Tonabnehmer f. Saiteninstrumente

Auf dieser Seite veröffentliche ich den Originaltext des von mir beim Deutschen Patentamt 1990 eingereichten und erteilten Gebrauchsmusterschutzes für einen „Tonabnehmer für Saiteninstrumente“, eine Weiterentwicklung der bis dahin vor allem von „Ovation“ eingesetzten Prinzips zur Verstärkung von Akustikgitarren. Inzwischen habe ich den Schutz aus Kostengründen frei gegeben, d.h. jeder kann das darin geschilderte Verfahren ohne rechtliche Konsequenzen kopieren
Die Zeichnungen sind auf einer Extraseite, um sie leichter parallel zum Text betrachten zu können (Tipp: Im InternetExplorer beim Anklicken des Links gleichzeitig die Großschreibtaste drücken).

• Zusammenfassung
• Beschreibung
• Schutzansprüche
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Hier nun die eingereichten Schutzansprüche im Original, nur die Zusammenfassung habe ich von hinten an den Anfang gestellt, damit man als Laie halbwegs versteht, worum es geht (das Patentamt mag es möglichst unverständlich!)

Tonabnehmer für Saiteninstrumente
(Anmelder: Robert WaIlnig)

Zusammenfassung: 

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Tonabnehmer für Saiteninstrumente der die ursprüngliche Stegeinlage ersetzt, d. h. zwischen den Saiten  des Musikinstruments und dessen Klangkörper angebracht ist. Durch die plattenförmige Ausführung und senkrechte Anordnung der Wandlerelemente können jetzt auch Longitudinalschwingungen aufgenommen und verstärkt werden, die  besonders im Moment des Anschlags der Saiten auftreten. Hierdurch wird die Klangtreue des verstärkten Signals erhöht.

Als Einzeltonabnehmer kann er trotz der wesentlich vergrößerten Oberfläche der Wandlerelemente ohne Verbreiterung des Aufnahmeschlitzes im Steg gegen die ursprüngliche Stegeinlage ausgetauscht werden. Als Doppeltonabnehmer, d.h. kombiniert mit einer zweiten Reihe von Wandlerelementen, die, wie bisher üblich, als Drucksensoren angeordnet sind, in einem gemeinsamen Gehäuse, aber mit getrennten Ableitungen, bietet er dem Musiker die Möglichkeit, zwischen 3 verschiedenen Klangvariationen zu wählen oder einen Stereoverstärker anzusteuern.

Das zusammengefasste Signal beider Teiltonabnehmer ist zudem höher als es bei nur einer Reihe von Wandlerelementen der Fall wäre. Es kann somit leichter verstärkt werden, da entsprechende Vorverstärker u.U. eingespart werden können.

Hierzu 5 Zeichnungen:

• Zeichnung 1 zeigt einen Überblick am Beispiel einer Gitarre.
• Zeichnung 2: ein Querschnitt durch den Steg in Höhe des Aufnahmeschlitzes, vergrößert, Schnitt nach I – I`
• Zeichnung 3: weiterhin vergrößerter Querschnitt durch den Steg, diesmal quer zum Aufnahmeschlitz (Schnitt nach II - II').
• Zeichnung 4: wie 3), jedoch Tonabnehmer nach Anspruch 5.
• Zeichnung 5: prinzipieller Aufbau nach Anspruch 1 bis 4, mit Schalter.

Schutzansprüche: 

1. Tonabnehmer für Saiteninstrumente, vorzugsweise Zupf- und Streichinstrumente,
mit einem nach Art einer Stegeinlage quer zu den Saiten und unterhalb derselben angeordneten Brückenteil, welches pro Saite je einen piezoelektrischen Wandler beinhaltet und das die üblicherweise aus Plastik oder Bein bestehende Stegeinlage ersetzt; mit dem erwähnten Brückenteil, das an seiner unteren, dem Klangkörper des Musikinstruments zugewandten Seite mit einer U- förmigen Metallschiene, vorzugsweise aus Messing, verstärkt sein kann.

mit mehreren quaderförmigen piezoelektrischen Wandlern, die parallel geschaltet sind und deren elektrische Ableitung durch abgeschirmtes Kabel erfolgt;

mit einer elektrischen Abschirmung aus einem leitfähigen Material, z.B. einer dünnen Kupferfolie oder leitfähigem Lack, die alle Wandlerelemente vollständig  umschließt und mit der Abschirmung des Kabels leitend verbunden ist;

mit Wandlerelementen, die so angeordnet sind, dass ihre Polarisationsachsen abwechselnd jeweils um 180 Grad verdreht sind,

dadurch gekennzeichnet,

dass jedem piezoelektrischen Wandler (11, 12, 13,...), der wie üblich mit den beiden Kontaktflächen (11a, 11b, 12a, 12b...) parallel zur Decke (42) des Klangkörpers des Saiteninstruments angeordnet ist, mindestens ein zweites Wandlerelement (21, 22, 23,...) zugeordnet ist, das senkrecht zum ersten angeordnet ist, so dass seine Kontaktflächen 21a, 21b, 22a, 22b...) senkrecht zur Decke (42) des Klangkörpers stehen, mit der Polarisationsachse(5) parallel zum Saitenverlauf (Zeichnungen 2 u. 3);

dass die beiden Gruppen von Wandlerelementen, d.h. die horizontal(1) und die vertikal(2) angeordneten Wandlerelemente, jeweils parallel zusammengeschaltet sind und je eine eigene Ableitung (10, 20) aus abgeschirmtem Kabel (6) besitzen;

dass mindestens einer der beiden Teiltonabnehmer (z.B. (2)) und seine zwei Ableitungen (20a, 20b) vollständig isoliert von der umhüllenden  Abschirmung (3) angeordnet ist;

dass bei dem erwähnten Teiltonabnehmer, im Beispiel (2), durch einen Schalter (4) entweder die eine (20a) oder die andere Ableitung (20b) mit der Abschirmung (3) des weiterleitenden Kabels elektrisch verbunden werden kann;

Tonabnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das resultierende elektrische Signal des einen Teiltonabnehmers, hier (2), dem des anderen Teiltonabnehmers (1) zugemischt werden kann, und im einfachsten Fall durch Parallelschalten beider Teiltonabnehmer, aber auch durch eine elektronische  Mischstufe (nicht dargestellt) miteinander gekoppelt und sich überlagernd einem Verstärkersystem (nicht dargestellt) zugeführt werden kann.

Tonabnehmer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der beiden Teiltonabnehmer (1, 2) getrennt verschiedenen Verstarkersystemen  zugeleitet werden können.

Tonabnehmer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der mechanischen Schwingungen in elektrische Wechselspannung  durch mindestens ein, vorzugsweise jedoch pro schwingende Saite (51, 52, 53...) je ein oder mehrere plattenförmige Wandlerelemente (11, 12,.. 21, 22,...) erfolgt, deren äußere metallisierte Kontaktflächen (11a/b, 2a/b,...21a/b, 22a/b,...) wesentlich größer als die (piezoelektrisch neutralen) Seiten- und Stirnflächen sind;

Tonabnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Wandler (31, 32, 33,...) so angeordnet sind, dass ihre Kontaktflächen (31a/b, 32a/b...) senkrecht zur Decke (42) des Klangkörpers und der Saiten (51, 52, 53...) stehen, mit ihrer Polarisationsachse (5) jeweils in Richtung des Saitenverlaufs weisend (Zeichnung 4).

Beschreibung: 
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Tonabnehmer für Saiteninstrumente gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Schon lange werden piezoelektrische Wandler anstelle des Steges benutzt, um den Klang von akustischen Saiteninstrumenten zu verstärken. Seither ist das  Prinzip immer weiter entwickelt worden, z.B. durch vollständige Abschirmung gegen Brummeinstreuungen, Maßnahmen gegen akustische Rückkopplungen durch abwechselnd um l80 Grad verdrehte Polarisationsachsen usw.

Besonders geeignet sind diese Systeme z.B. zum Einbau in akustische Gitarren, da auch ein späteres Nachrüsten ohne größere (äußerlich sichtbare) Änderungen am Instrument möglich ist. Soll allerdings die Tonabnehmerstegeinlage gegen die ursprüngliche Stegeinlage ohne Änderung am Steg, insbesondere des Aufnahmeschlitzes, erfolgen, müssen die einzelnen Piezoelemente zwangsläufig sehr schmal sein, da im Normalfall die Breite des Schlitzes nur 2mm beträgt.

Heutzutage wird bei Musikveranstaltungen in den meisten Fällen ein Mischpult benutzt, das die verschiedenen Instrumente bzw. Mikrofone zu zwei Kanälen  zusammenfasst und einem Stereoverstärker zuführt. Bei Tonaufzeichnungen, auch im Hobbybereich, ist längst die stereofone Aufnahme der übliche Standard. Auch Gitarrentonabnehmer wurden schon seit einiger Zeit mit zwei verschiedenen Ausgängen gefertigt, wobei z.B. die drei tiefen Saiten dem einen und die verbleibenden höheren Saiten dem anderen Kanal zugeordnet sind. Wie man sich denken kann, entsteht bei der Verstärkung durch einen  Stereoverstärker ein recht befremdlicher, subjektiv als unnatürlich empfundener Klang.

Bisher wurden piezoelektrische Wandlerelemente meist nur als Drucksensoren angeordnet, d.h. mit ihrer Polarisationsachse senkrecht zur Decke des  Klangkörpers liegend. Die bisher üblichen Drucksensoren übertragen hauptsächlich die Transversalschwingungen der Saiten, während die Longitudinalschwingungen bauartbedingt nicht erfasst und verstärkt werden.

Zwar gibt eine Stegeinlage auch diese Schwingungen als Druckunterschiede an die Decke des Klangkörpers weiter, aber in Form von Kippbewegungen.  Druckschwankungen werden von dem Druckstück, welches die Saiten mit dem piezoelektrischen Wandlerelement mechanisch und akustisch verbindet und die Stegeinlage ersetzt, gleichzeitig in beiden Phasenlagen an die gleiche Kontaktfläche des Wandlerelements abgegeben, wobei auftretende elektrische Wechselspannungen sich durch entgegengesetzte Phasenlage gegenseitig aufheben.

Die Longitudinalschwingungen treten besonders im Moment des Anschlags einer Saite auf, die Einschwingzeit des verstärkten Signals entspricht folglich nicht der  des unverstärkten Instruments.

Die Erfindung nach Anspruch 1 bis 5 schafft hier Abhilfe, da die senkrecht angeordneten Wandlerelemente durch die Longitudinalschwingungen im Rhythmus der Schwingungen verbogen werden, was bei liegenden Wandlerelementen nicht der Fall sein kann.

Neben der verbesserten Klangtreue und besseren Umsetzung des Anschlags bietet die Erfindung zusätzlich noch weitere Vorteile:

Die Piezoelemente sind nicht stab- oder nadelförmig, sondern, wie in Anspruch 4 dargelegt, plattenförmig ausgebildet, d.h., ihre Kontaktflächen sind wesentlich  größer als die Seiten- bzw. Stirnflächen.

Aus dieser Anordnung ergibt sich, neben der größeren Stabilität, was die Bruchgefahr sowohl bei der Herstellung als auch bei der Montage des  Tonabnehmers erheblich senkt, noch ein wesentlicher Vorteil:

Die wirksame Oberfläche der Wandlerelemente kann gegenüber der herkömmlichen Anordnung erheblich vergrößert werden, wobei, zumindest bei  Tonabnehmer nach Anspruch 5, die ursprüngliche Breite des Aufnahmeschlitzes für die Stegeinlage im Steg (43) beibehalten werden kann.

Der Tonabnehmer nach Anspruch 5 kann wie beschrieben sowohl als einziger Tonabnehmer eines Instruments dienen, da er, wie sich gezeigt hat, einen erstaunlich vollen Klang reproduziert, als auch, wie in den Ansprüchen 1 bis 3 dargelegt, mit einem zweiten, in herkömmlicher Art konstruierten Teiltonabnehmer kombiniert werden. In diesem Fall überlagern und addieren sich die Ausgangsspannungen, was einen volleren Klang und höhere Ausgangsspannung bewirkt.

Der Musiker kann sogar zwischen drei verschiedenen Klangfarben wählen, wenn die Teiltonabnehmer, wie in Anspruch 1 dargelegt, mit Hilfe eines Schalters (4)  noch unterschiedlich verschaltet bzw. gekoppelt werden können. Hierzu muss einer der Teiltonabnehmer (in diesem Beispiel der obere) lediglich statt des üblichen 1polig abgeschirmten Kabels, bei dem die Abschirmung die  "Rückleitung" vom Verstärker bildet, als ein 2polig abgeschirmtes Kabel (20, mit 20a u. 20b) ausgeführt sein.

Durch einen doppelten Umschalter kann nun entweder die eine Seite (z.B. die dem Hals des Instruments zugewandte) oder die andere (in Richtung der  Saitenhalterung ausgerichtete) Seite der Wandlerelemente der Abschirmung (3) zugeschaltet werden. Durch dieses Umschalten werden Spannungen, die sich zuvor bei der Kopplung addiert haben, nun in der zweiten Schalterstellung  subtrahiert.

Bedingt durch die unterschiedliche räumliche Anordnung haben zwei Piezowandler (z.B. 11 u. 21) natürlich nie eine vollständig identische  Ausgangsspannung, sodass sich die gekoppelten Teilsignale auch nie komplett gegenseitig auslöschen werden, sondern es ergibt sich lediglich ein gewisser wahrnehmbarer Klangunterschied. Vorzugsweise sollte ein Schalter verwendet werden, der noch über eine Mittelstellung verfügt, mit dem sich der Teiltonabnehmer ganz ausschalten lässt, wodurch sich die dritte Klangvariation ergibt.

Werden die Signale der beiden Teiltonabnehmer getrennt jeweils einem Stereokanal zugeführt (Anspruch 3), entsteht ein äußerst angenehmes, räumliches Klangbild, ohne dass der Zuhörer einzelne Töne einzelnen Kanälen der Verstärkeranlage zuordnen könnte.

Gerade bei einer befriedigenden Lösung für einen natürlich klingenden Raumklang von Saiteninstrumenten bietet die Erfindung einen entscheidenden Beitrag, da bisher existierende Tonabnehmer-Systeme entweder nur recht unnatürlich wirkende Pseudo-Stereo-Effekte erzielten oder nachträglich über Effektgeräte, d.h. elektronische Nachbearbeitung, auf Raumklang "getrimmt" werden mussten.

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