Budowa i działanie przetwornika piezoelektrycznego w gitarze akustycznej

Gitarowy przetwornik piezoelektryczny, budowa i zasada działania.

Właśnie robię mały remont swojego instrumentu, to przy okazji „pokaż kotku co masz w środku”. Na tapetę weźmiemy przetwornik piezoelektryczny.

Przetwornik piezoelektryczny, znany również jako pickup piezoelektryczny, jest jednym z najczęściej stosowanych rodzajów przetworników do wzmacniania dźwięku w gitarach elektroakustycznych. Jest to popularny wybór ze względu na swoją zdolność do reprodukowania w miarę naturalnego brzmienia gitary akustycznej.



Powyżej znajdują się zdjęcia takiego przetwornika, w tym wypadku od 4 strunowej gitary basowej firmy Stagg, nie mniej jest to popularny format mostka dla takich gitar akustycznych, czyli 84mm x 6.5mm x 10mm. Składa się on z dobrze ekranowanego, ale cienkiego kabla sygnałowego, zakończonego wtykiem jack TS 2.5mm i metalowej obudowy. Po bokach znajdują się dwie plastikowe zatyczki trzymające mostek na którym opierają się struny instrumentu. Po rozebraniu przetwornika, czyli wyjęciu mostka możemy zauważyć że jest on ukształtowany tak żeby było możliwe osadzenie w niej pasownie 4 płytek materiału piezoelektycznego. Jeszcze pomiędzy samymi płytkami piezo a mostkiem znajduje się cienka miedziana blaszka która łączy się z obudową – jest to element połączony z masą gniazda jack, pełni rolę ekranującą, oraz ustalającą potencjał masy dla kryształów piezo.
Na spodzie obudowy możemy zobaczyć cienką płytkę PCB, z nadrukowaną jedną ścieżką, połączoną z rdzeniem kabla, i stąd przedwzmacniacz „widzi” sygnał dźwiękowy. Na tej ścieżce po złożeniu opierają się elementy piezo. Całość tworzy swojego rodzaju kanapkę, czyli od góry są struny naciskający na sam mostek, ten naciska na blaszkę masy która styka się z elementami piezo, te stykają się do PCB z ścieżką sygnałową, a ta poprzez izolator płyty, przenosi siłę na obudowę, która montowana jest do pudła rezonansowego instrumentu. W tym wypadku występują 4 elementy piezo połączone równolegle.

Płytki piezo są wykonane z materiału który posiada właściwość piezoelektryczną. Oznacza to, że może generować napięcie elektryczne w odpowiedzi na naprężenia mechaniczne lub odwrotnie - ulegać odkształceniu w odpowiedzi na napięcie elektryczne. Tutaj zmianę naprężeń generują struny gitary, naciskające ciągle na płytki.
Najczęściej stosowanym materiałem piezoelektrycznym jest kryształ kwarcu, jednak stosuje się także inne materiały, takie jak ceramika piezoelektryczna, polimer piezoelektryczny (np. PVDF), czy też niektóre kompozycje ceramiczne.

Element piezoelektryczny jest polaryzowany podczas procesu produkcyjnego. Oznacza to, że wewnątrz materiału piezoelektrycznego są wytworzone domeny zorientowane w określonym kierunku. Dzięki temu, gdy materiał jest poddany naprężeniom mechanicznym, dochodzi do przesunięcia ładunków elektrycznych wzdłuż tych domen, co prowadzi do powstania napięcia elektrycznego. Kiedy występuje kilka elementów piezo – jak w tym przypadku - trzeba przy montażu zwrócić na to uwagę. Montaż w przeciwnych polaryzacjach będzie skutkować tłumieniem sygnału elektrycznego z kilku elementów piezo. Mimo że mostek jest celowo nacinany by separować od siebie struny, to nadal jest mechanicznie razem połączony, i na płytki działają podobne naprężenia mechaniczne.

Z zalet rozwiązania piezo to:
- stosunkowo niska cena
- prosta konstrukcja, przez co często nie jest wymagana duża ingerencja w instrument by dodać do niego element piezo. Często wystarczy drobne nawiercenie w podstawie mostka, do przeprowadzenia kabla, i wyprowadzenie gniazda , co można uczynić w miejscu istniejącego zaczepu na pasek.
- dobre uzupełnienie do mikrofonów przy nagraniach gitary akustycznej w studio
- na scenie poprawia odstęp od sprzężeń, zwłaszcza gdy zastosuje się zatyczkę na otwór rezonansowy.

Ale:
- zdarzają się problemy z głośnością poszczególnych strun. W przypadku pickupu ze zdjęcia dwie cieńsze struny grały wyraźnie ciszej. W przypadku mojego instrumentu wyraźnie słyszalny był też efekt starzenia się strun.
- o ile brzmienie jest bliższe akustycznemu niż przetworniki elektromagnetyczne, dalej ma charakterystyczne brzmienie „piezo”. Nie jest to całkowity zamiennik mikrofonu. Nie chcę pisać tego jako minus, ale warto o tym pamiętać.
- element piezo jest wrażliwy na uderzenia, i potrafi je mocno przenieść na wzmacniacz. Tym samym niektóre techniki bicia gitarowego wykorzystujące jednoczesne uderzanie pięścią w mostek (żeby przytłumić struny) nie będą pożądane.
- element piezo zbiera dźwięk tylko ze strun, z mostka, czyli pozostałe dźwięki wydawane przez instrument nie będą słyszalne – czyli odpadają techniki perkusyjne. Ale czasami jest to też zaleta, bo nie słychać „śmieci”.

W przypadku jak zaprezentowana konstrukcja trzeba zwrócić uwagę na to że obszary miedziane są wystawione na oddziaływanie z atmosferą, i widać już pokrycie patyną, co będzie miało wpływ na przewodnictwo elektryczne pomiędzy przewodnikiem a płytkami piezo. Element ten ma przeszło 20 lat, niby dramatu nie ma, ale ślady są mocno widoczne. Po dłuższym czasie eksploatacji przy zauważeniu dysproporcji głośności lub zniszczeniu miejsc styku ze strunami, trzeba pomyśleć o wymianie całego mostka na nowy. Całość jest składana z klejem, jego demontaż do czyszczenia może być problematyczny.

Oczywiście zaprezentowane rozwiązanie to jedno z kilku, w tym wydaniu specyficzne dla gitary basowej. W instrumentach akustycznych stosuje się również rozwiązania piezo nie pod mostkiem a montowane do ścianki komory rezonansowej, czy to przyklejane na stałe, czy montowane chwilowo za pomocą klipsu.


Ciekawym rozwiązaniem jest również pickup firmy KNA montowany w instrumentach akustycznych w miejscu montażu strun, ale jednocześnie nie ingerujący w strukturę instrumentu, co może być istotne dla osób nie chcących ingerować w instrument.


Spotyka się również mostki gdzie każda struna posiada element piezo z własnym wyprowadzeniem.