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Frequenzgang einer E-Gitarre verstehen und tunen
In diesem Artikel befasse ich mich mit der E-Technischen Seite einer Gitarre und wie man sie gezielt tunen kann. Außerdem werden die Einflüsse von externen Komponenten auf die Klangeigenschaften der Gitarre genauer durchleuchtet. Als Grundprinzip, um es für den Einstieg nicht zu komplex zu gestalten, wird an einem Tone-Potentiometer und einem Volume-Potentiometer festgehalten, der verschieden konfiguriert wird. Vorweg, ich persönlich bin kein Gitarrenbauer, ich bin E-Techniker und gehe die Sache von der Seite der realen Physik an. Die Physik wirkt ja nicht nur im gesamten bekannten Universum, sondern auch gegen jede Verkaufsmasche in einem deutlich einfachen Universum, der E-Gitarre. Man muß es nur einmal richtig an der Basis vertanden haben, dann weiß man wie man an der richtigen Schraube drehen muß. Damit wird sich der nachfolgende Artikel auch wie ein roter Leitfaden im spezielleren befassen. Da die wenigsten Musiker hochdotierte E-Techniker sind, erspare ich die ganzen imaginären Gleichungen, und gehe direkt auf die berechneten Ergebnisse der Veränderungen ein.
Der Pickup
Zurück zur Basis, dem elementären Teil einer E-Gitarre, nennen wir es einmal die Seele der Gitarre. Der zentrale Teil einer jeden E-Gitarre ist der Pickup, in diesem Fall der Hals-Tonabnehmer als Humbucker einer üblichen Les Paul. Er ist der Generator, bzw. der Wandler der die Saitenschwingung in eine elektrische Spannung (genauer gesagt Leistung) umsetzt.
Er besitzt neben dem gerne genannten Innenwiderstand der Hersteller eine wesentlich wichtigere Komponente, die Induktivität und durch die Spule gebildete Kapazität, die durch sein Anschlusskabel noch etwas vergrößert wird.
Zuerst einmal muß der Pickup analysiert werden. Hierfür habe ich ein sogenanntes Ersatzschaltbild gezeichnet, das den Pickup in seiner elektrischen Eigenschaft darstellt - bestehend aus einer idealen Spule, einem Widerstand und einem Kondensator. Nebenbei erkennt man mit geschultem Auge auch gleich sehr gut, das es sich im Prinzip um einen offenen Schwingkreis handelt.
Wenn man nun den Pickup ohne Last betreibt, ergibt sich am alleinstehenden Pickup mit Kabelanschluss eine Resonanz auf ca. 5,51kHz mit etwa +22,3dB (800-facher Spannungsüberhöhung) an dieser Frequenz. Klar, der Pickup hat auch keine Belastungen und treibt die Spannung extrem hoch wegen der unendlichen (fehlenden) Last um auf seine Leistung aufgrund der enthaltenen Energie zu kommen.
Real kann man dieses extrem resonante Verhalten nicht messen, da jedes Oszilloskop einen Eingangswiderstand von etwa 1MOhm hat, und den Schwingkeis bedämpfen wird. Theoretisch wären es aber bei einer stark angeschlagenen E-Saite mit 250mV ca. das 800-fache bei 5,51kHz Erregerfrequenz mehr, also um die 200V. Praktisch wird dieser Fall aus den genannten Gründen nie nachweisbar sein, noch real auftreten können. Die übertrieben teuren Hochvolt-Kondensatoren kann man daher getrost wieder in die Schublade stecken, alles unter 10V ist hier gut genug!
Verstärker und Kabel Anschluss
Das Ganze ist noch nicht real, das kann man so direkt nicht nutzen, stellt nur einmal die theoretische Ausgangslage unter unendlich hoher Belastung dar. Hinzu kommen jetzt noch 6m Gitarrenkabel mit 70pF/Meter und der Eingangswiderstand von etwa 1MOhm des angeschlossenen Gitarrenverstärkers.
Dann verschiebt sich die ganze Resonanz schon völlig anders und eine Dämpfung tritt ein, durch die hinzugekommene Komponente von 1MOhm.
Die neue Resonanz-Frequenz sinkt nun auf 2,9kHz ab, und die Dämpfung der Amplitude an der Reonanz hat auf etwa +12,4dB (41-fach) abgenommen. Alles nur durch die Kapazität des Gitarrenkabels, sowie dem Innenwiderstand der des angeschlossenen Verstärkers. Wie man erkennen kann ist nun durch die Bedämpfung auch die Bandbreite der Resonanzspitze etwas breiter geworden.
Das Volume-Potentiometer
Nun folgt als nächste Erweiterung ein Volume-Potentiometer zu der direkten Variante, um an der Gitarre den Pegel an den Verstärker zu regulieren. Dieser hat in einer Les Paul üblicherweise 500kOhm, und dieser wird nun mitberechnet, um das neue Verhalten zu bestimmen. Das Potentiometer reduziert den Gesamtwiderstand des Verstärkers entsprechend weiter, was sich in einer weiteren Bedämpfung bemerkbar macht.
Interessant wird es hier schon, da der ändernde Widerstand am Potentiometer nebenbei die Resonanz nicht unerheblich bei abnehmendem Wert nach oben verschiebt, und nicht nur den Pegel verändert.
Die Resonanz ist bei voll aufgedrehtem Volume-Potentiometer bei 2,9kHz und 7,4dB (9-fache Überhöhung) und wandert mit abnehmender Einstellung gegen 5,4kHz nach oben, was sich von einem warmen Klangbild zu einem metallischen Klangbild auswirkt. Bei fast abgedrehtem Volume-Potentiometer ist die Resonanz nur noch bei etwa +5,7dB (5,5-fache Überhöhung), also um ein Drittel merklich schwächer geworden.
Parallele Kapazitäten (Klangregelung)
Nun geht es weiter mit parallelen Kapazitäten zum Pickup. Diese Art der Beschaltung ist die allgemein übliche Form einer Klangregelung. Dabei wird ein variabler Widerstand mit einem Kondensator in Reihe geschaltet. In diesem Fall mit 22nF und 500k Potentiometer.
Allgemein erkennt man schon die geringere Resonanz-Spitze mit nur noch 4,28dB (3,6-facher Überhöhung) bei nun 2,76kHz. Bei Veränderung des Tone-Reglers und voll aufgedrehtem Volume-Regler wird zuerst die Amplitude an der Resonanz bedämpft, und verschiebt gegen die unterste Einstellung die Resonanz sogar noch abrupt in einen tieferen Frequenzbereich auf 355Hz. Gleichzeitig wird auch die maximale Resonanzfähigkeit durch den Tone-Regler begrenzt. Dort bildet sich nur noch eine andere Anhebung bei 355Hz mit 1,24dB (1,4-fache Überhöhung) aus.
Da ein Volume-Potentiometer und ein Tone-Regler existiert, wird das nun in mehreren Volume-Einstellungen betrachtet. Dazu wird nun der Reihe nach in Stufen die Volume reduziert, und der Effekt auf den Frequenzgang genauer bestimmt.
Bei einer Reduktion der Lautstärke auf 90% hat sich die Resonanz bereits auf 2,58kHz mit einer Spitze von nur noch 0,48dB (1,16-fache Überhöhung) erhöht.
Bei einer Volume-Reduzierung auf 80% verschiebt sie sich nun sehr schnell weiter gegen 2,46kHz. Hier hat sie bereits schon beinahe jede Resonanz verloren, und ist nur noch ein Tiefpassfilter der relativ schlapp klingt. Eine weitere Reduzierung auf 50% und 10% wird in den beiden weiteren Grafiken gezeigt.
Hier erkennt man, das die Gitarre nur ausdrucksstark klingt, wenn sie in der höchsten Lautstärke eingestellt wird. Darunter wird der Sound sehr schnell schlapp, und das schon mit 5% Pegelreduzierung. Der einzige Ausreisser ist der Fall, wenn der Tone-Potentiometer komplett auf 0 gedreht wird. Dann entsteht eben bei jeder Volume eine neue Resonanz im sehr viel basslastigeren Bereich bei etwa 500Hz.
Höhenanreicherung mit RC-Schaltung
Nicht jeder will die Gitarre mit Volume 10 und Tone im Bereich 8 bis 10 spielen, da er sich sonst fragen wird, wozu der Volume-Potentiometer überhaupt existiert, wenn er nur Probleme macht. Nun gibt es um diesen ärgerlichen Punkt zu optimieren einen kleinen Trick. Man schaltet über den Volume-Potentiometer einen Kondensator und einen Widerstand. Wenn Volume auf Maximum steht ist dieser überbrückt - und greift mit abnehmender Einstellung ein, wo es darunter zu flach wird.
Hier kamen die Bauteile C3 mit 22nF und R5 mit 180kOhm neu hinzu.
Wie man sehen kann, ist die Resonanz bei 80% Volume mit noch deutlich ausgeprägt, was den neuen Klangcharakter der Gitarre auch bei 80% weiterhin erhält. Die neue Resonanz-Frequenz hat sich nun auf 2,83kHz mit 4,3dB (3,6-fache Überhöhung) eingestellt. Die folgenden Frequenzgänge sind nun bei 50%, 10% und 0% dargestellt.
Hier entfaltet der Frequenzgang eine neue Resonanz bei etwa 590Hz, die sehr flach verläuft. Gegen 0% ist der Ton dann weg, da der Kondensator gegen GND kurzgeschlossen ist, und keinen Spannungsabfall mehr am Amp erzeugen kann.
Kabelverluste
Um den Effekt von Kabelkapazitäten auf den Grund zu gehen, sind mehrere Frequenzgänge dargestellt, die bei 100% Volume und 0% Tone-Poti den Effekt zeigen sollen. Die Kapazität wird von 0pF bis 1000pF in 50pF-Stufen dargestellt.
Im Frequenzgang sieht man wie die Frequenz mit zunehmender Leitungslänge (bzw. Leitungskapazität) in der Resonanzfrequenz von ca. 4kHz auf 2kHz nach unten rückt, und damit an oberen Frequenzanteilen verliert. Nebenbei nimmt die Resonanzausprägung extrem zu. Das wären die Kabel von < 1 Meter bis etwa 12 Meter.
Der C-Switch (C-Load)
Wie man gesehen hat, ist die Resonanz-Frequenz abhängig von den Last-Kapazitäten, und die Resonanz-Ausprägung in erster Line von den Lastwiderständen. Hierbei kommen die Leitungskapazität, Tone-Poti-Kapazität zusammen, wie auch die Last durch Volume-Potentiometer und Eingangsimpendanz des Verstärkers. Nun kann man die Resonanz etwas verschieben, um dem eigenen Geschmack der Resonanzfrequenz näher zu kommen. Dazu bauen etliche Gitarristen sogenannte C-Switsches in ihre Gitarren. Das sind nichts anderes wie austauschbare Kondensatoren die per Stufenschalter einfach "eingebaut" werden.
In der Schaltung sieht man nun den neuen 1,5nF-Kondensator C2, der als Resonanzfrequenz-Veränderung eingebaut wurde. In der nachfolgenden Analyse wird der Kondensator von 0 bis 4700pF in 100pF-Schritten verändert.
Nun sollte die Funktion des C-Switch verstanden sein, der eine weite Klangvariation von dumpf bis metallisch ermöglicht. Die Resonanz verschiebt sich von 2,83Khz ohne C2 bis hinunter auf 965Hz bei maximalen 4,7nF. Man erkennt zum Gitarrenkabel bei voller Volume, das der selbe Effekt mit längerem Gitarrenkabel eintritt. Weiterhin erhöht sich hierdurch die Resonanzspitze um 10dB (20-fache) von 6,75dB auf 16,8dB. Dem Effekt kann man nun durch bisherige Erkenntnisse entgegenwirken, indem man zusätzlich einen Widerstand parallel zum Kondensator schaltet. Dadurch wird die Resonanzausprägung gehemmt, und der Ton klingt im Mittenbereich nicht mehr störend agressiv und dröhnend.
Der C-Switch mit Resonanzkorrektur (RC-Load)
In der Tuning sind nun ein bereits bestehender C2 und zusätzlich ein R2 hinzugekommen. Dieser bedämpft nun die maximale Resonanz auf einen angenehmeren Wert. Die Resonanz an der Stelle mit 4,7nF-Kondensator hat nun nur noch eine Ausprägung von 11,75dB (31-fache Überhöhung) was das System im Klang beruhigt. Eine weitere Verringerung von R2 bewirkt dementsprechend eine größere Bedämpfung.
Die Tuning-Section kann man nun über eine Stufenschalter mit passenden C- und R-Werten umschaltbar gestalten, anstatt sie wie üblich nur mit C-Werten zu bestücken. Damit hat man die Resonanz-Ausprägung und die Frequenz im Griff und kann in jeder Stellung einen angenehmen Sound herausholen. Alternativ wäre hier auch ein Potentiometer sinnvoll mit begrenzendem Vorwiderstand. Das sollte dann aber logarithmisch (ein A-Type) sein.
Diese Grafik zeigt eine Umschaltung mit zwei Positionen und abgestimmten Widerständen. Die Nachfolgende hat eher experiementellen Charakter und lässt die subtile Resonanz-Einstellung zu.
Dieses Konzept passt beispielsweise auch in eine Stratocaster mit ihren drei Potis und dem Wahlhebel, ohne sie äusserlich erkennbar zu modifizieren. Mit dem bereits vorhandenen 5-Wege Toggleswitch wäre nun möglich Pickups und C-Lasten im Tuning-Teil bereitzustellen. Der Bass-Regler kann als Resonanzregler dienen und der Höhenregler als Tone-Regler. Denkbar wäre auch ein Stufen- oder Umschalterschalter mit Mittelstellung für den Austausch der Kondensatoren ohne die Pickup-Kombinationen zu verändern. Allerdings haben sich die Berechnungen auf einen Humbucker mit seiner relativ hohen Induktivität bezogen. Eine Singlecoil hat nur die Hälfte dieser Werte, was die Resonanzfrequenz in etwa auf den doppelten Wert erhöht. Nun aber einige Kennlinien, die das Ganze etwas genauer aufzeigen.
In der Stellung 2,2nF ist die Resonanz bei voll aufgedrehtem Volume- und Tone-Regler nun im Bereich bei +10dB bis -1,9dB einstellbar. Die Resonanz-Frequenz selbst 1,32kHz verschiebt sich wie man erkennen kann dabei kaum.
Dasselbe Spiel mit dem 1nF-Kondensator am Schalter, die Resonanz ist hier im Bereich +8,3dB bis -4,3dB einstellbar. Die Resonanz-Frequenz liegt nun bei 1,74kHz, also etwas höher durch den kleineren Kondensator.
Die letzte Grafik zeigt den deaktivierten Kondensator, und kann nur noch in der Grundresonanz bei 2,7kHz beeinflusst werden. Der Resonanzbereich ist nun mittels Resonanz-Potentiometer bei +4,27dB bis -7,7dB einstellbar.
Da der Tone-Potentiometer keinen besonderen Nutzen darstellt, kann er nun einfach entfallen. Dadurch wird die Resonanz wieder besser und in der Gitarre ein neues Potentiometerloch für den Stufenschaler frei. Über Resonanz hat man nun einen Bereich geschaffen, den kein Tone-Regler mehr erzeugen kann und somit genug neue klangliche Möglichkeiten geschaffen. Die folgende Schaltung zeigt den neuen Stand der Konstruktion.
Zwei Kondensatoren mit 1nF, 2,2nF und ohne Kondensator sind in veränderter Resonanz einmal übereinander dargestellt. So erkennt man die Verschiebung der Resonanz-Frequenz per Kondensator-Auswahl und die Resonanz-Ausprägung mittels Resonanz-Potentiometer bei entferntem Tone-Potentiometer besser.
Verstärkerimpendanz (AC-Eingangswiderstand)
Ein richtiger Gitarrenverstärker besitzt eine definierte Eingangsimpendanz von 1MOhm. Diese wird üblich gemessen bei 1kHz im AC-Verhalten. Das hat den einfachen Grund, da sich der Klang der Gitarre extrem verändert, wenn die Impendanz zu gering wird. Übliche Eingänge an Mischpulten mit ihren ca. 50kOhm sind daher für eine E-Gitarre völlig ungeeignet, und rauben ihr den schönen resonanten Klang.
In der darüberliegenden Grafik wurden die selbe Gitarrenschaltung an verschiedenen Verstärker-Impendanzen über und unter dem Idealwert berechnet, um diesen negativen Effekt zu zeigen.
Die Schaltung wurde hierzu wieder auf die Basis-Schaltung der Gitarre mit voll aufgedrehtem Volume- und Tone-Regler bestimmt. Die Resonanz nimmt mit höherem Eingangswiderstand minimal zu, mit abnehmendem Eingangswiderstand flacht sie sogar extrem ab zu einem leblos klingenden dumpfen Tiefpassfilter ohne jede Resonanz. Nebenbei erkennt man auch den Pegelverlust der Gitarre, die nun in ihrer Lautstärke sogar im gesamten Frequenzbereich extrem einbricht. Hier sogar bis zu -7,28dB, was einem Pegelverlust am Verstärker von 89% gleichkommt. Was daraus ersichtlich ist, ein paar Kilo-Ohm mehr Eingangswiderstand sind nicht so drastisch im Sound, wie ein paar Kilo-Ohm unter diesem Wert. Also Finger weg von geringen Eingangsimpendanzen, außer man will sich den Sound wirklich mit Vorsatz und aller Gewalt ruinieren!
Das Klangspektrum verstehen
Um sich dem eigenen idealen Sound E-Gitarrensound anzunähern muß man zu allererst verstehen wie das menschliche Ohr Frequenzen wahrnimmt. Frequenzen um 2kHz empfinden wir bei gleichem Pegel als den durchsetzungsfähigsten gegen andere mit selbem Pegel. Weiterhin empfinden wir Frequenzen unterhalb von etwa 700Hz als dumpf, oberhalb von ca. 4kHz als eher agressiv metallisch (obertonreich). Basierend auf diesen Grundinformationen entstand nun eine Karte, an der ich die Auswirkung auf den endgültig empfundenen Sound der E-Gitarre in eine Frequenz-Karte gezeichnet habe. Wenn man ein System trimmt, muß man ja schlussendlich auch wissen wohin man optimieren soll um ein gewünschtes Ergebniss zu erreichen. Wild herumprobieren ist zwar die eine, aber die zielstrebige durch Wissen meist die bessere Lösung!
In der darüberliegenden Grafik wurde nun versucht, das gefühlte musikalische Empfinden einer E-Gitarre wiederzugeben, das die ensprechenden Änderungen der Resonanzspitze im Klangeindruck später ergeben werden. Damit kann man die Ergebnisse im Vorfeld schon sehr genau bestimmen (determinieren) und erspart sich viele unnötige Versuche mit relativ geringen Erfolgschancen. Die Bereiche beziehen sich auf die Resonanzspitze die sich durch die Beschaltung und Veränderung der Regler ergibt. Grün entspricht dabei Warm von Dumpf (ausdruckslos) bis Nasal, Violett ab Hell von singend über metallisch bis hin zu neutral (leblos). Aus diesem Spektrum lässt sich schon sehr leicht erkennen, das sich das reale Klangereigniss der Resonanz um 2kHz abspielen muß. Dort hin muß man den Pickup in die gewünschte Richtung durch seine externe Beschaltung trimmen.
In diesem Artikel befasse ich mich mit der E-Technischen Seite einer Gitarre und wie man sie gezielt tunen kann. Außerdem werden die Einflüsse von externen Komponenten auf die Klangeigenschaften der Gitarre genauer durchleuchtet. Als Grundprinzip, um es für den Einstieg nicht zu komplex zu gestalten, wird an einem Tone-Potentiometer und einem Volume-Potentiometer festgehalten, der verschieden konfiguriert wird. Vorweg, ich persönlich bin kein Gitarrenbauer, ich bin E-Techniker und gehe die Sache von der Seite der realen Physik an. Die Physik wirkt ja nicht nur im gesamten bekannten Universum, sondern auch gegen jede Verkaufsmasche in einem deutlich einfachen Universum, der E-Gitarre. Man muß es nur einmal richtig an der Basis vertanden haben, dann weiß man wie man an der richtigen Schraube drehen muß. Damit wird sich der nachfolgende Artikel auch wie ein roter Leitfaden im spezielleren befassen. Da die wenigsten Musiker hochdotierte E-Techniker sind, erspare ich die ganzen imaginären Gleichungen, und gehe direkt auf die berechneten Ergebnisse der Veränderungen ein.
Der Pickup
Zurück zur Basis, dem elementären Teil einer E-Gitarre, nennen wir es einmal die Seele der Gitarre. Der zentrale Teil einer jeden E-Gitarre ist der Pickup, in diesem Fall der Hals-Tonabnehmer als Humbucker einer üblichen Les Paul. Er ist der Generator, bzw. der Wandler der die Saitenschwingung in eine elektrische Spannung (genauer gesagt Leistung) umsetzt.
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Zuerst einmal muß der Pickup analysiert werden. Hierfür habe ich ein sogenanntes Ersatzschaltbild gezeichnet, das den Pickup in seiner elektrischen Eigenschaft darstellt - bestehend aus einer idealen Spule, einem Widerstand und einem Kondensator. Nebenbei erkennt man mit geschultem Auge auch gleich sehr gut, das es sich im Prinzip um einen offenen Schwingkreis handelt.
Wenn man nun den Pickup ohne Last betreibt, ergibt sich am alleinstehenden Pickup mit Kabelanschluss eine Resonanz auf ca. 5,51kHz mit etwa +22,3dB (800-facher Spannungsüberhöhung) an dieser Frequenz. Klar, der Pickup hat auch keine Belastungen und treibt die Spannung extrem hoch wegen der unendlichen (fehlenden) Last um auf seine Leistung aufgrund der enthaltenen Energie zu kommen.
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Verstärker und Kabel Anschluss
Das Ganze ist noch nicht real, das kann man so direkt nicht nutzen, stellt nur einmal die theoretische Ausgangslage unter unendlich hoher Belastung dar. Hinzu kommen jetzt noch 6m Gitarrenkabel mit 70pF/Meter und der Eingangswiderstand von etwa 1MOhm des angeschlossenen Gitarrenverstärkers.
Dann verschiebt sich die ganze Resonanz schon völlig anders und eine Dämpfung tritt ein, durch die hinzugekommene Komponente von 1MOhm.
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Die neue Resonanz-Frequenz sinkt nun auf 2,9kHz ab, und die Dämpfung der Amplitude an der Reonanz hat auf etwa +12,4dB (41-fach) abgenommen. Alles nur durch die Kapazität des Gitarrenkabels, sowie dem Innenwiderstand der des angeschlossenen Verstärkers. Wie man erkennen kann ist nun durch die Bedämpfung auch die Bandbreite der Resonanzspitze etwas breiter geworden.
Das Volume-Potentiometer
Nun folgt als nächste Erweiterung ein Volume-Potentiometer zu der direkten Variante, um an der Gitarre den Pegel an den Verstärker zu regulieren. Dieser hat in einer Les Paul üblicherweise 500kOhm, und dieser wird nun mitberechnet, um das neue Verhalten zu bestimmen. Das Potentiometer reduziert den Gesamtwiderstand des Verstärkers entsprechend weiter, was sich in einer weiteren Bedämpfung bemerkbar macht.
Interessant wird es hier schon, da der ändernde Widerstand am Potentiometer nebenbei die Resonanz nicht unerheblich bei abnehmendem Wert nach oben verschiebt, und nicht nur den Pegel verändert.
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Die Resonanz ist bei voll aufgedrehtem Volume-Potentiometer bei 2,9kHz und 7,4dB (9-fache Überhöhung) und wandert mit abnehmender Einstellung gegen 5,4kHz nach oben, was sich von einem warmen Klangbild zu einem metallischen Klangbild auswirkt. Bei fast abgedrehtem Volume-Potentiometer ist die Resonanz nur noch bei etwa +5,7dB (5,5-fache Überhöhung), also um ein Drittel merklich schwächer geworden.
Parallele Kapazitäten (Klangregelung)
Nun geht es weiter mit parallelen Kapazitäten zum Pickup. Diese Art der Beschaltung ist die allgemein übliche Form einer Klangregelung. Dabei wird ein variabler Widerstand mit einem Kondensator in Reihe geschaltet. In diesem Fall mit 22nF und 500k Potentiometer.
Allgemein erkennt man schon die geringere Resonanz-Spitze mit nur noch 4,28dB (3,6-facher Überhöhung) bei nun 2,76kHz. Bei Veränderung des Tone-Reglers und voll aufgedrehtem Volume-Regler wird zuerst die Amplitude an der Resonanz bedämpft, und verschiebt gegen die unterste Einstellung die Resonanz sogar noch abrupt in einen tieferen Frequenzbereich auf 355Hz. Gleichzeitig wird auch die maximale Resonanzfähigkeit durch den Tone-Regler begrenzt. Dort bildet sich nur noch eine andere Anhebung bei 355Hz mit 1,24dB (1,4-fache Überhöhung) aus.
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Da ein Volume-Potentiometer und ein Tone-Regler existiert, wird das nun in mehreren Volume-Einstellungen betrachtet. Dazu wird nun der Reihe nach in Stufen die Volume reduziert, und der Effekt auf den Frequenzgang genauer bestimmt.
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Bei einer Reduktion der Lautstärke auf 90% hat sich die Resonanz bereits auf 2,58kHz mit einer Spitze von nur noch 0,48dB (1,16-fache Überhöhung) erhöht.
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Bei einer Volume-Reduzierung auf 80% verschiebt sie sich nun sehr schnell weiter gegen 2,46kHz. Hier hat sie bereits schon beinahe jede Resonanz verloren, und ist nur noch ein Tiefpassfilter der relativ schlapp klingt. Eine weitere Reduzierung auf 50% und 10% wird in den beiden weiteren Grafiken gezeigt.
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Hier erkennt man, das die Gitarre nur ausdrucksstark klingt, wenn sie in der höchsten Lautstärke eingestellt wird. Darunter wird der Sound sehr schnell schlapp, und das schon mit 5% Pegelreduzierung. Der einzige Ausreisser ist der Fall, wenn der Tone-Potentiometer komplett auf 0 gedreht wird. Dann entsteht eben bei jeder Volume eine neue Resonanz im sehr viel basslastigeren Bereich bei etwa 500Hz.
Höhenanreicherung mit RC-Schaltung
Nicht jeder will die Gitarre mit Volume 10 und Tone im Bereich 8 bis 10 spielen, da er sich sonst fragen wird, wozu der Volume-Potentiometer überhaupt existiert, wenn er nur Probleme macht. Nun gibt es um diesen ärgerlichen Punkt zu optimieren einen kleinen Trick. Man schaltet über den Volume-Potentiometer einen Kondensator und einen Widerstand. Wenn Volume auf Maximum steht ist dieser überbrückt - und greift mit abnehmender Einstellung ein, wo es darunter zu flach wird.
Hier kamen die Bauteile C3 mit 22nF und R5 mit 180kOhm neu hinzu.
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Wie man sehen kann, ist die Resonanz bei 80% Volume mit noch deutlich ausgeprägt, was den neuen Klangcharakter der Gitarre auch bei 80% weiterhin erhält. Die neue Resonanz-Frequenz hat sich nun auf 2,83kHz mit 4,3dB (3,6-fache Überhöhung) eingestellt. Die folgenden Frequenzgänge sind nun bei 50%, 10% und 0% dargestellt.
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Hier entfaltet der Frequenzgang eine neue Resonanz bei etwa 590Hz, die sehr flach verläuft. Gegen 0% ist der Ton dann weg, da der Kondensator gegen GND kurzgeschlossen ist, und keinen Spannungsabfall mehr am Amp erzeugen kann.
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Kabelverluste
Um den Effekt von Kabelkapazitäten auf den Grund zu gehen, sind mehrere Frequenzgänge dargestellt, die bei 100% Volume und 0% Tone-Poti den Effekt zeigen sollen. Die Kapazität wird von 0pF bis 1000pF in 50pF-Stufen dargestellt.
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Im Frequenzgang sieht man wie die Frequenz mit zunehmender Leitungslänge (bzw. Leitungskapazität) in der Resonanzfrequenz von ca. 4kHz auf 2kHz nach unten rückt, und damit an oberen Frequenzanteilen verliert. Nebenbei nimmt die Resonanzausprägung extrem zu. Das wären die Kabel von < 1 Meter bis etwa 12 Meter.
Der C-Switch (C-Load)
Wie man gesehen hat, ist die Resonanz-Frequenz abhängig von den Last-Kapazitäten, und die Resonanz-Ausprägung in erster Line von den Lastwiderständen. Hierbei kommen die Leitungskapazität, Tone-Poti-Kapazität zusammen, wie auch die Last durch Volume-Potentiometer und Eingangsimpendanz des Verstärkers. Nun kann man die Resonanz etwas verschieben, um dem eigenen Geschmack der Resonanzfrequenz näher zu kommen. Dazu bauen etliche Gitarristen sogenannte C-Switsches in ihre Gitarren. Das sind nichts anderes wie austauschbare Kondensatoren die per Stufenschalter einfach "eingebaut" werden.
In der Schaltung sieht man nun den neuen 1,5nF-Kondensator C2, der als Resonanzfrequenz-Veränderung eingebaut wurde. In der nachfolgenden Analyse wird der Kondensator von 0 bis 4700pF in 100pF-Schritten verändert.
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Nun sollte die Funktion des C-Switch verstanden sein, der eine weite Klangvariation von dumpf bis metallisch ermöglicht. Die Resonanz verschiebt sich von 2,83Khz ohne C2 bis hinunter auf 965Hz bei maximalen 4,7nF. Man erkennt zum Gitarrenkabel bei voller Volume, das der selbe Effekt mit längerem Gitarrenkabel eintritt. Weiterhin erhöht sich hierdurch die Resonanzspitze um 10dB (20-fache) von 6,75dB auf 16,8dB. Dem Effekt kann man nun durch bisherige Erkenntnisse entgegenwirken, indem man zusätzlich einen Widerstand parallel zum Kondensator schaltet. Dadurch wird die Resonanzausprägung gehemmt, und der Ton klingt im Mittenbereich nicht mehr störend agressiv und dröhnend.
Der C-Switch mit Resonanzkorrektur (RC-Load)
In der Tuning sind nun ein bereits bestehender C2 und zusätzlich ein R2 hinzugekommen. Dieser bedämpft nun die maximale Resonanz auf einen angenehmeren Wert. Die Resonanz an der Stelle mit 4,7nF-Kondensator hat nun nur noch eine Ausprägung von 11,75dB (31-fache Überhöhung) was das System im Klang beruhigt. Eine weitere Verringerung von R2 bewirkt dementsprechend eine größere Bedämpfung.
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Die Tuning-Section kann man nun über eine Stufenschalter mit passenden C- und R-Werten umschaltbar gestalten, anstatt sie wie üblich nur mit C-Werten zu bestücken. Damit hat man die Resonanz-Ausprägung und die Frequenz im Griff und kann in jeder Stellung einen angenehmen Sound herausholen. Alternativ wäre hier auch ein Potentiometer sinnvoll mit begrenzendem Vorwiderstand. Das sollte dann aber logarithmisch (ein A-Type) sein.
Diese Grafik zeigt eine Umschaltung mit zwei Positionen und abgestimmten Widerständen. Die Nachfolgende hat eher experiementellen Charakter und lässt die subtile Resonanz-Einstellung zu.
Dieses Konzept passt beispielsweise auch in eine Stratocaster mit ihren drei Potis und dem Wahlhebel, ohne sie äusserlich erkennbar zu modifizieren. Mit dem bereits vorhandenen 5-Wege Toggleswitch wäre nun möglich Pickups und C-Lasten im Tuning-Teil bereitzustellen. Der Bass-Regler kann als Resonanzregler dienen und der Höhenregler als Tone-Regler. Denkbar wäre auch ein Stufen- oder Umschalterschalter mit Mittelstellung für den Austausch der Kondensatoren ohne die Pickup-Kombinationen zu verändern. Allerdings haben sich die Berechnungen auf einen Humbucker mit seiner relativ hohen Induktivität bezogen. Eine Singlecoil hat nur die Hälfte dieser Werte, was die Resonanzfrequenz in etwa auf den doppelten Wert erhöht. Nun aber einige Kennlinien, die das Ganze etwas genauer aufzeigen.
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Da der Tone-Potentiometer keinen besonderen Nutzen darstellt, kann er nun einfach entfallen. Dadurch wird die Resonanz wieder besser und in der Gitarre ein neues Potentiometerloch für den Stufenschaler frei. Über Resonanz hat man nun einen Bereich geschaffen, den kein Tone-Regler mehr erzeugen kann und somit genug neue klangliche Möglichkeiten geschaffen. Die folgende Schaltung zeigt den neuen Stand der Konstruktion.
Zwei Kondensatoren mit 1nF, 2,2nF und ohne Kondensator sind in veränderter Resonanz einmal übereinander dargestellt. So erkennt man die Verschiebung der Resonanz-Frequenz per Kondensator-Auswahl und die Resonanz-Ausprägung mittels Resonanz-Potentiometer bei entferntem Tone-Potentiometer besser.
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Ein richtiger Gitarrenverstärker besitzt eine definierte Eingangsimpendanz von 1MOhm. Diese wird üblich gemessen bei 1kHz im AC-Verhalten. Das hat den einfachen Grund, da sich der Klang der Gitarre extrem verändert, wenn die Impendanz zu gering wird. Übliche Eingänge an Mischpulten mit ihren ca. 50kOhm sind daher für eine E-Gitarre völlig ungeeignet, und rauben ihr den schönen resonanten Klang.
In der darüberliegenden Grafik wurden die selbe Gitarrenschaltung an verschiedenen Verstärker-Impendanzen über und unter dem Idealwert berechnet, um diesen negativen Effekt zu zeigen.
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Die Schaltung wurde hierzu wieder auf die Basis-Schaltung der Gitarre mit voll aufgedrehtem Volume- und Tone-Regler bestimmt. Die Resonanz nimmt mit höherem Eingangswiderstand minimal zu, mit abnehmendem Eingangswiderstand flacht sie sogar extrem ab zu einem leblos klingenden dumpfen Tiefpassfilter ohne jede Resonanz. Nebenbei erkennt man auch den Pegelverlust der Gitarre, die nun in ihrer Lautstärke sogar im gesamten Frequenzbereich extrem einbricht. Hier sogar bis zu -7,28dB, was einem Pegelverlust am Verstärker von 89% gleichkommt. Was daraus ersichtlich ist, ein paar Kilo-Ohm mehr Eingangswiderstand sind nicht so drastisch im Sound, wie ein paar Kilo-Ohm unter diesem Wert. Also Finger weg von geringen Eingangsimpendanzen, außer man will sich den Sound wirklich mit Vorsatz und aller Gewalt ruinieren!
Das Klangspektrum verstehen
Um sich dem eigenen idealen Sound E-Gitarrensound anzunähern muß man zu allererst verstehen wie das menschliche Ohr Frequenzen wahrnimmt. Frequenzen um 2kHz empfinden wir bei gleichem Pegel als den durchsetzungsfähigsten gegen andere mit selbem Pegel. Weiterhin empfinden wir Frequenzen unterhalb von etwa 700Hz als dumpf, oberhalb von ca. 4kHz als eher agressiv metallisch (obertonreich). Basierend auf diesen Grundinformationen entstand nun eine Karte, an der ich die Auswirkung auf den endgültig empfundenen Sound der E-Gitarre in eine Frequenz-Karte gezeichnet habe. Wenn man ein System trimmt, muß man ja schlussendlich auch wissen wohin man optimieren soll um ein gewünschtes Ergebniss zu erreichen. Wild herumprobieren ist zwar die eine, aber die zielstrebige durch Wissen meist die bessere Lösung!
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In der darüberliegenden Grafik wurde nun versucht, das gefühlte musikalische Empfinden einer E-Gitarre wiederzugeben, das die ensprechenden Änderungen der Resonanzspitze im Klangeindruck später ergeben werden. Damit kann man die Ergebnisse im Vorfeld schon sehr genau bestimmen (determinieren) und erspart sich viele unnötige Versuche mit relativ geringen Erfolgschancen. Die Bereiche beziehen sich auf die Resonanzspitze die sich durch die Beschaltung und Veränderung der Regler ergibt. Grün entspricht dabei Warm von Dumpf (ausdruckslos) bis Nasal, Violett ab Hell von singend über metallisch bis hin zu neutral (leblos). Aus diesem Spektrum lässt sich schon sehr leicht erkennen, das sich das reale Klangereigniss der Resonanz um 2kHz abspielen muß. Dort hin muß man den Pickup in die gewünschte Richtung durch seine externe Beschaltung trimmen.
- Eigenschaft
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