Intorno agli anni 30’ la chitarra cominciò ad aver bisogno di più volume per poter “rivaleggiare” e farsi sentire all’interno delle piccole e grandi orchestre dell’epoca. Inizialmente, la strada intrapresa fu quella di variare le dimensioni delle casse armoniche. Tuttavia tale scelta non si rivelò sufficiente e l’unica soluzione rimasta fu cercare di amplificare lo strumento.
Erano anni di grande fermento e come spesso accade, in molti cercarono soluzioni per amplificare la chitarra. Ecco quindi che comparvero parallelamente i primi prototipi di pickups.
Lloyd Loar, progettista alla Gibson dal 1920 al 1924, condusse i primi esperimenti mediante l’adozione di rilevatori in prossimità delle corde. Nel 1931 Adolf Rickenbacker realizzò il primo pick-up elettromagnetico utilizzandolo nella chitarra Lap steel (anche detta “chitarra Hawaiana”). Nel 1935 la Gibson, che nel frattempo aveva realizzato il suo primo PK, iniziò la produzione del modello ES 150 (ES sigla per Electric Spanish) e successivamente furono elettrificati mandolini e banijo.
La chitarra, fino ad allora strumento acustico di accompagnamento, cominciava a farsi sentire sul serio. Fu così che un giovane chitarrista, Charlie Christian, iniziò a utilizzare la chitarra come strumento solistico nel jazz. La rivoluzione era iniziata.
Struttura e funzionamento di un Pickup
Il suono di uno strumento a corde è generato dalla vibrazione delle stesse in funzione della loro lunghezza, del loro spessore, della loro tensione e dell’interazione con la struttura dello strumento. Il suono è dato dalla frequenza fondamentale di vibrazione della corda più una serie di armoniche che combinandosi con la fondamentale caratterizzano il timbro dello strumento. Questo è appunto ciò che vogliamo catturare e amplificare con i pick-up.
Brevi cenni su i principi di funzionamento di un pickup
I pickup sono costituiti da un magnete permanente che genera un campo magnetico e da un avvolgimento intorno al magnete formato da numerose spire di filo e che costituisce una bobina elettrica.
Possiamo facilmente visualizzare tale concetto attraverso un semplice esperimento. Prendete una calamita, un foglio di carta e della limatura di ferro. Ponete la calamita sotto il foglio di carta e spargete la limatura di ferro sopra di esso. La limatura di ferro dovrebbe disporsi più o meno ordinatamente tra il polo sud e il polo nord del magnete come in figura. Potrete così facilmente osservare le linee di forza del campo magnetico generato da un magnete.
Schema di un Pickup
Torniamo adesso alla chitarra. La vibrazione della corda provoca una variazione del campo magnetico che per effetto dell’elettromagnetismo genererà una corrente elettrica nell’avvolgimento; tale corrente sarà poi trasmessa all’amplificatore. La perturbazione del campo magnetico dipenderà dall’oscillazione della corda (frequenza fondamentale/ armoniche/velocità di movimento della corda etc.) e di conseguenza la corrente indotta nella bobina sarà lo specchio della vibrazione.
Caratteristiche di un PK
In base al materiale magnetico con il quale sono costruiti, i PK si suddividono in AlNiCo e Ceramici. In relazione invece al numero delle bobine i pickup si differenziano in Single coil (bobina singola) ed Humbucker (doppia bobina).
MAGNETE
L’AlNiCo è una lega ferromagnetica contenente ferro, alluminio, nichel e cobalto, impiegata per costruire magneti permanenti. Per ottenere leghe AlNiCo differenti è sufficiente cambiare la proporzione tra i costituenti. Si ottengono così AlNiCo II, AlNiCo III, AlNiCo IV, AlNiCo V etc…
Tra questi, le più utilizzate sono AlNiCo V e II. La lega in Alnico V è costituita da cobalto (24%), nichel (14%), alluminio (8%), rame (3%) e ferro (per la rimanente parte).
Alnico V genera un campo magnetico più forte dell’AlNiCo II e per questo motivo si considera ottima per i pickup al ponte, su cui generalmente c’è una minore vibrazione delle corde. È particolarmente indicato per un suono piuttosto aggressivo.
A parità di spire e di dimensioni di barra magnetica, in un PK in AlNiCo minore è il grado (I,II,IV,V) minore saranno il campo magnetico generato e di conseguenza il segnale in uscita; a ciò corrisponde un tono leggermente più “morbido” e meno definito sulle alte frequenze.
In realtà, come vedremo più avanti, la costituzione chimica del magnete di un PK è solo uno degli elementi che ne determinano il suono.
CERAMICO
I magneti ceramici, meno costosi degli AlNiCo, si ottengono mescolando argilla a materiali ferrosi (ferrite di Bario).
I PK ceramici presentano un’ottima forza magnetica; sono generalmente considerati più aggressivi e prevalentemente indicati per sonorità distorte. Come però accennato in precedenza ,sono molte le variabili che influiscono sul suono finale di un PK: tipo di magnete, numero di bobine (SC o HH), spessore del filo utilizzato per l’avvolgimento, numero di spire, qualità del filo, materiale isolante del filo ecc.
Possiamo trovare in commercio ottimi PK ceramici ben progettati e pessimi AlNiCo e viceversa. A questo bisogna aggiungere che lo stile musicale, il gusto personale e il modo di suonare sono ulteriori fattori che possono influire sulla scelta.
Negli anni, la ricerca di pick-up sempre più efficienti ha portato a un’evoluzione dei magneti sia per quanto riguarda la loro composizione chimica sia per ciò che concerne forma e disposizione.
Troviamo così pickup con magneti a barra inseriti direttamente nelle bobine; pick-up che dispongono di magneti sotto le bobine e nuclei di ferro morbido (generalmente viti) all’interno di esse, permettendo regolazioni accurate per ogni corda, etc..
Bobina/Avvolgimento/Filo
Sintesi di alcuni concetti fondamentali :
* Maggiore è il numero di spire dell’avvolgimento, maggiore sarà il volume d’uscita
* Maggiore è il numero di spire, maggiore sarà l’induttanza
* Maggiore è l’induttanza, maggiore sarà il taglio delle frequenze alte
* Minore è la sezione del filo, maggiore sarà la resistenza
* Maggiore lo spessore della sezione del filo minore saranno resistenza, induttanza e numero di spire per unità di volume
* Minore è il numero di spire, minore sarà il volume d’uscita.
Come spesso accade in elettroacustica, la scelta di una soluzione è sempre frutto di un compromesso ovvero, sarà necessario trovare il giusto mix tra tutte le variabili.
Un’induttanza posta in serie ad un circuito rappresenta un filtro passa-basso del I° ordine. Come molti di voi sapranno, le induttanze si usano nei filtri crossover passivi dei diffusori acustici proprio per “tagliare” le frequenze dirette ai vari altoparlanti. Affronteremo in dettaglio questo argomento tra poco, perché molto importante.
Sezione del filo e resistenza
Come ho già avuto modo di illustrare nel mio precedente articolo “Cavi & Musica” la resistenza R di un filo è direttamente proporzionale alla sua lunghezza ed è inversamente proporzionale alla sua sezione e può essere calcolata tramite la seconda legge di Ohm.
Di conseguenza, un filo sottile con molti avvolgimenti risulterà molto lungo e ciò influirà sulla sua resistenza.
Il numero di spire maggiormente utilizzato è compreso tra le 6000 e 7500 con un calibro del filo di 42–43 AWG (American Wire Gauge) Le sezioni di filo più usate sono AWG 42 (che corrisponde a circa 0.063mm) e AWG 43 (0.056mm), anche se si può arrivare fino AWG 47 (0.036mm).
Dal un punto di vista elettrico il pickup può essere rappresentato dal seguente circuito equivalente:
La bobina può essere descritta elettricamente come induttanza L in serie,con una resistenza Ohmica R e parallela a una capacità di avvolgimento C
Per la descrizione di un humbucker, due di questi circuiti devono essere collegati in serie. Se entrambe le bobine hanno proprietà praticamente identiche, è possibile utilizzare lo stesso circuito di sostituzione. Si dovrà però utilizzare il doppio per i valori dell’induttanza e della resistenza e la metà per il valore della capacità rispetto al modello con una bobina.
A questo dobbiamo ora aggiungere il circuito esterno al pickup consistente in una resistenza (il potenziometro di volume e tono della chitarra e qualsiasi altra resistenza) e la capacità (a causa della capacità del cavo). La capacità del cavo è molto importante e non deve essere trascurata.
Per maggiori dettagli sulle caratteristiche elettriche dei cavi (resistenza, capacità ed induttanza) vi rimando ai miei precedenti articoli sui cavi pubblicati su Age Of Audio
Cavi e Musica
Cavi e Musica parte seconda
Passiamo ora schematizzare un Circuito Equivalente Totale: Pickup + Circuito Esterno
Questo schema semplificato di un pickup e del suo circuito esterno equivale ad un filtro audio passa basso del 2° ordine che avrà quindi una propria frequenza di taglio ed un picco di risonanza ben preciso.
Qui assume particolare importanza il valore dell’induttanza, che viene espresso in Henries. Tale valore può fornirci delle prime indicazioni sul comportamento acustico del pickup. L’induttanza dipende dal numero di giri del filo costituente la bobina, dal materiale magnetico nella bobina, dalla densità di avvolgimento e dalla geometria complessiva della bobina.
Come altri tipo di filtri, il circuito totale avrà una frequenza di taglio fc (cutoff frequency) dove la risposta avrà un attenuazione di -3 dB. Oltre la fc, la risposta scende con una pendenza di 12 dB per ottava. Appena prima della fc troviamo un picco di risonanza.
Esempio generico di risposta
Conoscendo frequenza e altezza del picco di risonanza, è possibile avere un’idea circa le caratteristiche sonore di un pick-up.
Nella maggior parte dei pick-up disponibili in commercio, la frequenza di risonanza varia tra i 2000 e i 6800 Hz, range al quale l’orecchio umano è molto sensibile. La sensazione all’ascolto di pick-up con cutoff fequency a circa 2.000 Hz è quella di un suono caldo, a 3.000 Hz presente, a 4.000 Hz penetrante e a 5.000 Hz piuttosto sottile ma molto dettagliato. Il suono dipende molto anche dall’altezza del picco, ovviamente.
Nella maggior parte dei pick-up l’altezza del picco varia di qualche dB ed è stato osservato dipendere prevalentemente dal materiale magnetico della bobina, dal carico resistivo esterno e dal contenitore metallico (senza involucro è più elevato e molti chitarristi lo preferiscono).
La frequenza di risonanza dipende sia dall’induttanza L (generalmente tra 1 e 10 Henries) sia dalla capacità C. C è la somma della capacità di avvolgimento della bobina (di solito circa 80 – 200 pF) e della capacità del cavo (circa 300 – 1.000 pF).
Poiché i cavi per chitarra hanno diverse capacità, l’utilizzo di diversi cavi con uno stesso pickup modificherà la frequenza di risonanza e quindi il suono complessivo.
I primi pickup erano a bobina singola, costituiti da una singola bobina che avvolgeva un magnete permanente. Tuttavia, essendo le bobine estremamente sensibili alle interferenze elettromagnetiche causata da campi magnetici alternati, tali pick-up venivano innescati, oltre che dalla vibrazione della corda, anche da tutto ciò che avesse le caratteristiche di un’onda elettrica (corrente alternata 50/60Hz, luci al neon ecc.) generando rumori e ronzii.
Pick-up humbucker
Proprio per risolvere questo tipo di problemi nel 1956 Seth Lover, dipendente della Gibson, brevettò il primo Humbucker PAF (Patented Applied For, cioè richiesta di brevetto in corso. Dalla presentazione del brevetto all’ottenimento dello stesso passò diverso tempo durante il quale però iniziò comunque la commercializzazione con l’indicazione PAF).A onor del vero, il primo pick-up humbucker fu inventato nel 1934 da Joseph Raymond “Ray” Butts, che iniziò a lavorare al proprio pick-up indipendentemente e parallelamente a Seth Lover. Il primo a ottenere il brevetto fu Ray Butts (nr. brevetto 2.892.371) seguito poi da Seth Lover (nr. brevetto 2.896.491). Nonostante ciò, Ray Butts non venne mai riconosciuto come colui che inventò e produsse il primo pick-up humbucker. Come detto in precedenza, le bobine sono molto sensibili a qualsiasi tipo di interferenza elettromagnetica causata da campi magnetici alternati. La tensione indotta in una bobina ha una sua direzione che viene definita dalla direzione dell’avvolgimento (in senso orario o antiorario) e dall’orientamento dei magneti permanenti. L’humbucker è composto da due bobine avvolte in due direzioni opposte e da magneti disposti anch’essi in due direzioni diverse. Come avviene l’eliminazione del rumore? Molto semplicemente possiamo sintetizzare che le due bobine accoppiate sono collegate in serie e in opposizione di fase, cosicché il rumore nel segnale di una bobina viene cancellato dal medesimo segnale in opposizione di fase nell’altra. L’uso di due bobine implica ovviamente un aumento del numero di spire, una maggior lunghezza del filo, una maggiore resistenza e una minor risposta in frequenza.
Nella prossima puntata esamineremo più a fondo le caratteristiche sonore dei pick-up in base alle loro caratteristiche costruttive e al loro posizionamento. Ovviamente, come accennato nel titolo, prenderemo in esame anche la componente passiva, cioè potenziometri e condensatori che, insieme ai pick-up, concorrono alla formazione del circuito e contribuiscono in modo determinante al suono finale.
Buona musica e buone vacanze a tutti
Alla prossima
Bibliografia
Strumenti Musicali N° 116
Strumenti Musicali N° 193
Strumenti Musicali N° 194
Strumenti Musicali N° 195
Strumenti Musicali N° 196
Helmuth Lemme: Electric Guitar Sound Secrets and Technology
Dave Hunter -The Guitar Pickup Handbook: The Start of Your Sound
Wikipedia
Accordo.it
Build your Guitar.com Helmuth E. W. Lemme The Secrets of Electric Guitar Pickups
