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Elektrisches Musikinstrument.
Die Erfindung betrifft Musikinstrumente, insbesondere solche, bei welchen die Schwingungen einer Anzahl von Schwingungserzeugern in elektrische Schwingungen umgeformt werden. Sie bezweckt nicht nur Verbesserungen in der Beherrschung der harmonischen Struktur, sondern auch einer Verbesserung der Nachahmung der konventionellen Klavier-und anderer konventioneller Instrumente, deren Schwingungserzeuger kurzzeitig erregt werden.
In den Zeichnungen sind Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. l zeigt die Teilansicht eines elektrischen Flügels, Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie A-A von Fig. 1, in welcher gewisse elektrische Einzelheiten schematisch dargestellt sind, Fig. 3 eine vergrösserte Ansicht eines Teiles der Fig. 2 und Fig. 4 eine schematische Darstellung einer andern Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt den Rahmen 1, wie er gewöhnlich in Flügeln verwendet wird. Selbstverständlich können Verstärkungsleisten in üblicher Weise als Teile des Rahmens vorgesehen werden, wenn sie auch nicht gezeigt werden. Die Saiten der Mittellage und des Diskants 6 (im Beispiel eine Saite pro Ton) werden in üblicher Weise mittels Wirbeln und Agraffen über die beiden Stege 2 und 3 nach den Nägeln 4 und 5 gespannt. Sowohl der Bass-als auch der Diskantsteg können durch eine Anzahl Rippen 9 gestützt werden, wie sie gewöhnlich für die Verstärkung eines Klavierresonanzbodens gebraucht werden ; jedoch braucht kein Resonanzboden oder anderer Resonator in Verbindung damit gebracht werden.
Die anderen in Fig. 1 gezeigten Elemente sind besser aus Fig. 2 ersichtlich. Hier sieht man den Hammer 10 für die Erregung der Saiten 6 und 7. Für die Betätigung des Hammers kann natürlich eine übliche Konstruktion verwendet werden. Zur Umformung der Schwingungen der Diskantsaiten in elektrische Schwingungen wird ein elektrisch leitender Streifen 11 von kleinem Querschnitt verwendet, der sich nahe unter jeder Diskantsaite befindet, vorzugsweise in einem konstanten, einen kleinen Teil der Saitenlänge betragenden Abstand vom Ende der Saite entfernt. Dieser Streifen kann auf die Oberkante eines isolierenden Stützstreifens 13 gekittet werden, welcher in passender Stellung justiert wird. Der leitende Streifen 11 befindet sieh im allgemeinen in genügendem Abstand von den Saiten, um auch bei maximalem Saitenausschlag die Berührung mit der Saite zu vermeiden.
Zweckmässig ist dieser Streifen noch mit einer Isolierschicht überzogen, um unter allen Umständen einen elektrischen Schluss zu vermeiden.
Der leitende Streifen 11 kann mit dem Gitter der Röhre 15 verbunden werden, deren Heizfaden aus einer Gleichspannungsquell, über Gleichrichter oder, wie in der Figur dargestellt ist, aus einer Batterie 16 gespeist wird und deren Anode aus der Anzapfung 14 einer Batterie oder andern Spannungsquelle eventuelle wieder über Gleichrichter versorgt wird. Der Heizfaden der Röhre 15 kann auf einem Potential gehalten werden, welches höher ist als das des negativen Endes der Batterie 17 infolge des Anodenstromflusses, durch den von einem Kondensator überbrückten Widerstand 18. Das Gitter der Rohre 15 erhält seine Vorspannung über den Hochohmwiderstand 19.
Die Diskantsaiten können auf einem positiven Gleichpotential gegenüber dem Streifen 11 gehalten werden durch Verbindung des Rahmens 1, mit welchem die Saiten Kontakt haben mit dem positiven Ende der Batterie 17. Im Ausgangskreise der Rohre 15 wird eine später beschriebene Anordnung vorgesehen.
Zwischen jeder Diskantseite 6 und dem Streifen 11 besteht eine kleine Kapazität. Alle diese Kapazitäten sind parallel geschaltet. Die Kapazität wird geladen von der Batterie 17 über den Widerstand 19.
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Die Ladung kann sich nicht schnell genug ändern infolge des hohen Wertes des Widerstandes 19. Wenn nun irgendeine Saite 6 in einer lotreehten Ebene schwingt, z. B. nach dem Anschlag mit dem Hammer 10, wird sich die Kapazität zwischen Saite und Streifen 11 oszillatorisch ändern entsprechend der Frequenz und der Kurvenfolge des Punktes der Saite, der dem Streifen 11 gegenüberliegt. Die Gesamtkapazität , zwischen Diskantsaiten und Streifen 11 wird in der gleichen Weise, wenn auch in geringerem Masse geändert ; dank der verhältnismässig konstanten Ladung der Kapazität wird die Spannung an den Belegen der
Kapazität sich ändern. Diese Spannungsschwankungen werden auf das Gitter der Röhre 15 gegeben und erscheinen dann als Änderung des Anodenstromes.
So erhält man auf der Eingangs-und Ausgangs- seite der Röhre 15 elektrische Schwingungen herrührend von den Schwingungen derjenigen Saitenpunkte. die dem leitenden Streifen gegenüberliegen.
Ein ähnlicher leitender Streifen 12 kann für die Abnahme von den Basssaiten, die darüber liegen, vorgesehen werden und wird dann mit dem Streifen 11 parallel geschaltet, so dass er mit dem Diskant-. saitenstreifen 11 zusammenwirkt. Es kann vorteilhaft sein, diesen Streifen 12 über den zugehörigen
Saiten anzubringen statt darunter, wie beim Streifen 11. Wenn die Stege 2 und 3 vollkommen starr sind, werden hiedurch keine Komplikationen hervorgerufen. Wenn jedoch die Stege durch schwingungsfähige
Elemente gestützt werden (wie z.
B. die Rippen 9), und so ein einziges schwingungsfähiges Gebilde dar- stellen, kann sich diese gegensätzlich Stellung der beiden Leiterstreifen hinsichtlich der zugehörigen Saiten unvorteilhaft erweisen, wenn nicht passende Gegenmassnahmen ergriffen werden, u. zw. aus folgenden
Gründen : Gewisse Teiltöne der Schwingung eines bestimmten Punktes der Saite (z. B. des Punktes gegenüber dem Streifen) geben Anlass zu Stegschwingungen, die mit ihm in Phase sind ; gewisse andere Teiltöne geben Anlass zu solchen Schwingungen, die nicht mit ihnen in Phase sind, was von den wohlbekannten
Prinzipien der Saitenschwingungen her bekannt ist. Die Stegsehwingung ist ein Teil der Gesamtschwin- gung, welche übertragen wird, wenn irgendeine oder mehrere Saiten erregt werden.
Die Ursache ist das leichte Mitschwingen aller Saiten durch den schwingenden Steg und weiterhin die Tatsache, dass die
Leiterstreifen gleichzeitig allen Saiten benachbart sind und nicht nur den angeschlagene. Wenn nun die Abnahme der Saitenpunktschwingungen am Ende der erregten Saite stattfindet, desgleichen die
Abnahme der Stegschwingung vom Ende der Saiten erfolgt, so werden gewisse Teiltöne der Saitenschwin- gung verstärkt, gewisse andere durch die Stegsehwingung geschwächt werden. Wenn aber die Phase der übertragenen Saitenschwingung umgekehrt wird (Abnahme über den Saiten), ohne dass gleichzeitig die
Phase der Stegschwingung umgekehrt wird, so werden jetzt die vorher verstärkten Teiltöne geschwächt und umgekehrt. In der gezeigten Anordnung wird die Phase der Saitenschwingung mechanisch umgekehrt beim Übergang vom Bass auf Diskant.
Die Abnahme der Stegschwingung wird jedoch nicht umgekehrt.
Die Schwingung des gesamten Stegsystems wird immer übertragen gemäss der algebraischen Addition der Abnahme durch die Streifen 11 und 12. Das Ergebnis ist, wenn nichts dagegen getan wird, Mangel an
Einheitlichkeit der harmonischen Struktur der von Bass-und Diskantsaiten übertragenen Schwingungen, trotz der Montage der Leiterstreifen an korrespondierenden Punkten der Saiten.
Dieser Effekt 1 ; wird durch elektrische Umkehrung der Phase der von den Basssaiten übertragenen
Schwingungen vermieden. Das kann man bei elektrostatischer Abnahme dadurch erreichen, dass man die
Basssaiten an ein Gleichpotential gegen die Leiterstreifen legt, welches umgekehrt gleich dem Potential der Diskantsaiten gegen den Leiterstreifen ist. Demgemäss sind die Bassnägel 5 vom Rahmen 1 isoliert durch die Isolierbrücken 20, und miteinander sowie mit dem negativen Pole der Batterie 22 durch die
Leitungen 21 verbunden. Der positive Pol der Batterie 22 wird mit dem negativen Pole der Batterie 17 verbunden.
Die in der Figur angegebene kreuzsaitige Anordnung kann durch eine einfache gradsaitige
Konstruktion ersetzt werden, wodurch diese ganzen Schwierigkeiten in der Anordnung der Umwandlungs- einrichtung wegfallen, denn es befinden sich alle Saiten in einer Ebene und es ist nur ein Steg vorhanden.
Die oben beschriebene elektrostatische Abnahme der Saitenpunktschwingung ist im wesentlichen linear, d. h. die Momentanspannungen am Gitter der Röhre 15 sind direkt proportional den momentanen
Abweichungen der Saite von der Mittellage. Das erklärt sich aus der reziproken Änderung des Kapazität- wertes, Saite-Streifen, mit der Auslenkung sowie der reziproken Spannungsänderung mit dem Wert der
Kapazität und der daraus resultierenden direkt proportionalen Spannungsänderung mit der Auslenkung.
Da die folgenden elektrischen und elektroakustischen Systeme wesentlich linear sind, eine bei diesen
Systemen wünschenswerte Forderung zwecks Vermeidung unerwünschter Schwebungsfrequenzen zwischen gleichzeitig gespielten Noten, so ist die ganze mechanisch-elektroakustische Übertragungseimichtung wesentlich linear. Es hat jedoch den Anschein, als ob die mechanisch-akustische Übertragung im normalen
Klavier und ähnlichen Instrumenten bemerkenswert nichtlinear sind. Es mögen die folgenden Eigen- tümliehkeiten dieser Instrumente genannt werden :
1. der grössere Gehalt an hohen Teiltönen, besonders der geraden, in lauten Tönen im Gegensatz zu den leisen Tönen.
2. die Änderung der harmonischen Struktur während der Dauer eines Tones, besonders im Anfange der Tondauer bei lauten Tönen,
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3. die sehr hohe Anfangsscheindämpfung der Töne und
4. der ausserordentlich grosse verfügbare Amplitudenbereich für verschieden starke Erregung (Anschlag).
Die Prinzipien, auf welchen die Erzeugung dieser Wirkungen durch niehtlineare Übertragung beruht, wird, wenn nicht sofort, so doch später klar werden.
Für die bessere Nachahmung normaler Instrumente wird deshalb erfindungsgemäss für mechanischelektroakustische Instrumente ein nichtlineares Element, vorzugsweise in einer Stellung, in welcher es für mehrere Schwingungserzeuger besonders individuell wird, benutzt. Diese nichtlineare Übertragung ist für die Diskantsaiten dargestellt. Ein zweiter Leiterstreifen wird direkt gegenüber dem andern Streifen angebracht. So zeigt Fig. 2 den Hilfsstreifen 11'über dem Punkt der Saite, unter welchem der Hauptstreifen 11 liegt. Dieser Hilfsstreifen kann so gestellt werden, dass sein Abstand von jeder Saite grösser ist als der Abstand des Hauptstreifens von der Saite, und vorzugsweise so, dass das Verhältnis der Abstände der beiden Streifen von der Saite konstant ist.
Der Hilfsstreifen 11'kann dem Hauptstreifen 11 durch Schliessen des Schalters 23 parallelgeschaltet werden.
Betrachten wir der grösseren Einfachheit halber eine einzelne Saite. d sei der Abstand der Saite vom Hauptstreifen d'sei der Abstand der Saite vom Hilfsstreifen
N sei das Verhältnis d'jd,
C sei die Momentankapazität zwischen Saite und Hauptstreifen
C'sei die Momentankapazität zwischen Saite und Hilfsstreifen p sei die Amplitude der Saitenschwingung.
Dann ist
EMI3.1
und
EMI3.2
also
EMI3.3
Da die Momentanspannung E der Gesamtkapazität C + C'reziprok ist, wird
EMI3.4
Setzen wir N in 4) ein, entwickeln wir trigonometrisch und multiplizieren mit cl, so wird
EMI3.5
EMI3.6
EMI3.7
EMI3.8
EMI3.9
EMI3.10
EMI3.11
EMI3.12
EMI3.13
EMI3.14
dass bei Beginn eines solchen Tones jeder der stärkeren Teiltöne der Saitenschwingung einen fast ebenso starken ersten Oberton erzeugen kann, wie die Grundfrequenz. Da aber p abfällt, werden die Doppelfrequenzen sehr viel schneller verklingen als die einfache Frequenz wegen der Koeffizienten und p.
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EMI4.1
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Es wurde gezeigt, dass die übertragenen elektrischen Schwingungen als Spannungsänderungen am Gitter und Anodenstromschwankungen im Anodenkreis der Röhre 15 erscheinen. In diesem Anoden- kreis kann ein Transformator 31 vorgesehen werden, der hochtransformiert. Die hochtransformierte
Spannung wird auf einen Tonregler gegeben, der einen Teil der Erfindung darstellt und im folgenden näher erklärt wird. Es können ohne weiteres auch andere bekannte Kopplungselemente an Stelle eines
Transformators für die Kopplung des Ausgangs der Röhre 15 mit dem Tonregler verwendet werden, es kann auch der Tonregler direkt in den Anodenkreis gelegt werden und der Anodenstrom wird dann vom Gitter der nächsten Röhre 36 durch einen Kondensator ferngehalten.
Der Tonregler besteht aus einer angezapften Induktivität (Spartransformator 33) und einem vari- ablen Widerstand 35. Der Eingang des Kreises enthält den Widerstand 35 und die Primärwicklung 34 des Spartransformators, der Ausgang den Widerstand 35 und den gesamten Spartransformator. Der Ausgang des Kreises wird an das Gitter einer Röhre 36 gelegt. Der Heizfaden von 36 liegt parallel zu 15, der Anodenstrom wird ebenfalls von der Batterie 17 geliefert. Im Ausgang der Röhre 36 kann als Kopplungsglied z. B. eine Drossel 37 vorgesehen werden. Die verstärkten Spannungen werden über den Block 38 auf das Potentiometer 40 gegeben, gehen von hier aus auf den Verstärker 41 und werden schliesslich vom Lautsprecher 42 oder ähnlichem wiedergegeben.
Eine elektrostatische Abschirmung kann vorteilhaft vorgesehen werden, u. zw. für die gesamte elektrische und mechanisch-elektrische Anordnung vor dem Potentiometer 40, um die Empfindlichkeit für Streufelder herabzusetzen. Eine derartige Abschirmung ist durch 39 schematisch angedeutet.
In früheren Patenten wurden Tonregler mit bestimmten Frequenzkm ven angegeben und dabei auch Anwendungen gezeigt, um die harmonische Struktur von Tönen zu beeinflussen. Die dort gezeigten Anordnungen arbeiten mit einer Dämpfung der zu unterdrückenden Frequenzgebiete, d. h. ihr Übertragungsmass überstieg nie den Wert 1. Es wurden nun andere Tonregler gefunden, die mit höheren Übertragungsmassen arbeiten und weiter, dass man mit ihnen eine Wirkung erreichen kann, wenigstens über ein begrenztes Frequenzband, die in einer kontrollierbaren Drehung der Frequenzkurve um einen mittleren Punkt bzw. Bereich besteht, d. h. aus einer horizontalen Lage in eine solche, die in der gewöhnlich gewünschten Weise geneigt ist, d. h. nach hohen Frequenzen hin steigend, und nach tiefen fallend.
Solche Tonregler haben sich erfindungsgemäss als besonders wirksam herausgestellt bei der Nachahmung von Klavieren und ähnlichen Instrumenten, deren Ausgangstöne besonders arm an starken tiefen Frequenzen und umgekehrt reich an hohen Frequenzen sind. Ein solcher Tonregler ist der obenerwähnte und ist in Fig. 2 dargestellt. Er besteht aus dem Spartransformator 33 und dem variablen Widerstand 35. Die Wirkung des Reglers ist klar. Die Eingangsspannung wird zerlegt in einen Spannungsabfall über die Primärwicklung 34 und den Widerstand 35. Der erste Abfall wird durch den Spartransformator hochtransformiert, der letztere wird umgeändert übertragen. Bei hohem Widerstand 35 wird der Abfall über 34 vernachlässigbar ; das Übertragungs mass ist 1 für alle Frequenzen.
Nimmt 35 jedoch ab, so wird der Abfall über 34 um so grösser, je höher die Frequenz ist. Gleichzeitig wird der Eingangswiderstand des Kreises besonders für tiefe Frequenzen kleiner, und so findet eine noch grössere Dämpfung für diese Frequenzen statt.
Diese doppelte Wirkung lässt sich allgemein wie folgt ausdrücken. Es sei R der Wert des Widerstandes 35 ; ri der innere Widerstand der Stromquelle ; L die Induktivität der Primärwicklung des Spartransformators ; T das Windungsverhältnis des Spartransformators ; dann lautet der Ausdruck für das Übertragungsmass :
EMI5.1
Das gilt für unendlich grossen Eingangswiderstand der Röhre 36, welche Annahme für Tonfrequenzen berechtigt ist. Der Wert Ro in Fig. 2 ist im wesentlichen durch den inneren Widerstand der Röhre 15 multipliziert mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses des Transformators 31 gegeben.
Eine fast unbegrenzte Zahl von Kombinationen der einzelnen Werte gibt eine ebenso grosse Zahl von Frequenzkurven. Es werden für eine typische Wahl der Werte die Frequenzkurven angegeben. Es war gewählt worden
EMI5.2
<tb>
<tb> Ra <SEP> = <SEP> 50.000 <SEP> ss <SEP> ; <SEP> L <SEP> = <SEP> rv <SEP> 2 <SEP> Hy <SEP> ; <SEP> T <SEP> = <SEP> 5 <SEP> ; <SEP> R <SEP> variabel <SEP> von <SEP> 5000 <SEP> g <SEP> bis <SEP> 500.000 <SEP> S.
<tb>
Man <SEP> erhält <SEP> :
<tb> R <SEP> = <SEP> 500. <SEP> 000 <SEP> H <SEP> R <SEP> = <SEP> 50.000 <SEP> H <SEP> ss <SEP> == <SEP> 5000 <SEP> Q
<tb> 16 <SEP> Hz <SEP> 0'92 <SEP> 0'5 <SEP> 0'1
<tb> 50Hz <SEP> 0'92 <SEP> 0'5 <SEP> 0'11
<tb> 160 <SEP> Hz <SEP> 0'92 <SEP> 0'51 <SEP> 0'21
<tb> 500 <SEP> Hz <SEP> 0'92 <SEP> 0'59 <SEP> 0'58
<tb> 1600 <SEP> Hz <SEP> 0'93 <SEP> 1"11 <SEP> 1'72
<tb> 500 <SEP> Hz <SEP> 1'07 <SEP> 2'7 <SEP> 3'8
<tb>
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Man erkennt, dass bei grossem R die Frequenzkurve flach verläuft, d. h, das Übertragungsmass = 1 ist und bei mittleren Werten von R das Übertragungsmass für Frequenzen unter 1000 Hz kleiner als 1
EMI6.1
noch stärker. Noch grössere Steilheit der Frequenzkurve kann erzielt werden durch Vergrössern vonT.
Weiter kann das gleiche Übertragungsmass nach höheren oder tieferen Frequenzen verschoben werden durch Änderung von L, da L und (J) in der obigen Formel produktweise auftreten. Solche und andere Änderungen der Einzelwerte für die Erzeugung verschiedener Frequenzkurven sind ohne weiteres der Formel zu entnehmen. Auf jeden Fall wird man jedoch'finden, dass eine Änderung von R von hohen nach tiefen Werten fortschreitend eine immer grösser werdende Bevorzugung der hohen und Benachteiligung der tiefen Frequenzen erzeugt. Der Tonregler kann mit einem festen Widerstand 35 gebraucht werden, vorausgesetzt, dass Ro einen solchen Wert hat, dass man einen guten Einfluss auf die Tonqualität erhält. Es hat sich aber als zweckmässig erwiesen, den Widerstand 33 variabel zu machen.
Durch eine Abstimmung der Primärwicklung 34 werden die Frequenzen, die in den Resonanzbereich fallen, besonders verstärkt, da für sie das Ubertragungsmass durch den Resonanzwiderstand besonders hoch wird. Es ist dadurch gezeigt, dass sich der Gedanke der Erzielung eines verschiedenen Übertragungsmasses nach den verschiedenen Richtungen hin abwandeln lässt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrisches Musikinstrument, bei dem die Schwingungen mechanischer Oszillatoren durch elektrische Umwandlungseinrichtungen in elektrische Schwingungen umgewandelt und diese in einem Lautsprecher od. dgl. in Schall umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt der die Umsetzung der mechanischen Schwingungen in elektrische Schwingungen bewirkenden Umwandlungseinrichtungen auf dem gekrümmten Teile der Amplitudeneharakteristik liegt.