RAVENFORGE

Signal- & Transduktions-Forschungsprotokoll

A01 — Von mechanischer Schwingung zum elektrischen Signal

Von der Saiten-Struktur-Kopplung zur magnetischen Transduktion und zum elektrischen Ausgang

Dokumentzweck
Das Ausgangssignal von E-Gitarren und E-Bässen wird nicht als Summe des „Tons“ einzelner Bauteile beschrieben, sondern als ein gekoppeltes Signalsystem: von der Spieleranregung über Saiten-Struktur-Kopplung und räumliches Sampling an der Pickup-Position bis zur Flussmodulation im Magnetkreis sowie zur elektrischen Antwort von Spule und externer Last. Dieser Eintrag legt weder eine einzig richtige Pickup-Position noch einen bestimmten Potentiometerwert fest; er schafft ein gemeinsames RavenForge-Referenzmodell, um die Variablen in A02–A05 und C01–C02 getrennt zu prüfen und zu validieren.

1. Forschungsfrage — Wo beginnt das Signal eines elektrischen Instruments, und wo wird es verändert?

Der endgültige Ausgang einer E-Gitarre oder eines E-Basses wird nicht unabhängig von einem einzelnen Bauteil erzeugt. Versetzt der Spieler die Saite in eine anfängliche Auslenkung und Geschwindigkeit, schwingt sie unter den Bedingungen von Spannung, Länge, linearer Massendichte und Steifigkeit und tauscht über Sattel/Bund und Brücke Energie mit der Hals-/Korpusstruktur aus. Die Anteile dieser Saitenbewegung am Ort des Pickups verändern den Magnetkreis und induzieren eine Spannung in der Spule. Anschließend formen Pickup-Impedanz sowie die Belastung durch Regler, Kabel und Eingang die Frequenzantwort erneut [1–7].

Die bisherige Kurzform `material → vibration → pickup → output` kann daher intern beibehalten werden; in Design- und Messdokumenten wird sie jedoch zu `excitation → coupled string/structure dynamics → pickup-coordinate sampling → magnetic transduction → pickup impedance → electrical loading → output` erweitert.

2. Saite — Von idealen stehenden Wellen zur realen Instrumentensaite

2.1 Ideale gespannte Saite — Mensur, Spannung, lineare Massendichte

Für eine ideale flexible Saite beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Transversalwelle c = √(T/μ). Bei einer schwingenden Länge L ergeben sich die Eigenfrequenzen zu fₙ = (n/2L)√(T/μ). Dabei ist T die Saitenspannung, μ die lineare Massendichte und n die Modenzahl [1]. Diese Beziehung bildet die mechanische Baseline von RavenForge dafür, wie Mensur, Saitenmasse und Spannung bei gleicher Tonhöhe miteinander verknüpft sind.

Eine ideale Modenform lässt sich durch sin(nπx/L) darstellen; jeder Partialton besitzt andere Knoten- und Antiknotenpositionen. Der „gesamte Klang“ der Saite ist daher nicht an jeder räumlichen Position identisch.

2.2 Reale Saite — Steifigkeit, Dämpfung, Randbedingungen

Eine reale Stahlsaite für Gitarre oder Bass ist keine ideale flexible Saite. Biegesteifigkeit, Kern-/Umspinnungskonstruktion, innere und aerodynamische Dämpfung, Randbedingungen an Bund/Sattel/Brücke sowie die Kopplung an die Instrumentenstruktur können dazu führen, dass Partialfrequenzen und Abklingverhalten vom Idealmodell abweichen. Insbesondere verschiebt die Steifigkeit Partiale von exakten ganzzahligen Vielfachen und erzeugt Inharmonizität [1].

3. Saiten-Struktur-Kopplung — Randbedingung und Energiesenke

Die beiden Enden der Saite sind keine idealen Fixpunkte. Über Brücke und Sattel/Bund können sich Hals, Korpus und Hardware bewegen; ist die strukturelle Mobilität bei einer bestimmten Frequenz hoch, kann mehr Saitenenergie in die Struktur übertragen werden. Die driving-point mechanical admittance lässt sich als Y(ω)=V(ω)/F(ω) ausdrücken; die Konduktanz Re{Y} steht mit der in die Struktur übertragenen und dort dissipierten Energie in Beziehung [2,3].

Paté, Le Carrou & Fabre prognostizierten das Abklingen einer Solidbody-E-Gitarre durch die Kombination von isolierter Saitendämpfung und Halskopplung; Fleischer maß bei Dead Spots den Zusammenhang zwischen hoher Hals-Konduktanz und kurzem Saitenabklingen [2,3]. Damit ist der Pfad `material + geometry + joint + hardware → structural admittance → string modal amplitude/decay` besser begründbar als die Aussage, Holz „gelange direkt in den Pickup“.

4. Pickup-Position — Räumliche Sampling-Koordinate statt Klangadjektiv

Ein magnetischer Pickup ist kein Mikrofon, das Luftdruck oder Korpusschwingung direkt misst. Er erfasst die Bewegung einer ferromagnetischen Saite im Magnetfeld. Für einen idealen Punktsensor kann der Positionsfaktor der n-ten Mode näherungsweise als Hpos(n,xp) ∝ sin(nπxp/L) beschrieben werden [5,6]. Liegt der Pickup nahe einem Knoten einer bestimmten Harmonischen, kann dieser Anteil daher relativ unterdrückt werden.

Aus dieser Sicht ist „der Bridge-Pickup klingt heller“ lediglich eine Kurzbeschreibung des Ergebnisses, nicht die Designvariable selbst. Eine Verschiebung zur Brücke schafft Bedingungen, unter denen die Auslenkung des Grundtons und niedriger Partiale relativ kleiner wird und sich dadurch das Verhältnis oberer Partiale verändert. Auch experimentelle Studien zeigen, dass Pickup-Position und Anschlagspunkt deutliche Signaturen im Spektrum hinterlassen [5,6].

5. Magnetischer Pickup — Vom mechanischen zum elektrischen Bereich

Der magnetische Pickup ist im A01-Signalweg der elektromechanische Wandler. Die Faraday-Beziehung kann als e(t) = −N·dΦ/dt geschrieben werden; ein realer Gitarren-Pickup lässt sich jedoch nicht auf „eine Metallsaite bewegt sich neben einer Spule und erzeugt Strom“ reduzieren, ohne die Struktur des Magnetkreises zu verlieren. Permanentmagnet, Polstück/Blade, ferromagnetische Saite und Spule bilden gemeinsam ein magnetisches System; eine Änderung der Saitenposition verändert den mit der Spule gekoppelten magnetischen Fluss [4,7].

Horton & Moore modellierten die Positionsabhängigkeit und Nichtlinearität der Pickup-Antwort; Lemarquand & Lemarquand behandelten den Magnetkreis eines Permanentmagnet-Pickups als berechenbares System [4,7]. Ein ausreichend starker und naher Magnet kann Rückwirkung auf die Saitenbewegung ausüben, weshalb der Pickup nicht als vollständig nichtinvasiver Sensor betrachtet wird.

6. Elektrische Grenze — Nach der Induktionsspannung ist es ein Impedanzproblem

Nach der Erzeugung der induzierten EMK bilden Widerstand, Induktivität und Wicklungs-/Eigenkapazität der Pickup-Spule eine elektrische Übertragungsfunktion. Hinzu kommen Potentiometer, Tone-Netzwerk, Kabelkapazität sowie die Eingangsimpedanz von Amp oder Buffer. Der Pickup-Ausgang entspricht daher nicht einfach der „Faraday-Spannung“ [5,8].

In einer neueren kontrollierten Wicklungsstudie veränderten sich bei gleicher grundlegender Magnetarchitektur durch Variation von Windungszahl und Drahtstärke sowohl die Eigenresonanzfrequenz als auch der Impedanzpeak [8]. DCR allein darf daher nicht als Ersatzgröße für Helligkeit, Ausgangspegel oder Resonanz eines Pickups verwendet werden.

7. RavenForge-Signalmodell — Designstruktur mit getrennten Bereichen

Abbildung 3. Trennung der mechanischen / elektromagnetischen / elektrischen Bereiche.

RavenForge-Messarchitektur, abgeleitet aus der A01-Literaturauswertung.

8. RavenForge-Anwendung — ASKR, EMBLA, zukünftiges 3PU-System

8.1 ASKR — Bridge-nahe Pickup-Position als Zielantwort neu definieren

Der aggressive Charakter von ASKR wird nicht auf die Konvention reduziert, den Pickup „so nah wie möglich an die Brücke“ zu setzen. In A02/C01 werden zunächst Grundtonunterdrückung, Verhältnis oberer Partiale, Vermeidung harmonischer Nullstellen und Attack-Spektrum als Zielantworten definiert; daraus wird anschließend die Koordinate abgeleitet. Das Schema lautet also `concept → target response → pickup coordinate`.

8.2 EMBLA — Passive / Buffered Architecture als Loading-Problem

Bei EMBLA besteht der Unterschied zwischen passiv und aktiv nicht einfach im Vorhandensein eines Preamps. Bei einem passiven hochohmigen Pickup kann die Interaktion mit Kabel und Last Teil des Voicings werden; ein High-Z-Buffer direkt hinter dem Pickup kann den Einfluss des nachfolgenden Kabels dagegen weitgehend entkoppeln. C02/A05 unterscheiden deshalb zwischen dem „beizubehaltenden Loading-Charakter“ und der „zu entfernenden Variabilität“.

8.3 Zukünftiges 3PU — Drei Pickups als unterschiedliche spektrale Sampler

Zukünftige 3PU-Layouts werden eher nach normierter Koordinate, Überlappung harmonischer Nullstellen und spektraler Komplementarität angeordnet als nach den konventionellen Bezeichnungen Neck/Middle/Bridge. Der Ausgangspunkt einer Multi-Pickup-Architektur ist die Betrachtung der Pickups als unterschiedliche räumliche Sampler derselben Saite.

9. Evidenzmatrix — Welche Aussagen trägt A01?

10. Aus A01 abgeleitetes Prototyp-Messprotokoll

Die Literatur belegt die Existenz der einzelnen physikalischen Pfade, ersetzt jedoch nicht die konkrete Antwort für einen RavenForge-Prototyp. Nach A01 wird daher jeweils nur eine unabhängige Variable innerhalb eines Bereichs verändert, während die übrigen Bedingungen konstant gehalten werden.

Abbildung 4. Aus A01 abgeleitete RavenForge-Validierungsschleife.

RavenForge-Experimentworkflow. Die Effektgröße muss den Wiederholfehler übersteigen, bevor eine Variable zur Spezifikation wird.

Messregel
Ist der Effekt einer Pickup-Verschiebung von 2–5 mm oder einer Loading-Änderung kleiner als der Wiederholfehler, wird er nicht als RavenForge-Spezifikation übernommen. Zuerst wird der Noise Floor des Messsystems bestimmt.

11. Aktueller Schluss — Das Instrument ist ein gekoppeltes Signalsystem

Ziel von A01 ist nicht, eine neue „Klanghierarchie“ zu schaffen. Der Ausgang eines elektrischen Saiteninstruments entsteht durch die aufeinanderfolgende Kopplung von Spieleranregung, gekoppelter Saiten-/Strukturdynamik, räumlichem Sampling, magnetischer Transduktion, Pickup-Impedanz und externer Belastung. Material, Pickup-Position, Magnet, Wicklung, Potentiometer und Kabel werden daher nicht als gleichartige Klangvariablen in einer einzigen Kategorie zusammengefasst. Jedes Element besitzt eine andere kausale Position und erfordert eine andere Messmethode.

Die bisherige RavenForge-Kurzform `material → vibration → pickup → output` wird in künftigen Forschungsdokumenten zu `excitation → coupled string/structure dynamics → pickup-coordinate sampling → magnetic transduction → pickup impedance → electrical loading → output` erweitert.

12. Nächste Forschungsschritte — Aufgabenverteilung nach A01

Literatur

[1] Fletcher, N. H.; Rossing, T. D. The Physics of Musical Instruments. Springer. Referenz für Schwingungen gespannter Saiten, Normalmoden und Musikinstrumentenakustik.

[2] Paté, A.; Le Carrou, J.-L.; Fabre, B. “Predicting the Decay Time of Solid Body Electric Guitar Tones.” Journal of the Acoustical Society of America 135(5), 3045–3055 (2014). DOI: 10.1121/1.4871360.

[3] Fleischer, H. “Diagnosing dead spots of electric guitars and basses by measuring the mechanical conductance.” Journal of the Acoustical Society of America 105(2) (1999). DOI: 10.1121/1.426224.

[4] Horton, N. G.; Moore, T. R. “Modeling the Magnetic Pickup of an Electric Guitar.” American Journal of Physics 77, 144–150 (2009).

[5] Paiva, R. C. D.; Pakarinen, J.; Välimäki, V. “Acoustics and Modeling of Pickups.” Journal of the Audio Engineering Society 60(10), 768–782 (2012).

[6] Mohamad, S.; Dixon, S.; Harte, C. “Pickup Position and Plucking Point Estimation on an Electric Guitar via Autocorrelation.” Journal of the Acoustical Society of America 142 (2017).

[7] Lemarquand, G.; Lemarquand, V. “Calculation Method of Permanent-Magnet Pickups for Electric Guitars.” IEEE Transactions on Magnetics 43 (2007).

[8] Batchelor et al. “Guitar Pickups I: Analysis of the Effect of Winding and Wire Gauge on Single Coil Electric Guitar Pickups.” Kontrollierte experimentelle Pickup-Studie; als neuere/Preprint-Evidenz unterhalb etablierter Lehrbuch-, JASA-, IEEE- und JAES-Quellen eingeordnet.

[R1] RavenForge / Material & Acoustics Research Log 01. “Tonewood as a Structural Variable.” 2026.09.01.

[R2] RavenForge internes A01-Deep-Research-Arbeitsdokument. „Signalübertragungsmodell für elektrische Saiteninstrumente.“ 2026.09.05.