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Verfahren zur Tonerzeugung, insbesondere bei elektrischen Musikinstrumenten.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Erzeugung von Tönen oder tonfrequenten Schwingungen durch Anstoss sehwingungsfähiger Körper, wie Saiten, Zungen, Glocken, Luftsäulen od. dgl., auf elektromechanischem Wege. Die erfindungsgemässe Anordnung ist vor allem für Musikinstrumente gedacht, ist jedoch auch dort anzuwenden, wo es sich nicht um die Hervorbringung von künstlerisch zu verwendenden Tönen oder Klängen handelt, sondern um Töne oder tonfrequente Schwingungen für andere Zwecke, etwa für Messzwecke, zur Signalgebung usw.
Soll etwa eine schwingungsfähige gespannte Saite aus Eisen oder Stahl dadurch in Schwingung versetzt werden, dass sie von einem Elektromagneten quer zu ihrer Längenausdehnung angezogen wird, so genügt es nicht, einen beliebigen Strom durch die Wicklung des Magneten zu schicken, da hiedurch die Saite nur aus ihrer Ruhelage entfernt, aber nicht zu Schwingungen angeregt wird. Eine kräftige Schwingung wird hingegen dann erreicht, wenn die wirksame Dauer des anziehenden Stromes nicht länger ist als etwa ein Viertel der Schwingungsdauer. Das Wesen der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, dass ein elektrischer Energiespeicher angeordnet wird, dessen Lade-oder Entladestromstoss zur Hervorbringung der magnetischen oder sonstigen Wirkung verwendet wird.
Fig. 1 zeigt in einem prinzipiellen Schaltbild die Wirkungsweise einer beispielsweisen Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung : Aus einer Gleichspannungsquelle 1 wird durch Schliessen eines Kontaktes 3 ein Kondensator 2, gegebenenfalls über einen Schutzwiderstand 8, aufgeladen. In der Nähe des beweglichen Endes einer schwingungsfähigen Stahlzunge 7 wird ein Magnetkern 5 mit einer Wicklung 6 angebracht. Wird nun der Schaltkontakt 4 betätigt, so fliesst die Ladung des Kondensators in einem periodischen oder periodischen Entladungsvorgang durch die Wicklung und die Stanzung wird durch den Elektromagneten stossartig angezogen. Nach dem Öffnen des Kontaktes 4 kann der Kondensator durch Schliessen des Kontaktes 3 neu aufgeladen und das Spiel wiederholt werden.
Um nach jeder Betätigung des Kontaktes den Kondensator möglichst rasch wieder aufzuladen, kann dieser, wie Fig. 2 zeigt, über einen entsprechend bemessenen Widerstand 9 dauernd an der Stromquelle 1 liegen. Wird der Kontakt 4 geschlossen, so fliesst durch diesen Widerstand nach erfolgtem Stoss auch weiterhin ein Strom, der durch richtige Wahl des Widerstandes 9 so gering gehalten werden kann, dass er praktisch nicht zur Wirkung kommt.
Eine andere Ausführungsform zeigt Fig. 3, bei der der Ladestrom eines Kondensators 2 bei Betätigung des Arbeitskontaktes 4 durch eine Wicklung 6 geschickt wird, während der Kondensator durch den Kontakt 3, gegebenenfalls über einen Schutzwiderstand 8, entladen wird.
Eine willkürlich Beeinflussung der Schlagstärke kann bei unverändert bleibender Apparatur auf einfachste Weise etwa dadurch erfolgen, dass der Energiespeicher mehr oder weniger stark aufgeladen wird, beispielsweise durch Änderung der Spannung der Stromquelle 1. Ist es erwünscht, ohne Änderung der elektrischen Daten die Schlagstärke, u. zw. gegebenenfalls jeweils für den betreffenden Schlag, nach Belieben zu regeln, so kann dies erfindungsgemäss etwa durch die Schaltung nach Fig. 4 erfolgen : Bei Betätigung der Taste wird erst der Ruhekontakt 3 gelöst, dann ein Kontakt 10 geschlossen, der einen Teil der Kondensatorladung über einen Widerstand 11 abfliessen lässt, und erst bei weiterer Bewegung der Taste wird der Arbeitskontakt 4 geschlossen.
Je nach der Geschwindigkeit der Tastenbewegung wird somit vor Eintritt der Hauptentladung der Kondensator bereits mehr oder weniger entladen sein und der Stoss dementsprechend schwächer oder stärker ausfallen. Die Schaltung kann gegebenenfalls auch dadurch vereinfacht werden, dass der Widerstand 11 dem Kondensator 2 ständig parallel geschaltet ist.
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Eine analoge Wirkung kann auch dann erzielt werden, wenn etwa im Sinne der Fig. 3 der Ladestromstoss verwendet wird. In diesem Falle wird durch einen entsprechend bemessenen und angeordneten Widerstand 11 erzielt, dass je nach der Geschwindigkeit der Tastenbewegung der Kondensator vor Schliessung des Kontaktes 4 bereits mehr oder weniger stark aufgeladen ist.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Anordnung, die-etwa zum Anstossen einer Luftsäule dient. Der Entladungsstrom des Kondensators 2 fliesst durch eine Spule 12, die sich im Ringspalt eines Magneten 13 befindet und mit einem Kolben 14 verbunden ist, der das Ende einer Röhre 15 abschliesst und beim Eintritt des Entladungsstromstosses die Luftsäule in Schwingungen versetzt.
Zu der gegebenenfalls vorteilhaften Anpassung der Strom-oder Spannungsdaten des Stromstosses an den Verbraucher (Wicklung des Elektromagneten, Schwingspule, in einem Magnetfeld schwin- gende Saite usw. ) kann ein Übertrager, gegebenenfalls auch eine Verstärkereinrichtung od. dgl., zwischen- geschaltet werden.
Die bisher beschriebenen Beispiele beziehen sich auf die erfindungsgemässe Verwertung des Entlade-oder Ladestromstosses eines Kondensators. In analoger Weise kann die in einem elektromagnetischen Feld aufgespeicherte Energie erfindungsgemäss verwendet werden. Beispielsweise wird ein elektromagnetisches Feld in Luft oder in Eisen durch eine gleichstromdurehflossene Wicklung aufgebaut ; bei Unterbrechung des Speisestromes wird die aufgespeicherte Energie dem Verbraucher, etwa mit Hilfe einer zweiten Wicklung, als Strom zugeführt.
Es kann auch das Feld eines vorzugsweise permanenten Magneten verwendet werden, der zwecks Hervorbringung des Energiestosses relativ zu einer Wicklung bewegt wird. Hiebei können die für andere Zwecke bereits bekannten Massnahmen, wie Unterbrechung des Stromes usw., zur Anwendung gelangen. Je nach der Geschwindigkeit und Amplitude der Relativbewegung und je nach dem Zeitpunkt der gegebenenfalls vorgenommenen Stromunterbrechung kann die Sc11lagstärke in beliebiger Weise geregelt werden.
Wie bereits eingangs erwähnt, darf die Dauer der auf den schwingungsfähigen Körper einwirkenden Zugkraft nicht grösser sein als etwa ein Viertel der Sehwingungsdauer. Die Anordnung kann aber auch derart getroffen werden, dass der Lade-oder Entladevorgang des Energiespeichers als gedämpfte Schwingung vor sich geht, die durch entsprechende Bemessung der elektrischen Daten auf die Schwingungszahl des anzustossenden Körpers abgestimmt wird.
Erfindungsgemäss kann durch die Bemessung der Abklingdauer des periodischen Energiestosses oder durch entsprechende Abstimmung der gedämpften Schwingung erreicht werden, dass gewisse Obersehwingungen des anzustossenden Körpers herausgehoben werden.
Ein mehrstimmiges Musikinstrument gemäss der Erfindung kann beispielsweise (Fig. 6) aus einer grösseren Anzahl von auf die Töne der Tonleiter abgestimmten Stahlzungen 7 bestehen, denen je ein eigener Elektromagnet 5, 6 zugeordnet ist, der mittels je eines Kontaktes 4 von je einer Taste 17 gespielt wird. Der Stahlzungenkamm kann etwa nach Art der bekannten Spielwerke auf einem Resonanz- boden befestigt werden. Eine Lautstärkenänderung kann hiebe ! etwa durch Änderung der Ladespannung der Kondensatoren 2 erfolgen.
Durch rasch aufeinanderfolgende Schliessungen und dazwischenliegende Unterbrechungen des Kontaktes 4 ist es ohne weiteres möglich, ein und denselben Ton in rascher Aufeinanderfolge zu wiederholen, falls nur der erwähnte Widerstand 9 eine genügende Wiederaufladung des Kondensators in dem zur Verfügung stehenden Zeitraum zulässt. Ein rasch aufeinanderfolgendes Anschlagen kann aber auch auf mechanischem Wege erfolgen, etwa gemäss Fig. 7, beispielsweise durch eine längs der Klaviatur unter den Tasten hinlaufende kollektorartige Walze 18.
Diese Walze wird, etwa durch einen Federwerkmotor 19, in konstante Umdrehung versetzt ; wird der Tastenkontakt nun nicht direkt bei 4, sondern über die Walze 18 (oder über die Walze 18 in Serie mit dem Kontakt 4) geschlossen, so wird, wenn auch die Taste nur einmal gedrückt wird, ein rasch aufeinanderfolgendes Anschlagen erzielt, solange die Taste gedrückt bleibt.
In analoger Weise kann ein mit tönenden Saiten versehenes Instrument aufgebaut und betrieben werden, wobei die Schwingungen der Saiten etwa in bekannter Weise mittels eines Resonanzbodens od. dgl. hörbar werden. Bei erfindungsgemäss angestossenen Glocken ist durch diese selbst meist schon eine genügende Schallabstrahlung gegeben.
Versuche haben ergeben, dass es in manchen Fällen wünschenswert erscheint, mit sehr geringen Amplituden zu arbeiten. Hiebei kann es vorkommen, dass die erfindungsgemäss erzeugten Töne für den beabsichtigten Zweck zu schwach sind. In derartigen Fällen kann eine Verstärkung des Tones bis zur gewünschten Amplitude dadurch stattfinden, dass die Schwingungen der angestossenen Körper von diesen selbst bzw. von einer gemeinsamen Befestigung oder Abstützung (Steg, Resonanzboden usw. ) auf elektromechanischem Wege abgenommen, in bekannter Weise verstärkt und durch Lautsprecher od. dgl. hörbargemachtwerden. Hiebei können elektromagnetische, elektrostatische, elektrodynamische, piezoelektrische, photoelektrische oder analog wirkende, an sich bekannte Vorrichtungen zur An- wendung gelangen.
Um dem Musikinstrument Variationsmöglichkeit in bezug auf die Klangfarbe zu geben, können mehrere schwingungsfähige Systeme oder Systemgruppen angeordnet werden, beispielsweise ein Zungen-
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kamm, ein Satz abgestimmter Saiten und ein Satz Glocken, die zu je einem Register vereinigt und wahlweise einzeln oder gleichzeitig von einer Klaviatur aus betätigt werden können.
Bei einem Musikinstrument kann beispielsweise jeder Saite ein eigener Erregermagnet oder mehrere Magnete zugeordnet sein. Die Anordnung kann auch derart getroffen werden, dass jeweils einer Gruppe von Saiten ein einzelner Magnet zugeordnet wird, der bei Erregung alle ihm zugeordneten Saiten anstösst. Um nur die gewünschte Saite erklingen zu lassen, werden die andern Saiten durch angelegte Dämpfer od. dgl. an der Schwingung verhindert.
Ist der elektromagnetisch anzustossende Körper nicht selbst magnetisierbar, besteht er beispielsweise aus Bronze (Glocke) oder ist er eine Darmsaite oder eine Holzplatte (Xylophon), so muss mit ihm ein magnetisierbarer Anker verbunden sein, um ihn durch den Elektromagneten anstossen zu können.
Sollen statt der schwingungsfähigen festen Körper Flüssigkeiten oder Luftsäulen in Schwingungen versetzt werden, so wird, wie in Fig. 5 bereits angedeutet ist, ein entsprechend geformtes Abschluss- organ, etwa eine Membrane, ein Kolben od. dgl. in der erfindungsgemässen Weise durch den elektromagnetischen Stoss in Schwingung versetzt.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung ist der, dass die Erregung des in Schwingungen zu versetzenden Körpers an beliebigen Stellen vorgenommen werden kann. Es ist bekanntlich nicht gleichgültig, an welcher Stelle beispielsweise eine Saite gestrichen oder gezupft wird, da je nach dem Punkte der Erregung verschiedene Obertöne erklingen oder hervorgehoben werden.
Es kann daher unter Umständen zur Erzielung besonderer Wirkungen beispielsweise der Elektromagnet längs der Saite, der Zunge usw. verschiebbar angeordnet oder aber es können (s. Fig. 9) mehrere Elektromagnete vorgesehen sein, die wahlweise abwechselnd oder gegebenenfalls auch gleichzeitig zur Wirkung gebracht werden ; besonders im letzten Falle des gleichzeitigen Anstosses an mehreren Stellen bietet die Erfindung neue klangliche Möglichkeiten.
Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung zur Erregung von Glocken kann die Anordnung beispielsweise derart getroffen werden, dass zwei oder mehrere radial angeordnete Elektromagnete, etwa im Innern der Glocke, in der Nähe des freien Randes angeordnet werden. Je nach der Zahl der vorhandenen bzw. gleichzeitig erregten Elektromagnete werden gewisse Vielfache des Grundtones besonders hervorgehoben oder unterdrückt werden.
Die Wirkung der an bestimmten Punkten erfolgten Erregung zur Hervorbringung bestimmter Klangfarben kann in wirkungsvoller Weise dadurch unterstützt werden, dass an bestimmten Punkten eine mehr oder weniger starke Dämpfung des schwingenden Körpers vorgenommen wird, beispielsweise durch Anlegen von Filz-oder Gummistücken od. dgl. Es kann auch, insbesondere bei Verwendung des Musikinstrumentes mit einem elektrischen Verstärker, die Dämpfung durch elektrische oder akustische Rückkopplung vermindert werden, was bis zur Selbsterregung fortgesetzt werden kann.
Bei einem Musikinstrument, das beispielsweise 60 sehwingungsfähige Saiten und ebenso viele Tasten besitzt, müssten nach der beispielsweise beschriebenen Anordnung 60 Kondensatoren mit den dazugehörigen Ladewiderständen vorhanden sein, denn wäre etwa nur ein einziger Kondensator vorhanden, so könnten die einzelnen Töne nur nacheinander gespielt werden. Da aber bei Verwendung einer normalen Klaviatur niemals mehr als zehn Töne gleichzeitig gespielt werden können und im gewöhnlichen Gebrauch kaum mehr als sechs Töne gleichzeitig benötigt werden, kann man mit einer geringeren Zahl von Kondensatoren usw. das Auslangen finden, wenn die Schaltung etwa nach Fig. 8 vorgenommen wird.
Diese Figur zeigt, auf welche Art etwa vier Kondensatoren 2 mit ihren Aufladewiderständen 9 auf eine grössere Anzahl von einzelnen Erregerspulen 6, die mit Tastenkontakten 4 arbeiten, aufgeteilt werden können. Das Wesen dieser Schaltung besteht darin, dass jede Taste 17 nicht einen einzelnen Kontakt 4, sondern immer so viele Umschalter gleichzeitig steuert, als Kondensatoren vorgesehen sind. Die Kontakte können, wie Fig. 8 zeigt, so angeordnet werden, dass beim Schliessen eines Kreises automatisch weitere Wege für die übrigen Kreise durch Umschaltung vorbereitet werden.
Das Prinzip dieser Schaltung ist selbstverständlich auch für andere ähnliche Zwecke, etwa bei anderen Arten von elektrischen Musikinstrumenten anzuwenden, beispielsweise dort, wo es sich darum handelt, etwa eine beschränkte Anzahl von Tongeneratoren oder von Verstärkereinriehtungen oder von andern Apparaten gemeinsam einer grösseren Anzahl von Tasten, beispielsweise einer ganzen Klaviatur gemeinsam störungsfrei zuzuordnen.
Die erwähnten Kontaktvorrichtungen mit Ruhe-und Arbeitskontakten können selbstverständlich auch als Relais ausgebildet oder auf beliebige andere Weise in Tätigkeit gesetzt werden. Die einzelnen Kontakte können auch statt als metallische Berührungspunkte als steuerbare Gasentladungsstrecken, als Funkenstrecken oder als Entladungsstrecken im Vakuum ausgebildet sein.
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