Tajemství elektromagnetického snímání houslí

Jak vyrobit elektromagnetický snímač pro kytaru je obecně známo. Pro housle je však důležité respektovat jiný způsob kmitání struny. Přesto někteří malí výrobci kytarových snímačů vyrábějí elektromagnetický snímač pro housle stejně jako snímač kytarový a specifické kmitání houslové struny nerespektují. Přináší to obtíže v nevyrovnaném a slabém signálu, který je pak nutné elektronicky "dohánět".

Kytarový snímač
Funkce elektromagnetického snímače je popsána v mnoha publikacích. Na obrázku je vidět snímač tvořený permanentním magnetem (nebo jeho pólovým nástavcem), na kterém je navinuta cívka o mnoha závitech. Ocelová struna svým pohybem mění magnetické pole vytvořené magnetem a tyto změny jsou snímány navinutou cívkou. Struna kytary se po drnknutí nad pólem magnetu pohybuje v měnícím se směru, v otáčejících se oválech a někdy dokonce I v kruzích. Tento pohyb lze na basových strunách pozorovat I pouhým okem. Vzhledem k tomu, že se struna přibližuje a vzdaluje od pólu magnetu vytváří potřebnou změnu magnetického pole, která se projeví jako naindukované napětí na vinutí cívky. Takto pracují všechny kytarové elektromagnetické snímače.

U houslí a ostatních smyčsových nástrojů je kmitání struny usměrněno do více méně jedné roviny tahem smyčce. Pokud elektromagnetický snímač umístíme pod strunu, stejně jako u kytary, bude se struna při svém smyčcem usměrněném kmitání vzdalovat od pólu magnetu jen nepatrně. Signál ze snímače bude velmi slabý a při zesílení bude obtížné se zbavit nechtěného síťového brumu. Pokud na strunu brnkneme, bude sice signál normální, protože kmitání tak napodobí kmitání struny na kytaře, ale pro hru smyčcem je toto uspořádání polohy magnetu vůči struně zcela nevhodné.

Houslový snímač
Abychom docílili dobrého signálu i při hře smyčcem, musíme strunu vůči snímači umístit tak, aby se při kmitání více vzdalovala a přibližovala k pólu magnetu nebo nástavce. Vhodná poloha je na obrázku. Struna se pohybuje poblíž pólu magnetu v magnetickém poli a přitom svým pohybem vyvolává dostatečnou změnu magnetického pole. Toto uspřádání polohy magnetu vůči poloze a směru kmitání struny je pro elektromagnetický snímač houslí a violy zcela zásadní.

Elektromagnetický snímač pro čtyřstrunné housle bude tedy mít dvě snímací cívky umístěné v poloze mezi strunami . Z obrázku je patrné, že každá cívka snímá dvě sousední struny. Jedna cívka je umístěna mezi strunami E a A, druhá cívka mezi strunami D a G.

Poloha snímací cívky vůči struně je základ pro houslový snímač.

Magnety cívek
Pro cívky snímače je vhodné použít jakostní neodymové magnety. V rozměru, který potřebujeme na snímač nejsou nikterak drahé a zabezpečíme tak dostatečně silné magnetické pole. Magnety obou cívek musí být orientovány stejným směrem aby nedocházelo k uzavření magnetického pole pouze přes vnitřní struny.

Vinutí cívek
Cívky houslového snímače jsou menší než snímače kytarového. Vinutí může být dle použitého drátu vysokoimpedanční nebo nizkoimpedanční.
Vysokoimpedanční snímač může být vinut vodičem 44AWG a má 10 - 12 tisíc závitů na každé cívce. Činný odpor každé z cívek je kolem třech kiloohmů.
Nízkoimpedanční snímač může být vinut vodičem 0,1mm a má cca 2,5 tisíce závitů na každé cívce. Činný odpor každé z cívek se pohybuje v desítkách až stovkách ohmů.
Abychom dostali dostatečně silný signál, je dobré, obě cívky zapojit do série podobným způsobem jako humbucker. Odměnou nám bude také nižší nechtěný naindukovaný brum. Navinuté cívky je vhodné, stejně jako na kytaře, napustit např. včelím voskem.

Umístění snímače
Na houslích není mnoho míst, kam lze umístit elektromagnetický snímač. Umístíme ho podobně jako na kytaře mezi hmatník a kobylku houslí. Snímač je nutné uchytit na tu část houslí, která se nechvěje a nepodílí se na zvuku nástroje. Jinak by došlo k nepřípustnému ovlivnění vlastního zvuku nástroje. V tomto případě se nabízí hmatník houslí, kdy uchycený snímač se však v žádném případě nesmí dotýkat horní desky nástroje.
Uchycení snímače na hmatníku může být provedeno mechanickou klipsnou, ale mnohem lepší a šetrnější k nástroji je přilepení pevným speciálním netvrdnoucím tmelem, podobným jako je na lepení kontaktních snímačů. Tento tmel nejen že snímač udrží, ale jeho použití vyloučí nechtěné parazitní rezonance mechanického uchycení klipsnou.
Další elegantní možností je integrovat snímač přímo do  hmatníku houslí. Toto však vyžaduje odborný zásah houslaře, který musí hmatník z nástroje sejmout a potom znovu s osazeným snímačem hmatník na nástroj přilepit. Opět se snímač nesmí dotýkat horní desky nástroje.

Korpus snímače
Korpus snímače musí být proveden z nemagnetického a nevodivého materiálu. Jeho specifický tvar lze např. vytisknout technologií 3D tisku dle trojrozměrného digitálního modelu. Výtisky sice v současném provedení nejsou úplně dokonalé, ale po dalším mechanickém opracování a nalakování jsou pro individuální stavbu snímače postačující. Spodní strana korpusu je tvořena ocelovým víčkem, které příznivě ovlivňuje magnetický tok a navíc slouží jako stínění.

Připojení snímače
I když se jedná o tak malý a lehký nástroj jako jsou housle, praxe jednoznačně ukazuje, že připojovací konektor musí být stejný jako na ostatních nástrojích, a to  Jack 6,3mm, nebo jiní  výrobci (TS, TRS). S jakýmkoliv jiným konektorem se můžete dostat do problémů, kdy při selhání vašeho připojovacího kabelu zvukař vaši "speciálku" nemá a tudíž vás nepřipojí. Navíc spolehlivost mešího Jack 3,5mm konektoru je pro muzikantskou praxi velmi problematická. Větší (XLR) konektory zase na housle umístíme jen s obtížemi. O starších konektorech DIN už nemluvím vůbec. Jack 6,3mm (TS, TRS) je prostě muzikantským standardem. Housle samozřejmě musíme osadit příslušným protikusem tohoto konektoru. Uchycení je na lubu nástroje podobné uchycení podbradku. Dle experimentů lze dopručit umístění výstupního konektoru dle obrázku. Konektor nezavazí smyčci při hře a kabel od snímače je velmi krátký (několik cm) takže lze zabezbečit, že se nebude dotýkat horní desky nástroje a vytvářet nechtěné drnčení a pazvuky. Jistě lze výstupní konektor umístit i na lubu v jiné části nástroje, ale potom je nutné dořešit protažení kabelu od snímače tak, aby "nedrnčel".
Není důvod, proč by na konetou Jack 6,3mm (TRS) nebyl snímač zapojen tzv. "symetricky". Je to univerzální řešení, kdy připojení dle typu propojovací šňůry může být symetrické nebo nesymetrické.

Měření snímačů
Parametry, charakterizující vlasnosti snímače, které se dají zjistit měřením:

Impedance snímače - hodnota pomůže stanovit, jestli budeme snímač připojovat do nízkoimpedančního mikrofonní vstupu nebo do vysokoimpedavčního nástrojového vstupu zesilovače. Nízkoimpedanční snímač má impedanci řádově stovky ohmů. V tom se podobá běžným dynamickým mikrofonům a bude tedy zapojován do mikrofonního nebo obdobného vstupu. Vysokoimpedanční snímač má impedanci řádově kiloohmy a bude tedy zapojován do vysokoimpedančních vstupů pro hudební nástroje.
Zatímco činný odpor cívek změříme běžným ohmetrem, impedanci nejjednodušeji změříme pomocí generátoru, nf milivotmetru a běžného odporu. Jako generátor nám dobře poslouží výstup ze zvukové karty počítače a softwarového generátoru, nf milivoltmetr zastoupí běžný multimetr, odpor postačí miniaturní.

Měřit budeme na referenčním kmitočtu 1 kHz a jako porovnávací činný odpor je pro vysokoimpedanční snímače vhodný 10 kΩ, aby se to dobře počítalo. Impedance vůči pevnému odporu bude tedy v poměru napětí naměřených na odporu a na snímači. Pokud na odporu naměříme napětí např. 100 mV a na snímači 120 mV, bude impedance snímače 12 kΩ/1kHz. Naměřená impedance bude vždy o něco vyšší než činný odpor cívek snímače.

Výstupní napětí - hodnota nám pomůže určit, jestli snímačem dostatečně vybudíme zesilovač (efektový procesor apod.) nebo budeme potřebovat ještě nějaký předzesilovač (preamp).

Ke změření budeme potřebovat milivoltmetr, ručičkový je vhodnější než digitální. V nouzi postačí vhodný multimetr. Snímač osadíme na hudební nástroj a měříme výstupní napětí při běžné hře zhruba na tónu h² - c³ tedy cca 1kHz. Maximální výstupní napětí pak změříme při hře fortissimo s dvohmaty, kdy hledáme největší napětí nezávisle na výšce tónu.

Kmitočtová charakteristika - průběh nám napoví, jak se bude snímač chovat při snímání různých kmitočtů. Pro toto měření budeme potřebovat zvukovou kartu, která disponuje vysokoimpedančním tzv. nástrojovým vstupem. Generátor růžového šumu (pink noise) a grafický analyzátor budou opět softwarové. Použitý odpor na výstupu generátoru (zvukové karty) je pro zvýšení výstupní impedance aby nebyl ovlivňován měřený snímač nízkou zátěží.

Snímač je buzen růžovým šumem z generátoru a na analyzátoru můžeme vidět frekvenční charakteristiku vlastního snímače. Tato měřící metoda sice není úplně dokonalá, ale pro srovnání různých snímačů bohatě postačí.

Kmitočtové charakteristiky a jejich korekce
Již po prvním měření kmitočtové charakteristiky vysokoimpedančního snímače je zřejmé, že se svým průběhem velmi podobá snímači kytarovému. Na nízkých kmitočtech - basech je frekvenční charakteristika celkem vyrovnaná. Na kmitočtech 2 - 6 kHz vykazuje charakteristický vrchol (peak) a následuje opad se strmostí -12 dB/okt. Zatím co u kytary je tento peak žádoucí - vytváří charakteristický tón elektrické kytary - u houslí se projevuje jako nepříliš příjemný "řežavý" tón. Některé kmitočty jsou nepěkně zdůrazněny a housle s takto neupraveným snímačem mají různou intenzitu strun.

Tentýž snímač s připojeným paralelním kondenzátorem 1 nF. Vrchol - peak se mírně snížil, ale také se mírně snížil i rezonanční kmitočet.

Tentýž snímač s připojeným paralelním kondenzátorem 10 nF. Vrchol - peak se razantně snížil a bohužel se razantně snížil i rezonanční kmitočet. Čímž se výrazně omezil kmitočtový rozsah směrem k vyšším kmitoštům. Tento kmitočtový rozsah je již pro praxi nepoužitelný.

Tentýž snímač s připojeným paralelním kondenzátorem 15 nF. Toto už je pouze ukázka, jak se rezonance chová při dalším zvyšováním kapacity paralelního kondenzátoru. Peak sice téměř zmizel, ale kmitočtová charakteristika je drasticky omezená.

Z Výše uvedeného se dá soudit, že optimální kompromisní hodhota paralelního kondenzátoru bude někde mezi 2n2 až 4n7. Peak se sníží na rozumnou hodnotu a přitom se moc nesníží kmitočtový rozsah snímače.

Snímač se zapojeným paralelním kondenzátorem 4n7.

Paralelní kondenzátor 4n7 pouze na cívce pro nízké struny G a D.
Kondenzátor 470 pF na výstupu je pro potlačení vlivu připojovacího kabelu.

Paralelní kondenzátor 4n7 pouze na cívce pro nízké struny G a D a na výstupu kondenzátor 2n2.
Dochází ke snížení obou vrcholů a výraznému potlačení vlivu připojovacího kabelu.

Toto zcela jiné zapojení je inspirováno tónovou korekcí kytarových snímačů.

Jedná se o zřejmě nejvhodnější zapojení pro houslové vysokoimpedanční elektromagnetické snímače. Mírný zdvih vyšších kmitočtů zbavený ostrých vrcholů se příznivě podílí na zvuku snímaných houslí.

Všechna výše uvedená měření se týkají výhradně vysokoimpedančních snímačů. Nízkoimpedanční snímače není nutno kompenzovat, protože jejich rezonanční vrchol se vyskytuje za hranicí slyšitelnosti a navíc je potlačen nízkou impedancí mikrofonního vstupu. Také se prakticky neprojeví vliv kapacity připojovacího kabelu.

Různá provedení v podstatě stejného snímače:

Na závěr jedno velmi zajímavé provedení snímače se zdvojenými cívkami. Snímač díky tomu snímá větší část struny. Podařilo se do něj integrovat malý odporový trimr, kterým lze naladit snímací charakteristiku.

Cívky jsou opět zapojeny jako humbucker pro potlačení brumu a jsou v sérii pro zvýšení výstupního napětí potřebného k vybuzení např. kytarových efektů.

První obrázek ukazuje rezonanci při maximálním odporu 500 kΩ. Druhý obrázek ukazuje potlačení při nulovém odporu. Třetí obrázek ukazuje optimální nastavení odporu na cca 14 kΩ.

Popsaný snímač ke snímání houslí a violy bude, samozřejmě ve větším provedení, schopný snímat i violoncello nebo kontrabas. Vzhledem k většímu průměru strun a nepoměrně většímu rozkmitu bude dobře funkční i snímač, vyrobený dle kytarových snímačů s magnety pod strunami. Stále však platí, že struny musí být z magnetického materiálu - ocelové.