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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Tönen gewünschter Klangfarbe.
Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an Musikinstrumenten und betrifft im speziellen ein Instrument, durch das ein Ton jeder gewünschten Klangfarbe hervorgebracht werden kann.
Es ist bekannt. die Grund-und Obertöne eines Klanggemisches durch mechanische Mittel einzeln zu erzeugen und einzeln in elektrische Schwingungen umzuwandeln, zu mischen und das Klanggemisch über eine Lautstärkenregelvorrichtung einem Verstärker und schliesslich dem Lautsprecher zuzuführen. Es ist ferner bekannt, zu Herstellung eines gewünschten und bestimmten Klanggemisches Mittel anzuwenden, um das gegenseitige Amplitudenverhältnis von Grundton zu Obertönen für einen gegebenen Klangcharakter einstellen zu können.
Es ist ferner bekannt, die Klangfarbe eines elektrischen Musikinstrumentes dadurch zu ändern, dass Lautsprecher mit verschiedenem Klangcharakter abwechselnd eingeschaltet werden.
Auch bei orgelähnlichen Instrumenten wird mit Hilfe von Registertasten eine oder die andere Pfeifenreihe (Register) während des Spielens ein-oder ausgeschaltet, um so durch Addieren und Subtrahieren des Klanges der einzelnen Pfeifen aus dem Grundtongemisch des Spieles die Klänge zu ändern, oder, wenn es sich nur um das Spiel eines einzelnen Registers handelt, dieses abzustellen und dafür die Pfeifen eines oder mehrerer anderer Register erklingen zu lassen. Mit allen diesen Mitteln kann aber die dem Erfindungsgedanken eigentümliche Wirkung nicht erzielt werden, noch erschöpft sich die angemeldete Erfindung in den oben erwähnten Verfahren und Vorrichtungen.
Das Wesentliche der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Musikinstrumentes, bei dem die Ursprungsenergie der einzelnen Töne akustische Schwingungen sind und diese, nicht die mechanischen Bewegungen der Resonanzkösper (Saiten, Stimmgabeln, Generatoren, Unterbrecher usw. ), erst als Auslösungsmittel für die elektrischen Schwingungen der Einzeltöne dienen.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Klangfarbe eines Musikinstrumentes von den Verhältnissen der Amplituden der Grundtöne zu den Amplituden der Obertöne abhängt. So kann z. B. bei einer Flöte die Amplitude des Grundtones fünfzigmal grösser oder mehr sein als die Amplitude eines der Obertöne. Bisher war es schwierig, auf synthetischem Wege, etwa durch Lippenpfeifen, ein Gemisch der Grund-und Obertöne zu erzielen, worin das richtige Verhältnis der Amplituden der verschiedenen Töne herrscht. Einerseits wird, wenn der Grundton mit der richtigen Amplitude erzeugt wird, kein Tongemisch zustande kommen, wenn die Obertonflöten mit einer so geringen Amplitude angeblasen werden, so dass die Amplitude des Obertones der fünfzigste Teil der Amplitude des Grundtones ist.
Wenn anderseits die Obertöne mit den gewünschten Amplituden erzeugt werden und man einen Grundton mit einer Amplitude hervorrufen will, die fünfzigmal so gross ist als jene, so wird die Pfeife des Grundtones überblasen", d. h. sie gibt keine reine Sinusschwingung mehr ab, und das Endgemisch hat nicht die gewünschte Klangfarbe. Dasselbe gilt von andern Instrumenten.
Weiter soll ein Instrument geschaffen werden mit willkürlich zu wählender Klangfarbe während des Spielens. Es fügt daher zur Musik eine vollständig neue Dimension hinzu, ähnlich wie die Mehrstimmigkeit in ; Mittelalter es getan hat. indem durch dieses Instrument auch die
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Klangfarbe gespielt werden kann. Das Spielen der Klangfarbe geschieht nun nicht durch Zuoder Abschalten von Pfeifen oder von andern Tonerzeugern, z. B.
Lautsprecher, sondern - und das ist das Wesentliche-es wird das an sich bekannte Verfahren, durch Ändern der Amplituden der Obertöne die Klangfarbe zu ändern, durch Zusammenfassung der Variationsmittel (Hebel 39, 39 a, 39 b usw. in Fig. 4) zu einem Klangfarbentastenbrett dahin erweitert und verfeinert, dass nicht bloss mehr manuell innerhalb des Spielens, etwa beim Anfang eines musikalischen Satzes, die Klangfarbe geändert werden kann, sondern selbst innerhalb eines jeden Akkordes auch die Klangfarbe geändert werden kann, ähnlich wie zu einer bestimmten Note der Melodie eines Musikstückes der Reihe nach verschiedene Begleitakkorde gespielt werden können.
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mit einer für die Lippenpfeifen oder für andere zur Erzeugung dieser Tone gewöhnlich angewendeten Vorrichtungen passenden Amplitude erzeugt.
Jede Vorrichtung ist so abgestimmt, dass sie die ihr eigentümliche Tonhöhe gibt, und diese Tonhöhen sind so zueinander abgestimmt, dass der Grundton und die gewünschten Obertöne mit den für eine Tonfolge in der chromatischen oder einer anderen Skala für die mechanische Tonerzeugung bestgeeigneten Amplituden erzeugt werden. Die akustischen Schwingungen werden dann in elektrische Oszillationen umgewandelt und als solche durch Einschaltung von Widerständen auf eine für die gewünschte Klangfarbe
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gewünschten Stärke zurückverwandelt werden.
Obwohl die Erfindung im folgenden in einer Ausführung mit Lippenpfeifen dargestellt und beschrieben ist, ist sie nicht auf diese Ausführung beschränkt, da man auch andere Tonerzeuger, z. B. Stimmgabel, Zungen od. dgl., zur Erzeugung elektrischer Ströme der vorgeschriebenen Frequenzen anwenden kann.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel eines Musikinstruments gemäss der Erfindung dargestellt, bei dem Lippenpfeifen zur Erzeugung von Tonen einer gewünschten Klangfarbe verwendet sind.
Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung der Pfeifen und ihre Tastatur im Schaubild, Fig. 2 dasselbe in schematischem Grundriss. Fig. 3 zeigt einen lotrechten Schnitt, die Glieder zur Verbindung einer Taste mit den Pfeifen sowie die Vorrichtung zum Umwandeln der akustischen Schwingungen in elektrische Oszillationen, Fig. 4 schematisch die Anordnung der elektrischen Teile des Instruments. Die Fig. 5-7 zeigen eine andere Ausführungsform des Klangfarbetastenbrettes, u. zw. zeigt Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie A--il der Fig. 6, Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie B-B der Fig. 7 und Fig. 7 eine Vorderansicht.
Die Fig. 8-10 zeigen eine weitere Ausführung des Klangfarbetastenbrettes, u. zw. zeigt Fig. 8 eine Seitenansicht, Fig. 9 einen Grundriss um 900 versetzt. Fig. 10 zeigt ein Schaubild eines Teiles der Inneneinrichtung.
Das Instrument enthält eine Anzahl Lippen-oder Orgelpfeifen, die so in Reihen angeordnet sind, dass jede Reihe eine Pfeife hat, die den Grundton liefert, und andere Pfeifen, die die gewünschten Obertöne liefern, die diesem Grundton entsprechen. Wenn die entsprechende Taste gedrückt wird, werden alle Pfeifen dieser Reihe angeblasen. Auf der Zeichnung ist das Instrument dargestellt mit Pfeifen in jeder Reihe zur Erzeugung des Grundtones und der ersten vier Obertöne. Jede Reihe entspricht z. B. einer Stufe der chromatischen Skala. So erklingen,
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Entsprechend erklingen, wenn die Taste a2 gedrückt wird, die Pfeifen b20, b21, b22, b23 und b24 und so fort für die übrigen Tasten und Pfeifen. Obwohl Vorrichtungen zur Hervorbringung nur der ersten vier Obertöne dargestellt sind, können solche in beliebiger Anzahl angebracht werden.
Da die Reihen vorzugsweise baulich identisch sind, ausser bezüglich der Grösse ihrer Pfeifen, ist in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Taste und der zugeordneten Pfeifen gegeben, wobei die Taste a in ihrer niedergedrückten Stellung gezeichnet ist, in der ihr Arm 10 die Schubstange 11 nach links gezogen und den Arm 12 veranlasst hat, das Ventil 13 zu öffnen, das von der Windlade 14 zur Pfeife BO führt, so dass diese Pfeife mit dem der Taste a entsprechenden Grundton erklingt.
Gleichzeitig hat die Bewegung der Taste die Stange 15 angehoben und den Hebel 16 verschwenkt, wodurch der Dämpfer 17 von der Membran c abgehoben wurde und die Membran in Resonanz mit der Luftsäule in der Pfeife BO ertönt, zu welchem Zweck sie in bekannter Art aus einem geeigneten Stoff und in einer ihrem Durchmesser entsprechenden Stärke ausgeführt ist. In einer Haube 18 der Pfeife BO ist ein permanenter Magnet d angebracht, dessen Spule E an die Leitung 19 angeschlossen ist. Der Anschaulichkeit halber ist diese Haube oben auf der Lippenpfeife dargestellt, obwohl dies natürlich kein notwendiges Erfordernis der Erfindung ist, solange eine genügende Bewegung des ansprechenden Elementes, wie der Membran C, eintritt.
Vorzugsweise wird in jeder Pfeife ein einstellbares
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Drosselorgan le angeordnet, um den Querschnitt, durch den die Luftsäule in der Pfeife BO auf die Membran c einwirkt, zu verengen.
Die Schubstange 11 führt ferner zu einem Winkelhebel 20. der seinerseits durch eine Stange 15 a mit einem Hebel 16 a verbunden ist, der in einer zweiten Pfeife B, arbeitet. Die Windlade-Ma enthält gleichfalls ein Ventil 13a, das von der Stange 11 gesteuert wird, so dass die zweite Pfeife bai ebenfalls ertönt, wenn die Taste a gedrückt wird. Die Haube 18 a dieser Pfeife enthält ebenfalls einen Elektromagneten, und die Membran und das Drosselorgan sind ebenso wie an der Pfeife B"ausgeführt, so dass bei Erklingen der Pfeife BI ein elektrischer Oszillationsstrom in den Aussenleitungen 19 a fliesst, der die Frequenz der Pfeife BI hat.
Dieselbe Bauart ist bei jeder der andern Pfeifen in allen Reihen angewendet, so dass beim Drücken einer bestimmten Taste a der Grundton und die Obertöne, die ihr zugehören, erklingen und sinusartige Wechselströme in den zugehörigen Aussenleitungen erzeugt werden. Ferner ist jede der Reihen gleichartig konstruiert. Alle Aussenleitungen der Grundtonpfeifen bis, b2". -b1o (Fig. 2) sind parallel geschaltet. Ebenso sind alle Aussenleitungen für die ersten, zweiten, dritten usw. Obertöne parallel geschaltet. Somit sind, wie aus Fig. 4 ersichtlich, die
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der eine entsprechende Sekundärwicklung 30 hat, die an einen Potentiometerwiderstand g'" angeschlossen ist.
Eine Abgreifstelle 31 an diesem Widerstand steht durch einen Kondensator 32 mit einem Sammeldraht 33 in Verbindung, der an einen Vorschaltkondensator 34 mit dem Gitter einer Eingangsverstärkerröhre h anschliesst, die z. B. mit dem üblichen Vorschaltwiderstand W versehen ist und Batterien 35 zum Erregen der Kathode aufweist sowie einen Anodenoder Trennstromkörper 36. Eine zweite Stufe he ist in Kaskadenschaltung angeordnet und verstärkt den Strom weiter und liefert ihn an den Lautsprecher i. Ein veränderlicher Widerstand 37 ist in Nebenschluss geschaltet zum Vorschaltwiderstand der ersten Röhre h und kann durch einen Steuerhebel 38 geregelt werden, der vorzugsweise nahe beim Tastenbrett angebracht ist, um das aus Grund-und Obertönen bestehende Tongemisch zu legeln, das vom Lautsprecher i abgegeben werden soll.
Ferner bringt man vorzugsweise einen Handhebel 39 nahe beim Tastenbrett an, um die Abgreifstelle 31 am Potentiometerwiderstand go zou steuern, wodurch die Amplitude des Stromes geregelt wird, der von den den Grundtönen entsprechenden Pfeifeneinrichtungen aufgenommen wird.
In ähnlicher Weise sind die Spulen ell, e2\ cal... der entsprechenden Obertöne zueinander parallel geschaltet und liegen in Serie zur Primärwicklung f1 eines Transformators, dessen Sekundärwicklung 30 a an einen Potentiometerwiderstand gl angeschlossen ist, wobei die veränderliche Abgreifstelle 31 a durch einen Handhebel 39 a verstellbar ist, der nahe bei der Klaviatur angeordnet ist und über einen Kondensator 32 a und an den gemeinsamen Sammeldraht 33 angeschlossen ist.
In dieser Weise sind auch die Spulen für jeden der andern Obertöne parallel geschaltet und liefern durch Transformatoren und Potentiometerwiderstände je ihre Ströme an die Verstärkerröhre h. Durch Verstellen der Steuerhebel 39, 39 a, 39 b, 39 c kann man die Amplituden des Grundtones bzw. der Obertöne bestimmen, um jedes beliebige Instrument oder eine Gruppe von Instrumenten nachzuahmen und gleicherweise jede gewünschte Klangfarbe zu erzielen.
Damit die in irgendeiner Spule Ehervorgerufenen Wechselstrompotentiale nicht in zu starkem Masse durch die parallel dazu liegenden andern Spulen hindurchgehen, sondern durch den zugehörigen Transformator hindurch, ist der Widerstand der einzelnen Spulen vorzugsweise hoch bemessen im Verhältnis zum Widerstand des Transformators selbst.
Die Pfeifen sind alle in der dem Orgelbauer geläufigen Art so gebaut, dass sie nur ihre eigenen Grundtöne geben, wogegen die Obertöne überliaupt nicht erklingen können oder doch an jeder Pfeife nur sehr schwach.
Wenn besondere Reinheit erwünscht ist und die Pfeife ihren Grundton nicht genügend frei von Obertönen gibt, so kann man den Zwischenraum zwischen dem Drosselorgan k und der Membran c durch geeignete Bemessung als einen dem Grundton der Pfeife entsprechenden Resonator ausbilden.
Die Dämpfer, die an der entsprechenden Membran c anliegen, wenn die Tasten a sich in ihrer oberen Stellung befinden, also nicht herabgedrückt sind, verhindern jede wesentliche Bewegung der entsprechenden Membran c. Somit bewirkt, wenn irgendeine Taste gedrückt wird, die erste vorkommende Oberton-oder Oktaveschwingung usw. nicht auf dem Weg über die entsprechende Oktavenpfeife usw. die Erzeugung einer Schwingung der Membran dieser Oktavenpfeife usw. und leitet daher nicht zu Bewegungen der Luftsäule in dieser Pfeife und verursacht daher auch nicht eine unerwünschte Amplitude dieses ersten Obertones und erzeugt auch keine Schwingung anderer Pfeifen, die zu Schwebungen führen konnten.
Infolge dieser
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Bauart können nur diejenigen Membranen sich bewegen, von denen sich ihre Dämpfer beim Niederdrücken der betreffenden Tasten abgehoben haben.
Die Handgriffe 39, 39 a (Fig. 1) können auf einem Misch-oder Spielbrett zusammengefasst sein, so dass sie ein Klangfarbetastenbrett bilden, so dass die Klangfarbe nicht nur
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verschiedener Musikinstrumente (Flöte, Geige, Horn usw. ) zu geeigneten Zeiten bewirkt werden kann, sondern auch während desselben Akkords die Klangfarbe geändert werden kann, mit andern Worten, wenn ein Spieler in hergebrachter Weise die Tasten au-alto (Fig. l) betätigt, so hört man die bis jetzt bekannte Musik. Wenn aber zur gleichen Zeit, wo von einem Spieler die Tasten der Klaviatur al-a niedergedrückt werden, die Handgriffe 39,39 a... (Fig. 1) - z.
B. von einem zweiten Spieler-anders eingestellt werden, so erklingt die Musik des ersten Spielers in derjenigen Klangfarbe, die durch die jeweilige Einstellung der Handgriffe 39, 39 a... bedingt ist. Die Tonstärke wird vom Hebel 38 gesteuert oder durch eine andere
Einstellung des Verstärkersystems.
Das Klangfarbetastenbrett kann anders, als es in Fig. 1 durch die Handgriffe 39, 39a... angedeutet ist, ausgeführt werden, z. B. auf die in den Fig. 5-7 oder in den Fig. 8-10 dargestellte Weise.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 5-7 ist der durch seine Drehachse m in den
Stromkreis eingeschaltete Handhebel n über dem Widerstand o kontinuierlich verschiebbar. Eine am Schlitz p des Gehäuses g angebrachte Skala zeigt, wieviel Widerstand bei der jeweiligen
Stellung des Hebels n eingeschaltet ist. Durch den Hebel I regelt man die Stärke der Grund-
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genommen worden ist, das Musikinstrument gebaut ist.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 8-10 ist den gewünschten verschiedenen Widerstandsstufen je eine Taste zugeordnet. Um z. B. die Widerstandsgrösse 2 der Grundtonoder einer Obertonreihe einzuschalten, drückt man den ihr zugehörigen Tastenhebel ?'g (Fig. 10) entgegen der Wirkung einer Druckfeder 82 nieder. Dabei trifft seine Nase t2 auf die durch
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Vorüberganges der Nase entgegen der Wirkung der Feder U zurück, worauf der Hebel ?'a mit seiner Stromabnehmerfeder X2 auf die Widerstandsspule ! trifft und so die gewünschte Widerstandsgrösse einschaltet, d. h. die entsprechende Tonstärke einstellt. Wenn man dann z.
B. zwecks Einstellen der Stärke 3 des Tones dieser Reihe den bezüglichen Tastenhebel 1"3 nieder- drückt, drängt dieser die Leiste IV zurück und im gleichen Augenblick schnellt die Taste}'2 unter der Wirkung ihrer Feder s2 wieder in ihre Ruhelage zurück, während die Taste ?'s mit ihrer Stromabnehmerfeder xi sauf den Widerstand y trifft.
Das Klangfarbetastenbrett 39-39 d ist neben der Klaviatur au-alto (Fig. l) angeordnet. so dass die beiden Spieler, von denen einer die Klaviatur al-al0 und der andere das Klangfarbetastenbrett 39-39 d spielt, nebeneinander sitzen, ohne sich gegenseitig zu stören.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt, sondern es können mancherlei Abänderungen daran vorgenommen werden in bezug auf die Mittel zur Erzeugung der Schwingungen individueller Tonhöhe sowie auch an den Mitteln zum Wählen der Amplituden von Grund-und Obertönen, die miteinander gemischt werden sollen. dies alles ohne dabei aus dem Bereich der Erfindung zu kommen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erzeugung von Tönen gewünschter Klangfarbe durch Vereinigung von auf mechanischem Wege gesondert erzeugten Grund-und Obertönen, die einzeln in elektrische Schwingungen übergeführt und deren Amplituden der gewünschten Klangfarbe entsprechend eingestellt, gemischt, verstärkt und den Lautsprechern zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Grund-und Obertöne jeder für sich in Form akustischer Einzeltöne erzeugt werden und die so erzeugten akustischen Schwingungen als Ursprungsenergie zur Auslösung der elektrischen Schwingungen der Grund-und Obertöne verwendet werden.
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