Klaus Rohwer 
E-Mundharmonika  selbstgebaut

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Wer sollte eine elektrische Mundharmonika bauen, wenn nicht ich? ;-) Denn ich verstehe nicht nur etwas von Mundharmonikas, sondern auch von Elektronik. Das habe ich mir schon 1999 gesagt und mir ein paar integrierte Reflexlichtschranken bestellt, die sonst als optische Abstandssenoren eingesetzt werden. Damit habe ich das Prinzip ausprobiert: Solch eine Reflexlichtschranke liefert eine abstandsabhängige Spannung, und wenn man sie über einer Stimmzunge montiert, müsste sie eigentlich ein Audiosignal liefern - und sie tat es! Sogleich wollte ich versuchen, diese Erfindung patentieren zu lassen und habe mal den "Stand der Technik" recherchiert. Dabei stellte sich heraus, dass jemand anders diese Idee auch gehabt hatte, und sie leider schneller als ich hat patentieren lassen: "Turbodog" James Antaki in Pittsburgh, Pennsylvania (USA), der unter anderem die Firma TurboHarp betreibt, hat auf seiner website die TurboHarp ELX präsentiert. Sie arbeitet, nach den Abbildungen zu urteilen, genau so, wie ich mir das vorgestellt hatte. Die Klangbeispiele waren seinerzeit allerdings noch nicht besonders überzeugend. Antaki suchte Investoren und industrielle Partner. Nun ja, dachte ich mir, dann wird es ja nicht mehr lange dauern, bis sie auf den Markt kommt, da brauche ich ja jetzt keine Arbeit mehr reinzustecken...

Aber die Turboharp/ELX kam bis 2007 nicht auf den Markt. Da habe ich dann doch mal weitergemacht. Was dabei heraus gekommen ist, möchte ich hier berichten. Um es gleich vorweg zu nehmen: ich habe eine funktionierende E-Mundharmonika gebaut, die den Vorteil hat, garantiert rückkopplungsfrei zu arbeiten. Das ist ein Thema, mit dem Mundharmonikaspieler, die ihr Instrument verstärken wollen oder müssen, immer wieder zu kämpfen haben: Mikrofone neigen nun einmal dazu, auch den Schall aus den Verstärkern mit aufzunehmen und zu verstärken, so dass es leicht zu unangenehmen Pfeifgeräuschen kommt. Dies kann man mit einer elektrischen Tonabnahme verhindern. Das war der leitende Gedanke bei der Kontruktion der E-Mundharmonika.

Aber sie hat noch ein paar Nachteile, die nicht verschwiegen werden sollen.

Prototyp 1
Bild 1: Mein erster Prototyp, eine umgebaute
Marine Band
Bild 1 zeigt meinen ersten Prototypen, eine umgebaute HohnerMarine Band MS. Weil die Deckel nach dem Umbau nicht mehr passten, habe ich selbst welche aus Messingblech gebogen.
Prototyp 1 zerlegt
Bild 2: ... und so sah er im zerlegten Zustand
aus (ohne Deckel).
In Bild 2 ist dieser Prototyp zerlegt dargestellt, die Deckel sind weggelassen. Sie waren zusammen mit den Platinen mit den zwei Schrauben befestigt, die im Bild zu sehen sind.
Platinen
Bild 3: Die Platinen mit den Sensoren sind nur
an einem Ende durch Kabel miteinander
verbunden.
Bild 3 zeigt die Platinen ohne den Kanzellenkörper. Für die Platinen habe ich übrigens im ersten Anlauf Streifenrastermaterial verwendet, wie ich es auch sonst immer mache bei elektronischen Schaltungen, die ich selber aufbaue, denn für richtige, geätzte Platinen ist mir der Aufwand für Einzelstücke zu hoch. Man erkennt beim genauen Hinschauen die Sensoren vom Typ SFH 9202 (schwarze Rechtecke, SMD-Ausführung). Insgesamt enthält das Instrument 20 Stück davon, je zehn oben und unten, also für jede Stimmzunge eine Reflexlichtschranke.
E-Harp
Bild 4: Der zweite Prototyp der E-Harp, diesmal
in eine Pipe Humming eingebaut,
dahinter das Netzteil
Im nächsten Bild (Bild 4) ist dann zu sehen, wie mein zweiter Prototyp aussieht. Solch eine elektrische Mundharmonika benötigt Strom um zu funktionieren. Dieser kann aus Batterien kommen (die man oft wechseln müsste) oder aus einem Netzteil. Die letztere Lösung habe ich gewählt. Hinter meiner E-Harp ist hier das Netzteil zu sehen. Ich habe meinen zweiten Prototypen in eine Pipe-Humming-Harp von Suzuki eingebaut, die mir Michael Timler vom inzwischen leider erloschenen Internet-Versand Harponline dankenswerter Weise zur Verfügung gestellt hat. Am rechten Ende führt ein Kabel heraus, das mit einer DIN-Steckverbindung (oben links im Bild) mit dem Netzteil verbunden ist. Das Netzteil weist (im Bild rechts) eine 6,3-mm-Klinkenbuchse auf, an die man einen Verstärker oder ein Mischpult anschließen kann.
Das Netzteil von innen
Bild 5: So sieht das Netzteil von innen aus:
links kommt das Netzkabel herein, ganz rechts
oben ist der Ausgang (6,3 mm Klinke),
darunter der Eingang (5-polige DIN-Buchse).
Bild 5 zeigt das geöffnete Netzteil von oben.
E-Harp auseinandergezogen
Bild 6: Der Kanzellenkörper lässt sich aus dem
Rohr mit der Elektronik herauschieben und so auswechseln.
Der Vorteil des Einbaus ausgerechnet in eine Pipe Humming ist, dass man die Platinen, auf denen die optischen Sensoren (Reflexlichtschranken) sitzen, am Rohr befestigen kann. Das ermöglicht es, den Kanzellenkörper mitsamt den Stimmplatten zu wechseln. Dies ist in Bild 6 gezeigt. Hier habe ich einmal den Kanzellenkörper halb nach links aus dem Rohr herausgeschoben. Im rechten Teil des Rohres kann man nun unten -- wenn man genau hinschaut -- vier der Sensoren erkennen.
Blick auf die beiden Enden der E-Harp
Bild 7: Anordnung und Befestigung der Platinen
im Rohr der Pipe Humming
Bild 7 zeigt Ansichten der E-Harp von links und von rechts. Hier ist zu erkennen, wie die Platinen im Rohr befestigt sind. Die Abstandsröhrchen sind so zurechtgefeilt, dass sich der Kanzellenkörper geraden noch zwischen den (gekürzten) Schraubenenden hindurchschieben lässt. Die Abstände der Platinen zu den Stimmplatten sind unterschiedlich. Auf der oberen Seite liegen die Blaszungen innen, und daher muss hier der Abstand geringer sein als auf der Unterseite, wo die Ziehzungen außen liegen.
SchaltplanBild 8: Schaltplan der E-Harp, unten das Netzteil (Anklicken öffnet PDF-Dokument in neuem Fenster)

Elektronik

Der Schaltplan der Elektonik für die E-Harp ist in Bild 8 dargestellt, bei Bedarf kann man ihn durch Anklicken auch als PDF-Datei öffnen und speichern. Oben ist derjenige Teil dargestellt, der auf den Platinen in der Harp selber sitzt. Unten ist die Schaltung des Netzteils wiedergegeben. Die Infrarot-LEDs in den Reflexkopplern SFH 9202 sind in zwei Gruppen aufgeteilt, innerhalb derer sie in Reihe geschaltet sind. Da sie eine Flussspannung von ca. 1,25 Volt haben, ergeben sich 12,5 V Gesamtspannung an der Reihenschaltung. Damit ist klar, dass man mit einer Betriebsspannung von 12 V nicht auskommt. Ich habe 15 V gewählt. Damit ergibt sich -- begrenzt durch die 100-Ohm-Widerstände -- ein Strom von ca. 25 mA durch jede der beiden LED-Ketten. Damit kann man die Leistung ausrechnen, die in der E-Harp "verbraten" wird: es sind 750 mW, und die merkt man, denn das Instrument wird auf die Dauer angenehm handwarm. Daran merkt man aber auch: höher sollte man mit dem LED-Strom vielleicht nicht gehen, denn dann könnte die Harp zu heiß werden! Einen beheizbaren Mundharmonikakoffer braucht man für diese Art von Mundharmonika jedenfalls nicht...

Die Fototransistoren in den Reflexkopplern sind im Gegensatz zu den LEDs in zwei Gruppen parallelgeschaltet -- aber wo ist ihr Arbeitswiderstand? Den bildet die jeweils andere Gruppe! Die Sensoren der oberen Platine arbeiten also sozusagen gegen die Sensoren der unteren Gruppe. Und das müssen sie auch, damit die Phase stimmt, sonst würde beim Bending der Ton leiser werden. Denn dabei schwingen die beiden jeweils beteiligten Stimmzungen in Phase, aber da sie ja gegenphasig abgetastet werden (die einen von oben, die anderen von unten), muss dieser Phasenunterschied schaltungstechnisch wieder ausgeglichen werden. Das funktioniert, weil die Fototransistoren auch im Ruhezustand (wenn kein Ton gespielt wird) Licht von den LEDs bekommen und deswegen immer ein Strom hindurchfließt.

Nun ist es ja keineswegs gesichert, dass die Lichtverhältnisse oben und unten im Ruhezustand immer gleich sind. Daher ist es auch a priori nicht sicher, dass sich das Potential am Knotenpunkt der beiden Transistorgruppen, wo das Audio-Signal abgenommen wird, auf die halbe Betriebsspannung einstellt. Um dies dennoch sicher zu stellen, habe ich einen Integrator mit einem TL071-Operationsverstärker in das Netzteil eingebaut, der über einen 10-kOhm-Widerstand einen (positiven oder negativen) Strom am Knotenpunkt einspeist und dadurch das Potential im zeitlichen Mittel auf die halbe Betriebsspannung zieht. Ob dies unbedingt nötig gewesen wäre, darüber kann man streiten.

Das Signal wird hier über einen 47-nF-Kondensator ausgekoppelt, der mit dem 2,2-kOhm-Widerstand am Ausgang einen Hochpass bildet. Das war hier nötig, weil ich die Lichtschranken nicht ganz so positionieren konnte, wie ich es gewünscht hätte. Durch das Rastermaß der Platinen war ich auf einen Abstand der Sensoren untereinander von 3/10" = 7,6 mm festgelegt, während die Stimmzungen einen Abstand von 7,5 mm untereinander haben (jedenfalls bei Hohner und bei Suzuki). Ich musste daher die Fluchtlinie der Sensoren etwas schräg zu den Stimmzungen anordnen. Auf der Ziehtonseite kam mir das entgegen, weil die Linie der Nieten sowieso schräg zur Stimmplattenlängskante verläuft, aber auf der Blastonseite musste ich in Kauf nehmen, dass die Sensoren auf der Tieftonseite weiter vom Stiefel weg auf die Stimmzunge "schauen" als auf der Hochtonseite. Optimal wäre es aber eigentlich, wenn der Abstand vom Stiefel der jeweiligen Stimmzunge zur Blickachse des zugehörigen Sensors etwa konstant ist oder bei den tiefen Tönen sogar noch etwas kleiner ist als bei den hohen. In diesem Punkt musste ich also einen Kompromiss eingehen, den ich durch den Tiefpass wieder auszugleichen versucht habe -- was anscheinend gar nicht so schlecht gelungen ist. Perfekt sollte es sich machen lassen, wenn man individuell hergestellte Platinen verwendet, und erste Versuche dazu sind auch bereits gelaufen.

Der Netztrafo hat bei mir zwei Sekundärwicklungen mit je 7,5 V, so dass ich auch eine symmetrische Spannungsversorgung hätte aufbauen können, wenn es nötig gewesen wäre (der Platz auf der Platine hätte gereicht). Der Linearregler ist mit einem LM 317 aufgebaut, der für eine besonders brumm- und rauscharme Stromversorgung bürgt.

Verbesserungsbedarf

Damit wären wir bei einem kritischen Punkt: Das Instrument rauscht. Das Rauschen wird noch schlimmer, wenn man statt eines Linearreglers einen geschalteten verwendet, was man also tunlichst nicht machen sollte. Aber auch mit Linearregler konnte ich das Rauschen nicht unter einen gewissen Wert drücken. Ein weiterer Versuch von mir, das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, bestand darin, die Stimmplatten mit mattschwarzem Modellbaulack anzustreichen (wobei die Stimmzungen natürlich sorgfältig ausgespart werden müssen). Ich selbst finde das Rauschen nicht besonders störend, denn mein Effektgerät, das ich sonst für mein Mikrofon verwende, rauscht auch in der selben Größenordnung. Aber das Rauschen war der Grund, warum ich niemanden gefunden habe, der bereit war, eine E-Harp nach diesem Prinzip auf den Markt zu bringen. Vermutlich würde man, um das Rauschen zu vermindern, bessere (=rauschärmere) Sensoren benötigen. Vielleicht gibt es die ja schon und sie sind mir nur nicht bekannt. Da ist zum Beispiel der SFH 9201, ein naher Verwandter des von mir verwendeten Reflexkopplers. Er hat eine höhere Empfindlichkeit (mehr Kollektorstrom bei gleicher Lichtmenge), aber auch einen wesentlich höheren Preis, weswegen ich ihn nicht verwendet habe. Vermutlich ist aber sein Signal-Rausch-Verhältnis auch nicht besser als das des SFH 9202. Ich habe auch andere Sensoren ausprobiert, zum Beispiel SFH 7221. Dieser ist noch kleiner als der SFH 9202, also noch schwieriger von Hand zu verarbeiten. Leider ist sein Arbeitsabstandsbereich sehr klein, was eine sehr genaue Justierung des Abstandes zur Stimmzunge erforderlich machen würde. Deswegen habe ich diesen Sensortyp nicht weiter in Betracht gezogen und kann auch keine Aussagen über sein Rauschverhalten machen. Wenn es sie jetzt noch nicht gibt, wird es vielleicht zukünftig mal geeignetere Sensoren geben.

Es gibt noch eine weitere Quelle für Rauschen, die man aber wahrscheinlich ausschalten kann: wenn die Sensoren zu nah an den Enden der Blaszungen sitzen, schlagen sich Feuchtigkeitstropfen darauf nieder und führen zu einem Prasseln. Daher muss man bei der Konstruktion der Platinen darauf bedacht sein, die Sensoren nicht zu nah an der Stimmzungenspitze anzuordnen. Das kann allerdings bei sehr kurzen Stimmzungen, also bei den höchsten Tönen käuflicher Mundharmonikas, zu einem Problem werden. Würde ein Hersteller die Stimmzungen der hohen Töne länger und dafür dicker (also steifer) machen, so wäre diese Schwierigkeit in jedem Fall in den Griff zu bekommen.

Mittlerweile (Stand 2013) ist die elektronische Mundharmonika TurboHarp ELX von Mr. Antaki auf dem Markt.

Klang

Ansonsten klingt mein elektrisches Instrument tatsächlich erkennbar nach Mundharmonika! Und Bendings, wie im Blues typisch, gehen auf dieser Bluesharp auch. Einen bemerkenswerten Unterschied zur akustisch abgenommenen Harp gibt es allerdings: Die tiefen Töne klingen viel länger nach. Das liegt daran, dass der akustische Ton aufhört, sobald der Luftstrom durch den Stimmzungenschlitz endet. Die Stimmzunge selbst schwingt aber noch eine kurze Weile weiter - und dies wird jetzt durch die Direktabnahme hörbar. Naja, warum darf denn eine E-Harp nicht anders klingen als eine akustische Harp? Eine E-Gitarre klingt ja auch anders als eine akustische Gitarre.

Entwicklungsmöglichkeiten

Besonders interessant wäre es natürlich, eine chromatische Mundharmonika mit solchen Sensoren auszustatten, denn chromatische Instrumente sind aufgrund der höheren Luftverluste im Schieberpaket normalerweise leiser als Bluesharps, müssen mehr verstärkt werden und neigen daher noch eher zu Rückkopplungen. Allerdings müsste man die Ventile entfernen, damit die Reflexkoppler freie Sicht auf die Stimmzungen bekommen. Doch das Rauschen würde sich durch die größere Zahl der erforderlichen Tonabnehmer noch erhöhen.

Man könnte dieses Prinzip auch auf die Ventile anwenden, die Stimmzungen entfernen und mit den Signalen ein MIDI-Interface ansteuern -- dann hätte man eine elektronische Mundharmonika! So etwas gab es schon mal, aber mit nur einem einzelnen (verschiebbaren) Blas-und-Zieh-Sensor: den Millioniser 2000. Er hat sich aus verschiedenen -- auch technischen -- Gründen am Markt nicht behauptet. Sowas könnte man heute besser machen.

Jetzt könnte die Frage aufkommen: warum einfach, wenn es auch umständlich geht? Kann man denn nicht mit magnetischen Tonabnehmern arbeiten, wie bei der Gitarre? Bis vor kurzem war die Antwort: nein. Denn zu der Zeit, als ich mir die optische Variante ausgedacht habe, gab es keine Mundharmonikas mit magnetischen Stimmzungen. Aber inzwischen gibt es die! Die Firma Seydel in Klingenthal hat ja Mundharmonikas mit Stahlstimmzungen herausgebracht, und diese sind tatsächlich magnetisch, was bei Edelstahl keineswegs selbstverständlich ist. Erste Versuche zur magnetischen Tonabnahme bei Mundharmonikas hat es auch schon gegeben, und sie haben funktioniert. Allerdings hat auch diese Technik ihre Tücken, doch das ist ein anderes Thema. Außerdem hat Mr. Antaki auch dieses Prinzip -- wie noch zahlreiche andere Prinzipien -- in den USA patentiert.

Weitere elektronische Schaltungen von mir finden Sie in meiner Schaltungssammlung.


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(c) 2008 Klaus Rohwer