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Als Tonabnehmer wird im allgemeinen ein Elektroakustischer Wandler bezeichnet, der mechanische Schwingungen in elektrischen Wechselstrom umwandelt, der nach entsprechender Verstärkung und Bearbeitung hörbar gemacht werden kann.

Mechanische Vorgänger

Wie beim Phonograph oder dem Grammophon mechanische 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

Mechanisch-elektrodynamischer Wandler

Der Tonabnehmer ist eine Baugruppe beim Plattenspieler bestehend aus Nadel, Nadelträger und Wandler. An der Spitze der Nadel ist ein Saphir oder Diamant angebracht. Am Schaft der elastisch gelagerten Nadel werden die Schwingungen über eine Gabelkonstruktion an den Wandler übertragen. Dazu wird üblicherweise die Oberfläche der Tonrille mechanisch abgetastet und diese Bewegung in elektrische Modulationsspannung umgewandelt.

Der Tonabnehmer ist am Tonarm befestigt.

Mechanisch-piezoelektrischer Wandler

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 außerdem erheblich niedrigere Auflagekräfte, was die Lebensdauer von Platte und Nadel entsprechend erhöhte.

Während der Kristalltonabnehmer eine der Auslenkung der Schallplattenrille proportionale Signalspannung erzeugt, ist diese beim Magnettonabnehmer der Geschwindigkeit (Schnelle) der Nadel proportional. Bei tiefen Frequenzen würden auf diese Weise zu leise Töne erzeugt oder 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 in einem entsprechenden Vorverstärker realisiert ist, wird die Signalspannung 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.

Es wurden auch elektrodynamische Tonabnehmer (mit bewegten Spulen; Moving Coil, MC) entwickelt, die im Vergleich zu den herkömmlichen Magnettonabnehmern (mit bewegten Magneten; Moving Magnet, MM) zwar geringere Signalspannungen erzeugen, aber wegen der reduzierten mechanisch schwingenden Massen ein noch saubereres, transparenteres Klangbild liefern.
Der Austausch einer verbrauchten Nadel ist bei MC-Tonabnehmern nur bei speziell dafür konstruierten Typen möglich, da die Spulen fest mit der schwingenden Nadel verbunden sein müssen. Außerdem erfordern viele MC-Systeme einen weiteren Vorverstärker oder einen Anpassungstransformator.

Wegen der zur gleichen Zeit auf den Markt kommenden Compact Disc (CD) und des damit verbundenen Rückgangs des Marktes für Vinyl-Schallplatten hat das MC-System nur in Plattenspielern der höheren Preisklassen Eingang gefunden.

Zur Verbesserung der Tonqualität durch Verringerung des Rauschens wurden neben den üblichen Trockenabtastverfahren auch Nassverfahren erprobt, bei denen die Abtastnadel sich relativ zur Plattenoberfläche in einer Abtastflüssigkeit bewegt. 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.

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.

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, 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

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 im Magnetfeld, die aus Stahl oder Nickel bestehen müssen, wird durch elektromagnetische Induktion eine Spannung (ca. 0,1 V) induziert, die (eventuell bearbeitet) einem Audio-Verstärker zugeführt wird.

Bei den Tonabnehmern für elektrische Gitarren und Bässe werden die Bauformen Single Coil und Humbucker unterschieden, die sich durch zwei sehr verschiedene Klangcharakteristiken auszeichnen. Von Bedeutung für den Klang ist weiterhin die Position des Tonabnehmers. In der Nähe des Stegs 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 separaten Tonabnehmern bestückt sind, können diese zum gewünschten Klangbild kombiniert werden.

Man unterscheidet umgangssprachlich bei Gitarren-Tonabnehmern zwischen

• passiven, die das unbearbeitete Tonsignal am Instrument zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stellen, und
• aktiven Tonabnehmern. Bei diesen ist ein elektronischer Vorverstärker, oft kombiniert mit einer Klangregelung, im Instrument integriert, der aus einer kleinen Batterie gespeist wird.

Piezoelektrische Tonabnehmer

Piezoelektrische Tonabnehmer bestehen aus speziellen Kristallen oder Keramiken, die den so genannten piezoelektrischen Effekt nutzen: Mechanischer Druck (Schwingung des Klangkörpers) lässt eine elektrische Spannung entstehen.

Piezo-Tonabnehmer eignen sich für den Einsatz an all jenen akustischen Instrumenten, bei denen der Körper mitschwingt. Sie werden für akustische Gitarren (Westerngitarren, Konzertgitarren), Kontrabässe, aber auch “exotischere" Zupfinstrumente, wie beispielsweise Mandolinen, eingesetzt. Auch E-Geigen verwenden in der Regel diese Abnehmer. In seltenen Fällen, meistens bei Sonderanfertigungen, den sog. Custom-Gitarren, und deren Kopien, wird die Piezotechnik eingesetzt, um einen, der Akustik-Gitarre ähnlichen Klang, zu erzeugen. Sehr nützlich für komplexere Musikstücke in denen sich akustische und elektronische Passagen abwechseln. Der Bühnenmusiker muss dann nicht die Gitarre wechseln, sondern nur einen Schalter umlegen. Da kein magnetischer Effekt zugrundeliegt, funktionieren die Piezo-Tonabnehmer bei Saiteninstrumenten mit allen Saitenarten, auch mit Nylon- oder Darmsaiten.

Meistens wird der Tonabnehmer in den Steg eingebaut und zwischen Steg und Saiten geklemmt. Es existieren aber auch Varianten, bei denen der Tonabnehmer direkt auf den Korpus des Instrumentes geklebt wird. Der Wechseldruck der schwingenden Saite, der sich über den Steg auf die Decke überträgt, wird so vom Tonabnehmer in eine Wechselspannung gewandelt. Wichtig ist eine Position, von der möglichst viel Kraft der Schwingung auf den Abnehmer übertragen wird, um eine nennenswerte elektrische Spannung zu erzeugen.

Da das elektrische Signal eine sehr hohe Impedanz hat, gehört zu einem Piezo-Tonabnehmersystem fast immer auch ein batteriebetriebener Vorverstärker, der ins Instrument eingebaut wird und meistens einen Lautstärkeregler und eine einfache Klangregelung besitzt.

Bei Piezo-Tonabnehmern wirkt sich nachteilig aus, daß der Abnehmer jegliche Schwingungen des Korpus überträgt (Klopfen/Kratzen auf dem Instrumentkörper, Hintergrundgeräusche).

MIDI-Tonabnehmer

Diese Tonabnehmer nehmen die Saitenschwingung der einzelnen Stahlsaiten einer Gitarre oder entsprechend auch eines Basses auf. Diese werden durch eine zusätzliche elektronische Einheit (A/D-Wandler) in MIDI-Signale umgewandelt (vgl. Gitarrensynthesizer).

Literatur

Helmuth Lemme: Elektrogitarren - Technik und Sound. Elektor-Verlag, Aachen 2003, ISBN 3-89576-111-7

Weblinks

• http://www.badenhausen.com/VSR1Pickups.htm
• kleiner Tonabnehmer-Guide für Plattenspieler
• Mathematische Grundlagen der Schallplattenentzerrung (als PDF, 49 kB)
• Pickup-Geheimnisse auf Helmuth Lemme's E-Gitarren-Seiten
• kleine Pickupology von Bill Lawrence (englisch)

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