spannung, die bei jeder Spulenwicklung zunimmt. Die Spannung einer Spule mit doppelter Windungszahl ist entsprechend (in der Theorie) auch exakt doppelt so gross. Weitere Faktoren die die Spannung beeinflussen können sind die Geometrie der Spule, die Drahtdicke, sowie die magnetischen Eigenschaften des Materials, das sich innerhalb der Spule befindet (z.B. das Material der Dauermagneten).

Erfahrungsgemäss ist es eher schwierig, Definitionen (wie z.B. was ist Induktivität) mit in solche Beschreibungen hineinzupacken, ich würde es separat machen. Z.B. kann der Leser bei Deiner Beschreibung den Eindruck kriegen, dass die Spule selbst ein Magnetfeld erzeugt, welches dann wieder irgendwas induziert... Sobald in der Spule ein Strom fiesst, weil ein Verbaucher (z.B. Verstärker) angeschlossen ist, erzeugt die Spule ein magnetisches Gegenfeld (Fachbegriff habe ich vergessen) das die Saiten bremst. Bei Verwendung eines Verstärkers mit sehr kleiner Eingangsimpedanz würde es zur Dämpfung der Saitenschwingung führen. Das durch die Spule erzeugte Magnetfeld, hat aber für die Beschreibung der Induktion keine Bedeutung. Im Prinzip ist es einfach so, dass ein magnetisches Feld, das sich zeitlich ändert, in einem Leiter Elektronen zur Bewegung anregt und so im Leiter eine Spannung induziert.

LG

 

[Ben zen Berg]

Erfahrungsgemäss ist es eher schwierig, Definitionen (wie z.B. was ist Induktivität) mit in solche Beschreibungen hineinzupacken,

Wenn diese Definitionen aber zum Leistungsprinzip des beschriebenen Gegenstandes gehören, können sie doch nicht ausgelassen werden.
Zu beschreiben, wie Induktion funktioniert, würde hier aber den Rahmen sprengen. Zu mal es genügend Erklärungen der Induktivität gibt - von simpel bis höchst komplex.
Ein Link könnte helfen, würde aber nur dem Verständnis des Autors über den Wissenstand des Lesenden entsprechen. Wir können doch einfach eine KI oder Google um eine individuell verständliche Aufklärung bitten.

Dieses Wechselfeld induziert in den Spulenwicklungen eine elektrische Spannung, die bei jeder Spulenwicklung zunimmt.

Deine Beschreibung vermischt auch schon Einzelzustände mit zeitlichen Abläufen. Eine Magnetwelle bewegt sich mit der Geschwindigkeit einer Schockwelle. Die ist von Material zu Material unterschiedlich, aber immer im Bereich der Schallgeschwindigkeit. Der elektrische Strom fließt fast mit Lichtgeschwindigkeit. Zur besseren Verständlichkeit werden die Geschwindigkeiten meist mit denen von Schall und Licht idealisiert.*
Da die Saitenschwingung eine sich zylindrisch ausdehnende Welle erzeugt, gibt es zu einem bestimmten Zeitpunkt unterschiedliche Ausprägungen eines Impulses innerhalb der Spulengeometrie. Auf der Strecke von der inneren oberen zur äußeren unteren Wicklung kommt es zu zeitlich bedingten Auslöschungen. Das trifft im Besonderen die langsamen Wellen, also die niedrigen Frequenzen oder die feinen Amplitudenausschläge. Deswegen liefern weite, flache Spulen mehr Tiefen und Mitten, weil diese in schmalen hohen Spulen stärker beschnitten werden.
So wie sich beim Magnetismus gleiche Pole abstoßen, verhält sich auch die Ladung der Elektronen (Nord- zu Südpol wie positiver zu negativer Ladung). Bei elektrisch leitenden Material wird die Ladung der Elektronen durch magnetische Polarität beeinflusst. Somit löst eine Magnetwelle eine elektrische Fluchtbewegung aus. Diese Bewegung wird jedoch aufgrund der Drahtführung und der Isolierung des Drahtes in einer Spule umgeleitet. Dann bewegt sie sich aber mit Lichtgeschwindigkeit durch den Draht.
Wegen des großen Unterschiedes zwischen Schall- und Lichtgeschwindigkeit machen sich die Differenzen in Raum und Zeit dann aber nicht mehr so deutlich bemerkbar. Erst ab einer Wicklung von über 7000 Wicklungen (auf Humbucker oder Strat-Style Single Coil Spulen) wird die Flankensteilheit der unteren Frequenzen angehoben.
Wegen der vielen parallel verlaufenden Drähte mit einer sehr dünnen Isolation verhält sich eine Spule oberhalb der Eigenresonanzfrequenz wie ein Kondensator.
Unterhalb dieser Frequenz wirkt die Spule induktiv, wird aber weiterhin von der Eigenkapazität beeinflusst. Diese begrenzt die Frequenzbreite, verursacht Phasenverschiebungen zwischen induzierter Spannung und Strom und verzögert kurzfristig den Strom bei ansteigender Spannung.

*) edit, s.u.
Die Saitenschwingung bewegt sich mit Schallgeschwindigkeit durch die Luft, der Strom fließt fast mit Lichtgeschwindigkeit.

 

[GroovigesMeerschweinchen]

Die Informationen von Magnetischen und elektrischen Feldern werden durch Photonen übertragen, diese geben so auch die Übertragungsgeschwindigkeit vor. Wie kommst Du darauf, dass ein Magnetisches Feld sich (z.B. in Luft) mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet? Die Spule ist ja im wesentlichen mit Luft und nicht mit was ferromagnerischem gefüllt, oder?

 

[Ben zen Berg]

Oops ja, nicht die magnetische Welle, sondern die Schwingung der Saite.

 

[soundmunich]

Bleibt doch bitte bei der bewiesenen Physik. Wenn Ihr was nicht wisst, gebt einfach die Begriffe erst mal bei google ein, bevor Ihr ein neues Universum erschafft, in dem wir halt nicht leben.

Ich (u.a. Diplom-Physiker) finde die Erläuterungen und Zusammenfassung von @Sele sehr gut und verständlich. Wieso muss da jetzt jeder verschlimmbessernden Senf dazugeben?

 

[GroovigesMeerschweinchen]

Warum flache Spulen andere Frequenzen bevorzugen als hohe, übersteigt mein Wissen. Man muss sich auch bewusst sein, dass eine flache Spule ein ganz anderes Magnetfeld sieht, als eine lange Spule, da das Magnetfeld ja mit der Distanz sehr schnell abnimmt. Wenn man zwei Tonabnehmer hat mit selber Induktivität, ist es dann wirklich so, dass die flachen in jedem Fall andere Frequenzen bevorzugen als die langen Spulen? Oder verlgeichst Du Spulen mit gleicher Windungszahl, die aber wegen anderer Gemoetrie zu untschiedlicher Induktivität (und damit Resonanzpeak) führt?

 

[soundmunich]

"flach" und "lang" sind doch keine Gegensätze. Und, irgendwelche Fantasien haben einfach garnichts mit Wissenschaft zu tun, nicht mal mit "würfeln".

Die Elektrik von Tonabnehmern ist einfach und endlich. Voodoo ändert da nichts dran.

 

[GroovigesMeerschweinchen]

"flach" und "lang" sind doch keine Gegensätze

Doch, per Def. der langen dünnen Spule schon.

Beitrag automatisch zusammengefügt: 14.03.26

Ich (u.a. Diplom-Physiker)

ich nebenbei erwähnt auch. Habe ich was falsches geschrieben?

 

[soundmunich]

ich nebenbei erwähnt auch. Habe ich was falsches geschrieben?

Wo soll ich anfangen? Lies doch vielleicht nochmal, was Du da so alles geschrieben hast. Z.B.

Die Informationen von Magnetischen und elektrischen Feldern werden durch Photonen übertragen

Für unser Universum gilt das jedenfalls nicht.

 

[GroovigesMeerschweinchen]

Für unser Universum gilt das jedenfalls nicht.

Und durch welche Teilchen werden die Informationen der elektrischen udn magnetischen Felder denn Deiner Ansicht nach übertragen?

 

[Wizzzzard2000]

Jungs, meint ihr nicht, dass ihr langsam über das Ziel hinausschießt?
Als Nächstes kommen Quantenmechanik und die Heisenberg Theorie.
Das hat doch alles nur sehr bedingt etwas mit dem Eingangspost zu tun.
Ich bin btw nur ein dummer, kleiner, pragmatisch veranlagter Architekt

 

[soundmunich]

Wenn Du einen Diplom-Abschluss in Physik hast, solltest Du doch auch im 2. Semester Elektromagnetismus und im Hauptstudium zumindest Grundlagen der Elektrodynamik absolviert haben und darin geprüft worden sein.

Diesen sehr sinnvollen Thread von @Sele mit dem ganzen Krimskrams und nun Inhalten des Physikstudiums zu kapern, ist absolut nicht angebracht, weshalb ich nur sparsam und vorsichtig versucht habe, thematischen und inhaltlichen "Fehlentwicklungen" entgegenzuwirken. Bei Interesse empfehle ich, einen eigenen Thread zu Deinen Themen zu eröffnen.

 

[GroovigesMeerschweinchen]

@ Soundmunich

was habe ich denn falsches geschrieben? Es mag ja sein, dass es nicht Deinem Geschmack entspricht, aber sehe nichts falsches.

Beitrag automatisch zusammengefügt: 14.03.26

Dass ich erklärt habe, dass elektrische und magentische Felder durch Photonen übertragen werden, habe ich nur gebracht, weil hier plötzlich von magnetischen Wellenfronten (oder sowas in der Art) die Rede war, die sich angeblich mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Davon habe ich noch nie was gehört.