Kristallabtastsystem

Als Tonabnehmer wird ein elektroakustischer Wandler (Sensor) bezeichnet, der mechanische Schwingungen in Festkörpern (Körperschall) in eine elektrische Spannung (das Ton- oder Audiosignal) wandelt. Das Audiosignal wird tontechisch verarbeitet und/oder beispielsweise über einen Audioverstärker mit einem Lautsprecher hörbar gemacht.

Das unterscheidet den Tonabnehmer von Luftschallwandlern (Mikrofon) und Flüssigkeitsschallwandlern (Hydrofon).

Mechanische Vorgänger

Wie beim Phonograph oder dem Grammophon die mechanischen Nadelbewegungen, wird bei der Strohgeige die mechanische Schwingung der Saite auf eine Membran übertragen und durch den Schalltrichter direkt in Luftschwingung umgewandelt und somit hörbar.

Tonabnehmer bei Schallplatten

Der Tonabnehmer ist eine am Tonarm montierte Baugruppe beim Plattenspieler, bestehend aus Nadel, Nadelträger, Wandler und Gehäuse. Am Ende des Nadelträgers ist ein geschliffener Diamant angebracht, seltener auch ein Saphir oder Rubin. Am Schaft des elastisch gelagerten Nadelträgers werden die Schwingungen über eine Gabelkonstruktion an den Wandler übertragen. Dieser wandelt die Bewegung in eine elektrische Spannung um.

Mit dem Kristalltonabnehmer (Piezokristall) und dem Magnettonabnehmer wurde die Langspielplatte ermöglicht, die nur noch mit 33 1/3 Upm betrieben wurde und damit gegenüber der Schellackplatte deutlich längere Spielzeiten zuließ. Diese Tonabnehmer benötigten gegenüber Grammophonen erheblich niedrigere Auflagekräfte, was die Lebensdauer von Platte und Nadel entsprechend erhöhte.

Um für Stereofonie zwei Tonkanäle unabhängig voneinander abtasten zu können, bestehen Stereo-Tonabnehmer aus zwei Wandlersystemen an der weiterhin einzelnen Nadel, die jeweils um 45° gegenüber der Vertikalen und quer zur Plattenrille geneigt sind, so dass sie untereinander um 90° versetzt sind. Damit sind sie orthogonal und erreichen die erwünschte Entkopplung.

Elektrodynamischer Wandler

Tonabnehmer beim Plattenspieler

Beim dynamischen Abtastsystem werden Spulen im konstanten, möglichst homogenen Feld eines Dauermagneten bewegt. In ihnen entsteht aufgrund von Induktion bei Bewegung eine Spannung. Elektrodynamische Wandler sind besonders linear, haben jedoch Nachteile aufgrund der relativ hohen Masse der Spulen.
Elektrodynamische Tonabnehmer mit bewegten Spulen werden auch als Moving Coil oder kurz als MC bezeichnet. Sie erzeugen im Vergleich mit anderen Abtastern geringere Signalspannungen, jedoch wegen des linearen Zusammenhanges zwischen Auslenkung und Spannung ein saubereres, transparenteres Klangbild.
Der Austausch einer verbrauchten Nadel ist bei MC-Tonabnehmern nur bei speziell dafür konstruierten Typen möglich, da die Spulen fest mit dem schwingenden Nadelträger verbunden sein müssen. Außerdem erfordern viele MC-Systeme einen weiteren Vorverstärker oder einen Anpassungstransformator.

Elektrodynamische Wandler benötigen einen speziellen Entzerrervorverstärker zur Wiedergabe moderner Langspielplatten, der den Frequenzgang der Schallplatte korrigiert (Deemphasis).

Elektromagnetischer Wandler

Elektromagnetische Abtaster sind am weitesten verbreitet. Beim elektromagnetischen Wandler wird ein kleines Eisenteil in der Nähe von Spulen mit Eisenkern bewegt. Der Magnetkreis ist durch einen Dauermagneten erregt. Durch die Abstandsänderung der Eisenteile wird in den Spulen eine Änderung des Magnetflusses erzeugt, der zu einer Induktionsspannung führt. Magnettonabnehmer mit bewegten Magneten bzw. magnetisierten Eisenteilen werden als Moving Magnet (MM) bezeichnet. Sie erzeugen höhere Signalspannungen als elektrodynamische Systeme, da die Spule größer sein kann. Sie verursachen jedoch prinzipiell nichtlineare Verzerrungen, insbesondere bei großen Signalpegeln.

Elektromagnetische Wandler benötigen einen speziellen Entzerrervorverstärker zur Wiedergabe moderner Langspielplatten, der den Frequenzgang der Schallplatte korrigiert (Deemphasis).

Piezoelektrischer Wandler

Beim piezoelektrischen Abtaster erzeugen piezoelektrische Keramikstreifen die Signalspannung, wenn sie durch die Abtastnadel verbogen werden. Als Piezowerkstoff verwendete man früher Seignettesalz, heute Bariumtitanat/-zirkonat. Piezo-Abtaster liefern zunächst eine elektrische Ladung, die für gute Tiefenwiedergabe durch einen Ladungsverstärker in eine dazu proportionale Spannung umgewandelt wird. Piezoelektrische Abtaster sind aufgrund der erforderlichen Verbiegung der Keramikstreifen recht steif und erfordern hohe Auflagedrücke. Die Wiedergabe ist durch Eigenresonanzen beeinflusst.

Piezoelektrische Wandler benötigen keinen Entzerrervorverstärker, da die Ausgangsspannung nicht – wie beim elektromagnetischen Tonabnehmer – von der Frequenz abhängt.

Unterschiede und weitere Verfahren

Während der Kristalltonabnehmer eine der Auslenkung der Schallplattenrille proportionale Signalspannung erzeugt, ist diese beim Magnettonabnehmer zur Geschwindigkeit (Schnelle) der Nadel proportional. Bei tiefen Frequenzen erzeugen magnetische Abtaster daher zu geringe Signalpegel - man hätte für beide Tonabnehmer unterschiedliche Schallplatten produzieren müssen, wobei für den Magnettonabnehmer wegen der höheren Auslenkung eine größere Spurbreite hätte vorgesehen werden müssen mit entsprechender Verkürzung der Spieldauer. Mit der Anpassung des Frequenzverlaufs durch die RIAA-Kennlinie, die im Vorverstärker von Magnettonsystemen kompensiert wird, ist das aufgezeichnete Signal so angepasst, dass die Schallplatten sowohl mit Kristall- als auch Magnettonabnehmern abgetastet werden können.

Die Entwicklung der Tonabnehmer erreichte ihren Höhepunkt in den 1980er Jahren, als mit Auflagekräften von unter 10 mN und Frequenzbereichen von 20 Hz bis 50 kHz auch quadrophone (vierkanalige) Schallplatten verschleißarm abgetastet werden konnten.

Zur Verbesserung der Tonqualität durch Verringerung des Rauschens wurden neben den üblichen Trockenabtastverfahren auch Nassverfahren erprobt, bei denen sich die Abtastnadel in einer Abtastflüssigkeit bewegt. Daneben bewirkt die geringere Reibung und verbesserte Kühlung einen geringeren Verschleiß an Platte und der Nadel. Dieses Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass sich gelöste Teilchen nach dem Trocknen in der Rille verkleben und die Platten praktisch nur noch nass abspielbar sind oder aufwendig gereinigt werden müssen.

Alternativ zu diesen gab es auch käufliche Machbarkeitsstudien zur berührungslosen Abtastung mittels Laser- oder Infrarotdioden. Die Abtastung ist zwar verschleißfrei, allerdings reagierten diese Geräte wesentlich empfindlicher als Nadelabtaster auf Staub und kleine Kratzer.

Mit bestimmten berührungslosen optischen Verfahren ist die Regeneration von zerstörten (zersprungenen bzw. zerbrochenen) Platten möglich. Weil diese Verfahren sehr teuer sind, werden sie nur bei historisch wertvollen Aufnahmen angewandt.

Tonabnehmer bei Musikinstrumenten

Bei Musikinstrumenten werden Tonabnehmer eingesetzt, um die Schwingung der Tonerzeuger (Saite, Zunge) des Instrumentes in elektrische Wechselspannung umzusetzen, die einem Mischpult oder Verstärker zugeführt werden kann.

Das betrifft hauptsächlich Saiteninstrumente und hier vor allem Gitarren und E-Bässe, aber auch Tasteninstrumente (E-Pianos, Hammond-Orgeln). Bei Blasinstrumenten ist es dagegen üblich, den sowieso erzeugten Luftschall über Mikrofone aufzunehmen.

Nach der Funktionsweise unterscheidet man die elektromagnetischen und die piezoelektrischen Tonabnehmer.

Elektromagnetische Tonabnehmer

Elektromagnetische Tonabnehmer an einer E-Gitarre: ein Humbucker (links) und zwei Single Coils (mitte und rechts)

Mittels eines elektro-magnetischen Tonabnehmers wird die Saitenschwingung bei einer E-Gitarre, bei einem E-Bass oder bei elektromechanischen E-Pianos in elektrische Signale (Wechselspannung) umgewandelt. Er besteht im einfachsten Fall aus einem Dauermagneten, um den eine Spule gewickelt ist. Durch die Bewegung der Saiten (sie müssen aus Stahl oder Nickel bestehen) im Magnetfeld wird durch elektromagnetische Induktion eine Spannung induziert. Diese Spannung beträgt etwa 0,1 V, was jedoch auch von der Saitendicke abhängt: Je dicker eine Saite ist, desto höher ist auch die durch sie induzierte Spannung. Die auf diese Weise erzeugte Spannung wird dann (eventuell durch Effektgeräte bearbeitet) einem Audio-Verstärker zugeführt.

Bei den Tonabnehmern für elektrische Gitarren und Bässe werden die Bauformen Single Coil (Einzelspule) und Humbucker (Doppelspule) unterschieden, die sich durch zwei sehr verschiedene Klangcharakteristiken auszeichnen. Single coil-Tonabnehmer haben typischerweise den klareren, obertonreicheren Klang, während Humbucker eher weich und bassbetont klingen. Darüber hinaus bieten Humbucker durch die spezielle Verschaltung ihrer beiden Spulen einen besseren Schutz vor Störgeräuschen, die durch die magnetische Strahlung von Netzgeräten u.a. erzeugt werden. Von Bedeutung für den Klang ist weiterhin die Position des Tonabnehmers. In der Nähe des Steges entsteht ein harter, höhenreicher Klang, während ein Tonabnehmer nahe dem Gitarrenhals einen weicheren, tiefenlastigeren Ton liefert. Da E-Gitarren und E-Bässe häufig mit bis zu fünf Spulen, bzw. drei separaten Tonabnehmern, bestückt sind, können diese zum gewünschten Klangbild kombiniert werden.

Man unterscheidet umgangssprachlich bei Gitarren-Tonabnehmern zwischen

passiven, die das unbearbeitete Tonsignal zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stellen, und
aktiven Tonabnehmern: bei diesen ist ein elektronischer Vorverstärker im Instrument integriert, der aus einer kleinen Batterie gespeist wird. Er besitzt oft auch Klang- und Lautstärkeregler.

Piezoelektrische Tonabnehmer

Piezoelektrischer Tonabnehmer in „Kontaktmikro“-Bauweise, befestigt am Korpus einer Konzertgitarre

Piezoelektrische Tonabnehmer bestehen aus piezoelektrischer Keramik: Mechanischer Druck oder Körperschall des Klangkörpers lässt eine elektrische Spannung entstehen.

Da kein magnetischer Effekt zugrundeliegt, funktionieren die Piezo-Tonabnehmer bei Saiteninstrumenten mit allen Saitenarten, auch mit Nylon- oder Darmsaiten.

Piezo-Tonabnehmer eignen sich für den Einsatz an all jenen akustischen Instrumenten, bei denen der Körper mitschwingt. Sie werden an akustischen Gitarren (Westerngitarren, Konzertgitarren), Kontrabässe und anderen Zupfinstrumenten, wie beispielsweise Mandolinen, eingesetzt. Auch Violinen und E-Geigen verwenden überwiegend diese Abnehmer. Bei sonderangefertigten Gitarren werden Piezowandler eingesetzt, um anstelle des magnetischen Abnehmers einen der Akustik-Gitarre ähnlichen Klang abzunehmen. Sie sind nützlich für Musikstücke, in denen sich „akustische“ und andere Passagen abwechseln - der Musiker braucht dann nicht die Gitarre zu wechseln, sondern nur einen Schalter umzulegen.

Meistens wird der Tonabnehmer in den Steg eingebaut oder zwischen Steg und Korpus geklemmt. Er empfängt dann direkt die Druckunterschiede. Wird er auf den Korpus des Instrumentes geklebt, funktioniert er wie ein Körperschallmikrofon: Die Schwingung der Saite, der sich über den Steg auf die Decke überträgt, wird vom Tonabnehmer durch dessen Trägheit in eine Druckschwankung und eine Wechselspannung gewandelt. Wichtig ist nicht nur eine Position, von der möglichst viel Schnelle der Schwingung auf den Abnehmer übertragen wird (nennenswerte elektrische Spannung), sondern auch der gewünschte Klangcharakter, der an verschiedenen Stellen sehr unterschiedlich ist.

Da Piezo-Tonabnehmer eine hohe Ausgangsimpedanz haben, gehört zu dem System fast immer auch ein batteriebetriebener Vorverstärker, der ins Instrument eingebaut wird und meistens einen Lautstärkeregler sowie eine einfache Klangregelung besitzt.

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

MIDI-Tonabnehmer

MIDI-Tonabnehmer nehmen die Saitenschwingungen der einzelnen Saiten einer Gitarre oder auch eines anderen Instrumentes auf. Hierbei kommt entweder die piezoelektrische oder die elektromagnetische Abnahme der Saitenschwingung zum Einsatz. Die in elektrische Signale umgewandelten Schwingungen werden durch eine zusätzliche elektronische Einheit (A/D-Wandler) digitalisiert und durch einen Mikroprozessor in MIDI-Signale umgewandelt (vgl. Gitarrensynthesizer).
Frühe Systeme analysierten den zeitlichen Abstand der Nulldurchgänge der Saitenschwingung. Das führte jedoch besonders bei tiefen Frequenzen zu deutlichen Latenzen beim MIDI-Signal. Moderne Systeme nutzen den charakteristischen Einschwingvorgang (engl. "attack") einer Saite zur Frequenzanalyse. Durch diese Methode bewegen sich die Latenzen im Rahmen von 1 bis 5 ms, eine kaum wahrnehmbare Verzögerung.

Weitere Anwendungen

Zu den Tonabnehmern zählen auch das bei Geheimdiensten beliebte Lasermikrofon sowie das zur Kommunikation in lauten Umgebungen genutzte Kehlkopfmikrofon. Beide Wandler nutzen Körperschall zur Sprachübertragung.

Literatur

Helmuth Lemme: Elektrogitarren - Technik und Sound. Elektor-Verlag, Aachen 2003, ISBN 3-895-76111-7

Weblinks

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