Ein elektrisches Monochord (Prototyp)

Im Physikunterricht gab es die Möglichkeit, ein Projekt zu realisieren: Wahlweise ein Lautsprecher mit selbstgebauter Membran oder ein frei Wählbares Projekt, dessen einzige Anforderung die Verwendung eines elektromagnetischen Tonabnehmers ist. Ich habe mich für einen elektromagnetischen Tonabnehmern bzw. ein elektrisches Monochord entschieden. Inspiriert wurde ich von dem Orkestra Obsolete mit einem Cover des Songs „Blue Monday“ von New Order, das mit Instrumenten aus den 30er Jahren gecovert wurde und in dem ein monochordähnliches Instrument enthalten ist. Gebaut habe ich es mit meiner selbstgebauten Mostly Printed CNC und „klassischen“ Herstellungsmethoden.

Was ist ein Monochord?

Ein Monochord ist ein Musikinstrument, welches etwa um 2500 vor Christus von Pythagoras, einem griechischen Mathematiker erfunden wurde. Es gibt verschiedene Ausführungen mit unterschiedlichen Saitenzahlen: So gibt es Monochorde mit bis zu 40 Saiten, aber auch mit nur einer oder drei Saiten. Hier entschied ich mich für nur drei Saiten und für eine Bauanleitung des Deutschen Museums, die ich aus mehreren Gründen stark modifiziert habe. Der große Unterschied zu einem „normalen“ Monochord ist, dass in dieser Variante eine selbst angefertigte Schaltung einer Fender Telecaster verwendet wird, die zwischen 1953 bis 1967 in der Form hergestellt wurde, mit selbstgewickelten Tonabnehmern zum Einsatz kommt.

Funktionsweise eines Tonabnehmers

Das E-Monochord mit den Tonabnehmern, Pontentiometer und dem Fender Three-Way-Switch

Wie schon erwähnt, ist ein Tonabnehmer relativ simpel. Über dem Tonabnehmer schwingen eine oder mehrere Saiten, oft aus Eisen. Durch diese Schwingungen ändert sich durchgehend die Polarität des Magnetfelds – wie oft das in der Sekunde ist, hängt von der Frequenz (Tonhöhe) der Saite ab. Aufgrund der Änderung der Polarität durch die Schwingungen der Saite wird eine Spannung in dem Tonabnehmer induziert. Die Magnete im Tonabnehmer erhöhen dabei die Stärke des Magnetfelds. Einige Gitarrenbauer schwören auf Alnico-Magnete, die ich hier nicht verwendete, da sie sehr teuer sind (etwa 3€ pro Magnet). Stattdessen kamen gewöhnliche Zylindermagneten zum Einsatz, welche aber eine fast gleich hohe Remanenz aufweisen.

Modifikationen an der Bauanleitung des Deutschen Museums

Das vom deutschen Museum vorgestellte Monochord ist komplett akustisch. In meinem Fall verwende ich aber Tonabnehmer, um die Lautstärke zu erhöhen. Daher können die Klangkörper entfernt werden und als Hals reicht es aus, einfach einen Balken zu nutzen. Nun kommt allerdings ein anderes Problem auf: Ich brauche ein Fach für die Elektronik. Bei E-Gitarren hat sich dazu ein sogenanntes E-Fach etabliert. Hierfür nutze ich zwei Würfelförmige Kisten, für die ich zwar eine richtige CAD-Zeichnung gemacht habe und auch gefräst hätte, wenn meine Mostly Printed CNC Anfang/Mitte April schon fräsbereit gewesen wäre.

Hintergrundinformationen über Tonabnehmer

Tonabnehmer sind zumindest bei E-Gitarren etwas spezielles: Der Grundaufbau ist simpel, aber man kann sehr viel falsch machen, da es keine genauen Angaben zu den Windungszahlen und den Drahtstärken gibt, meistens sind es aber Drahtstärken zwischen AWG (American Wire Gauge) 40-44. Im Prinzip besteht ein Tonabnehmer nur aus mehreren zylinderförmigen Magneten (meistens so viele, wie auch Saiten da sind), um den  Kupferlackdraht zu einer Spule gewickelt wird. Man unterscheidet außerdem zwischen Single-Coil und Humbucker Tonabnehmern. Sie werden nur unterschiedlich gewickelt. Bei einem Single-Coil-Pickup wird einfach eine Spule um alle Magnete gewickelt. Das ist auch die Sorte von Tonabnehmern, die in klassischen (und heute auch noch) in Fender E-Gitarren verwendet wird. Ein Vorteil ist, dass sie leichter herstellbar sind, gleichzeitig ist es nachteilig, dass sie gerne anfangen zu brummen.

Ein neuer Steg und eine neue Methode, um die Saiten zu spannen

Der Steg aus der Lösung des Deutschen Museums war mir zu instabil, denn Stahlsaiten werden sehr wahrscheinlich tief in den Holzsteg hineinschneiden und die Höhe zwischen Saite und Tonabnehmer verändern. Demnach habe ich zwei Stege aus Kupferrohr hergestellt. Sie sind jeweils 94 mm lang und haben einen Durchmesser von einem Zentimeter. Da es im Baumarkt keine Gewindeschrauben mit M8-Vollgewinde in der benötigten Länge gab, kaufte ich Gewindestäbe und kürzte sie selbst auf eine Länge von jeweils 10 Zentimetern. An einem Ende eine selbstsichernde Mutter befestigt, und schon hatte ich passende Schrauben um den Hals mit den Würfeln und dem Steg zu verbinden.

Die Rundhaken mit dem Steg

Um die Saiten zu befestigen nutzte ich gewöhnliche Rundhaken, zum Stimmen Anhangsstifte aus dem Klavier- und Cellobau.

Leider lässt sich mein E-Monochord nicht stimmen

Die Anleitung des Deutschen Museums sah vor, die Anhangsstifte einfach in ein zuvor gebohrtes Loch zu schrauben, ohne extra ein Gewinde zu schneiden. Das kam mir schon vorher seltsam vor. Es hat auch – wie erwartet – nicht funktioniert. Mein elektrisches Monochord lässt sich leider nicht stimmen.

Eine Saite habe ich verändert, mit einem modifizierten Gewindestab und einer Einschlagmutter. Diese Saite, die zuvor immer sehr viele Probleme machte, ist nun besser gespannt, auch wenn sie wieder nicht richtig gespannt werden kann.  

Herausforderungen beim Herstellen der Tonabnehmer

Bei diesem Projekt habe ich sieben Tonabnehmer von Hand gewickelt, obwohl ich nur zwei brauchte, denn jedes Mal lief irgendetwas schief. Bei den ersten zwei Tonabnehmern war es der Draht: Für diese verwendete ich äußerst günstigen, 0,1 mm dicken Kupferlackdraht, der lose ausgeliefert wurde. Schnell hat sich das Ganze verheddert und der Draht ist gerissen. Also habe ich neuen Draht gekauft, diesmal etwas teuerer, mit einem Durchmesser von 0,05 mm auf einer Rolle mit 1500 Metern. Wieder gewickelt, was diesmal sehr gut funktionierte und schon das nächste Problem: Das Lötzinn perlte  ab. Nachdem ich bei Mikrokontroller.net einen Forenbeitrag gelesen habe, hatte ich drei Lösungen für dieses Problem.

  1. Abkratzen der Polyurethan-Isolierung: Durch den sehr geringen Durchmesser des Kupferlackdrahts (0,05 mm inkl. Isolierung) war das schon nicht möglich
  2. Entfernen der Isolierung mit Aceton: Das hat überhaupt nicht funktioniert. Es roch sehr streng nach verbranntem Kunststoff und das Lötzinn ist weiterhin abgeperlt
  3. Abbrennen der Isolierung: mit einem Lötkolben die Stellen erhitzen, an denen später das Anschlusskabel gelötet wird. Es riecht zwar auch sehr nach verbranntem Kunststoff aber es lässt sich halbwegs löten.

Alle guten Dinge sind 8

Beim ausprobieren der Methoden habe ich versehentlich den Anfangsdraht eines Tonabnehmers wesentlich gekürzt, da ich es zu lange mit dem Lötkolben bearbeitet hatte. Demnach musste ich wieder einen Tonabnehmer wickeln.
Ein Tag bevor ich auf das Plage Noire Festival gefahren bin, waren endlich zwei fertig. Da professionell hergestellte Tonabnehmer am Ende des Fertigungsprozess gewachst werden, und sich dafür auch Bienenwachs eignet, habe ich sie auch gewachst. Es war keine gute Idee. Am Ende hatte ich zwei defekte Tonabnehmer, da sich beim wachsen einzelne Drähte der Spüle gelöst haben und ich diese beim entfernen des überschüssigen Wachses nicht gesehen und somit durchtrennt habe.
Somit musste ich wieder zwei Tonabnehmer wickeln. Trägerplatten erneut aus Acrylkunststoffplatten ausgefräst, Magnete eingesetzt, verklebt und Isoliert, und dann erneut gewickelt. Bei den letzten beiden Tonabnehmer habe ich auch weitaus mehr gewickelt als zuvor – pro Tonabnehmer sind es etwa 400 Meter – das von Hand hat jeweils etwa 6 Stunden gedauert.

Finaler Zusammenbau aller Komponenten

Mithilfe eines 3-Way-Switch lassen sich die einzelnen Tonabnehmer auf den Output dazuschalten. Position eins ist der Bridge-Pickup alleine, in der Mitte sind Bridge- und Neck-Pickup zusammen geschaltet und in der letzten Position ist der Neck-Pickup alleine. Mit den beiden Potentiometern kann die Lautstärke und der Ton eingestellt werden. In diesem Schritt habe ich alles einfach nur zusammengeschraubt und fertig gelötet, was etwas kniffelig ist, da man mit den Phasen schnell etwas falsch machen kann. Außerdem gibt es von der „Blackguard“-Schaltung verschiedene Varianten. Der beigelegte Schaltplan beinhaltet eine „Treble Bleed“-Modifikation, d.h. einen 220 kOhm Widerstand mit parallel geschaltetem 470pF Kondensator, fügte ich in der Schaltung nicht ein, da dies optional ist.
Nachdem ich die Schaltung ein zweites Mal zusammengelötet habe, da ich bei der ersten ein paar größere Fehler gemacht habe, funktionierte diese direkt. Die Tonabnehmer haben funktioniert, sie brummten zwar sehr stark aber Berührungen an der Saite waren schon hörbar.

Unerwartete Probleme

Also montierte ich den Steg, isolierte alle Verbindungen mit Schrumpfschläuchen statt Isolierband und schraubte das Gehäuse zusammen. Jetzt kommt das Problem: Ich schließe es an den Verstärker an, und es kommt kein Ton mehr von der Schaltung an. Dementsprechend demontierte ich es wieder. Ich lötete alle Verbindungen neu, prüfte die Leitfähigkeit aller Komponenten der Schaltung mit dem Multimeter, überprüfte die Kondensatoren und Potentiometer.
Nach längerer Fehlersuche bin ich jetzt am Ende: Ich habe keine Komponenten mehr, nicht genug Wissen über analoge Schaltungen und auch nicht das geeignete Werkzeug, um den Fehler zu finden. Dennoch werde ich wieder etwas ähnliches bauen, das ich ebenfalls auf meinem Blog veröffentlichen werde.

Letzten Monat bekam ich mein Monochord zurück – und mein Physiklehrer meinte nur, ich hätte die Messlatte ziemlich hoch gelegt.

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