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Elektrisches Musikinstrument.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrisches Musikinstrument von der Art, bei dem ein mechanischer Schwingungskörper, z. B. eine Saite, Platte, Stimmgabel od. dgl., in Schwingung versetzt und die Schwingungen des Körpers durch eine Umwandlungsvorrichtung in elektrische Schwingungen umgesetzt werden, die ihrerseits verstärkt und in einem Lautsprecher hörbar gemacht werden. Die Erfindung bezweckt, bei derartigen Instrumenten die harmonische Struktur und damit die Klangfarbe und Tonqualität der einzelnen Töne zu beeinflussen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform im lotrechten Schnitt und von oben gesehen. Fig. 3 zeigt eine Abänderung dieser Ausführungsform. Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform von oben und im lotrechten Schnitt. Fig. 6 zeigt eine Einzelheit.
Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform. Die Fig. 8 und 9 zeigen Schnitte in den Ebenen AA lmd BB der Fig. 7. Fig. 10 stellt eine weiterere Ausfüh- rungsform dar, Fig. 11 zeigt einen Schnitt in der Ebene C-C der Fig. 10. Fig. 12 zeigt ein Schaltschema für eine weitere Ansführungsform. Fig. Sa zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des elektrischen Teiles der Fig. 1-5.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 dienen als mechanische Schwingung-
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Stahl, bestehen und mittels Auflager 3 in waagrechter Lage gehalten werden, die symmetrisch zur Schienenmitte angeordnet sind. Würde man die Schienen fest an den Auflagern befestigen, so würde eine starke Dämpfung auftreten. Um dies zu vermeiden und trotzdem eine Verschiebung der Schienen aus ihrer richtigen Lage zu verhüten, sind an den Auflagerstellen um die Schienen schmale weiche Gummibänder 5 gelegt, die in Einschnitte 7 der Lager gut passen. Um die Schienen nach unten zu drücken, sind Leisten 12 vorgesehen, und ein seitliches Verschieben der Schienen wird durch Trennstücke- ? ss verhütet. Sowohl die Leisten 12 als auch die Trennstücke 36 berühren nur die Gummibänder 5, aber nicht die Schienen.
Fig. 6 zeigt einen Teil einer Schiene, ein Gummiband, einen Teil des Trägers 3 und der Leiste 12 im vergrösserten Massstabe.
Die richtige. Anordnung der Gummibänder und Auflagerstellen in bezug auf die Schienenenden hat auf die Dämpfung der Schiene einen grossen Einfluss. Bekanntlich bilden sich bei einer symmetrisch zur Mitte unterstützten Schiene beim Schwingen zwei Knoten aus, und wenn man die Dämpfung möglichst verringern will, so müssen die Auflagerstellen mit den Knoten zusammenfallen. Für gewöhnlich liegen die Knotenpunkte von den Schienenenden um zwei Neuntel der gesamten Schienenlänge entfernt, und hier werden zweckmässig die Gummibänder angeordnet.
Die Schiene wird mittels eines Hammers 8 in Schwingungen versetzt, der am Ende eines zweiarmigen Hebels 9 befestigt ist, der um einen zwischen Backen 11 sich erstreckenden Drehzapfen 10 schwingen kann. Die Backen tragen auch einen Anschlag 13 zur Begrenzung der Hebelbewegung. Am unteren Ende des Hebels befindet sich ein Gegengewicht 14. Über dem Hebel befindet sich die Taste 15, die um den Drehzapfen 16 schwingen kann und auf den Hebel 9 mittels eines Blockes 19 mit einer Filzabdeckung einwirkt. Die Abwärtsbewegung
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der Taste 15 wird durch einen Block 20 mit einer Filzauflage 25 begrenzt. Für gewöhnlich befindet sich die Taste 15 unter der Einwirkung einer gekrümmten Blattfeder 21, die bei 27 an der Taste angreift, in gehobener Stellung.
An der Feder 21 ist der Dämpfer 22, zweckmässig aus Filz, befestigt. Für gewöhnlich drückt die Feder 21 den Dämpfer 22 gegen das eine Schienenende. Beim vollständigen Niederdrücken der Taste biegt sich die Feder 21 in die gestrichelt gezeichnete Lage durch, wobei der Dämpfer 22 sich von der Schiene entfernt und, falls das Niederdrücken der Taste nicht ganz langsam erfolgt, der Hammer 8 gegen die Schiene schlägt. Die Aplitude der so hervorgerufenen Schienenschwingung hängt von der Art des Anschlages, insbesondere von der Geschwindigkeit, mit der die Taste niedergedrückt wird, ab. Wird die Taste losgelassen, so dämpft der Dämpfer 22 die Schiene 1. Die Taste 15 ist eine weisse Taste. Die benachbarte schwarze Taste ist mit 29 bezeichnet, zu ihr gehören der Block 37 mit der Filzauflage 26.
Die Aufwärtsbewegung der Tasten wird durch einen An- schlag 24 mit Filzbezug 23 begrenzt.
Unter jeder Schiene ist eine mechanisch-elektrische Umwandlungseinrichtung angeordnet, die in Fig. 1 als Hufeisenmagnet 31 ausgebildet ist, der auf einem Block 30 sitzt. Jeder Magnetschenkel trägt eine Spule mit einer grossen Zahl Windungen aus dünnem Draht. Die beiden Spulen 32 und 33 sind so in Reihe geschaltet, dass sie sich unterstützen. Der Magnet, die Luftspalte 34 und 35 und der die Magnetschenkel überbrückende Schienenteil bilden einen magnetischen Kreis, der die Spule durchsetzt. Durch die Schienenschwingungen entstehen periodische Änderungen der Luftspalte, die sich in dem Auftreten einer Wechselspannung in den Spulen auswirken, die die gleiche Grundfrequenz hat wie die Schienenschwingungen. An Stelle der die Spulen durchsetzenden und eine Seite der Luftspalte bildenden Magnetpole können auch Weicheisen-oder andere Polstücke vorgesehen sein.
Zweckmässig werden sämtliche Spulen, in diesem Fall zwei für jede Schiene, in Reihe
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Die Aussenklemmen der in Reihe geschalteten Spulen sind mit den Eingangsklemmen eines Verstärkersystems verbunden, das nach Fig. 1 aus einem Verstärker 41, einem Potentiometer oder Laut- stärkeregler 42 und einem weiteren Verstärker 43 besteht. Der Lautstärkeregler könnte auch vor oder hinter dem Verstärker liegen, statt zwischen zwei Verstärkerstufen angeordnet sein. Die Ausgangsklemmen des Verstärkers sind mit den Eingangsklemmen eines Lautsprechers 44 od. dgl. verbunden.
Bekanntlich ist die Grundfrequenz einer frei schwebenden oder symmetrisch zur Schienenmitte unterstützten Schiene durch den Ausdruck gegeben, worin T die Schienen
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wendeten Masseinheiten abhängige Konstante ist. Die Grundfrequenz der Schienenschwingung kann also durch passende Bemessung der Schiene beeinflusst werden. Dicke und kurze Schienen haben hohe, dünne und lange Schienen niedrige Grundfrequenzen. Die Schienenbreite tritt in der Formel nicht auf und kann daher innerhalb weiter Grenzen beliebig gewählt werden. Zweckmässig ist die Schienenbreite grösser als die Dicke und kleiner als der Abstand benachbarter Tasten.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiele die Verschiedenheit der Grundfrequenzen durch verschiedene Bemessung der Schienenlänge erzielt, während die Dicke für alle Schienen dieselbe ist. Man könnte aber auch die Länge konstant halten und nur die Dicke variieren oder auch beide. An Stelle der Schienen und der Magnete kann man auch andere Einrichtungen vorsehen. Beispielsweise zeigt die Ausführungsform nach Fig. 3 als Schwingungskörper Stimmgabeln 51, die in der Nähe der Platte 53, aber mittels eines Isolierblockes 52 elektrisch von diesen isoliert angeordnet sind. Die Platte 53 steht über eine Batterie 55 oder eine andere Gleichstromquelle mit einer Klemme eines Widerstandes 56 in Verbindung, dessen andere Klemme mit der Stimmgabel elektrisch verbunden ist.
Die elektrostatische Kapazität zwischen Stimmgabel 51 und Platte 53 lädt sich auf die Spannung der Batterie 55 auf. Infolge der Einschaltung des Widerstandes 56 kann sich die Ladung nicht rasch ändern. Infolgedessen wirken sich die Schwingungen der Stimmgabel, die in ähnlicher Weise wie die Schienen nach den Fig. 1 und 2 angeschlagen-und gedämpft werden kann, in Schwankungen der elektrostatischen Kapazität mit der Grundfrequenz der Stimmgabel und in Spannungsschwankungen an der Kapazität und am Widerstand 56 aus.
Die am Widerstand 56 auftretenden Spannungsschwankungen werden durch den Verstärker verstärkt und im Lautsprecher in Schall umgesetzt.
Da die Schwingungen bei Schienen und Stimmgabeln arm an Obertönen sind, die bekanntlich das Timbre der Töne bedingen, werden als mechanische Schwingungskörper zweckmässig gespannte Saiten verwendet. Eine Ausführungsform der Erfindung mit Saiten ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Die Grundplatte 67trägt Längsschienen68, eine rückwärtige Schiene 69, eine Vordersdnene 70 und eine Stiftleiste 71. Stimmstifte 65 mit Festklemmmuttern 66 sind in die Stiftleiste 71 und die Vorderschiene 70 eingeschraubt. An den Stimmstiften sind Saiten 61 befestigt, die durch Bohrungen 64 in der Vorderschiene, Bohrungen 81, 82, 83 und 84 in der rückwärtigen
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Schiene und dann zurück bis zum nächsten Loch 64 in der Vorderschiene verlaufen und dann an dem nächsten Stimmstift befestigt sind.
Jede Saite bildet also zwei Schwingungskörper.
Es könnte natürlich auch eine Saite nur einen Schwingungskörper bilden, in welchem Falle die Saite nach dem Durchgang hinter dem Loch 81 an der rückwärtigen Schiene befestigt wird, ohne durch die Löcher 82 und 83 hindurchzugehen. Zweckmässig wird ein Rahmen mit 24 Saiten vorgesehen, bei dem die längste Saite drei-und viermal so lang ist wie die kürzeste und der Abstand benachbarter Saiten dem Abstande der Tastenmitten entspricht. Die Platte 67 ist mit einer Lochreihe 74 versehen, die ungefähr um ein Achtel der Saitenlänge von der Vorderschiene absteht. Letztere ist derart im Winkel zu den Saiten angeordnet, dass die Lochreihe 74 senkrecht zur Saitenrichtung verläuft. Eine weitere Lochreihe 73 ist parallel zur ersten Lochreihe nach dem andern Ende der Saiten zu angeordnet.
Der ganze Rahmen sitzt auf einer Grundplatte 911 unter Vermittlung von Trägern 92' und 93', Die Taste 15 schwingt um einen lotrechten Stift 76 auf einer Filzabdeckung. 50. Ein Gegengewicht 77 hält die Taste in angehobener Stellung, ein Anschlag 94'mit einer Filz-
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Stifte 95'verhindert. Die Filzabdeckungen 47 und 48 dämpfen das Anschlaggeräusch. Das Anschlagen der Saite erfolgt durch einen Hammer 8 an einem Hebel 9 unter Vermittlung des Blocks 19, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform. Ein Filzdämpfer 72 ist am rückwärtigen Ende des Hebels 9 angebracht und greift für gewöhnlich durch das Loch 73 in der Platte 77 durch.
Wird die Taste 15 vollständig niedergedrückt, so wird der Dämpfer 72 von der Saite abgehoben und der Hammer 8 zum Anschlagen gebracht. Auch hier hängt die Amplitude der Saitenschwingung von der Art des Anschlages ab. Nach dem Loslassen der Taste kommt der Dämpfer 72 wieder zum Anliegen an die Saite.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 bestehen die mechanisch-elektrischen Umwandlungeinrichtungen aus Stabmagneten 97', die an ihren oberen Enden Spulen 98'tragen. Die Magnete sitzen in einem Block 99', der mit einer Filzunterlage 46 auf einer Abschirmung 45 sitzt, die den durch die Grundplatte 911 und die Träger 92'und 931 gebildeten Kasten von innen auskleidet Auf diese Weise ist die Empfindlichkeit der Umwandlungsvorrichtungen gegen elektrostatische Streufelder u. dgl. verringert. Die Spulen 98'sind zweckmässig in Reihe geschaltet und mit den Eingangsklemmen des Verstärkers verbunden. Die Grundfrequenz einer Saitenschwingung ändert sich umgekehrt proportional mit der Länge und der Quadratwurzel der Masse pro Längeneinheit und direkt mit der Quadratwurzel aus der Spannung.
Infolgedessen kann man bei dem üblichen Instrument mit zwölf Tönen pro Oktave mit der gleichen Masse pro Längeneinheit, d. h. mit demselben Drahte und nahezu mit derselben Seitenspannung für alle Töne der Oktave auskommen. Will man den Instrumentenumfang erweitern, so verwendet man ein grösseres Gestell von Saiten, bei denen die Masse pro Längeneinheit für die tiefen Töne grösser ist, z. B. umsponnene Saiten. Das beschriebene Instrument ähnelt grundsätzlich einem Klavier. Die Saiten sind aber anders eingespannt, und die Mechanik ist wesentlich einfacher. Ausserdem fehlt der Resonanzboden, denn die Saitenschwingungen werden nicht direkt in Schallschwingungen, sondern erst in elektrische Schwingungen und dann in Schall umgewandelt.
Die Klangstärke kann sowohl durch die Anschlagart als auch durch die Lautstärke der Vorrichtung (Potentiometer) geregelt werden, wodurch sich Effekte erzielen lassen, die durch eine der Regelungsarten allein nicht erzielbar sind.
Fig. Sa ; zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des elektrischen Teils hinsichtlich der Schaltung von Verstärker und Lautsprecher, die an Stelle des Verstärkers und Lautsprechers der Fig. 1- 5 treten kann. Die von der Magnetgruppe herkommenden Leitungen sind wieder an einen Verstärker 41 angeschlossen, an den sich aber im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen nicht unmittelbar das zur Laustärkeregelung dienende Potentiometer 42, sondern erst ein Zwischenkreis 40'anschliesst, der zur Klangfarbenbeeinflussung und zur Lautstärkeregelung dient.
Der Zwischenkreis besteht hier aus einem Potentiometer- 21', einer Induktivität 22'und einer Kapazität 23t. An das Potentiometer 42 schliesst sich eine weitere Verstärkerstufe 43 an, die aber unter Umständen auch fortbleiben kann. Zwischenkreis 40t und Potentiometer 42 können auch vor oder hinter den ganzen Verstärker geschaltet sein.
Der Gesamtwiderstand des Potentiometers 211 beträgt zweckmässig ein Vielfaches der Ausgangsimpedanz des Verstärkers 41. In Reihe zu dem Potentiometerwiderstand liegen die Induktivität, 22' und der Kondensator 231, und jeder derselben überbrückt den Ausgangskreis des Verstärkers 41. Befindet sich der verstellbare Kontakt des Potentiometers 211 in der Mittelstellung, so liegt sowohl zur Induktivität als auch zur Kapazität genügend Widerstand in Reihe, um die Überbrückung der Ausgangsklemmen durch die Induktivität und den Kondensator unwirksam zu machen.
Wird dagegen der Potentiometerkontakt auf die Induktivität oder die Kapazität hin bewegt, so wird das betreffende Sehaltungselement als Nebenschluss wirksam
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und schwächt entweder die tiefen oder hohen Frequenzen in der Ausgangsleistung des Verstärkers. Die zu wählenden Werte für die Induktivität und die Kapazität hängen im Einzelfalle von den Stromkreiskonstanten ab, insbesondere von der Ausgangsimpedanz des Verstärkers 41 und ferner von dem Grade der erwünschten Schwächung tiefer oder hoher Frequenzen.
Die Anordnung des Zwischenkreises hat wesentliche technische Vorteile. Beispielsweise bewirkt die Heftigkeit des Anschlags eine Änderung der Schwingungsform, d. h. es ändern sich nicht nur die absoluten, sondern auch die relativen Amplituden der Teiltöne. Ein starker Anschlag erhöht daher nicht bloss die Klangstärke, sondern'bewirkt auch ein relativ starkes Auftreten hoher Teiltöne. Durch den Zwischenkreis 40'ist es möglich, die höhere Klangstärke beim kräftigen Anschlag zu erhalten und trotzdem eine harmonische Zusammensetzung des Tones zu erreichen, bei dem die hohen Teiltöne weniger stark auftreten. Analog kann man eine grosse Menge verschiedener harmonischer Strukturen und Klangfarben mittels des Zwischenkreises 40'erhalten.
Diese Wirkung weicht von der durch die weiterhin beschriebene Verschiebung von Umwandlungseinrichtungen erreichten darin ab, dass hier die Wirkung von der absoluten Frequenz unabhängig und nur von den jeweiligen Teiltönen abhängig ist. Der Zwischenkreis 40' wirkt dagegen entsprechend der absoluten Frequenz.
In Fig. 5a ist ausserdem ein Radioempfänger 4'und eine Schalldose 5'mit einer Schallplatte 6'dargestellt. Mittels eines Umschalters 3'können wahlweise der Empfänger oder die Schalldose an den Eingangskreis des Verstärkers 41 geschaltet werden. Diese Verbindungen können abwechselnd oder auch gleichzeitig mit der Anschaltung des Verstärkers 41 an das Musikinstrument vorgenommen werden. Im letzteren Fall kann Musik, die vom Empfänger oder vom Sprechapparat entnommen wird, auf dem Musikinstrument begleitet werden und beide Musikanten kommen im Lautsprecher 44 zur Wiedergabe.
Bekanntlich bilden sich bei den Schwingungen eines mechanischen Schwingungskörpers Knoten und Bäuche aus, u. zw. ist für jeden Teilton die Anzahl der Bäuche gleich seiner Ordnung. Beispielsweise hat der erste Teilton, der Grundton, einen Schwingungsbauch, der zweite Teilton zwei und der dritte Teilton drei Schwingungsbäuche. Die Anzahl der nicht mit den Enden des Körpers zusammenfallenden Knoten ist um eins kleiner als die Ordnung des Teiltons.
Bei einer schwingenden Saite von der wirksamen Länge L ist die Verschiebung D" eines um die Länge P von einem Saitenende entfernten Saitenpunktes aus der Ruhelage für den N-ten Oberton mit der entsprechenden Verschiebung E" des dem betreffenden Saitenende nächstgelegenen Bauches durch nachfolgende Formel verbunden : Dn/E" =sin. (1800. N. P/L).................. (1).
Dieser Ausdrnck kann positives und negatives Vorzeichen haben, je nachdem, ob die Verschiebungen D und. E nach derselben oder entgegengesetzten Seiten erfolgen. Die Formel zeigt auch, dass für Schwingungen eines bestimmten Teiltones keine Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Saitenpunkten vorhanden sind. Zwei verschiedene Saitenpunkte schwingen also genau in Phase oder in Gegenphase, und die Zeiten, zu denen die Verschiebungen ihre Scheitelwerte erreichen, sind für alle Punkte bei denselben Teiltönen die gleichen. Die Formel gibt also das Verhältnis zwischen den Scheitelwerten an einer bestimmten Saitenstelle und einem Bauch für den N-ten Teilton wieder, und das Vorzeichen deutet Phasengleichheit oder genau entgegengesetzte Phasen an.
Dagegen gibt die Formel keine Beziehungen zwischen den Amplituden bei Teiltönen verschiedener Ordnung. Diese Beziehungen hängen von der besonderen Form der jeweiligen Schwingung ab und sind nicht nur von der Saite selbst, sondern auch von der Anschlagart und andern Faktoren beeinflusst.
Es ist bekannt und lässt sich auch aus der Formel l ableiten, dass an verschiedenen
Stellen eines mechanischen Schwingungskörpers eine unendliche Zahl von Kombinationen relativer Schwingungsamplituden zwischen den einzelnen Teiltönen möglich sind. Ordnet man daher eine mechanisch-elektrische Umwandlungseinrichtung an verschiedenen Stellen des Schwin- gungskörpers an, so erhält man verschiedene Klangfarben. Indessen ist die Verschiedenheit doch nicht so gross, dass sie für praktische Zwecke genügte.
Eine grössere Mannigfaltigkeit der Klangfarbe lässt sich nun dadurch erreichen, dass man an mehreren Stellen eines mechanischen Schwingungskörpers Umwandlungseinrichtungen an- ordnet und die relativen Amplituden der in den Umwandlungseinrichtungen erzeugten elektrischen
Schwingungen passend steuert und schliesslich die Schwingungen miteinander gleich-oder gegensinnig überlagert. Besonders anpassungsfähig wird ein derartiges Instrument, wenn man eine oder mehrere Umwandlungseinrichtungen örtlich verschiebbar anordnet.
Ein Ausfiihrungsbeispiel eines derartigen Instrumentes ist in Fig. 7 dargestellt. Die
Saiten 91 aus magnetischem Material verlaufen waagrecht und parallel von den Stimmwirbeln 92 in der Stimmwirbelleiste 93 bis zu den Stiften 94 in der rückwärtigen Rahmenleiste 95 über
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Stege 96, die die wirksamen Längen der Saiten bestimmen. Die Saiten werden durch Hämmer 97 von unten her angeschlagen. Unterhalb jeder Saite, etwa im Abstand von fünf Siebentel der Saitenlänge vom Ende, ist eine Umwandlungsvorrichtung 110 angeordnet, die nicht verschiebbar ist. Jede Umwandlnngsvorrichtung besteht zweckmässig aus einem lotrechten Stabmagneten , dessen obere Polfläche etwas unterhalb der Saite 91 liegt.
Am oberen Ende des Magneten ist eine Spule 112 angeordnet. Die Spulen 112 der einzelnen Magnete sind zweckmässig über ein Potentiometer 113 von hohem Widerstand und einen weiteren hohen Widerstand 99 in Reihe geschaltet.
Unterhalb einer jeden Saite, aber etwas weiter nach rückwärts, ist eine weitere Um- wanglungsvorrichtung 120 vorgesehen. Die Spulen der Umwandlungsvorrichtungen 120 sind zweckmässig gleichfalls über ein in der Mitte angezapftes Potentiometer 114 in Reihe geschaltet.
Der Widerstand einer jeden Hälfte des Potentiometers 114 stimmt zweckmässig mit dem Widerstand des Potentiometers 113 und des Widerstandes 99 überein. Die Umwandlungsvorrichtungen 120 sind nicht ortsfest, sondern mit ihrem unteren Ende in Blöcke 121 eingesetzt, die auf der Grundplatte 129 gleitend angeordnet sind. Auf der Oberseite des Vorderendes eines jeden Blockes 121 befindet sich ein lotrechter Stift 122, der gleitend in einen langen Schlitz einer Schiene 123 eingreift, welch letztere um den Drehpunkt 124 verschwenkbar ist. Durch Verschwenken der Schiene, beispielsweise mittels eines Handgriffes 126 und einer Stange 125, die in den Schlitz der Schiene 123 bei 127 eingreift. können die einzelnen Blöcke 121 nach vorn und hinten verschoben werden.
Hiedurch ändert sich die Lage der Umwandlungsvorrichtungen 120 in der Längsrichtung der zugehörigen Saiten. Seitliche Verschiebungen der Teile 121 sind durch lotrechte Wände 128 auf der Grundplatte 129 verhindert.
Die Verschiebung der einzelnen Blöcke 121 wächst mit der Länge der zugehörigen Saiten, was durch passende Anordnung des Drehpunktes 1. 24 erreicht ist, vermöge deren die Verschiebung jedes Blockes 121 der aktiven Länge der zugehörigen Saite genau proportional ist. In der gezeichneten Stellung betragen die Abstände der Umwandlungsvorrichtungen 120 von den Saitenenden ungefähr 45 Hundertstel der Saitenlänge. Durch Verschiebung der Schiene- ! wird dieses Verhältnis in gleicher Weise für alle Saiten geändert.
Der elektrische Teil des in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispieles enthält eine Vakuumröhre 131, die ihren Anodenstrom aus der Batterie 132 und ihren Heizstrom aus der Batterie 139 erhält. Die Gittervorspannung wird durch den kondensatorüberbrückten Widerstand 133 hergestellt. Der Gitterkreis der Röhre 131 enthält einen auswählbaren Teil der Hälften des Potentiometers 114 und einen auswählbaren Teil des Potentiometers 113. Die im Anodenkreis der Röhre 131 auftretenden Wechselspannungen werden dem Widerstand 134 und über den Blockkondensator 135 dem Potentiometer 136 zugeführt, von dessen Anzapfung aus ein Bruchteil dieser Spannungen dem Verstärker 137 zugeführt wird. Die verstärkten Ströme werden dann im Lautsprecher 138 in Schall umgesetzt.
Zu jeder Saite 91 gehören zwei Umwandlungsvorrichtungen 110 und 120. Jede derselben verwandelt die Schwingung des über ihr liegenden Saitenpunktes in elektrische Schwingungen, die an den Potentiometern 113 und 114 in Erscheinung treten. Jede dieser Schwingungen hat eine harmonische Zusammensetzung, entsprechend dem Saitenpunkt, der sie induziert hat. Die Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Teiltönen entsprechen den Phasenbeziehungen der entsprechenden Teiltöne in den mechanischen Schwingungen der Saitenpunkte.
AI sei die Amplitude des Grundtones in der durch das Umwandlungssystem 110 am Potentiometer und Widerstand erzeugten Spannung, falls die Umwandlungseinrichtung 110 unter der Saitenmitte, also dem einzigen Schwingungsbauch des ersten Teiltones, angeordnet ist. A2 sei die Amplitude des zweiten Teiltones bei Anordnung der Umwandlungsvorrichtung unter der Stelle des ersten Schwingungsbauches des zweiten Teiltones, gerechnet vom rückwärtigen Saitenende. A3 sei die Amplitude des dritten Teiltones bei Anordnung der Umwandlungsvorrichtung des hintersten Schwingungsbauches des dritten Teiltones usw.
Aus der Formel 1 folgt dann vermöge der Übereinstimmung zwischen elektrischen und mechanischen Schwingungen die nachstehende Tabelle der Spitzenamplituden der einzelnen harmonischen Komponenten der am Potentio-
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übereinstimmende oder entgegengesetzte Phasen an.
Grundton ......... 0#782 A1 2. Teilton........... -0'975 A2 3. Teilton........... 0-433
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5. Teilton...........-0-975 6. Teilton........... 0-782 7. Teilton........... 0. 000 A7 8. Teilton ...........-0#782 A8 9. Teilton........... 0-975 usw. Infolge der Verteilung der Spannung auf den Widerstand 99 und das Potentiometer 113
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und durch den Gleitkontakt des Potentiometers wird dem Gitter der Röhre 131 entweder die Hälfte oder ein noch kleinerer Bruchteil dieser Komponenten zugeführt.
Für jede Stellung der Umwandlungseinrichtungen 120 lässt sich eine ähnliche Tabelle für die Amplituden, mit denen die Teiltöne am Potentiometer 114 auftreten, aufstellen. Befinden sich die Einrichtungen 120 in einer Entfernung von 45 Hundertstel der aktiven Saitenlänge vom
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Grundtoii......... O. 988 Al 2. Teilton........... 0-309 4 ; 3. Teiltoti...........-0-8913 4. Teilton ...........-0#588 A4 5. Teilton........... 0-707 , 6. Teilton........... 0'809 :. 46
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usw.
Die Symbole A1, AS, A3 usw. haben hier die gleiche Bedeutung wie in der Tabelle 1. Mittels des Gleitkontaktes des Potentiometers 114 können dem Gitter der Röhre 131 die Hälfte oder auch ein kleinerer Bruchteil dieser Spannungskompenenten zugeführt werden. Auch können diese Spannungen dem Gitter mit umgekehrter Phase, d. h. mit entgegengesetztem Vorzeichen, zugeführt werden. Durch passende Einstellung der beweglichen Potentiometer können daher
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Tabelle 2 auftretenden Zahlen in beliebiger Weise abgeändert werden.
Das Gitter kann daher mit einer Wechselspannung erregt werden, deren Grundfrequenz mit der der betreffenden Saite 91 übereinstimmt, deren harmonische Zusammensetzung aber in weiten Grenzen geändert werden kann. Die genauen Amplitudenverhältnisse der einzelnen Teiltöne sind natürlich von den relativen Werten der Grössen Al, A2, A3 usw. abhängig, die ihrerseits von den Saiten und der Anschlagsart abhängen. Beim gleichzeitigen Anschlagen mehrerer Saiten wird der Röhre 131 die algebraische Summe der beim Anschlagen der Saiten allein auftretenden Spannungen zugeführt.
Ersichtlich kann die harmonische Zusammensetzung und damit die Klangfarbe der vom Lautsprecher erzeugten Töne durch Verschiebung der Umwandlungs einrichtungen 120 geändert werden, ohne dass die relativen Amplituden oder Phasen der durch die Umwandlungsvorrichtungen 110 und 120 erzeugten Schwingungen gesteuert werden. Die Einrichtung zum Verschieben der Umwandlungsvorrichtungen ist auch dann von Nutzen, wenn pro Saite nur eine einzige Umwandlungsvorrichtung vorgesehen ist.
In den Fig. 7 und 9 sind die elektrischen Verbindungen der Magnetspulen so ausgeführt, dass ein elektrischer Impuls aufeinanderfolgende Spulen in entgegengesetztem Sinn, z. B. eine Spule im Uhrzeigersinn, die nächste entgegen dem Uhrzeigersinn und die übernächste wieder
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da diese in benachbarten Spulen Spannungen gleicher Grösse, aber entgegengesetzten Vorzeichens erzeugen. Zweckmässig werden auch die Magnete gleichartig angeordnet, z. B. so, dass alle Nordpole oben liegen.
Die Ausführungsform nach Fig. 10 unterscheidet sich von der vorbeschriebenen durch die Ersetzung der elektromagnetischen Umwandlungsvorrichtungen durch elektrostatische, ferner durch die Anordnung einer grösseren Zahl von Umwandlungsvorrichtungen pro Saite, von denen aber jede feststeht. Ferner ist eine besondere Röhre für jede Reihe von Umwandlungsvorrichtungen vorgesehen, und die elektrischen Steuervorrichtungen sind anders geschaltet.
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die Stege 96 und die Hämmer 97 sind wie bei den Ausführungsformen gemäss den Fig. 7 bis 9 angeordnet. Die Saiten brauchen hier nicht aus magnetischem Material zu bestehen, müssen aber elektrisch leitend sein. Auch von den Stegen können einer oder beide elektrisch leitend sein, um die Saiten elektrisch miteinander zu verbinden.
An Stelle der Umwandlungsvorrichtungen 110 und 120 des vorhergehenden Ausführungsbeispieles sind hier eine Mehrzahl elektrisch leitender Schienen oder Streifen 140, 141, 142 vorgesehen, die unter den Saiten in geringem Abstande von denselben angeordnet sind, u. zw. derart, dass sie selbst bei den stärksten Saitenschwingungen mit den Saiten nicht in Berührung kommen.
Gemäss Fig. 11 sitzen die Schienen 140, 141, 142 mit'einem oder mehreren Isolierstreifen 143 und sind daher von den andern Instrllmentteilen isoliert. Die Mittellinie der oberen Fläche einer jeden Schiene kreuzt jede Saite an einer Stelle, deren Abstand vom rückwärtigen
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Saitenende einen für alle Saiten gleichen Bruchteil der wirksamen Saitenlänge beträgt. Beispielsweise kreuzt die Schiene 140 die Saiten in einem Abstand von vier Zehntel ihrer aktiven Länge vom rückwärtigen Saitenende. Für die Schiene 141 beträgt der entsprechende Abstand acht Fünfzehntel und für die Schiene 142 neun Vierzehntel der Saitenlänge.
Die mechanische Apparatur ruht auf der Grundplatte 129.
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kathoden werden aus einer gemeinsamen Heizbatterie 139 geheizt, Die Gittervorspannungen werden durch einen kondensatorüberbrückten Widerstand 133 und Hochohmwiderstände 149 erhalten. Die Röhrenanoden sind mit der positiven Klemme der Anodenbatterie 132 über die Primärwicklungen 170, 171 bzw. 172 von Transformatoren 160, 161 bzw. 162 verbunden.
Eine Gleichspannungsdifferenz zwischen den Schienen 140, 141 und 142 und den Saiten 91 wird dadurch erhalten, dass einer der Stege 96 mit einem Punkt verbunden wird, der anderes Potential hat als die Röhrengitter, beispielsweise mit der positiven Klemme der Batterie 132.
An die in der Mitte angezapften Sekundärwicklungen 180, 181, 182 der Transformatoren 160, 161 und 162 sind zweckmässig untereinander gleiche Potentiometer 190, 191 und 192 angeschlossen. Die Anzapfungen der Sekundärwicklungen und die beweglichen Potentiometerkontakte sind in der aus Fig. 10 ersichtlichen Weise im Eingangskreis einer Röhre 154 in Reihe geschaltet. Der Heizkreis dieser Röhre liegt parallel zu denen der andern Röhren und ihren Anodenstrom erhält sie über einen Widerstand 155 aus der Batterie 132 und der diese unterstützenden Batterie 156. Die am Widerstand 155 auftretenden Wechselspannungen werden über den Kondensator 157 und ein Potentiometer 158 dem Verstärker 137 und schliesslich dem Lautsprecher 138 zugeführt.
Zwischen jeder Saite 91 und jedem Streifen 140, 141 und 142 besteht eine kleine elektrostatische Kapazität. Jede dieser Kapazitäten bildet in Parallelschaltung mit den durch dieselbe Schiene mit den andern Saiten gebildeten Kapazitäten einen Reihenstromkreis mit einem der Widerstände 149 und der Batterie 132. Wenn eine Saite schwingt, so ändert sich die Kapazität zwischen der Schiene 140 und dem darüberliegenden Teile der Saite.
Diese Kapazitätsänderung erzeugt eine Wechselspannung am Widerstand 149 im Eingangskreis der Röhre 150, die der Schwingung des über der Schiene 140 liegenden Saitenteiles entspricht. Die Wirkung ist ähnlich der eines Kondensatormikrophons. Gleichzeitig treten in den Eingangskreisen der Röhren 151 und 15 : 2 Wechselspannungen auf, deren Form der Schwingungsform der über den Schienen 141 und 142 liegenden Saitenteile entspricht. Diese Spannungen erscheinen verstärkt an den Sekundärwicklungen 180, 181 und 182. Dank der
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Spannungen können hiebei auch gegeneinander umgekehrt werden.
Die Röhre 154 verstärkt die Kombinationsspannung, die in verstärkter Form am Widerstand 155 und über den Blockkondensator 157 am Potentiometer 158 erscheint. Mittels des letzteren kann die Gesamtlautstärke geregelt werden. Die Spannung wird dann nochmals im Verstärker 137 verstärkt und auf den Lautsprecher 138 übertragen. Grundsätzlich ist die Regelung und Kombinierung der durch die einzelnen Umwandlungsvorrichtungen erzeugten Wechselspannungen die gleiche wie bei der vorbeschriebenen Ausführungsform.
Die einzelnen Spannungen werden vor der Regelung und Überlagerung in den Röhren 150, 151 und 152 verstärkt, wodurch aber an dem Erfindungsgedanken nichts geändert wird, vorausgesetzt, dass unerwünschte Phasenverschiebungen in den Transformatoren 180, 181, 182 vermieden werden, was aber durch passende Konstruktion dieser Transformatoren möglich ist. Auch dass hier drei Spannungen statt zweier,-wie bei der Ausführungsform nach Fig. 7, kombiniert werden, ändert nichts an der prinzipiellen Wirkungsweise.
Je nach der Anordnung der Umwandlungsvorrichtungen lassen sich mit den Ausführungsformen sowohl nach Fig. 7 als auch nach Fig. 10 die mannigfachsten harmonischen Strukturen und Wellenformen erzielen. Es gibt Kombinationen, bei denen die ungeraden Teiltöne und solche, bei denen die geraden Teiltöue besonders hervorgehoben werden. Bei andern Kombinationen werden bestimmte Bereiche von Teiltönen unterdrückt und andere verstärkt usw.
Man kann sich aber auch auf eine geringe Anzahl auswählbarer harmonischer Strukturen und Klangfarben beschränken, die dann zweckmässig bestimmten Musikinstrumentgattungen entsprechen. In einem solchen Falle wird die Schaltung zweckmässig in der aus Fig. 12 ersichtlichen Weise abgeändert.
In Fig. 12 sind die Sekundärwicklungen 180, 181 und 182 durch mit Anzapfungen versehene Widerstände 100, 101 und 102 überbrückt. Die Widerstände sind zweckmässig hochohmig und haben gleiche Gesamtwerte. Die Abzweigungen an jedem Widerstande sind zu den Kontakten von einpoliger
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Widerstandselemente der Potentiometer 190, 191 und 192 in Fig. 10, während die Schalter 104 der Ersatz für die gleitenden Potentiometerkontakte sind.
Die Lage der Anzapfungen an den Widerständen und die Art ihrer Verbindung mit den einzelnen Kontakten der Schalter 104 findet man aus der Schaltung nach Fig. 10, indem man in letzterer die Potentiometer 190, 191, 192 für eine bestimmte Klangfarbe einstellt und dementsprechend die Anzapfungen an den Widerständen 100, 101 und 102 wählt. Diese Anzapfungen werden beispielsweise zu den am meisten links gelegenen Kontakten der zugehörigen Schalter 104 geführt. Alsdann bestimmt man die Lage der Potentiometerkontakte für eine andere Klangfarbe und führt die entsprechenden Anzapfungen der Widerstände 100 bis 102 zu den nächsten Schalterkontakten usw. Die Zahl der Klangfarben entspricht der Zahl der verfügbaren Schalterkontakte.
Zuweilen ändert sich bei der Umschaltung der Umschalter 104 die Lautstärke merklich.
Zur Beseitigung dieser Erscheinung ist in Fig. 12 noch ein weiterer mit Anzapfungen versehener Widerstand 103 vorgesehen, dessen Anzapfungen zu einem vierten Umschalter 104 geführt sind, der ähnlich wie die ändern gebaut ist. Am Widerstand 103 liegen diejenigen Spannungen. die den Sekundärwicklungen 180, 181, 182 mittels der Widerstände 100, 101, 102 und den zugehörigen Schaltern 104 entnommen werden. Von Widerstand 103 aus werden die Spannungen oder ein einstellbarer Teil derselben über den vierten Schalter 104 dem Gitter der Röhre 154 zugeführt.
Bei passender Wahl der Anzapfungen am Widerstande 103 und Verbindung der Anzapfungen mit den Kontakten des Schalters 104, die sich durch Versuche leicht feststellen lässt, kann man erreichen, dass bei gleichzeitiger Betätigung des vierten Schalters mit den drei übrigen mittels gemeinsamer Schaltvorrichtung die Lautstärke gleich bleibt. An Stelle der angezapften Widerstände könnten auch die Sekundär-
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bleiben, ähnlich wie bei der Schaltung nach Fig. 7.
In den Fig. 10 und 12 sind die Saiten 91 mit Erde verbunden, an die auch die positive Klemme der Batterie 132 gelegt ist. Auch andere Metallteile des Instrumentes, die der Berührung zuweilen zugänglich sind, sind zweckmässig geerdet. Beispielsweise ist in den Fig. 10 und 12 eine geerdete elektrostatische Abschirmung 109 angedeutet. Es empfiehlt sich, nicht nur den Verstärker abzuschirmen, sondern bis zu einem gewissen Grade auch die Schienen 140, 141 und 142. Zu diesem Zweck werden Teile des mechanischen Aufbaues. z. B. die Stifte 94, die rückwärtige Leiste 95 und die Grundplatte 129, aus elektrisch leitendem Material ausgeführt, so dass sie vermöge ihres gegenseitigen Kontaktes dasselbe Potential wie die Saiten annehmen.
Analog sind in Fig. 7 nicht nur die Stifte 94 und die Leiste 95, sondern auch die Teile 128 und die Grundplatte 129 elektrisch leitend ausgebildet und mit der Abschirmung 109 verbunden.
In den Fig. 7 und 10 sind die Saiten 91 ohne Dämpfer dargestellt. Selbstverständlich können die üblichen beim Niederdrücken der Taste sich abhebenden Dämpfer vorgesehen sein.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen werden die Saiten durch Hämmer angeschlagen.
Bekanntlich ändert sich je nach der Anschlagart die Schwingungsform der Saite, was darauf hinauskommt, dass sich die Relativwerte der Grössen Al, A2, A3 ändern. Die auf diese Weise erzielbare Änderung der harmonischen Struktur gibt zusammen mit der beschriebenen Beeinflussbarkeit der Struktur einem geübten Musiker die Möglichkeit : die, mannigfachsten musikalischen Wirkungen zu erzielen.
An Stelle von Saiten können auch andere Schwingungskörper Verwendung finden, die neben der Grundfrequenz auch Obertöne erzeugen, beispielsweise die an Hand der ersten Ausführungsform beschriebenen Schienen oder Stäbe.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrisches Musikinstrument, z. B. Klavier, ohne Resonanzboden, bei dem die Schwingungen der Schwingungskörper, z. B. Saiten oder Schienen, mittels mechanisch-elek- trischer Umwandlungseinrichtungen in elektrische Schwingungen und diese durch Lautsprecher od. dgl. in Schall umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von Umwandlungseinrichtungen verschiebbar angeordnet ist.