Wissenswertes über Piezotechnik bei Verwendung als E-Drum Trigger (an Roland oder Alesis Drum-Modul)

Der Piezo ist ein aktives elektrisches Bauelement, seine elektrisch / physikalischen Eigenschaften sind u.a. bei Wikipedia ausführlich beschrieben.

Die in E-Drums verwendeten Piezos sind eigentlich zweckentfremdet, konstruiert wurden sie als Membranscheiben für Schallgeber und Lautsprecher. Aber sie eignen sich in dieser Form auch für den Einsatz als Analog-Detektoren für mechanische Impulse, z.B. in Trommeln.

Es ist wichtig zu Wissen, dass ein Piezoelement elektrisch sowie mechanisch gepolt ist.
Nicht alle Piezos sind gleichsinnig gepolt, die Seitigkeit der Polung entsteht rein zufällig während des Produktionsprozesses (als Schallgeber ist es egal, welche Polung die Anschlüsse haben), die Lage oder die Farben der Anschlusslitzen haben in diesem Zusammenhang keine Bedeutung. Rot ist immer die Anschlusslitze auf der Piezo-Keramik, Schwarz ist die Verbindung zur Trägerscheibe. Die tatsächliche Polung des elektrischen Ausgangsimpulses ist Abhängig von der zufälligen Polarisierung der Keramikscheibe und andererseits von der Wirkrichtung der mechanischen Kraft, die auf den Piezo einwirkt. Der Head-Piezo arbeitet als Schlagimpuls-Sensor, der Rim-Piezo hingegen als Detektor für Körperschallschwingungen.

Der Head-Triggerkopf wird mit einem 27mm Piezo und einem Schaumstoffkegel als Kraftvermitttler und Dämpfer gebildet, die miteinander verklebt werden. Der Kegel kann vollflächig auf die obenliegende Keramikseite mittels Klebefolie verbunden werden. Auf der Unterseite wird die Trägerscheibe des Piezo mittels zentrisch aufgeklebten Klebepunkt von 22mm mit der Basis (Entkopplerkissen, entkoppelter Triggertisch) verbunden.
Bei einem Schlagimpuls von oben auf die „Kegelspitze“ wird die wirkende Kraft kegelförmig verteilt und auf den äußeren Rand des Piezoelementes geleitet. Nun entsteht ein Biegemoment um den Durchmesser-Ring der Keramikscheibe, da ja von unten, der mit der Basisverbundene 22mm Klebepunkt, dagegen drückt. Dies erzeugt innerhalb der Piezo-Keramik eine Zugspannung, welche bewirkt, dass sich am negativen Pol der Keramik ein Elektronenüberschuss / Ladung ergibt, die als Ladungsimpuls abgegriffen werden kann.
Das elektrische Maß des Impulses ist abhängig von der mechanischen Wirkkraft und liegt etwa zwischen 0,001 und 40 Volt. Die Impulsform ist sinusförmig abklingend (Impulswurzel). Die Impulsdauer liegt zwischen 3 und 20 Millisekunden und ist abhängig von der Wirkdauer des mechanischen Impulses (Schlag, Reibungswiderstand, Reflexion).
Der Head-Triggerkopf detektiert so Schläge auf das Trommelfell (Meshhead) vom Rand bis zur Mitte (sofern zentrisch platziert). Hier ist die empfindlichste Stelle des Systems, ein direkter Schlag auf die „Kegelspitze“ überträgt die maximal mögliche Wirkkraft auf den Piezo – der sogenannte „Hotspot“ wird ausgelöst. Wenn man den „Hotspot“ mechanisch oder elektrisch dämpft, schränkt man den Dynamikbereich erheblich ein.

Der Rim-Piezo nimmt bei Schlägen auf den Trommelrand die dadurch ausgelösten Körperschallschwingungen auf und gibt diese analog als elektrisches, sinusförmiges Signal wieder aus (also wechselnde Polung an den Piezoanschlüssen). Hier muss man also beim Anschluss auf keine bestimmte Polung achten.
Damit der Rimpiezo (35mm) die mechanischen Körperschallschwingungen optimal aufnehmen kann, wird er mittels eines 25mm Klebepunktes als Kontaktvermittler mit der Masse des Triggersystems verbunden. Für die exakte Weiterverarbeitung des Schwingungssignales im Drum-Modul ist es wichtig, dass der Rim-Piezo möglichst nahe dem Zentrum des Systems befestigt wird (es geht dabei um Laufzeitunterschiede im Nanosekunden-Bereich).

Hinweis: Nahezu alle im Netz verfügbaren elektrischen Anschlusspläne für Piezos in der Anwendung als Drum-Trigger sind falsch oder unvollständig, entsprechen nicht der tatsächlichen Funktion und Wirkung der verwendeten Piezoelemente.

Tipp: Beim Einkauf von Piezos für die Headtriggerung, sollte man vom Lieferanten die Angabe der tatsächlichen Polung verlangen (Achtung: Rot = Plus und Schwarz = Minus stimmt ja nicht unbedingt ! ). Bei R-Drums werden alle 27mm Piezos ausgemessen (das geht nur mit einem Oszilloskop) und der Anschluss mit der negativen Polung mit einer weißen Markierung versehen (gültig für die übliche Anwendung, Piezokeramikschicht oben, mechanischer Schlagimpuls von oben in Richtung auf die Piezokeramik).

Zitat von frank1266

Würdest du uns/mir auch verraten, wie das mit einem Oszilloskop geht?

Ausführliche Informationen darüber, wie ein Oszilloskop funktioniert findest Du hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Oszilloskop

Wenn Du ein solches Gerät zur Verfügung hast, solltest Du gemäß der Bedienungsanleitung die nötigen Grundeinstellungen für die geplante Messung vornehmen, dann z.B. einen Piezo anschließen und diesen durch leichtes Klopfen mit einem Finger mechanisch anregen.

Das Oszilloskopbild zeigt nun eine analoge elektrische Impulskurve. Anhand der Skalenwerte auf dem Bildschirm, verknüpft mit den Einstelldaten (u.a. Amplitudenspannung und Zeitbasis), erhält man absolute Messwerte die entsprechend interpretiert werden können.

Zitat von Beeble

Kannst du bitte noch erklären warum die Polung wichtig ist, wo es sich doch um eine Sinunsschwingung handelt, die zudem noch gleichgerichtet wird wenn sie zur Weiterverarbeitung an der Elektronik ankommt?

Das Prinzip der Triggerfunktion in E-Drums.

Jede Sinusschwingung hat eine negative (minus) und eine positive (plus) Halbwelle. Das Piezoelement gibt bei einem richtungsabhängigen mechanischen Impuls (= Schlag, Hieb mit dem Stick, Schlägel) eine negative elektrische Ladung ab, diese entspricht genau einer Sinushalbwelle (180°), wobei die maximale Amplitudenspannung nach einer Viertelwelle (Sinus 90°) erreicht wird. Diese Schwingungsinformation wird in einem E-Drum-Modul oder Midi-Konverter entsprechend der jeweiligen Algorithmen verarbeitet. Eine "Gleichrichtung" findet dabei nicht statt !

Beim Headtrigger handelt es sich konstruktiv bedingt um eine notwendigerweise gedämpfte Schwingung. Hier wird das erste Amplitudenmaximum als Einzel-Impulsinformation ausgewertet (1 bis 10 Millisekunden Reaktionszeit).

Der Rimtrigger detektiert die (abklingende) Schwingungsfolge einer Körperschallwelle, welche durch einen Schlag auf den Trommelrand ausgelöst wird. Die Auswertung dieser Schwingungsinformation erfolgt je nach Algrithmus, hinsichtlich der Amplitudenstärke innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitts (1 bis 20 Millisekunden).

Zitat von Beeble

Zum Verständniss:
Du sagst einerseits das bei einem Schlagimpuls eine negative Halbwelle entsteht, andererseits das es sich um eine gedämpfte Schwingung handelt, was ja auch richtig ist.
Die Resonazfrequenz der Piezos liegt im kHz Bereich. Bei 10kHz liegt der Abstand der Halbwellen bei ca. 20µs. Verstehe ich dich richtig, das es darum geht die erste negative Halbwelle abzugreifen obwohl die nächste ja schon 40µs später kommt?
Nur damit das Signal ein paar µs eher an die Elektronik gelangt?
Bei mehreren hundertausend Microsekunden die ein Schlagimpuls benötigt bis er als Sound aus dem Lautsprecher kommt, kommt es da deiner Meinung nach auf 20µs mehr an?

Optional könnte man die Piezos auch umdrehen? Dann wäre doch die erste Welle auch um 180 Grad verschoben.

Die Eigen-Resonanzfrequenz des Piezos hat in diesem Zusammenhang keinerlei Bedeutung und trifft nur zu, wenn der Piezo als Schallgeber (Schwingungserzeuger) verwendet wird.

Im Falle der Anwendung als Schlagimpulsdetektor in E-Drums nutzen wir den „direkten Piezoeffekt“ und bewegen uns im Frequenzbereich von 1 bis 30 Hertz.

Näheres und Ausführliches erfährt man u.a. bei Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Piezoelektrizität

Die üblicherweise in der E-Drum-Technik verwendeten Piezoscheiben sind eigentlich für die Anwendung als Schallgeber (Piepser, Lautsprecher, Kopfhörer) konzipiert ("inverser Piezoeffekt").

Zitat von Beeble

Die Aussage das bei einem mechanischen Impuls auf einen Piezoschallgeber dieser nur mit 1-30Hz schwingt ist falsch.

Das habe ich auch nicht behauptet !
Ich stelle fest, dass wir bei Nutzung des „direkten Piezoeffektes“ uns im Frequnzbereich von 1 bis 30 Hertz bewegen, oder spielst du schneller als 30 Schläge pro Sekunde ? So sind wir also sehr weit von der vermeintlichen Eigenresonanz des verwendeten scheibenförmigen Piezoelementes entfernt und werden dieses auch nicht dazu anregen.

Im gedämpften Sensorsystem des Headtriggers detektiert der Piezo während des mechanischen Aufschlags eine negative Halbwelle, diese entspricht genau der Zeit, ab welche der Stick das Fell berührt – eintaucht – wieder zurückfedert, bis er vom Fell abhebt. Es entsteht also keine vollständige Schwingung, sondern nur eine halbe (der Rest wird mechanisch weggedämpft). Genau das wird vom Piezo exakt in Form einer negativen elektrischen Ladung als Antwort auf den mechanischen Schlagimpuls ausgegeben. Am Oszilloskop sehen wir die Abbildung einer „Impulswurzel“, wir können die Laufzeit des Impulses (Halbwelle) im Millisekundenbereich ablesen, ebenso die Amplitude des Impulses welche je nach Aufschlagkraft zwischen 0,1 und 30 Volt liegt.
In ROLAND-Modulen werden beide Impulsinformationen des Headtriggers verarbeitet und mit denen des Rimtriggers verknüpft.
Natürlich werden diese Impulsinformationen erst in geeigneter Form aufbereitet und dann u.a. auch vom A/D – Wandler bearbeitet.

Zitat von Beeble

Betrachtet man den Signalverlauf eines mechanisch angetriggerten Piezos, sieht man eine Sinusförmige gedämpfte Schwingung mit der Frequenz der Eigenschwingung.

Das ist falsch, wie ich schon oben ausführlich dargestellt habe, sieht man die analoge elektrische Abbildung des mechanischen Impulses in Echtzeit.

Das Piezoelement wird hier nicht als Schallwandler (Aktor) betrieben, sondern als Detektor (direkter Piezoeffekt). Geringste Druckveränderungen welche auf das Kristallgefüge wirken, bedingen eine analoge innere Ladungsverschiebung, welche zwischen beiden Polen gemessen werden kann (Oszilloskop; Ladungsverstärker nach Kistler).

Zitat von Beeble

Betrachtet man den Signalverlauf eines mechanisch angetriggerten Piezos, sieht man eine Sinusförmige gedämpfte Schwingung mit der Frequenz der Eigenschwingung.
Da diese bei den hier verwendeten Schallwandlern im Bereich einiger Kilohertz liegt, liegt der Abstand der Halbwellen im kleinen zweistelligen Microsekundenbereich.
Du sagtest das du auf einem Oskar anhand dieser Schwingung die Polarität bestimmst. Dann wirst du doch feststellen das es sich nicht um 1-30 Hz handelt!?

Bitte nicht verwechseln :

In der E-Drum-Technik werden Piezoelemente benutzt, die im Handel als Schallwandler bezeichnet werden, aber im E-Drum nicht als solche betrieben werden (s.o.). Deshalb sind Angaben zur Eigenresonanzfrequenz in diesem Zusammenhang irrelevant.

Und noch einen Irrtum gilt es aufzuklären: Piezokeramisches Material oder sogenannte Piezokristalle haben keine bestimmte Arbeitsfrequenz. Das ist eben das Vorteilhafte an diesen Piezoelektrischen Materialien, dass diese keinen „Frequenzgang“ kennen. Deshalb lässt sich der Piezoelektrische-Effekt zwischen 0 Hertz und 20 Megahertz nutzen (je nach Kristallart oder Zusammensetzung der Piezokeramik). Die Piezokeramik gibt alle mechanischen Kräfteeinwirkungen ohne Filterung oder Dämpfung als elektrostatische Ladungsverschiebung EINS-zu-EINS wieder, und zwar in Echtzeit.

Was die Eigenresonanz der Piezokristalle betrifft, so ist diese abhängig von der Geometrie und den Abmessungen der einzelnen Kristalle und somit sehr hoch, weil Kristalle sehr klein sind.

Bitte nicht verwechseln mit der Angabe von Eigenresonanzfrequenzen für piezoelektrische Bauteile (z.B. Schallwandler). Diese bezieht sich auf die jeweilige Bauform und ihre Abmessungen als eigenes konstruktives System (Form, Länge, Dicke, Materialien, Verbindungsart, wie z.B.: Piezokeramik 0,35mm dick, 19mm Durchmesser aufgeklebt mittels leitfähigem Kleber oder Lot, auf Messing oder Edelstahl, scheiben- oder streifenförmige Trägergeometrie, 0,5mm oder 0,1mm dick).
Vergleiche dazu die Angaben bezüglich der Resonanzfrequenzen von Piezolementen gleicher Bauart, aber unterschiedlichen Durchmessers. Die Eigenresonanz resultiert i.d.Z. im wesentlichen aus den Eigenschaften der beteiligten Konstruktionsmaterialien (Materialkonstanten) und wird nicht durch das Piezoelektrische Material bedingt.