Magnetische Pickups ohne Magnete?

Wolfgang Hönlein / Manfred Zollner

GITEC-Meeting 2017 Regensburg

Der Tonabnehmer (Pickup, PU) steht am Anfang der Übertragungskette…

… und beeinflusst den Sound der E-Gitarre damit ganz wesentlich!

Spielen E-Gitarre Effekte

Verstärker Lautsprecher Aufführen

[aus: Duchossoir]

Wir betrachten den Einfluß des Magnetfelds / der Magneten auf das Hörergebnis anhand eines Fender Stratocaster–artigen Single-Coil Pickups

Alles bleibt gleich, bis auf die

Magnete

Hier untersuche Magnetkonfigurationen:

[aus: PdE]

Im Buch „Physik der Elektrogitarre“ von Manfred Zollner (PdE , Kap. 3, 4, 5) sind viele Messungen zu diesem Thema durchgeführt worden.

a) "Bei einem Pickup mit dem eher schwachen Alnico-2-Magnet scheint der Ton bei starkem Anschlag förmlich zusammenzubrechen. Das Ausgangssignal ist nicht nur leiser, sondern wirkt auch weniger dynamisch, und komprimiert merklich im Höhenbereich – was viele Gitarristen tatsächlich bevorzugen." b) "Da das Magnetfeld der Alnico-II-Magnete etwas schwächer als bei einem normalen Strat-Pickup (Alnico-V) ist, schwingt die Saite freier und natürlicher aus. Die Folge ist eine Verbesserung im Sustain-Verhalten." c) "Alnico-5: Kräftiger und klarer Sound." d) "Alnico-5: Schnelle Ansprache und leicht undifferenzierte Wiedergabe." e) "Je stärker der Magnet, desto mehr Höhen." f) "As time goes on, older magnets lose some of their power. The less power the magnets have, the better the strings can vibrate. So maybe after 30 years, the magnets are at their 'ideal' power, thus producing 'ideal' tone." ☺

Welchen Einfluss haben die Magnete/das Magnetfeld auf den Klang?

Zunächst aber einige Zitate:

Wir wollen uns in diesem Beitrag mit der Hörbarkeit von Einflussgrößen beschäftigen, die mit den Magneten der PUs zusammenhängen.

Fremdzitate aus PdE

Abb. 4.1: Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter. Eisenfeilspäne (links), Feldlinien (rechts); [18, 19].

Das Magnetfeld ist durch seine Wirkung an jedem Punkt im Raum definiert, hat eine Stärke und eine Richtung; Feldlinien sind Hilfskonstruktionen für das Auge;

Magnetfelder sind mit unseren Sinnen nicht wahrnehmbar.

Darstellungsformen von Magnetfeldern

[aus: PdE]

Wie wird ein Permanent-Magnet hergestellt und was passiert dabei? Es gibt ferromagnetische Materialien, die man effektiv magnetisieren kann. Das sind Eisen (Fe), Nickel (Ni), Kobalt (Co) und einige Seltenerden-Metalle.

Ferromagnetika enthalten eine große Anzahl von Elementarmagneten, die in die gleiche Richtung zeigen. Diese Bereiche nennt man Weiss‘sche Bezirke. Die Begrenzungen der Weiss‘chen Bezirke heißen Bloch-Wände.

Elementarmagnet

Weiss‘scher Bezirk

Bloch-Wand

Durch die statistische Ausrichtung der Weiss‘schen Bezirke ist das ferromagnetische Material zunächst nicht magnetisiert. Wird ein äußeres Magnetfeld angelegt, dann passiert Folgendes:

Br

B [T]

H [A/m] Hc

= Remanenz

= Koerzitiv-Feldstärke

H = äußeres Magnetfeld B = magnetische Flussdichte im Magneten

Nach dem Abschalten des äußeren Magnetfeldes bleibt eine Restmagnetisierung (Remanenz) zurück. Bei der Koerzitiv-Feldstärke wird die Flussdichte B wieder null, wenn ein umgekehrtes äußeres Feld angelegt wird

Die Hysterese-Kurve der Magnetisierung

0 rHB

μH/m257.1Am

Vs104 7

0

Zusammenhang zwischen Magnetfeld H und Flussdichte B

µ0 = Permeabilitätskonstante

µ = Permeabilität

µr = relative Permeabilität

µr ist nur dann eine einfache Zahl, wenn das Material magnetisch isotrop ist, sonst ist µr ein Tensor. Für ferromagnetische Materialien kann µr sehr groß werden. In der Hysteresekurve ist µr außerdem von H abhängig und nur in Teilbereichen konstant

Warum bleibt das Restmagnetfeld (Remanenz) im Ferromagneten erhalten?

Gezielt gesetzte „Verunreinigungen“ wirken als Haltepunkte für die Weiss‘schen Bezirke

Dies ist der Grund, warum ferromagnetischen Legierungen Materialien wie das nicht-ferromagnetische Aluminium zugesetzt werden (z.B. bei Alnico) Mit der geschickten Auswahl der Legierungskomponenten und Herstellungsbedingungen lassen sich Permanentmagnete hinsichtlich ihrer Eigenschaften (z.B. Remanenz, Koerzitiv-Feldstärke, Arbeitstemperatur) maßschneidern.

Br / T Hc /

kA/m

Tmax /

°C

Al Ni Co Cu Ti

Alnico 3 0.65 -

0.75

32 - 45 550 12 24-26 0 0-3 –

Alnico 2 0.7 -

0.85

34 - 52 550 10 17-19 12-15 3-6 0.5

Alnico 5 1.1 -

1.3

50 - 62 550 8 12-15 23-25 0-4 0-0.5

Nd B Sm Co Andere

Neodym

Fe

1.0 –

1.4

750-

2000

80-180 29-32 1 2-3

Samarium

Co

0.9 -

1.1

600 -

2000

300-

350

25-35 50-65 2-3

Remanenz, Koerzitivfeldstärke, max. Arbeits-Temperatur und Zusammensetzung für verschiedene Alnico- und Selten-Erden-Legierungen

Rest: Eisen

BrNeodym B [T]

H [A/m] HcNeodym

Alnico

Weicheisen

HcAlnico HcFe

BrAlnico

BrFe

Neodym

Charakteristika (schematisch) verschiedener gebräuchlicher PU-Magnetmaterialien

B = µ H

µ = differentielle Steigung der Hysteresekurve

AlNiCo 5

AlNiCo 2

AlNiCo 3

Oersted

kG

auss

AlNiCo-Magnete

-800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 00

2

4

6

8

10

12

14

B/H-Bereiche typischer AlNiCo-Magnete; in diesen Bereichen verlaufen die Hysteresekurven

Hysteresekurven (nur 2. Quadrant) von Alnico 2,3 und 5

Aus: PdE

Wie kann man statische Magnetfelder messen?

z.B. mit einem Gaussmeter (teuer!)

Herzstück eines Gaussmeters ist eine Hall-Sonde; sie funktioniert folgendermaßen:

UH

Nach der Lenz‘schen Regel wird in einem Halbleiterblättchen eine Spannung UH induziert, wenn ein Strom I senkrecht dazu und senkrecht zum Magnetfeld B fließt. Die Spannung UH ist dabei proportional zum Magnetfeld.

B

I

Mit geeigneten Chips (z.B. SS495A) lässt sich mit minimalem Materialaufwand (2,5 €) + Batterie + Voltmeter so eine „Poor Man‘s“ Magnetfeldsonde aufbauen.

Nachteil: keine absolute Messungen möglich, wohl aber Vergleichsmessungen

Halbleiter-Blättchen

Poor Man‘s Gauss Meter

Noch etwas zur Handhabung und Lagerung von Permanent-Magneten:

Ein Blick auf die Spule

Wickelkörper Wickelkörper + Spule

Durch die Bewegung der Saite wird in der Spule eine Spannung induziert. Der Vorgang wird durch das Induktionsgesetz beschrieben

Wickelkörper + Spule + Magnete

Spulen: H. Lemme

(t)

u(t)

dtdNtu )(

S

SdB

Die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses durch die Fläche S generiert eine Spannung in der Draht-Schleife. Wird die Drahtschleife zu einer Spule mit N Windungen aufgewickelt, so multipliziert sich diese Spannung mit N.

Für eine sinusförmige Anregung in einer Spule mit N Windungen lässt sich die Spannung angenähert widergeben durch:

Das Induktionsgesetz

S

SBNfu 2

Zeitliche Änderung des Magnetflusses

Magnetfluss = Summe der Flußdichte über der Fläche S

Versuch zum Induktionsgesetz: Magnet an Spule vorbeibewegt, erzeugt eine Spannung

Spule ohne Magnet Spule mit Magnet Spule mit Eisenkern

1.23

Die Impedanz (der Wechselstromwiderstand) einer Spule

L = µ0µrN² S/l Induktivität einer langen Spule mit Magnetkern:

1H = 1Vs/A = 1 s =1Wb/A = 1kgm²/(As)²

[H]

Impedanz einer idealen Luftspule: XL = 2 f L []

N = Windungszahl

S = Spulenfläche l = Spulenlänge

µ0 = Permeabilität µr = relative Permeabilität

f = Frequenz

L = Induktivität

Kabelkapazität hier: ca 370 pF

Spulen-Impedanz für verschiedene Magnetmaterialien

Ohmscher Widerstand hier: ca 6.5 k

fR = 1/(2LC )

= 6.2 kHz

Spulen-Impedanz für verschiedene Magnetmaterialien

Spulen-Impedanz für verschiedene Magnetmaterialien

Achtung: Slugs und Magnete aus unterschiedlichen Quellen!

Unterschiede in der Indunktivität zwischen Alnico 5 und Alnico 2

Alnico 5: nicht magnetisiert magnetisiert L(Schaller) 100% +25% fresonanz 100% -11% Alnico 2: L(Schaller) 125% +3% fresonanz 100% +/-0%

Nur gültig für das hier betrachtete Magnet-Material!

Hörversuche

Grundsätzliches zu den Hörversuchen: 1. Hörversuche sind nicht objektiv! Messungen sind es! Aber: Hörversuche sind nahe an der Musik und können durch Statistik objektiviert werden

2. Nur lineare Verstärkung mit neutralen Klangstellern. Verzerrung und Kompression können nicht eingesetzt werden. 3. Ändere nie mehr als einen Parameter! Pickup-Tausch und gleichzeitig Saitenwechsel können nie eine Aussage zur Veränderung der PU-Charakteristik begründen!

4. Nach Möglichkeit bei gleicher Lautstärke arbeiten Die spektrale Hörschwelle ist Lautstärke-abhängig …und ist Alters-abhängig! (siehe Punkt 1) 5. Hörvergleiche nur im Sekunden-Abstand! Das Gehör/Gehirn vergisst schnell! Durch Umbaupausen von Minuten bis Stunden bis Tagen verliert man die Vergleichsmöglichkeit!

Korpus

Brücke (Alu)

PU-Spule mit Bohrungen

Magnet-Halter

Magnete

PU-Träger (Alu)

Versuchsträger zum schnellen Wechseln der PU-Magnete

Korpus

Brücke (Alu)

Magnet-Halter

PU-Träger (Alu)

Versuchsträger zum schnellen Wechseln der PU-Magnete

Hörversuche zum Abstand PU - Saite

Anheben des gesamten PUs

Anheben einer Seite des PUs

Axiale Flussdichte als Funktion des Abstands für 2 unterschiedliche PUs

Aus: PdE

Hörversuch: Staggered Magnets

Alnico 5x15mm Magnete Alnico 5x15mm Magnete A und H 2mm herausgezogen

Kunststoff-Träger

Aus: PdE

Aus: PdE

Saiten-Grundtonpegel für flache und gewölbte Saitenlage

Hörversuch: Verstimmen durch Änderung der magnetischen Feld-Steifigkeit (Annäherung des PU-Magneten an die schwingende Saite)

0 1 2 3 4 50

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Hz

s

Änderung des Schwingungsspektrums der E2 (hier-G) Saite durch Annäherung eines Magneten: Absenkung der Schwingungs-Frequenz

Aus: PdE

Axiale Flussdichte 2 mm über dem Magneten/Polschrauben

Aus: PdE

Hörversuche zur Zentrierung PU - Saite

Standard 5x15mm dünn 4x15mm Noch dünner 3x15mm

Hörversuch zur Magnetfeldkonfiguration/magnetischer Apertur

Alnico 5 Magnete mit unterschiedlichem Durchmesser

Hörversuch zu unterschiedlichen Magnet-Materialien

Alnico 5 vs. Alnico 2-Magnete

Alnico 5, 5x15mm Alnico 2, 5x15mm

AlNiCo 5

AlNiCo 2

AlNiCo 3

Oersted

kG

auss

AlNiCo-Magnete

-800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 00

2

4

6

8

10

12

14

Seth Lover, der Entwickler des Gibson-Humbuckers, meinte: "We also used Alnico II and III, and the reason is, that you couldn't always buy Alnico V, but whatever was available we would buy as they were all good magnets".

Aus: PdE

4x15mm

Hörversuch zu unterschiedlichen Magnet-Anordnungen

Einzelmagnete vs. Schrauben + Neodym-Magnete

Eisenschrauben 4x15mm

Neodym-Magnete

Teflon-Muttern

Einzelne Alnico-5 Zylinder-Magnete

Eisenschrauben 4x15mm

Lokal erhöhtes Magnetfeld

Lokal umgedrehtes Magnetfeld

N N N N S N Global geschwächtes Magnetfeld

Lokal fehlender Magnet

Hörversuche zu lokal veränderten Flussdichten

Hörversuch : Wir lassen alle (!) Magnete und Schrauben weg

Spule ohne Magnet oder Schrauben

… und hören trotzdem etwas!

Die (magnetische) Rolle der Saite

Wie ist eine Saite (magnetisch) aufgebaut?

E A D G h e

Magnetische Umspinnung Ferromagnetischer Stahl(kern)

Querschnitt (schematisch, nicht maßstabsgetreu)

Längsrichtung

Durch den Ziehprozeß und das sehr große Länge/Durchmesser-Verhältnis sind die Weiss‘schen Bezirke vermutlich* in die Länge gezogen die Magnetisierungsrichtung der äußeren Form der Saite angepasst. Zunächst aber sind sie nach außen neutral.

*dazu habe ich keine wissenschaftliche Veröffentlichung gefunden, wohl aber das Wissen eines alten Magnetikers angezapft

Was passiert, wenn die Saite in das Magnetfeld des PU‘s gelangt?

Aus: PdE

Magnetisierung der Saite

Aus: PdE

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-2

-1

0

1

2

3

mm

Magnet

Ungefährer Verlauf des statischen Magnetflusses in Magnet, Luftspalt und Saite Im Zentrum über dem Magneten ist die Saite bis in die Sättigung magnetisiert!

Schematischer Verlauf der Magnetisierung in einer Saite unter dem Einfluss des Permanentmagneten des PUs

Die Saite im Magnetfeld

Aus: PdE

Was passiert, wenn die Saite im Magnetfeld schwingt?

Wie ändert die schwingende Saite den Magnetfluss durch die Spule?

Nennenswerter Wechselfluss findet nur im oberen Teil der Spule statt! Nur da wird die Spannung erzeugt!

Aus: PdE

(mein)Fazit aus den Hörversuchen

Abstandsänderungen zwischen Saite und PU führen zu Lautstärke-Änderungen, nicht aber zu nennenswerten Klangfarben- oder Sustain-Änderungen.

Material-Unterschiede bei den Permanent-Magneten eines PUs führen nicht zu wesentlichen Klangfarben-Änderungen.

Selbst drastische Änderungen der Magnetfeld-Parameter, wie z.B. Umpolen einzelner Magnete wirken sich auf das Gesamtergebnis eher bescheiden aus.

Der Beitrag der Saite als schwingender Permanent-Magnet darf nicht vernachlässigt werden. Änderungen in der Magnet-Konfiguration werden durch die Magnetisierung der Saite „gedämpft“.

Änderungen der magnetischen Apertur sind im Klangergebnis kaum wahrnehmbar

Anhang

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-2

-1

0

1

2

3

mm

Magnet

Spule Magnet

Saite

Was passiert, wenn die Saite im Magnetfeld schwingt?

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-2

-1

0

1

2

3

mm

Magnet

Spule Magnet

Saite

Was passiert, wenn die Saite im Magnetfeld schwingt?

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-2

-1

0

1

2

3

mm

Magnet

Spule Magnet

Saite

Was passiert, wenn die Saite im Magnetfeld schwingt?