Sähkökitaran fysiikkaa

Janne Hyry

LuK-tutkielma

Fysiikan tutkinto-ohjelma

17.8.2018

Janne.Hyry@student.oulu.

Työn ohjaaja: Saana-Maija Huttula

Sisältö

1 Johdanto 2

2 Sähkökitaran historia 3

3 Sähkökitaran rakenne 53.1 Lapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2 Kaula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.3 Runko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.4 Mikrofonit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.5 Kitarakaapeli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.6 Kielet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 Aallot 124.1 Peruskäsitteet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.2 Seisova aalto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

5 Musiikin yhteys fysiikkaan 17

6 Sähkömagneettinen mikrofoni 196.1 Toimintaperiaate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196.2 Mikrofonin paikka kielen suhteen . . . . . . . . . . . . . . . . 196.3 Mikrofonin ja kielen magneettinen vuorovaikutus . . . . . . . 206.4 Sähkömagneettinen induktio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

7 Kitaravahvistin 287.1 Putkivahvistin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

7.1.1 Putkietuvahvistin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287.1.2 Äänensävyn säätöpiiri . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307.1.3 Vaiheenjaotin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307.1.4 Tehovahvistin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

7.2 Transistorivahvistimet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327.2.1 Puolijohde-etuvahvistus . . . . . . . . . . . . . . . . . 337.2.2 Äänensävyn säätöpiiri . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357.2.3 Puolijohdetehovahvistin . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.3 Vahvistimen liitäntä kaiuttimeen . . . . . . . . . . . . . . . . 36

8 Kaiutin 37

9 Yhteenveto 39

1

1 Johdanto

Perehdyn työssäni sähkökitaran fysiikkaan melko yleisellä tasolla. Aihe on hy-vin laaja ja siihen liittyy paljon ilmiöitä, joten en perehdy syvällisesti jokai-seen aihealueeseen. Olen harrastanut kitaran ja muiden instrumenttien soit-toa yli kymmenen vuotta, joten aihe on minulle ennestään tuttu. Olen siltikauan halunnut selvittää tarkemmin, miten kitaran kielen värähtely muuttuukaiuttimesta lähteväksi ääneksi, mitä kaikkea sillä välillä tapahtuu ja mitäfysikaalisia ilmiöitä aiheeseen liittyy.

Tarkastelen työssäni sähkökitaran historiaa, rakennetta, kielissä synty-vää aaltoliikettä, sähkömagneettisen mikrofonin toimintaa, kitaran kielten jamikrofonin välistä magneettista vuorovaikutusta, kitaravahvistimien elektro-niikkaa sekä kaiuttimen toimintaa ja rakennetta. Tutkielmastani saa perus-tasoisen ymmärryksen sähkökitaran ja vahvistimien toiminnasta ja taustallavaikuttavista fysikaalisista ilmiöistä.

2

2 Sähkökitaran historia

Kitaroiden historia ulottuu pitkälle menneisyyteen. Antiikin kreikkalaisenkirjailijan Homeroksen neljännessä hymnissä kuvataan ensimmäisen kielisoit-timen keksiminen ja siihen liitettiin taikavoimia. Tarinan mukaan soitin kek-sittiin, kun lehmän suolista tehtyä nauhaa venytettiin kuolleen kilpikonnankilpeen. Kitaran muoto alkoi saada tunnettua muotoaan renessanssiajalla,jolloin soitin kävi läpi monia muutoksia, joista syntyi neli- ja viisikielinen ki-tara. Nykyaikainen, kuusikielinen kitara syntyi 1700-luvulla, jolloin kitaraanlisättiin kuudes kieli ja aiempien, kaksoiskielien sijaan käytettiin vain yhtäkieltä.

1930-luvulla The Rickenbacker International Corporationista (RIC) tuliensimmäinen täysin elektronisten soittimien valmistaja. Sähköoppiin pereh-tyneet tiesivät magneettikentässä liikkuvan metallin synnyttävän häiriöitä,jotka pystytään muuttamaan sähkövirraksi käämillä. Sähkökitaran mikrofo-nit käyttävät tätä ilmiötä hyväksi ja se on koko sähkökitaran toiminnan pe-rusta. 1930-luvun alussa RIC:n toinen perustaja George D. Beauchamp ke-hitti toimivan sähkömikrofonin, joka koostui kahdesta hevosenkenkämagnee-tista. Kitaran kielet kulkivat magneettien läpi ja käämin yli, jossa jokaisellekielelle oli magneettikenttää kohdistava napa. Kitaraan tehtiin käsityönä run-ko sekä muut osat, jolloin valmistui ensimmäinen täysin elektroninen kitara"The Frying Pan"(kuva 1), joka patentoitiin vuonna 1937. [1, 2]

3

Kuva 1: Ensimmäinen täysin elektroninen sähkökitara, The Frying Pan. (Wi-kimedia Commons)

4

3 Sähkökitaran rakenne

Tyypillinen sähkökitara koostuu lavasta, virityskoneistosta, satulasta, ote-laudasta, nauhoista, kaulasta, rungosta, tallasta, mikrofoneista ja säätöruu-veista.

3.1 Lapa

Lapa (eng. headstock) (kuva 2) sijaitsee kitaran päässä. Kitaran viritysko-neisto on kiinnitetty lapaan ja siihen on yleensä merkitty valmistajan logo.Virityskoneistolla (eng. tuning machine) säädetään kielten kireyttä, joka vai-kuttaa kielien värähtelytaajuuteen. Kieli pujotetaan lapaan kiinnitetyn tol-pan ympärille, josta hammasrattaat kytkeytyvät viritystappiin. Viritystap-pia kiertämällä kieltä kiristetään tai löysätään. Satula (eng. nut) (kuva 2)sijaitsee lavan ja kaulan välissä ja se on kovaa nailonia tai muuta synteettistäainetta, mikä estää kielten värähtelyn kaulan ulkopuolelle. Kielet ohjautuvatsatulan uurteista lavan virityskoneistoon. Satula on toinen kahdesta pistees-tä, joihin kielien värähtely loppuu, toisen ollessa talla.

Kuva 2: ESP LTD EC-50 -sähkökitaran lapa

5

3.2 Kaula

Kitaran kaula (eng. neck) (kuva 3) on pitkä, puinen osio, joka yhdistää lavanrunkoon. Otelauta (eng. fretboard, ngerboard) on tasainen, levymäinen palapuuta, joka on asetettu kaulan päälle. Kitaraa soitettaessa kitaran kieli paine-taan sormella otelautaa vasten, jolloin kieli koskettaa nauhaa, mikä lyhentääkielen efektiivistiä pituutta ja tällöin kieli soi eri taajuudella. Otelaudassa onmyös yleensä merkitty erilaisilla symboleilla, missä sijaitsee esimerkiksi 3.,5., 7., 9. ja 12. nauha. Otelauta on jaettu yleensä mallista riippuen 22:eentai 24:ään nauhaan. Kitaran skaalapituus (eng. scale length) on kaksi ker-taa satulan ja 12. nauhan välinen etäisyys. Skaalojen pituudet vaihtelevat erivalmistajien ja mallien mukaan, mutta yleensä ne ovat 620-650 mm. Esimer-kiksi Fenderin Stratocaster ja Telecaster -malleissa skaalojen pituudet ovat25,5 tuumaa (≈ 648mm).

Kuva 3: ESP LTD EC-50 -sähkökitaran kaula

6

3.3 Runko

Kitaran runko (eng. body) (kuva 4) on kitaran suurin osa, johon kaula upo-tetaan kiinni. Akustisessa kitarassa rungossa on kaikukoppa, jossa kitara saasoundinsa. Sähkökitaran rungossa on paikat myös tallalle, kammelle, mikro-foneille ja säätöruuveille. Rungon päissä on myös kiinnitysruuvit (eng. pins)kantohihnalle. Talla (eng. bridge) on akustisissa kitaroissa puinen ja sähkö-kitaroissa metallinen levy, johon kielet kiinnittyvät toisessa päässä. Tallaanon kiinnitetty myös metallinen kampi (eng. bar, whammy bar, vibrato bar,wang bar), jota kallistamalla edestakaisin kielten kireyttä voidaan säätää.Säätöruuveista (eng. knobs) voidaan säätää äänenvoimakkuutta sekä bassoaja diskanttia.

Kuva 4: ESP LTD EC-50 -sähkökitaran kaula

7

3.4 Mikrofonit

Kitaramikrofonit muuttavat kitaran kielen värähtelyt vaihtovirraksi. Sähkö-kitaroissa voi olla yksi, kaksi tai kolme mikrofonia. Käyttämällä mikrofoniva-litsinta ja säätöruuveja säätämällä kitarasta saadaan erilaisia soundeja. Kau-lamikrofoni, joka on lähellä kielten keskikohtaa, antaa pehmeämmän soun-din kuin tallaa lähellä oleva tallamikrofoni, joka antaa diskanttipitoisemmanäänen. Magneettisen mikrofonin yksinkertaisessa muodossa kestomagneetinympärille on käämitty tuhansia kierroksia ihmisen hiuksen paksuista, eris-tettyä kuparilankaa. Mikrofonin magneetit tuottavat magneettikentän, jonkaläpi kielet kulkevat. Kitaran magneetit valmistetaan yleensä alnicosta, jokaon koboltin, nikkelin ja alumiinin seosta. Jotkut valmistajat käyttävät kita-roissaan keraamisia mikrofoneja.

Kaksikelaisessa mikrofonissa (humbuckermikrofoni) on yhden kelan sijaankaksi kelaa, jotka ovat sarjaankytketty toisiinsa nähden vastavaiheeseen. Yli-määräiset signaalit esiintyvät keloissa vastakkaisiin suuntiin kulkevina, vasta-vaiheisina virtoina, jotka yhdistyessään kumoavat toisensa ja kohina ei pääsevahvistimeen. Jotta mikrofoni ei estäisi kielien synnyttämää signaalia, na-papaloilla on kummassakin kelassa erilaiset magneettiset napaisuudet, min-kä seurauksena toinen keloista kaksinkertaistaa syntyvän sähköpulssin, koskasignaalit ovat silloin samassa vaiheessa.

3.5 Kitarakaapeli

Yleisimmät välityslinjat kitaran kaapeleille ovat koaksiaalinen ja paralleeli-nen johtotyyppi. Koaksiaalisia kaapeleita kutsutaan myös suojatuiksi instru-menttikaapeleiksi, jotka määritellään korkealaatuiksi kaapeleiksi. Koaksiaa-lisia kaapeleita käytetään esimerkiksi laboratorioissa niiden kunnollisen suo-jauksen ja selkeästi määritellyn tyypillisen impedanssin vuoksi. Korkealaa-tuisilla kitarakaapeleilla on koaksiaalinen rakenne, joka on esitetty kuvassa5. Koaksiaalinen kaapeli eroaa muista suojatuista kaapeleista, koska sisä- jaulkojohtimen välinen etäisyys on tarkasti määritetty vakioksi koko kaapelinpituudelta, jotta se toimisi tehokkaana transmissiolinjana.

Ideaalisessa koaksiaalikaapelissa signaalia kuljettava sähkömagneettinenkenttä on olemassa vain sisä- ja ulkojohtimien välissä. Tämän vuoksi koak-siaalikaapeleita voidaan asentaa metalliesineiden läheisyyteen ilman teho-häviöitä, joita esiintyy muissa transmissiolinjoissa. Koaksiaalikaapeli johtaasähköistä signaalia kuparisessa tai kuparipäällysteisessä teräslangassa, jokaon suojattu eristekerroksella ja metallisella suojalla. Kaapelin uloin kerros onsuojattu eristävällä kuorella, kuten muovilla. Koaksiaalisen rakenteen etuna

8

on se, että sähkö- ja magneettikentät rajoittuvat eristävään pintaan vain pie-nillä vuodoilla suojan ulkopuolelle. Vastaavasti kaapelin ulkoiset sähkö- jamagneettikentät eivät häiritse signaalia kaapelin sisällä. Useamman suoja-kerroksen, isomman halkaisijan kaapeleilla on pienemmät vuodot.

Sähköinen impedanssi on suure, joka mittaa, kuinka paljon virtapiiri vas-tustaa vaihtovirtaa, kun piirissä on jännite. Kaapelin karakteristisen impe-danssin Z0 määrittää sisemmän eristeen dielektrisyyskerroin sekä sisemmänja ulkoisen johtimen säteet. Karakteristinen impedanssi on tärkeä ominai-suus, koska tulo- ja kuormaimpedanssit tulisi sovittaa maksimitehosiirtoonja minimiin seisovaan aaltosuhteeseen. Karakteristinen impedanssi transmis-siolinjalle voidaan laskea yhtälöstä:

Z0 =

√R + jωL

G+ jωC, (1)

jossa R on resistanssi pituusyksikköä kohden, L on induktanssi pituusyksik-köä kohden, G on eristeen konduktanssi pituusyksikköä kohden, C on kapasi-tanssi pituusyksikköä kohden, j on imaginääriyksikkö ja ω on kulmataajuus.Koaksiaalikaapeleille karakteristinen impedanssi on yleensä 50 Ω radio- jamikroaaltotaajuuksille ja 75 Ω videosovelluksille.

Kuva 5: Korkealaatuisen kitarakaapelin rakenne. [3]

9

Kuva 6: Koaksiaalisen kaapelin poikkileikkaus. [3]

3.6 Kielet

Yleensä kitaran kielet koostuvat kahdesta pääkomponentista: ydinlangasta jakiedontalangasta. Ohuiden kielien (eng. light gauge) ympärille ei punota ym-päryslankaa. Ydinlangat ovat ohuita metallilankoja, jotka on yleensä valmis-tettu teräksestä, nikkelistä tai pronssista ja valmistajasta riippuen muotoiltuheksagonaalisiksi tai pyöreäreunaisiksi. Kiedontalangat valmistetaan yleen-sä nikkelipäällysteisestä teräksestä, nikkelistä tai jopa hopeasta tai kullasta.Yleisimpiä kielien punontatyylejä ovat litteästi käämitty (eng. atwound),puolikäämitty (eng. halfwound) ja ympärikäämitty (eng. roundwound). Ym-pärikäämitty kieli (kuva 7) valmistetaan kietomalla metallilanka ytimen ym-pärille, ikään kuin spagetti syömäpuikon ympärille, mikä lisää kielen poikkipinta-alaa enemmän kuin muut punontatyylit. Kielestä syntyy kirkkaampi äänikuin muista kielityypeistä. Litteäkäämityt kielet valmistetaan punomalla yti-men ympärille nauhakääreen tapaan ohut metallilanka. Litteäkäämityillä kie-lillä on syvempi, täyteläisempi soundi, joten ne soveltuvat moniin eri musiik-kityyleihin. Punotun kielen väitetään vahvistavan toista ja kolmatta yliääntäenemmän kuin punomattoman kielen. Yliäänet ovat perusvärähtelytaajuu-den f1 kokonaislukumonikertoja eli sävelen eri oktaaveja. [3, 4, 5, 6, 7, 8]

10

Kuva 7: Ympärikäämityn kielen ydin ja kiedontalanka. [3]

11

4 Aallot

4.1 Peruskäsitteet

Itseään toistavaa liikettä (ts. periodista liikettä) voidaan kuvata aaltoon liit-tyvillä peruskäsitteillä. Aikaa, jossa liike toistaa yhden kierroksen tai liikkeen,kutsutaan jaksonajaksi T ja sen yksikkö on sekunti. Aallon värähtelytaajuusf kuvaa, kuinka monta kierrosta tapahtuu yhdessä sekunnissa ja sen yksikköon hertsi [f ] = 1

s. Taajuus on jaksonajan T käänteisluku:

f =1

T. (2)

Aallon kahden peräkkäisen huipun tai kuopan välistä etäisyyttä kutsutaanaallonpituudeksi λ (kuva 8), jonka yksikkö on metri. Etenevällä aallolla onmyös nopeus v, joka on saadaan laskettua taajuuden ja aallonpituuden tulo-na:

v = λf. (3)

Kuva 8: Poikittainen, periodinen aalto.[9]

Maksimipoikkeamaa tasapainotilasta kuvaa amplitudi A (kuva 8). Lisäksiaaltoihin liittyy aaltoluku k ja kulmataajuus ω, jotka saadaan laskettua seu-raavista yhtälöistä:

k =2π

λ, (4)

ω = 2πf. (5)

Yksinkertaisen, harmoonisen värähtelijän tuottamaa periodista aaltoa voi-daan kuvata aaltofunktiolla

y(x,t) = A sin (kx− ωt). (6)

Kielissä syntyvät aallot ovat kitaran soimisen olennaisin osa. Kun kitarankieltä näpäytetään, siihen syntyy vastakkaisiin suuntiin eteneviä aaltoja. Kunkaksi etenevää aaltoa vaikuttavat samassa pisteessä, ne summautuvat. Aal-toja voi syntyä, kun systeemi poikkeaa tasapainotilastaan ja häiriö voi edetäsysteemin paikasta toiseen. Aalto kuljettaa edetessään energiaa. Aallon kul-keutuminen johtuu hiukkasten välisistä vuorovaikutuksista, jolloin hiukkanen'tönäisee' toista hiukkasta aiheuttaen poikkeaman tasapainoasemasta, jokanähdään aallon etenemisenä.

Mekaaninen aalto on häiriö, joka kulkee jossain väliaineessa. Aallon kul-keutuessa väliaineen hiukkaset poikkeavat tasapainotilastaan riippuen aallontyypistä. Aallossa nähdään vuorotellen tasapainoasemasta nähden huippujasekä kuoppia. Tällainen aalto on siniaalto, joka jatkuu samanlaisena (olet-taen, ettei se menetä energiaa), kunnes se kohtaa rajapinnan toisen aineenkanssa. Aallon osuessa rajapintaan, se heijastuu siitä takaisin osittain tai ko-konaan, mikä riippuu rajapinnan ominaisuuksista. Kun aalto kohtaa täysinjäykän seinän, se heijastuu kokonaan takaisin eli aalto ei menetä heijastuk-sessa energiaa. Aalto kääntyy ylösalaisin, eli tapahtuu 180:n asteen tai π:nvaihesiirto. Väliaineen reunaa kohti etenevä aalto ja takaisin heijastunut aaltovoivat esiintyä samassa tilassa yhtäaikaisesti. Kun kitaran kielen toinen pääon kiinnitetty tallaan ja värähtely loppuu satulaan, kitaran kielessä etenevil-lä mekaanisilla aalloilla on kaksi rajapintaa. Tällöin syntyy toistuvia heijas-tuksia, jotka samanaikaisesti poikkeuttavat kitaran kielen osasia. Useammanaallon samanaikainen vaikutus väliaineen pisteeseen määräytyy superpositio-periaatteen mukaan. Resultanttiaalto on yksittäisten aaltojen summa eli

yres(x,t) = y1(x,t) + y2(x,t).[9, 10, 11] (7)

4.2 Seisova aalto

Seisova aalto (kuva 9) syntyy superpositioperiaatteen mukaan silloin, kun hei-jastunut ja etenevä aalto esiintyvät samassa tilassa samanaikaisesti. Seisovanaallon yhtälö saadaan soveltamalla kahden vastakkaisiin suuntiin etenevienaaltojen ja resultanttiaallon yhtälöitä:

y1(x,t) = Asin(kx− ωt)y2(x,t) = Asin(kx+ ωt)

→ y(x,t) = A[sin(kx−ωt)+sin(kx+ωt)] (8)

13

Merkitään α = kx + ωt ja β = kx − ωt sekä sovelletaan trigonometristäidentiteettiä:

sin α + sin β = 2 sin1

2(α + β) cos

1

2(α− β). (9)

Saadaan seisovalle aallolle yhtälö

y(x,t) = 2Asin(kx)cos(ωt) (10)

Edellisestä yhtälöstä voidaan ratkaista pisteet solmuille ja kuvuille. Solmu-kohdissa aallon amplitudi on nolla eli

sin(kx) = 0→ kx =2π

λx = mπ. (11)

eli paikoissa

x = mλ

2, (12)

jossam = 0,± 1,± 2,..

Kupujen kohdalla seisovan aallon amplitudi on maksimi eli

sin(kx) = ±1→ kx =2π

λx =

π

2+mπ (13)

eli paikoissa

x =λ

2

(m+

1

2

), (14)

jossam = 0,± 1,± 2,...

Toisin sanoen, solmukohdissa heijastuneet ja etenevät aallon kumoavat toi-sensa ja kupukohdissa vahvistavat toisiaan.[8] Jotta tätä voitaisiin soveltaakitaran kielen värähtelyyn, seisovalla aallolla tulee olla solmupiste molemmis-sa kiinnityspäissä eli runkoon kiinnitetyssä tallassa sekä kaulan päässä sijait-sevassa satulassa. Koska seisovalla aallolla solmukohdat sijaitsevat λ

2etäisyy-

den päässä toisistaan, kielen pituuden L täytyy olla λ2, 2λ

2tai 3λ

2. Yleisesti

kitaran kielen pituuden tulee siis olla:

L = nλ

2, n ∈ N. (15)

Edellisestä yhtälöstä saadaan ehto aallonpituuksille:

λn =2L

n(16)

14

ja niitä vastaaville taajuuksille:

fn = nv

2L, n ∈ N. (17)

Kuva 9: Seisova aalto ideaalisessa kitaran kielessä. [3]

Kielen etenemisnopeuteen v vaikuttavat kielessä oleva jännitysvoima sekäkielen massa pituusyksikköä kohti. Mekaanisen aallon etenemisnopeutta ku-vaa yhtälö

v =

√F

µ=

√FL

m= λf, (18)

jossa F on jännitysvoima, µ on lineaarinen massatiheys, L on kielen pituus,m on kielen massa, λ on aallonpituus ja f on taajuus. Jos kitaran kielenpituus L = 650mm, perusvärähtelytaajuudella värähtelevän, standardiviree-seen viritetyn kuusikielisen kitaran toiseksi matalimmassa (A-kielessä) ete-nevän aallon nopeus on yhtälön (2) mukaan

v1 = λ1f1 =2L

n· 110.000

1

s= 2 · 0,65m · 110

1

s= 143

m

s.[9, 10, 11]

15

Kielen perusvärähtelytaajuus voidaan myös laskea käyttämällä valmistajanantamia tietoja kielestä sekä yhtälöä

f1 =1

2L

√F

µ=

1

2L

√mg

ρA, (19)

jossa f1 on perusvärähtelytaajuus, L on kielen pituus, F on jännitysvoima, µon lineaarinen massatiheys, A on kielen poikkipinta-ala, ρ on kielen tiheys jag on putoamiskiihtyvyys. Esimerkiksi, jos valmistaja on ilmoittanut raudastavalmistetulle B-kielelle halkaisijan d = 0.017′′ = 0.43 mm, skaalapituudeksiL = 648 mm ja jännitysvoimaa vastaavaksi massaksi m = 11.93 kg, pe-rusvärähtelytaajuus voidaan laskea sijoittamalla arvot edelliseen yhtälöön jakäyttämällä raudan tiheyttä ρ = 7870 kg

m3 sekä putoamiskiihtyvyyden arvoag = 9.81m

s2:

f1 =1

2L

√mg

ρA=

1

2 · 0.648m

√11.93kg · 9.81m

s2

7870 kgm3 · π ∗ 0.0002152m2

≈ 246.916 Hz.

Taulukon 1 mukaan perusvärähtelytaajuudella f1 = 246.942 Hz soi B-kieli.[3, 9]

Kieli (n) f1(Hz) m

1 82.4069 E2

2 110.000 A2

3 146.832 D3

4 195.998 G3

5 246.942 B3

6 329.628 E4

Taulukko 1: Kitaran kieliä vastaavat sävelet ja taajuudet. [12]

Standardivireeseen (E A D G B E) viritetyn kuusikielisen kitaran säveliävastaavat taajuudet on esitetty taulukossa 1. Taulukossa sävelen alaindeksim kuvaa oktaavia. 102-näppäimisen pianon matalin soitettava taajuus on27,5 Hz, joka vastaa nollannen oktaavin säveltä A(A0).[3, 13, 12, 14]

16

5 Musiikin yhteys fysiikkaan

Akustisen kitaran ääni syntyy kielen värähdellessä ilmassa, jolloin värähte-levä kieli puristaa ympäröivää ilmaa ja nostaa sen painetta. Tämä värähtelysynnyttää paineaallon, joka etenee ilmassa aaltoja vahvistavaan kitaran kai-kukoppaan ja lopulta kuultavaksi ihmisen tärykalvolle. Äänen korkeus liit-tyy ääniaallon taajuuteen ja äänenvoimakkuus sen energiaan. Kuten kaikkimuutkin aallot, ääniaallot kuljettavat myös energiaa paikasta toiseen. Aal-lon intensiteetti I kuvaa, kuinka paljon energiaa siirtyy pinta-alayksikön lä-pi aikayksikössä. Positiivisen x-akselin suuntaan etenevän aallon väliaineenhiukkasen poikkeamaa kuvataan aaltofunktiolla y(x,t) ja painevaihtelua ku-vaa funktio p(x,t). Koska hetkellinen teho on voiman ja hetkellisen nopeudentulo, teho pinta-alayksikköä kohden on

P

A= p(x,t)vy(x,t), (20)

jossa vy(x,t) on hiukkasen nopeus, P on teho ja A on pinta-ala. Väliaineenatoimivan kaasun painevaihtelua kuvaa yhtälö

p(x,t) = BkAsin(kx− ωt), (21)

jossa B on väliaineen puristuvuuskerroin, k on aaltoluku, A on aallon ampli-tudi ja ω kulmataajuus. Käyttämällä aaltofunktiota ja edellisiä yhtälöitä,saadaan teholle pinta-alaa kohden yhtälö

P

A= p(x,t)vy(x,t) = BωkA2sin2(kx− ωt). (22)

Mille tahansa x-arvolle, sin2(kx − ωt) keskiarvo yhden jaksonajan T = 2πω

aikana on 12, joten

I =1

2BωkA2.[9] (23)

Ihmisen korva on herkkä laajoille intensiteettien vaihteluille, jonka vuoksi ää-nen intensiteetin tasoa kuvataan logaritmisella desibeliasteikolla (dB). Äänenintensiteettitaso saadaan yhtälöllä

β = 10log

(I

I0

)dB, (24)

jossa I on ääniaallon intensiteetti ja I0 = 10−12 Wm2 on referenssi-intensiteetti,

joka on ihmisen kuulokynnyksen raja 1000Hz:ssä.Eri instrumenteillä voi soittaa saman korkeuksisen (ts. taajuuksisen) ää-

nen. Vaikka äänten korkeudet ovatkin samat, niillä on kuitenkin eri äänen-sävy (eng. timbre). Fysikaalisesti äänensävy tarkoittaa useiden taajuuksien

17

summaa, joiden matalin eli perusvärähtelytaajuus f1 määrää äänen korkeu-den. Yhden sävelen yliäänien (eng. overtone) taajuudet ovat perusvärähtely-taajuuden kokonaislukumonikertoja. Nämä perusvärähtelytaajuuden moni-kerrat ovat oktaaveja. Länsimaalaisessa musiikissa kitaroissa (ja pianoissa)käytetään tyypillisesti diatonista eli tasavireistä sävelasteikkoa, jonka oktaa-vi on jaettu tasaisesti 12 puolisävelaskeleeseen. Kitaran otelaudan kahdennauhan välinen taajuuksien suhde on yksi puolisävelaskel, joka on sama kuin12√

2. [3] Koska yksi oktaavi jaetaan 12 puolisävelaskeleeseen, saadaan perus-värähtelytaajuuden ensimmäinen yliääni, joka on yhden oktaavin korkeampiääni kuin perusvärähtelytaajuudella.

f2 = f1

(12√

2)12

= 2f1. (25)

18

6 Sähkömagneettinen mikrofoni

6.1 Toimintaperiaate

Sähkömagneettinen mikrofoni (kuva 10) muuntaa kielen mekaanisen väräh-telyn sähköiseksi signaaliksi. Kitaran kielen värähdellessä magneettikentäs-sä, magneettivuo mikrofonin käämissä muuttuu. Muuttuva magneettikenttäindusoi käämiin sähkömotorisen voiman, joka synnyttää siihen virran. Tyy-pillisessä kaupallisessa kitaramikrofonissa magneettikentän ~B voidaan olet-taa olevan yhden senttimetrin korkeudella magneetin pinnasta noin 0,1 T =1000 gauss.

Ensimmäiset sähkömagneettiset mikrofonit patentoitiin 1930-luvulla, mut-ta niiden kehitys ja suosio kasvoivat 1950-luvun loppupuolella. Mikrofonitrakennetaan yleensä kestomagneeteista, kuten alumiinista, nikkelistä, ko-boltista tai keraamisista magneeteista. Joskus käytetään myös neodyymiätai samarium-kobolttia. Magneettien tulee olla vahvoja, koska vahvemmassamagneettikentässä mikrofoni on herkempi kielen värähtelyille. Kitaramikro-foneja on monta eri tyyppiä: sähkömagneettinen muunnin, optinen muunnin,kontaktimikrofoni ja pietsoelektrinen mikrofoni. Yleisin mikrofonityyppi onsähkömagneettinen muunnin, jossa kuusi sylinterin muotoista magneettia onasetettu niin, että jokaisen kielen alla on yksi magneetti. Magneettien ympä-rillä on muovinen puola, jonka ympärille on kiedottu käämi. [3, 9]

Kuva 10: Yksinkertaisen magneettisen mikrofonin rakenne. [3]

6.2 Mikrofonin paikka kielen suhteen

Mikrofonityypistä riippumatta sen sijanti kielen suhteen on merkittävä tekijäkielen sointiväriin, koska mikrofoni havaitsee kielen värähtelystä ainoastaansen osan, joka on mikrofonin kohdalla. Seisovan aallon ominaisuuksista joh-tuen aallon eri kohdissa on erit huipusta-huippuun amplitudit. Tämän seu-rauksena tallaa lähelle sijoitettu mikrofoni havaitsee perusvärähtelytaajuu-

19

den huipusta-huippuun poikkeaman vain muutaman prosentin verran verrat-tuna kielen keskikohtaan, jossa amplitudi on suurimmillaan.[3] Kuvasta 11nähdään, kuinka mikrofonin paikka vaikuttaa havaittuihin amplitudeihin.

Kuva 11: Mikrofoni paikassa P = L5. [3]

6.3 Mikrofonin ja kielen magneettinen vuorovaikutus

Materiaalit jaetaan diamagneettisiin, paramagneettisiin tai ferromagneet-tisiin materiaaleihin riippuen materiaalin sisäisistä muutoksista ulkoisessamagneettikentässä. Mikrofonin magneettien voimakkuus riippuu tietenkinvalmistusmateriaalista. Materiaalin magneettiset ominaisuudet määrää ato-mitason magneettiset dipolimomentit ~µ. Magnetoimattomassa aineessa mag-neettiset dipolit osoittavat satunnaisiin suuntiin, jolloin ne kumoavat toisen-sa makrotasolla. Ulkoiseen magneettikenttään tuotuna, kuten kestomagnee-tin läheisyyteen, magneettiset dipolit järjestyvät samaan suuntaan ulkoisenmagneettikentän kanssa, mikä tekee siitä kokonaisuudessaan magneettisenja koko systeemistä yhtenäisen magneettisen yksikön. Signaalin fyysinen ai-heuttaja on kielten ja mikrofonin magneettien magneettikentän välinen vuo-rovaikutus. Kitaran kielet valmistetaan ferromagneettisista aineista, kuten

20

raudasta tai nikkelistä, koska ferromagneettiset aineet vuorovaikuttavat voi-makkaimmin ulkoisen magneettikentän kanssa. Kielen liike mikrofonin mag-neetin yllä muuttaa kokonaismagneettikenttää ja indusoi sähkömotorisen voi-man mikrofonin käämiin. [3, 15] Kielen ja magneetin välinen magneettinenvuorovaikutus on esitetty kuvassa 12.

Kuva 12: Kielen (ylempi ympyrä) magnetoitumisen vaikutus mikrofonin mag-neettikenttään. [3]

6.4 Sähkömagneettinen induktio

Käytettäessä magneettista mikrofonia muuntajana, magneettikentän väräh-telyn taajuus liittyy kielen värähtelytaajuuteen ja sähkömotorisen voimanamplitudi ε on verrannollinen aallon nopeuteen kielessä. Tämä seuraa Fara-dayn laista

ε = −dΦB

dt, (26)

jossa magneettikentän muutos dΦB on suoraan verrannollinen sähkömotori-seen voimaan. Koska mikrofonin käämissä on useita kierroksia johdinlankaa,

21

sähkömotorisen voiman voimakkuus kasvaa kierrosten määrän, N , verran:

ε = −N dΦB

dt. (27)

Magneettivuolla ΦB ja magneettikentällä ~B on yhteys:

ΦB =

∫~B · d~S, (28)

jonka mukaan kokonaismagneettikenttä pinnan S yli summautuu magneetti-vuoksi ΦB (kuva 13).

Kuva 13: Magneettivuo mikrofonin käämin kierroksissa. [3]

Indusoidun sähkömotorisen voiman amplitudi riippuu poikkeaman sijaan kie-len nopeudesta. Kielen nopeutta kuvaa yhtälö

∂y(x,t)

∂t= −−2acT

π

(L

p+

L

L− p

) ∞∑n=1

1

nsin(nπpL

)sin(nπxL

)sin

(cTnπt

L

),

(29)jossa L on kielen pituus, cT on aallon etenemisnopeus, p on näpäytyksen paik-ka kielessä ja a on poikkeaman amplitudi ja n ∈ N. Harmoonisten kompo-nenttien amplitudit häviävät termillä 1

n. Tämä tarkoittaa sitä, että spektrissä

toinen, kolmas ja neljäs yliääni ovat dominoivia, kun magneettista mikrofo-nia käytetään muuntajana.

22

Kuva 14: Kielen amplitudikomponentit mitattuna magneettisesta mikrofo-nista. [3]

Kuvasta 14 nähdään myös, että mikrofonin paikka kielen suhteen vaikuttaaamplitudikomponentteihin.

Magneettikenttä pienessä osassa kieltä, paikassa (x′, y′, z′) vaikuttaa pistee-seen (x0, y0, zp) (kuva 15). Muutokset paikallisessa magneettikentässä ja kie-len suhteellinen poikkeama varjostaa magneettikentän komponenttia Bz ak-selin keskellä magneettisessa mikrofonissa. Magneettikentän z-komponenttipisteessä (x0, y0, zp) saadaan yhtälöstä

Bz(x0,y0,zp) = γ∣∣∣ ~Bs

∣∣∣ z′ − zp[(x′ − x0)2 + (y′ − y0) + (z′ − zp)2]

32

, (30)

jossa γ on skaalauskerroin, joka kuvaa kielen magneettista suskeptibiliteet-tiä. Yhtälö kertoo, että muutokset paikallisessa magneettikentässä ja kielensuhteellisessa poikkeamassa varjostaa magneettikentän komponenttia Bz.

23

Kuva 15: Kielen magneettikenttä pisteessä (x′, y′, z′) varjostaa pistettä(x0, y0, zp) . [3]

Kielen aiheuttamat magneettikentän suhteelliset muutokset pisteessä (x0, y0, zp)voidaan piirtää horistontaalisen poikkeaman etäisyytenä pisteestä (x0, y0, zs),jossa zs kuvaa kielen korkeutta magneetin pinnasta (kuva 16).

24

Kuva 16: Kielen poikkeaman aiheuttamat magneettikentän suhteelliset muu-tokset pisteessä (x0,y0,zp). [3]

Sähkömagneettinen mikrofoni ei kuitenkaan lineaarisesti muunna kielen lii-kettä. Kielen poikkeama muodostetaan 'neliöjuurikartoituksella' magneetti-kentän muutoksiin mikrofonin käämissä. Tämä on esitetty simuloituna kuvas-sa 17, jossa yhtenäinen viiva kuvaa horisontaalista värähtelyä 4 mm ampli-tudilla ja katkoviiva esittää vertikaalista värähtelyä 0,75 mm amplitudilla.

25

Kuva 17: Kielen värähtelyn aiheuttamat magneettikentän muutokset simu-loituna. [3]

Kuvasta nähdään, että aallot eivät ole sinimuotoisia, vaikka amplitudit onasetettu simulaatiossa epärealistisen suuriksi korostaakseen epälineaarisuut-ta. Kuvasta myös huomataan suhteellisen suuri herkkyys vertikaalisella jahorisontaalisella värähtelyllä. Pieni poikkeama vertikaaliseen suuntaan ai-heuttaa merkittävästi suuremman muutoksen kuin pieni poikkeama horison-taaliseen suuntaan ja lisäksi horisontaalisen värähtelyn jaksonaika vaikuttaaolevan puolet vertikaalisen värähtelyn jaksonajasta.

Kuvassa 18 mikrofoni on asetettu paikkaan L4ja kieli on asetettu värähte-

lemään sekä horisontaaliseen että vertikaaliseen suuntaan kohdasta L6. [3, 9]

26

Kuva 18: Kielen poikkeama vs. indusoitunut sähkömotorinen voima. [3]

27

7 Kitaravahvistin

Kitaravahvistimia on kahta päätyyppiä: transistorivahvistimia ja putkivah-vistimia. Vaikka putkivahvistimista väitetään saavan parhaimman `soundin',transistorivahvistimilla on monia etuja putkivahvistimiin verrattuna. Esimer-kiksi transistorivahvistimien ei pidä lämmetä, ne ovat pienempiä ja keveäm-piä, toimivat pienemmillä jänniteillä ja ovat kestävämpiä kuin putkivahvisti-met. Transistorivahvistimella on myös huonojakin puolia: lämpötilaherkkyysja suhteellisen pieni maksimiteho. Ennen transistorien keksimistä aikaiset ra-diovastaanottimet käyttivät erityisiä komponentteja heikkojen radiosignaa-lien vahvistamiseen. Entisaikojen radioita kutsutaankin usein putkiradioiksija vahvistinlaitteita sähköputkiksi (eng. electronic tubes) tai tyhjiöputkiksi(eng. vacuum tubes). Tyhjiöputkia valmistetaan edelleen ja yleisin sovellusniille on kitaravahvistimet. Transistorivahvistimet vaikuttavat olevan turval-lisempi vaihtoehto pienitehoiselle vahvistimelle kotikäyttöön, kun taas suuriinulkoilmakonsertteihin suuritehoiset putkivahvistimet ovat parempi vaihtoeh-to.

Kuva 19: Tyypillisen kitaranvahvistimen vaiheet. [3]

Kitaravahvistimen olennaisimmat osat ovat etuvahvistin (eng. preamplier),jännitevahvistin (eng. voltage amplier), äänensävyn säätö (eng. tone cont-rol), vaiheenjaotin (eng. phase splitter) ja tehovahvistin (eng. power ampli-er). Kuvassa 19 on esitetty tyypillisen vahvistuksen vaiheet. Vahvistimenpäätavoite on saada mahdollisimman suuri jännitteen vahvistus. Lähdössäoleva kaiutin tarvitsee paljon virtaa jännitteen sijaan, jonka vuoksi tehovah-vistus tarvitaan tuottamaan suuri virta ja sopiva impedanssi.

7.1 Putkivahvistin

7.1.1 Putkietuvahvistin

Yleensä etuvahvistus putkivahvistimessa koostuu yhdestä triodista, joka onkytketty yhteiseen katodikonguraatioon (eng. common-cathode congura-tion). Triodi (kuva 20) on elektroniputki, jossa on anodin ja katodin lisäksi

hila. Etuvahvistuksessa tavoitteena on maksimoida jännite, joka saavutetaanmaksimianodivirralla (eng. maximum plate current) ja valitsemalla sopivaanodivastus. Etuvahvistusta voidaan säätää lisäämällä potentiometri lähtö-kondensaattorin CL jälkeen. Potentiometri on kitaravahvistimen etupaneelinVolume -säätöruuvi. Etuvahvistuksen kytkentäkaavio on esitetty kuvassa 21.

Kuva 20: Triodin symboli. (Wikimedia Commons)

Kuva 21: Yksinkertainen etuvahvistin. [3]

29

7.1.2 Äänensävyn säätöpiiri

Etuvahvistuksesta tuleva signaali ohjataan yleensä äänensävyn säätöpiiriin,joka äänensävyn muutoksen lisäksi aiheuttaa signaalin vaimenemista. Piiri li-sää vahvistimen etupaneeliin kaksi säädettävää ruuvia, jotka ovat korkeataa-juus (eng. treble) ja alataajuus (eng. bass). Kolmen säätöruuvin tapauksessalisätään ruuvi myös keskitaajuuksille (eng. middle). Äänensävyn säätöpiirinkytkentäkaavio on esitetty kuvassa 22.

Piirissä näkyy kolme ylipäästösuodatinta (eng. high-pass lter) ja jokaisel-la kondensaattorilla on leikkaustaajuus kullekin suodattimelle. Tulosignaalijaetaan kolmeen eri reittiin, jotka lisätään taas yhteen kahdella potentiomet-rillä.

Kuva 22: Äänensävyn säätöpiiri. [3]

7.1.3 Vaiheenjaotin

Putkivahvistimissa signaali jaetaan kahteen eri reittiin käännetyssä vaiheessaennen tehovahvistusta. Erillisillä signaaleilla voidaan käyttää kahta putkealähtöpuskurina yhden sijaan ja saada voimakkaampi signaali kaiuttimelle. Jos

30

vahvistin on suunniteltu käyttämään vain yhtä putkea puskurivirtana kaiut-timelle, vaiheenjaotinta ei silloin tarvita. Vaiheenjaotin on esitetty kuvassa23.

Kuva 23: Yksinkertainen vaiheenjaotin. [3]

7.1.4 Tehovahvistin

Tehovahvistus tuotetaan elektroniputkilla, joissa on liitäntänastat vain toi-sessa päässä tai kahdella vuorovaiheputkella. Pentodiputkia käytetään mie-lummin kuin triodeja tehovahvistuksessa, koska pentodi pystyy tuottamaanenemmän vahvistusta ja kestää suurempia virtoja. Yksipäisellä tehovahvis-timella lähtösignaali otetaan anodilta ja yhdistetään kuormaan impedanssiavastaavalle muuntajalle. Kuormavastus RL kuvaa kaiuttimen nimellisvastus-ta (kuva 24).

31

Tehovahvistin kytketään yleensä kaiuttimeen muuntajalla. Tehokas te-honsiirto vahvistuksen eri vaiheiden piirien välillä vaatii, että edellisen vai-heen lähtöimpedanssi on yhtä suuri kuin seuraavan vaiheen tuloimpedanssi.Äänenvahvistuksen suunnittelijat kuitenkin pyrkivät yleensä minimoimaantehovahvistuksen lähtöimpedanssin, joka on hyvin epälineaarinen kaiutinkar-tion resonanssin ja äänikelan induktanssin takia.[3]

Kuva 24: Yksipäinen tehovahvistus. Pentodi on piirin keskellä ympyröitykomponentti. [3]

7.2 Transistorivahvistimet

Transistorivahvistimet luokitellaan yleensä puolijohdevahvistimiin, koska mik-ropiirit, kuten impedanssimuunninpiirejä käytetään nykyisissä kitaranvah-vistintoteutuksissa. Puolijohdevahvistimet ovat turvallisempia rakentaa kuinputkivahvistimet, koska ne toimivat suhteellisen pienillä jännitteillä. Yleises-ti, transistori- ja putkivahvistimilla on samanlainen rakenne: molemmissa onetuvahvistus, äänensävyn säätöpiiri ja toinen jännitteenvahvistusosio. Suu-

32

rimmat eroavaisuudet puolijohde- ja putkivahvistimilla ovat esi- ja tehovah-vistuksessa.

7.2.1 Puolijohde-etuvahvistus

Puolijohde-etuvahvistuksessa vahvistus saadaan helpoiten käyttämällä ope-rationaalisia vahvistimia, koska ne ovat ideaalisia komponentteja ja ne pysty-vät tuottamaan suuren vahvistuksen suhteellisen pienellä käyttöjännitteellä.Tyypillisesti äänenvoimakkuus ja pää-äänenvoimakkuus kytketään toisiinsakäyttämällä kahta operationaalista vahvistinta välipiirinä. Signaali kulkee en-simmäiseltä piiriltä äänensävyn säätöpiiriin, josta se kulkee toiselle operatio-naaliselle vahvistimelle. Vahvistettu signaali kulkeutuu erovahvistimelle (eng.dierential amplier) ja siitä tehovahvistinpiiriin. Piirit on esitetty kuvassa25. [3]

33

Kuva 25: Etuvahvistusosio ja äänensävyn säätöpiiri puolijohdevahvistimessa.[3]

34

7.2.2 Äänensävyn säätöpiiri

Kuvassa 25 on esitetty jännitteen vahvistuspiirit sekä äänensävyn säätöpiiri.Äänensävyn säätöpiirin alussa signaali jaetaan kolmeen reittiin: ylä- keski-ja alataajuuksille kullekin yksi. Ylätaajuuksien säädin on yksinkertainen yli-päästösuodatin, koska korkeat taajuudet kulkeutuvat kondensaattorin C108

läpi pienemmällä vaimennuksella. Alataajuuksien säätö toimii samalla peri-aatteella, mutta toisin päin. Kuvan 25 kondensaattori C203 maadoittaa ylä-taajuudet ja matalataajuudet kulkeutuvat potentiometrille. Keskitaajuuksiasäädetään yksinkertaisella potentiometrillä eikä niitä suodateta ollenkaan.Kolme signaalia yhdistetään painotusvastuksilla R203, R205 ja R206.

7.2.3 Puolijohdetehovahvistin

Yleisin puolijohdetehovahvistinrakenne on ns. kolmitasoinen arkkitehtuuri,jossa primääripiirielementtinä on erovahvistin, joka on kytketty jännitteen-vahvistusosioon ja lähtöpuskuriosioon. Piiri on esitetty kuvassa 26. Kuvastanähdään, että erovahvistin koostuu kahdesta identtisestä bipolaaritransisto-rista ja jännitteenvahvistus koostuu yhdestä transistorista sekä kapasitiivi-sesta rinnakkaistakaisinkytkennästä. [3, 4]

Kuva 26: Puolijohdetehovahvistin. [3]

35

7.3 Vahvistimen liitäntä kaiuttimeen

Tyypillisesti kiertokäämikaiuttimeen (eng. moving-coil loudspeaker) yhdiste-tyn puolijohdevahvistimen lähtöimpedanssi halutaan mahdollisimman pie-neksi, minkä seurauksena vahvistin toimii lähes ideaalisena jännitelähteenäkaiuttimelle, koska vahvistimen lähtö ei ole kuormittunut. Vahvistimen hy-vin pienen lähtöimpedanssin vuoksi on hyvä välttää vahvistimen ja kaiutti-men kytkeminen toisiinsa pitkillä, suurivastuksisilla kaapeleilla. Putkivahvis-timien rakenteen vuoksi niistä on mahdotonta saada pientä lähtöimpedanssia,joten lähtöimpedanssia pienennetään kytkemällä muuntaja vahvistinlähdönja kaiuttimen väliin.[3, 4]

36

8 Kaiutin

Kitaran kielen näpäytyksestä syntyvän signaalin viimeinen määränpää onkaiutin. Kaiuttimen tehtävänä on muuntaa sähköinen signaali kuultavaksi,akustiseksi ääneksi. Kaiutin koostuu sähköisistä ja mekaanisista liitännöistäsekä akustisesta liitännästä. Kitaravahvistimiin kytketty kaiutin on kierto-käämikaiutin, jossa olennaisin elementti on kaiuttimen sisäinen kiertokäämi.Kiertokäämikaiuttimen rakenne on esitetty kuvassa 27.

Äänikela on kiedottu säteittäismagneettirakenteen väliin ja se on myössuorassa kontaktissa kaiutinkartion torveen. Kaiutinkartio on yhdistetty tu-kevaan, joustavaan metallirakenteeseen (kuvassa 27 piirretty jousina). Kar-tion keskiosa on suojattu metallisella kannella. Kestomagneetit luovat säteis-suuntaisesti leviävän magneettikentän, joka on kohtisuorassa magneettien vä-lissä olevaa äänikelaa vastaan. Kun kelassa kulkee virta, mekaaninen voimavaikuttaa kelaan ja koska kela on löysästi kiinnitetty, voima pystyy liikut-tamaan sitä. Kela on siis mekaanisesti liitetty kaiutinkartioon, joka mukai-lee äänikelan liikkeitä. Lopulta liikkuva kaiutinkartio vuorovaikuttaa ilmankanssa ja saa aikaan akustisen aaltoliikkeen. [3]

37

Kuva 27: Kiertokäämikaiuttimen läpileikkaus. [3]

38

9 Yhteenveto

Soittajan näpäyttäessä kitaran kieltä, siihen syntyy periodinen, mekaaninenaalto, joka on vuorovaikutuksessa kitaran mikrofonin magneettien magneetti-kentän kanssa. Muuttuva magneettikenttä indusoi jännitteen mikrofonin ke-laan ja kulkeutuu vaihtovirtasignaalina koaksiaalikaapeliin. Kaapelin koaksi-aalisen rakenteen vuoksi signaali pysyy suojattuna ja kulkeutuu putkivahvis-timen tuloliitäntään. Etuvahvistuksessa sähköisen signaalin jännite kasvaa,signaali ohjataan äänensävyn säätöpiiriin, jaetaan kolmeen eri reittiin ja koo-taan uudelleen yhtenäiseksi signaaliksi. Kitaristi on muokannut sopivan soun-din säätämällä vahvistimen etupaneelin ylä-, ala- ja keskitaajuuksien säätö-ruuveja, jotka vaikuttavat piirin ylipäästösuodattimien leikkaustaajuuksiin.Vaiheenjaottimeen saapuessa signaali jaetaan kahteen eri reittiin vastavai-heessa ja tämän seurauksena saadaan voimakkaampi signaali. Signaali vah-vistuu vielä tehovahvistuksessa ja siirretään kaiuttimeen muuntajan kaut-ta. Kelan kierrokset kasvattavat signaalin voimakkuutta ja lopulta signaalimuuttuu kaiuttimessa ihmisen korvan kuultavaksi, mekaaniseksi paineaallok-si.

Harvat teokset käsittelevät sähkökitaran fysiikkaa tieteellisesti. Yleista-juisissa, kitaroihin liittyvissä teoksissa, ei käsitellä aaltoliikettä tai muutaolennaista fysiikkaa juuri ollenkaan ja teoksissa, jotka käsittelevät elektro-niikkaa, ovat yleensä erittäin teoreettisia eikä niissä yleensä puhuta suoraankitaran elektroniikasta tai kitaravahvistimista. Toivon, että tutkielmastani onollut hyötyä lukijalle ja lukija on saanut perustasoisen ymmärryksen sähkö-kitaran ja kitaravahvistimien toiminnasta sekä niihin liittyvistä fysikaalisistailmiöistä.

39

Viitteet

[1] The history of the guitar. http://mds.marshall.edu/cgi/

viewcontent.cgi?article=1018&context=music_faculty. Luettu:21.7.2018.

[2] The earliest days of the electric guitar. http://www.rickenbacker.

com/history_early.asp. Luettu: 21.7.2018.

[3] Jarmo Lähdevaara. The Science of Electric Guitars and Guitar Elect-ronics. Books on Demand, Helsinki, 2012.

[4] Mark Phillips. Guitar for dummies. Wiley Publishing, Hoboken (N.J.),2. ed edition, 2006. Includes index.

[5] Steel strings 101. https://www.premierguitar.com/articles/

Steel_Strings_101. Luettu: 31.7.2018.

[6] Scale length explained. http://www.stewmac.com/How-To/Online_

Resources\Learn_About_Guitar_and_Instrument_Fretting_and_

Fretw/Scale_Length_Explained.html. Luettu: 30.7.2018.

[7] Ralph Denyer. Suuri kitarakirja. WSOY, Porvoo ; Helsinki ; Juva, 3. p.edition, 1995. Lisäpainokset: 4. p. 1996. - 5. p. 2005. - 6. p. 2005.- 7. p.2006.

[8] Coaxial cable. https://en.wikipedia.org/wiki/Coaxial_cable.Luettu: 13.8.2018.

[9] H.D. Young, R.A. Freedman, A.L. Ford, F.W. Sears, M.W. Zemansky,and Pearson. University Physics with Modern Physics, Global Edition.Always learning. Pearson Education, Limited, 2015.

[10] Seppo Alanko. Aaltoliike ja optiikka, luentomoniste. 2015.

[11] Periodic motion. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/

Sound/sound.html#c2. Luettu: 11.8.2018.

[12] Piano key frequencies. https://en.wikipedia.org/wiki/Piano_key_frequencies. Luettu: 28.7.2018.

[13] Digital sound modeling lecture notes for com sci 295. http:

//people.cs.uchicago.edu/~odonnell/Scholar/Work_in_

progress/Digital_Sound_Modelling/lectnotes/lectnotes.html.Luettu: 30.7.2018.

40

[14] Standard tuning. https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_

tuning. Luettu: 28.7.2018.

[15] Physics... in action. https://www.europhysicsnews.org/articles/

epn/pdf/2001/04/epn01402.pdf. Luettu: 31.7.2018.

41