Cs.Kádár Péter - XXI. századi Diszkónika, 118. Szedd a hangot!

Úgy 90 évvel ezelőtt, a háború utáni mámorban, kiderült, hogy az énekesek hangereje nem mindig elég nagy ahhoz, hogy a fúvós szekciót túlüvöltse. Hogy mégis szóljon valami, a ’20-as évek közepétől egyre gyakoribbá vált, hogy az énekesek szája elé mikrofont tettek, és annak jelét erősítőre, majd hangsugárzóra vezették.

Ámde gyakran kitört a gyalázat: ahogy egyre jobban erősítették a hasznos jelet, abból egyre több jutott a mikrofonba, amit az erősítő továbberősített, a hangsugárzó megszólaltatott, a jel ismét visszajutott a mikronba, még tovább erősödött, és végül sípolni kezdett az egész, bizonyítván, hogy a hangosító ember dolgozik.

Mint azt már tudod, pozitív visszacsatolás jött létre a mikrofon és a hangsugárzó között. Ezt a visszacsatolást lehet mérsékelni a mikrofon és a hangsugárzó egymáshoz képesti helyzetének változtatásával, továbbá azzal is, hogy csak nagyon közelről érzékeny, szaknyelven szoptatós mikrofonokat használunk.

st02

Ám ahogy az éneket, akként a többi hangszert is hangosítani kezdték, és hiába tettek a gitár elé – néha bele – mikrofont, a hangszert nem lehetett eléggé hangosra üvöltetni: gerjedt, mint állat.

Ki kellett hát valamit találni, ami kevésbé gerjedékeny. S megszületett az elektroakusztikus gitár. Olyan acélhúros gitár, amely önmagában, akusztikusan is szépen szól, de beleszereltek egy kis szerkezetet, ami hangosítható. Világra jött a hangszedő, angolul pickup vagy pick-up.

Az elektromos gitár egyik változata – Rickenbacker palacsintasütője – pár évvel későbbi képződmény, ami hangszedő nélkül már fabatkát sem ér, mert alig van saját hangja.

st03

Csak mágnes és drót.

A hangszerekhez használt hangszedők – membrán nélküli akusztikai-elektromos átalakítók – többsége a mágneses indukció alapján működik. Így néz ki a hangszedő mágneses tere, ha vasreszelékkel vizsgáljuk. A baloldali kép felülről, a jobboldali oldalról mutatja.

st04

A mágneses hangszedő mágnes(ek) köré tekercselt nagyon vékony, szigetelt huzal, pár ezer menettel.

st05

A hangszedők mágnesei vagy Alnico ötvözet alapúak, vagy fémkerámiából készülnek.

Az Alnico - alumínium, nikkel, kobalt - ötvözethez kb. fele mennyiségben kevernek vasat és némi rezet, titánt, így baromi erős mágnest kapnak. A gitárhangszedőkben korábban az Alnico II., aztán az Alnico V. fantázianevű készítményt használták. Az Alnico V. anizotropikus mágnes, vagyis vannak irányok, amelyekben erősebb a mágneses tér, más irányokban meg gyengébb.

A fémkerámia mágnesek gyártása porkohászati eljárással történik. A mágia 80 % vasoxid és 20 % stroncium- vagy bárium-karbonát keverék összeőrlésével kezdődik. Ezt követi a keverék kiégetése, aminek az eredménye az oxidkerámia (stoncimferrit vagy báriumferrit). Az újabb őrlés egészen pici, egykristály méretig tart. Az őrölt porból száraz vagy nedves préseléssel állítják elő a kívánt alakú mágneseket. A préselt mágneseket magas hőfokon alagútkemencékben zsugorítják. A végső méretet köszörüléssel állítják be.

Hallgassad meg, mi a különbség az Alnico és a fémkerámia mágnesű hangszedők hangja között!

Akkor most nézzük a drótot!

A vezeték egyszerű, vékony réz tekercselőhuzal, lakk (zománc), újabban teflon vagy poliuretán-nejlon szigetelő bevonattal. A huzal átmérője néhány század milliméter, a menetszám 5-10 ezer. Minél nagyobb a tekercs menetszáma, annál nagyobb a tekercsben indukált feszültség, annál nagyobb jel jön ki a hangszedőből. Ez nagyon baba, csak ismét van egy nem kis bibi. Az, hogy a tekercs váltóáramú ellenállása, impedanciája arányos az induktivitással, az induktivitás pedig a menetszámmal. Minél nagyobb a menetszám, annál nagyobb az induktivitás. (S itt megint pontosítani kell: az induktivitás az átmérőtől és a mágnesmag erejétől, úgy mondjuk, koercitivitásától is függ.)

A hangszedő a következő fokozat bemenő ellenállásával aluláteresztő szűrőt alkot.

st07

Lusták vagyunk számolni, azért van a netes automata, ami megkönnyíti annak a frekvenciának a kiszámítását, ami fölött a hangszedőnk már vág.

http://www.learningaboutelectronics.com/Articles/Low-pass-filter-calculator.php#answer2

st08

A hangszedők induktivitása 2 és 15 henry között van; válasszunk 5 henryt! Egy átlagos erősítő bemenő ellenállása 10 kΩ.

st09

Mielőtt meghallgatnád, mit műveltünk, előbb élvezkedj!

És akkor jöjjön a fekete leves, amit jó minőségű hangrendszeren hallgass meg!

 

Elmosódott, tompa vacak lett az eredmény. Pedig csak egyetlen roncsolást végeztünk egy akusztikus gitár hangjában.

Akkor nézzük meg, legalább mekkora legyen az erősítő bemenő ellenállása, hogy a törésponti frekvencia 20 kHz-re essen!

st10

A biztonság kedvéért válasszuk ezt az értéket nagyobbra, mondjuk, 1 MΩ-ra, és akkor – legalábbis ebből a szempontból – minden rendben van.

Más szempontból viszont nagyon nincs rendben. A tekercs ugyanis nemcsak induktivitás, hanem kapacitás is. Az egymás mellé szorosan tekercselt menetek annyi pici kondenzátort alkotnak, ahány menetű a tekercs. E kondenzátorok párhuzamosan kapcsolódnak egymáshoz, tehát az eredő kapacitás a részkapacitások összege. E kapacitás 80 – 200 pF közé esik.

A kondenzátor a tekercsre párhuzamosan kapcsolódik, rezgőkört alkot. E rezgőkör tulajdonsága, hogy szelektív, vagyis a saját frekvenciáján – a rezonanciafrekvencián – kiemel, a többin erősen csillapít.
A tekercs nemcsak induktivitás és kapacitás, hanem néhány kΩ-os ellenállás is, ami sorba kapcsolódik a tekerccsel. Az ellenállás rontja a rezgőkör szelektivitását, amit jósági tényezőnek is hívunk, és Q-val jelölünk. Minél nagyobb a Q, annál jobban emel ki a hangszedő.

st11

Ha a hangszedőt úgy tekintjük, mint feszültségforrást, akkor kicsit átrajzolhatjuk az áramkört.

st12

Erre az áramkörre kapcsoljuk a terhelést, ami a gitárkábelből és az erősítőből áll. Az erősítő bemenő impedanciáját az imént választottuk nagyra, ehhez képest a kábel ohmos ellenállása nem játszik. Rövid kábel esetén a kábel induktivitása sem jelentős. Annál cikibb a kábel kapacitása, ami méterenként 100 – 300 pF is lehet. Az áramkörünk most így módosul:

st13

Egy ilyen áramkör frekvenciamenete elég ocsmány.

st14

Ha a kiemelés frekvenciája 2 kHz körüli, akkor a hang meleg és lágy, ha 3 kHz körüli, akkor csillogó, 4 kHz tájékán szúrós, 5 kHz fölött törékeny és vékony. Amikor a kiemelés nagy, a hangzás erőteljes, agresszív, de nem szokott 12 dB-nél nagyobb lenni.

És még nincs vége! A hangszedő fém részeiben örvényáramok keletkeznek, amelyek különösen akkor nagyok, ha a hangszedő fém burkolatban van. Örvényáram folyik a mágneses magban, a csavarokban, stb is. Ennek az az oka, hogy a mágneses tér változása visszarúg.

A következő, pár másodperces videóban a mágneses gyűrű lassan csúszik a réz csövön, mert a csőben keltett örvényáram fékezi a gyűrűt.

A hangszedőben balettozó örvényáramok egyrészt csökkentik a kiemelés mértékét, olykor meg is szüntetik azt. Másrészt a rezonanciafrekvencia után a vágás meredekségét 18 dB/oktávra növelik. Ráadásul a kiemelés előtt még egy kis vágást is létrehoznak, hadd rohadjon tovább a hang!

st19

Eddig csak önmagában vizsgáltuk a hangszedő működését, pedig a húr is fenekedik. Nyilván minél nagyobb kitérést idézünk elő a húrban, minél jobban megpendítjük, annál nagyobb lesz a hangszedő kimenő jele. Aha. Nyilván. Csakhogy a hangszedő nem a kitérés mértékét, hanem a húr sebességét érzékeli, aminek az a következménye, hogy a kimenő jel ugyan valóban nő a kitéréssel, csak éppen nemlineárisan nő, aminek az eredménye újabb szép kis torzítás növekedés.

A gitár megszólaltatásához tehát a húrt meg is kell pendíteni. A húr ilyenkor ellipszis alakú pályán kóvályog a hangszedő előtt.

st20

Ezt követően sem mindig merőleges a hangszedőre, ami azt jelenti, hogy a mágneses ellenállás is állandóan változik, és ez újabb torzítást ad hozzá az eddigiekhez.

A következő torzítási jelenség oka az, hogy a hangszedő mágneses tere adott méretű. Ami ennél a méretnél kisebb, azzal gond van. Szabatosabban: a hangszedő terének a húrral párhuzamos hosszánál rövidebb hullámhosszú felharmonikusok amplitúdója a mágneses tér szimmetriájának következtében jóval kisebbek lesznek, vagy teljesen kioltódnak e hullámhosszakon.

st21

Akkor az iménti gyönyörű mondatot lefordítom. A hangszedő ismét ad pofont a magasabb hangoknak, hiába fickándoznak a kis hullámhosszú, tehát nagyobb frekvenciájú hangok a hangszedő mágneskörében, a hangszedő ügyet sem vet rájuk, s még inkább aluláteresztőként viselkedik. Ráadásul mindegyik húr esetében másképp. Ha pl. a húr hossza 65 cm, a hangszedő tere pedig 8 cm, akkor 1 870 Hz-nél kezd vágni a hangszedő. (A számolás nem nehéz, de most kivételesen mellőztem. Itt megtekinthető: http://dsp.mit.bme.hu/userfiles/diploma/csabadiploma02.pdf)

Összegezve: a mágneses hangszedő irtózatosan nagy hányadék. Ráadásul még a környezet elektromágneses zavaró terére is érzékeny, ami leginkább 50 Hz-es búgásban, kerepelésben, ciripelésben nyilvánul meg. S ahány gyártó, ahány típus, annyiféle ócskaság. Pedig csak drót és mágnes – amit jó sok pénzért sóznak ránk.

Mégis megvesszük. Mégis szeretjük. Vajon miért? Szerinted?