Aktivní vs. Pasivní snímače

Na začátku je nutno zdůraznit, že pojem aktivní je poměrně zavádějící, protože např. magnetické snímače budou oscilaci převádět vždy pasivně (na rozdíl od optických snímačů).

Pasivní magnetický snímač je vlastně jen magnet a cívka, produkuje signál bez nutnosti externího napájení. Výstup je poměrně slabý, harmonický obsah závisí zejména na vinutí, frekvenční odezva (tzn. charakteristické tonální spektrum) je mezi jednotlivými modely a výrobci dost odlišná.

Aktivní snímače obsahují elektrický systém, který modifikuje signál. Potřebují zdroj energie, obsahují preamp, většinou filtry a ekvalizér. Mohou produkovat silnější výstup, díky čemuž je signál méně ovlivněn cestou, kterou je veden a vstupními charakteristikami zesilovače. Není, je třeba uzemnit spojeně s kytarou, takže jsou méně náchylné k zachycení okolních ruchů, navíc se tak eliminuje (dnes již tak malé) nebezpečí, že by kytara probíjela a kytarista byl zasažen elektrickým výbojem.

Magnetické snímače se vyrábějí jak pasivní (většina), tak aktivní. Piezoelektrické a optické snímače jsou aktivní.

MAGNETICKÉ SNÍMAČE

Trocha fyziky – princip práce

Magnetické snímače pracují na základě jevu zvaného magnetická indukce. Pokud se v poli magnetu nachází vodič a dojde ke změně toku elektromagnetického pole, začne se ve vodiči indukovat napětí. V našem případě je magnetem jádro snímače, vodičem cívka kolem něj navinutá a změny toku způsobuje kmitající struna. (Z tohoto důvodu musí být struny kovové, u nylonek nelze magnetické snímače použít.) Snímač takto vyprodukuje slabý signál, který je pak zesílen zesilovačem. Výstupní napětí se pohybuje běžně mezi 100mV a 1V RMS (= efektivní hodnota střídavého napětí, je rovna hodnotě stejnosměrného napětí, které by při přiložení na odporovou zátěž dávalo stejný průměrný výkon.)

Stavba

Snímače jsou tvořeny měděnou cívkou ovinutou kolem permanentně magnetického jádra a (většinou 6) pólovými nástavci. Tyto části jsou schovány v plastovém krytu. Cívka je chráněna plastovou páskou, někdy se používají i vrchní krytky. Ty slouží k mechanické ochraně, pokud je krytka kovová, slouží také k částečnému stínění snímače. Na rozdíl od např. mikrofonů tyto snímače neobsahují žádné pohyblivé součástky.

Podstatnou záležitostí je kvalita a způsob vinutí cívky, pokud nebude průměr vodiče stálý (často u levnějších snímačů), bude vzniklý elektrický proud různě hustý, což může vést k nežádoucím ruchům a zkreslení zvuku. Čím vyšší bude počet cívek, tím vyšší napětí se bude produkovat a tím vyšší impedanci (zdánlivý odpor součástky a fázový posuv napětí proti proudu při průchodu harmonického střídavého elektrického proudu dané frekvence) bude snímač mít.

Počet pólových nástavců je většinou 1 nebo 2 na strunu, některé snímače nemají nástavce vůbec separované a mají jen jeden podlouhlý pro všechny struny. Nástavce musí být přesně srovnány se strunou, aby optimálně zachytili vibrační energii struny. (Kvůli tomu se rozlišují krkové, kobylkové, střední snímače – rozchod strun se směrem od kobylky ke krku zužuje, proto se i rozteč nástavců musí různit. Stejně tak jsou speciální snímače pro kytary s dvojzvratnou kobylkou.)

Typy magnetů

Keramické magnety – Jde o slitinu oxidu železnatého (FeO) s uhličitanem strontnatým (SrCO3) nebo barnatým (BaCO3), je nejlevnější, ale také nejslabší. Taky se nazývá feritovým magnetem.
AlNiCo magnety – Slitina hliníku, niklu a kobaltu, patří k levnějším magnetům, ale je silnější než keramický
SaCo magnety – Slitina samaria a kobaltu, je silnější, ale dražší než AlNiCo.
Neodymové magnety – Slitina neodymu se slabou příměsí boru a železa. Tyto magnety jsou velmi silné, čemuž ovšem odpovídá i cena. Používají se třeba na výrobu reproduktorů, v poslední době se aplikují i ve snímačích.

Citlivost snímačů

Je daná počtem závitů cívky, silou magnetu, vzdáleností od struny, avšak mezi těmito parametry je třeba najít kompromis. Velká síla magnetu či přílišná blízkost u strun způsobí to, že magnet ovlivní přirozenou oscilaci struny, brzdí ji a struna pak kmitá méně – např. se tím zkrátí sustain. Velký počet závitů cívky způsobí zase přílišnou citlivost magnetu. Snímač pak zachytí více nežádoucích okolních ruchů, při vyšších hlasitostech dojde ke zkreslení. Hlasitost výstupu pak ovlivňuje i tloušťka struny (čím tlustší, tím větší změny v elektromagnetickém poli) a její magnetická propustnost.

Vznik brumu

Většina brumu je způsobena ruchy ve frekvencích 50 – 60 HZ. Tyto jsou způsobeny zdroji magnetického pole v okolí, zejména kabely, které jsou po proudem, transformátory, reproboxy, zesilovači, některými žárovkami či zářivkami, domácími spotřebiči atd. Pokud způsobují silnější změny v toku magnetického pole, snímač je zachytí.

Typy snímačů

Magnetické snímače se dají rozdělit v podstatně na 2 hlavní typy – jednocívkový single-coil (SC) a dvoucívkový humbucker (HB), dalšími typy jsou minihumbucker, humbucker velikosti single-coilu, a qaud-rail, což je snímač tvoření 4 cívkami a mající velikost humbuckeru, jde vlastně o 2 minihumbuckery vedle sebe (ten produkuje výrazně silnější, ale také zkreslenější signál).

Single Coil je snímač tvořený, jak již bylo řečeno výše, jednou cívkou a jedním jádrem. Snímá kmitání v celém frekvenčním rozsahu, charakteristické jsou pro něj čisté a výrazné výšky. Nevýhodou je velká náchylnost k zachycení ruchů. Proslul použitím na stratocasterech a telecasterech firmy Fender (mnoho typů), Gibson má ve své produkci pouze jeden SC, to neméně známý P-90 (o něm se často říká, že je kompromisem mezi SC a HB). Náchylnost k zachycení brumu vedla ke snahám o nějaké řešení, jak se tohoto nešvaru zbavit. Výsledkem jsou Fender Lace Sensor. Ty mají 2 cívky, ale pod sebou, takže mohou rušit brumy stejně jako HB, ale zachovávají si charakteristicku SC. Někteří tyto snímače považují za sterilní a gentlemanské (ztrácí „uřvanost“ singlů) a nechtějí je užívat, ale mezi uživatele Lace Sensorů se řadí např. i Eric Clapton.

Humbucker (což by se dalo přeložit jako „lapač brumu“) je dvoucívkový snímač, který byl zkonstruován právě za účelem eliminace ruchů. Prosadil se na kytarách typu Les Paul, SG nebo superstratech. Jde vlastně o jakýsi „double-coil“, má 2 stejné cívky na jednom společném jádře zapojené proti sobě, tzn. sériově. Nežádoucí magnetické ruchu přichází na obě cívky zároveň a ve stejné fázi a tak se díky sériovému zapojení jakožto totožné navzájem vyruší. Za to užitečný signál, který tvoří chvějící se struna, je na každé cívce lehce jiný, takže se naopak sečte. Díky 2 cívkám má (při stejném počtu závitů na cívku) HB silnější výstupní signál ne SC. Důsledkem potlačení šumu je i vyrušení některých vyšších harmonických, čímž se zvuk stává kulatějším a teplejším, tón je plný, frekvenční spektrum je spíše středové a basové, výšky jsou lehce potlačeny. Humbuckery je někdy možné zapojit paralelně. Výsledkem je stále rušení brumu a sčítání oscilace, ale snímač má neutrálnější dopad na frekvenční spektrum. Někteří kytaristé toto zapojení odmítají užívat, protože od HB očekávají jeho charakteristický zvuk.

Rozdílnost mezi frekvenčními odezvami

Možná vás už někdy napadlo ptát se, proč každý snímač zní trochu jinak, jak to že jich může být tolik typů a čím to, že snímač u krku zní jinak než ten u kobylky. Odpověď spočívá v tom, jaká je frekvenční odezva daného snímače.

Pokud se budeme bavit o prvních dvou otázkách, odpověď bude spočívat ve více aspektech. První věc je síla magnetu – z jakého typu je jádro vyrobeno a jak je velké, a počtu a způsobu vinutí cívek. Pokud se totiž v cívkách indukuje napětí, tyto cívky se budou na vzájem ovlivňovat a modifikovat oscilaci a frekvenční spektrum. Tyto vlivy závisí právě na kvantitě a kvalitě navinutí. Síla magnetu zase ovlivňuje to, jak velké bude elektromagnetické pole, např. u SC je v průměru široké asi 1 palec (2,54 cm), u HB se pohybuje okolo 2,5 palce (6,35 cm). Snímač totiž nesnímá kmit struny jen v jednom bodě, ale v celém tomto rozsahu a kmit struny je v každém místě trochu jiný.

Z odlišnosti kmitání struny v určitých místech plyne také rozdílnost zvuků snímačů v různých polohách. Vzhledem k tomu, že tato problematika se musí probrat trochu podrobněji, vrátím se ke kmitu strun, poloze snímačů a velikosti jejich magnetického pole na konci článku, abych nerušil kompaktnost textu a neodradil ty, co nezajímají podrobnosti a chtějí se více dozvědět jen o snímačích jako takových.

PIEZOELEKTRICKÉ SNÍMAČE

Někdy se nazývají jako kontaktní snímače. Tyto snímače pracují na principu Faradayova jevu, který je založen na tom, že při mechanické deformaci dochází v některých krystalech k jevu piezoelektrickému, vzniká v nich elektrický náboj. Piezoelektrické snímače tedy využívají tlakové komprese krystalů způsobených mechanickou oscilací nástroje. Díky tomu neberou žádné frekvenční ruchy. Monofonické piezosnímače snímají oscilace celého těla, ne přímo struny. Přestože je běžné je zabudovat do kobylky nebo pod ní, není to nutné, mohou být téměř kdekoli na těle. Polyfonické se někdy nazývají resonančními, každá struna má tedy svůj vlastní piezosnímač.

Mají vysokou impedanci, je tedy nutný preamp (většinou 9V baterie) za účelem odstranění možného zkreslení. Díky tomu, že nijak neovlivňují kmitání struny a nezáleží na jejich poloze vzhledem k harmonickým uzlům struny (protože nesnímají přímo její kmit, ale tlak tímto kmitáním způsobený), mají široké frekvenční spektrum. Někdy se mohou kombinovat s magnetickými.

OPTICKÉ SNÍMAČE

Tento způsob snímání chvění strun je poměrně raritní, využívá se skutečně jen velmi zřídka a většinou na baskytarách, kde je kmitání struny pomalejší. Tyto snímače mají nejčistší a nejširší frekvenční odezvu, protože nezaznamenávají vůbec žádné ruchy a kmit struny vůbec neovlivňují, navíc stejně jako u piezosnímačů, tak i optosnímačů, nezáleží na jejich poloze.

A ZPĚT K FREKVENČNÍM SPEKTRŮM, POLOZE SNÍMAČŮ A JEJICH SÍLE

Když byl sestrojen první magnetický snímač za účelem zesílení zvuku, jistě netrvalo dlouho, než si lidé všimli, že ten zvuk je přece jen trochu jiný než u akustických nástrojů. Později zjistili, že také záleží na umístění snímače a na jeho síle. Proč zrovna toto? Protože tohle ovlivňuje tzv. frekvenční odezvu, čili to, jak jaké frekvence snímač zvýrazní či potlačí a jaký zvuk (přesněji barvu zvuku) uslyšíme. Abychom pochopili, musíme se nejdřív podívat k pramenům a pochopit, jak vlastně vibruje struna.

Struna nekmitá jen na základní harmonické frekvenci, kmitá v celém frekvenčním spektru, vznikají tak vyšší harmonické tóny. Ty jsou tišší a vyšší. Nejhlubší základní frekvence je nejhlasitější. Např. zní-li základní tón na frekvenci 440 Hz (komorní A), pak přeznívají další frekvence – 880 Hz, 1320 Hz, 1760 Hz, 2200 Hz, atd.

Struna kmitá v tzv. stojatém vlnění, vznikají na ní tzv. uzly, kde struna nekmitá a amplituda je nulová (např. pokud zahrajete přirozený flažolet na 12. pražci, nad 12. pražcem bude tento uzel, pokud tam necháte přiložený prst, bude struna i nadále znít). Jednotlivé dílčí amplitudy mezi uzly dosahují svého maxima (nebo minima) ve stejný okamžik. Vypadá to asi takto:

Zde se dostáváme k tomu, proč je tón akustické kytary jiné, než elektrické. U akustické kytary je kmitání struny zesíleno jen tělem rovnoměrně a kompletně, tudíž každá vyšší harmonická si najde nějakou cestu k našemu uchu. U elektrické kytary ale snímač chytí jen některé harmonické a některé ne, některé zesílí více a jiné méně, proto má zvuk jinou barvu.

 

První obrázek zachycuje jen základní frekvenci, další druhou, třetí, čtvrtou a pátou harmonickou. U prvních 3 harmonických všechny 3 snímače zachycují strunu ve stejném směru pohybu, ale každý v jiném místě a tudíž v jiné rychlosti a jinak velké dráze kmitu, tzn. jinak výrazném ovlivnění elektromagnetického pole. U čtvrté harmonické snímač vlevo (vlastně tedy krkový) nic nezachycuje, protože přímo nad ním je uzel. U páté harmonické je nad krkovým snímačem červená čára, a to proto, že struna zde kmitá opačným směrem než nad středovým a kobylkovým snímačem. (Pokud bychom zapojili kombinaci více snímačů, když nad nimi struna kmitá stejným směrem, signál se sčítá, při pohybu různém odčítá.) Přidám ještě obrázek, jak by to vypadalo, při stisknutí struny na 12. pražci.

V tomto tedy spočívá rozdílnost frekvenční odezvy u různě umístěných snímačů, nad každým místem totiž snímač zachytí nebo naopak nezachytí jiné harmonické. Které to budou, to závisí tedy na poloze, délce kmitající struny a na její frekvenci. Zde vidíte frekvenční odezvy na krkovém (6,375 palce od kobylky), středním (3,875 palce od kobylky) a kobylkovém (1,625 palce od kobylky) snímače na stratocasterovi (menzura 25,5 palce) na hluboké E struně (frekvence 82 Hz).

Pro srovnání zde to samé na tenké E-struně (jinak stejné parametry).

Takto by to bylo s polohou snímače.(Jen pro zajímavost, když tohle odhalili ve firmě Gibson, hned vymysleli a nechali si patentovat kytaru s posuvnými snímači. Bohužel, širší uplatnění nikdy nenašla.)

Podobné to bude i s šířkou magnetického pole snímače. Snímač totiž nezachycuje kmitání jen v jednom bodě, ale v celém svém poli. Avšak vzhledem k tomu, že pole směrem ke krajům slábne, tak i kmit struny je zachycován slaběji. Pro ilustraci znovu obrázky, na prvním uvidíte odezvu u klasického Fendrovského single-coilu (pole široké asi 1 palec) a na druhém u Gibsonovského humbuckeru (pole široké asi 2,5 palce) na hluboké E struně.

Pokud teď sečtete závislost polohy snímače se závislostí na jeho síle dané velikostí a typem (v součtu silou) magnetu, počtem cívek a závislostí na způsobu vinutí, zjistíte, jak rozmanité možnosti snímače mají. Zde je odpověď na to, proč zní každý snímač jinak.

Autor článku: Lukáš Konečný (Nero)

Zdroje:

www.till.com/articles/PickupResponse/index.html
www.bbc.co.uk/dna/h2g2/A3176165
www.buildyourguitar.com/resources/lemme/