Hangszer-, és egyéb tesztek VII.
A hangszedőkről
Az alábbi értekezés Derzsi Zoltán HA5DZS zsenigyanús elektromérnök hallgató egy konferenciára készített szakdolgozata, amely a gitáron használt hangszedők (pickup) érzékeny lelkivilágába vezeti be a romantikára hajlamos Tisztelt Olvasót.
A XX. és a XXI. században a zene fontosságát, népszerűségét páratlan kifejezőerejének és hangulatkeltő képességének köszönheti. Minden földi kultúrának megvan a maga zenéje, főbb stilisztikai jellemzői, érzelmi és mitológiai világa. Manapság a zene készítéséhez többnyire már számítógépet használnak. A zene készítésekor (szerzésekor, írásakor) két „véglet” lehetséges: a tisztán hangszeres (instrumentális, komolyzene), és a tisztán elektronikus (pl. goa, hardstyle, electro, stb.).
A gitár népszerűsége abban rejlik, hogy szinte mindenféle zenei stílusban felhasználható. Nézzünk meg egy flamenco-gitárost és egy rock'n'roll szólógitárost! A hangszer elvét tekintve ugyanaz, azonban a felhasználás, a játék módja és célja teljesen különbözik.
Tehát a gitárnak alapvetően 2 fajtája van:
az elektromos gitár, ahol a húrok rezgését elektromos (mágneses, piezoelektromos) úton juttatjuk a háttérberendezésbe (torzító, erősítő, hangfal)...
...és az akusztikus gitár, ahol a húrok rezgését akusztikus úton (a gitár testének „hangdoboz” rezonálása) alakítja hallható hanggá, azonban ezt utána elektromos jelekké kell alakítani, ha rögzíteni vagy hangosítani akarjuk. Ide sorolandók az elektroakusztikus gitárok is, mivel azonos a működési elvük. Ez utóbbi gitárokba beletették az akusztikus-elektromos átalakítót is (ez a későbbiekben kerül részletezésre).
A gitár általánosságban a következő szerkezeti egységekre bontható le:
Forrás: Wikipedia
Mint látható, a gitár főbb részei megegyeznek. Az elektromos gitáron nem került bemutatásra a koptatólap, ami itt a húrláb és a nyak közötti, formára vágott, fehér rész, benne a hangszedőkkel. Egyébként ilyen koptatólap létezik akusztikus gitárhoz is. A húrláb és a nyereg közti távolság a menzúrahossz. A fogólapon az érintőket hívják bundoknak is.
Egyes elektromos gitárokon a húrlábat úgy alakították ki, hogy egy karral lehessen változtatni a húrok hosszát. Ezt tévesen tremolókarnak hívják, több fajtája van (a tremolo szaggatást jelent, ez pedig inkább nyújtja a hangokat). A képen egy Vintage tremoló látható, mellyel csökkenteni lehet a húrok feszességét, lefele hangolva ezzel a gitárhúrt. A Fender gyártmányú gitárok rendelkeznek hasonló elven működő karral.
A Floyd Rose-típusú tremolóval ellátott húrláb egy olyan speciális eszköz, amivel a gitár húrjait mindkét irányba lehet hangolni. Ez a húrokra és a hangolókulcsokra nagy terhelést jelent, mert könnyen elhangolódhat, ezért az ilyen gitárokon a nyergen csavarokkal lehet a húrokat leszorítani (lásd az alsó képen a három csavaros, ún. satut). A Jackson, Ibanez, és Epiphone gitárokon lehet ilyen kart látni:
A gitár hangzásának okai
Mint ismeretes, ha kifeszítünk két fix pont között egy húrt, akkor az megpendítés után színusz függvény szerint fog rezegni, ezáltal a húr hangereje, azaz a színuszgörbe kilengése periodikusan csökken (nem számítva az anyag minőségét, a levegő súrlódását, stb.)...
...ahol:
-
a - a húr síkjához viszonyított helye húrközépen,
-
b - az időegységenkénti csillapítási állandó,
-
A - a maximális húrkitérési érték.
Gitárnál azonban nem ilyen egyszerű a helyzet. Ha a gitáron a húrt megpendítjük, akkor az egész gitár teste rezonálni kezd. Minimálisan ugyan, de a nyereg és a húrláb is mozogni (rezegni) fog, mely pont elég ahhoz, hogy a húr rezgése ne legyen szinuszos. Elektromos gitárnál oszcilloszkóp használatával lehet a legkönnyebben ezt látni:
Természetesen az alapfrekvencia ugyanaz, azonban jócskán jut a jelbe felharmonikus is. Így lesz az akusztikus gitár hangja egyedi és ezeket a hullámjelenségeket használják ki az elektromos gitárosok is. A gitár hangja tehát nagyban függ a felhasznált anyagok fajtáitól, a részegységek illesztésétől, valamint a húrok fajtájától, és azok rögzítésétől, lényegében az egész gitár formájától, kialakításától.
A gitár készítésekor felhasznált anyagok
Egy hangszer készítése igen komoly szaktudást igényel, pontosan kell ismerni az egyes anyagok jellemzőit, megmunkálhatóságát. Ráadásul a (többnyire kézi) szerszámokat igen precízen kell használni, több évi tanulás után.
A gitárokat elsöprő többségét fából készítik. A fa fajtájától (tölgy, juhar, mahagóni...) függ az egész gitár hangzásvilága. Általánosságban elmondható, hogy a keményebb fából készült gitárok ércesebb, élesebb hanggal rendelkeznek, a puhább fából készültek tompábbak, lágyabbak, melegebbek.
Játék közben a gitáros a fogólapon szorítja („fogja le”) a húrokat, így változtatva a megpendített hang magasságát. Emiatt a fogólap hajlamos a kopásra, így azt általában keményebb fából (ébenfa, rózsafa) készítik, de ez nem szükségszerű.
A hetvenes évek közepe óta folyik a kísérletezés a hangszergyártó cégeknél alternatív anyagok felhasználására. Olyan kompozit anyagok, mint például a kevlár egyre inkább teret nyernek a fával szemben. Manapság azonban a nagy szériában gyártott olcsó gitárok mellett még nem terjedtek el.
Miután a gitárok zöme fából készül, ezért létfontosságú a megfelelő primer védelem kialakítása is: játék közben izzadhat a zenész, a hangszer élete során hordozásnál, pakolásnál ütődések keletkezhetnek, stb. Erre speciális hangszerlakkokat fejlesztettek ki, melyek jobban bírják a mechanikai igénybevételt és nehezebben töredeznek fel, mint a hagyományos lakkok.
A részegységeket (test, nyak) vagy összecsavarozzák, vagy ragasztják (például akusztikus gitárok esetében). Vannak ún. "átmenőnyakas" elektromos gitárok is, melyeknél a nyak végigfut a testen, és a hangszedőket is abba teszik, megfelelő megmunkálás után. Pénzes László egyik gitárja (Ibanez Musician) ilyen átmenőnyakas megoldású:
A képen kivehető, hogy a gitárnyak anyaga valóban végigmegy a testen és teljesen össze van dolgozva vele. Ez leginkább az elektromos csatlakozó alatti területen figyelhető meg.
Rideg, hangot nem jól vezető anyagokból (pl. üveg) nem lehet (jó) gitárt készíteni.
Az elektomos gitár hangszedői
Az elektronika térhódítása előtt a zenészek a húros hangszereikkel nem tudtak partnerek lenni a zenekar többi tagjával, a fúvósokkal és a dobokkal. Ezt a klasszicizmus korában úgy orvosolták, hogy sokkal több húros hangszert tettek be a szimfonikus zenekarba. Ha a zenészek képesek voltak egyszerre és együtt játszani, akkor a hangélmény megfelelő lett.
Nagyobb testű hangszerekkel lehetett hangversenyt készíteni (pl. csellóverseny),
ám egy hegedű hangja túlságosan gyenge az ilyen jellegű kompozíciókhoz. Így ha volt is hegedűszóló egy
zenedarabban, hangja elmaradt a zenekarétól, rontva ezzel a zene élvezetét. A
hangszer hangosításának próbálkozásai (hangtölcsér, több húr, stb.)
nevetségesnek bizonyultak. (A rezonátort gitároknál azonban a mai napig
használják.)
1925-re azonban George Beauchamp...
...előállt egy ötlettel: ha a hegedűre fém, vagy más mágnesezhető, pl. acélhúrokat fűzünk és a húrok alá koercitív erővel rendelkező ferromágneses magú tekercset teszünk, akkor a tekercsen hegedűjáték közben elektromos jelet lehet mérni, melyet hangerősítőre kötve meg lehet hallgatni. Ez volt az első elektromos hangszedő, amellyel lehetségessé vált egy húros hangszer hangját felerősíteni. Az ötlet korszakalkotónak bizonyult, azonban volt egy probléma: a hangszedő nem megfelelően adta vissza a hegedű hangját és ezt sokan mind a mai napig problémának tartják.
Ennek ellenére 1931-ben ő és Adolph Rickenbacker villamosmérnök elkészítették a világ első elektromos hawaii gitárját, amelyből mintegy másfél ezer darabot adtak el. A neve Rickenbacker's Frying Pan volt, azaz Rickenbacker palacsintasütője. Ez lett az első sikeres együttműködés egy zenész és egy mérnök között, amely aztán alapjaiban változtatta meg a könnyűzenéről alkotott fogalmakat.
Az egytekercses (single coil) hangszedő
Az alapelv egyszerű: a ferromágneses anyagból készült húrok rezgése a húrok alá helyezett, nem nulla koercitív erejű vasmaggal szerelt tekercsben feszültséget indukál. Tehát kell egy állandó mágnes, egy csévetest és nagy mennyiségű, vékony, lakkozott rézdrót.
Az egytekercses hangszedő műszaki paramétereit fontossági sorrendben az alábbiak határozzák meg:
-
a vasmag mágnesességének ereje (Hc),
-
a tekercs fizikai méretei,
-
a tekercs menetszáma.
Ha a hangszedőt egy AC feszültséggenerátornak feltételezzük, akkor rájöhetünk, hogy igen problémás a hanghűséget fenntartani:
L1 induktivitás a tekercs menetszámából következik, C1 kapacitás pedig jellemzően szerelésből, a lakk dielektromos jellemzőitől függ, amely igen kis érték. Alapvetően minden mágneses hangszedőnek aluláteresztő jellege van. A hangszedő helyettesítő négy pólusára jobb oldalon csatlakozik a feszültséggenerátor, bal oldalra pedig a fogyasztó (előerősítő, torzító, stb.) kerül. Látható, hogy ennek az elrendezésnek a frekvenciamenete távolról sem lesz lineáris, tehát sosem lesz egy elektromos gitárnak igazi akusztikus hangja. Azonban megfelelő méretezéssel lehet rá törekedni!
A jó hangszedő tehát:
-
közepesen erős mágneseket használ (AlNiCo ötvözet),
-
mérsékelten nagy menetszámmal rendelkezik (néhány ezer menet),
-
kissé szélesebb, enyhén túlnyúlik a húrokon.
Az elektromos gitár hangzása azonban függ:
-
a húr és a vasmag távolságától,
-
a hangszedő a húrhoz viszonyított dőlésszögétől,
-
pengetés közben a húron lejátszódó hullámjelenségektől.
A hangszedő működési elvéből következik, hogy nem az egész húron, hanem annak csak bizonyos részén képes a mozgást elektromos jelekké alakítani. Ez azt jelenti, hogy rendkívül fontos a hangszedő helyzete, állása és szöge a húrlábakhoz képest.
Azt a térrészt, ahol a hangszedő „érzékenysége maximális” 3 dB-en belül, nevezzük apertúrának. Minél nagyobb lesz az apertúra, a tekercs vasmagjának keresztmetszete, annál érzéketlenebb lesz a húr pendítése során a felharmonikusokat keltő hullámjelenségekre, tehát annál tompább lesz a hangja.
Tapasztalati úton a gitárgyártóknál az apertúra értéke 2-től 5 centiméterig terjed. A gitár menzúrájához viszonyítva a következőképpen néz ki:
A kép jobb szélén található a húrláb és a nyolcszög alakú folt a hangszedő helye.
Az E6 húr (82,5 Hz) spektruma egy 2 cm apertúrájú hangszedőn...
...és egy 5 cm apertúrájún:
Ebből az elrendezésből látható, hogy a kisebb apertúrájú hangszedőkben sokkal több a felharmonikus, mint a nagyobban.
Egy mai gyártású single coil-hangszedőben a vasmagot különlegesen munkálják meg. A vasmag felső részét úgy alakítják ki, hogy a húrok felé eső részen közvetlenül csak a húrok alatt legyen mágneses vezetés. Két húr között felesleges a mágneses teret fókuszálni, hiszen ott nem „történik semmi”, így nem változik a tekercs fluxusa sem.
Drágább hangszedőkben az egyes húrok alatt változtathatók a vasmag kivezetéseinek magassága. Természetesen maga a hangszedő állása, síkja is variálható, tovább bővítve ezzel a beállítási lehetőségeket. Nagyobb távolságnál nagyobb hanghűség, kisebb távolságnál nagyobb torzítás érhető el. Ez az apertúra trapéz alakjának köszönhető:
A satírozott rész a hangszedő maga, a fehér pedig az apertúra közelítő alakja a távolság függvényében.
A mai gyártású elektromos gitároknak több, egymással kombinálható hangszedője is van, ezáltal válik lehetségessé a gitár hangszínének sokrétű változtatása.
Mint ismeretes, a gitár húrjai nem színuszosan rezegnek. Emiatt különböző hullámjelenségek (állóhullám, egyéb interferenciák) jelennek meg a húron pengés közben. Tehát ha lehetőségünk van egyszerre több hangszedőt is használni, akkor ezek további lehetőségeket vetnek fel.
A képen az alaphang és annak első, második, harmadik, valamint negyedik felharmonikusa került külön-külön ábrázolásra. Érdemes szemügyre venni a különböző frekvenciákon a különböző hangszedőkből érkező feszültségeket. A képen szuperpozíció történik, mely jelenség frekvenciafüggő, így a hangoknál más és más hangszínt lehet ezzel a módszerrel produkálni.
A single coil-hangszedők hátrányai
Az egytekercses hangszedő felépítése egyszerű, azonban konstrukciója sok problémát is felvet.
A túl nagy menetszámú hangszedők nagy feszültséget szolgáltatnak, de sokkal érzékenyebbek lesznek a környező elektromos zajra. Halk gitárjátéknál ennek beláthatatlan következményei lehetnek. A single coil-ok Achilles-ina a tekercs elvi felépítésében rejlik, mivel sajnos nemcsak a húrok rezgése által okozott fluxusváltozás indukál feszültséget a tekercsben, hanem minden annak síkjára merőleges térerősség. Amióta pedig villanymotor és hálózati transzformátor létezik, azóta sajnos szórt mágneses tér is tapasztalható, ami igen durván zavarhatja a hasznos jelet. Egyszóval hangszedőnk "brummos" lesz. Ezen jelenség ellen kétféleképpen lehet védekezni: A legegyszerűbb és legrégebbi megoldás két, szemben lévő egytekercses hangszedő soros kapcsolása. Tehát sorosan úgy kell bekötnünk őket, hogy a menetük iránya pont ellenkező legyen. Ezzel az azonos forrásból származó brumm térerőhatását kiküszöböltük, de nagyon megnöveltük az apertúrát. Ezt a megoldást a Fender Stratocaster gitárokon használták először.
A másik egytekercses megoldás a konstrukció megváltoztatása. Ez az utóbbi években terjedt el: a tekercs köré ferromágneses árnyékoló serleget tesznek, amellyel megváltoztatják a mágneses mező alakját, így az „ápol és eltakar” elvét felhasználva védik a tekercset.
A humbucker-hangszedő
Az egytekercses hangszedők hátrányát igen sokáig nem voltak képesek a villamosmérnökök megfelelően megoldani. A Gibson hangszergyártó cég mérnöke, Seth Lover és a Gretsch tervezője, Ray Butts egymástól függetlenül, de azonos időben fejlesztette ki az új hangszedőt.
A lényege, hogy két egytekercses hangszedőt kapcsolnak sorosan szembe, de úgy, hogy a két hangszedő egybe van építve, azaz közös mágneskörön nyugszik. Ezzel le lehet csökkenteni az apertúra méretét, és ki lehet szűrni a káros mágneses brummot.
Modernebb humbucker-hangszedőkben az egész szerelvény egy árnyékoló serlegben van, amely még jobban véd a zajtól. Mint a fenti képen látható, az állandó mágnes most már nem közvetlen a tekercsben van, hanem a két tekercs vasmagja közötti összekötő hídon. Így sokkal jobb hangminőség és az egymással ellentétes menetű tekercsekben nullává szuperponálódik bármilyen külső mágneses zavaró jel.
Nem mágneses technológiájú hangszedők (piezoelektromosság)
Néhány évtizede a piezoelektromos anyagok finomodásának, átalakítási hatékonyságának növekedésének következtében a professzionális hangtechnika is felfigyelt a benne rejlő lehetőségekre.
A piezoelektromosság lényege az, hogy az anyag mechanikai energiát alakít át elektromos energiává. Így működik az „áramos” öngyújtó gyújtószerkezete, a régi mobiltelefonok hívásjelzője, régi lemezjátszó-hangszedők és az NDK-ban gyártott CB667 és 76MM-be építhető kristálymikrofon is.
Gitárok esetében azt használjuk ki, hogy a gitár teste (sőt nyaka is) is rezonál, amit át tudunk adni a piezoelektromos hangszedőnek, így azt (megfelelő előerősítés után) fel tudjuk használni. Az ilyen gitárokban található egy ultra-kis-zajú FET-es előerősítő, ami a piezokristályból kijövő néhány mikrovoltos feszültséget erősíti fel a mágneses hangszedőkkel ellátott gitárok szintjére.
Az alábbi fotó egy gitárnyakra erősített piezo-hangszedőt mutat:
Akusztikus gitár hangjának elektromossá alakítása
A hatvanas évekre a zenei stílus megváltozott, kifinomodott annyira, hogy igényelte a hagyományos akusztikus gitárok hangját hangfelvételen és koncerten egyaránt. Erre korábban dinamikus mikrofonokat használtak, melyek sajnos nem csak a gitárjátékot, hanem a háttérben az egyéb zajokat (köhögés, beszélgetés, stb.) is rögzítette.
Borsószem nagyságú elektret mikrofonok
A dinamikus mikrofonok érzékenységét és fizikai méretét nem lehet minden határon túl lekicsinyíteni, így indult meg a kutatás az új akusztikus-elektromos átalakítók kifejlesztésére. 1965-re James E. West az elektret hatást kihasználva készített egy mikrofont, mely igen kicsi és elég érzékeny volt ahhoz, hogy a hangszerbe is be lehessen építeni. Ezzel megszülettek az elektroakusztikus gitárok első generációi. Miután a mikrofon a gitár testébe került, így sokkal jobb minőségű felvételeket lehet készíteni. Sajnos a mikrofon fő problémája itt is az érzékenység volt, hiszen elég gyakran kerültek gerjedésbe a kihangosító berendezéssel.
A nyolcvanas években a piezoelektromos technológia kifejlődésekor az elektroakusztikus gitárokba is ilyen hangszedőt tettek, ezzel a kihangosítási problémát teljesen kiküszöbölve. Pontosan ugyanazon elv alapján működnek, mint az elektromos gitár hangszedői.
A jövőről
Akárhogy is alakulnak a dolgok a jövőben, a gitárosok zömének megfelel a mai gitártechnológia. 50-60 évvel ezelőtt élt elődeink kitűnően kiismernék magukat a mai gitárokon és fordítva: sok gitáros még a nagyapja gitárját is megtartja, használja. Hangszereknél nincs a közgazdaságtanból ismert „erkölcsi kopás” fogalom, hiszen a hangszer minél öregebb, annál jobb és értékesebb. Egy 1954-es Fender Stratocaster, vagy egy 1975-ös Gibson Les Paul akár több millió forintba is belekerülhet és a legnagyobb előadóművészek játszanak rajtuk.
Az elektromos hangzás sokrétűségéhez hozzátartozik: annyi mindent lehet olyan sokféleképpen beállítani, hogy szinte nincs is két egyforma hangú gitár és minden gitáros meg tudja találni a saját, csakis rá jellemző hangzását.
A főbb csapásirányok az új, olcsóbb anyagok és technikák kifejlesztése és a húrok rezgésének elektromossá alakításának precizitása.
Optikai elven például lézerekkel lehetséges bizonyos szintig a hangszedők apertúráját egy pontra összehúzni és fokozatmentesen állítani, amely idáig lehetetlen célkitűzés volt. Az alábbi kép egy ilyen elven működő hangszedőt mutat:
További lehetőség a hangszedők mágneses visszacsatolása (Sustainiac-hangszedők) és ezáltal a pengetés nélküli, tisztán tapping-technikával történő gitárjáték, ahol a húrokat lényegében örökké megpendített állapotban lehet tartani. (Pénzes László egy ilyen hangszedővel ellátott Jackson-gitár lehetőségeit mutatja meg a Zenés bemutatkozás fejezet "A-moll jazz blues backing - improvizáció - részlet" című részében.)
Jelen pillanatban a fejlesztések a gitárra kapcsolható DSP-k, torzítók, erősítők és egyéb átviteli rendszerekre összpontosulnak. Sőt, ez az egyik ritka akusztikai villamosmérnök tudományág, ahol még mindig foglalkoznak elektroncsövekkel, és mind a mai napig gyártanak csöveket gitárerősítőkbe.
Források
http://www.bananas.com/multimedia/5577/FullImage/5577.jpg
http://www.mansons.org/shopping/images/items/1139/1139_1_medium.jpg
http://hu.wikipedia.org/wiki/Git%C3%A1r
http://www.ballurio.com/stuff.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/George_Beauchamp
http://en.wikipedia.org/wiki/Stuff_Smith
http://www.electricguitarwebsite.com/1930s.html
http://www.stonefingers.org/Frying%20Pan%20Guitar%20Close%20Up.jpg
http://www.till.com/articles/PickupResponseDemo/index.html
http://www.till.com/articles/PickupResponse/index.html
Pénzes László
