Elektrische Orgel. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Orgel mit. elektrischer Tonerzeugung. Nach dem zur Zeit bekannten -Stand der Technik ist die Tonerzeugung mit rotierenden Genera toren oder schwingenden Zungen, die elek tromagnetisch oder elektrostatisch (kapazitiv) abgegriffen werden, nicht mehr neu. Es sind sowohl rotierende Anordnungen mit magne tischer als auch Zungenanordnungen mit elek trostatischer Tonabnahme realisiert. worden, während rotierende Anordnungen mit. elektro statischer Tonabnahme als Idee bekannt sind. Die vorliegende Erfindung betrifft. eine elek trische Orgel der zuletzt genannten Art.
Die neuere akustische Forschung hat. er geben, dass die Einschwingvorgänge in den Pfeifen der akustischen Orgel wesentlich für den Klangcharakter sind. Die elektrische Nachbildung von Zeitkonstanten in der Grö ssenordnung 0,1 :Sekunden, wie sie bei Orgel pfeifen etwa einen Durchschnittswert dar stellen, ist nur mittels elektrostatischer An ordnungen rationell möglich.
Die elektrische Orgel mit Tonerzeugung durch rotierende kapazitive Generatoren nach .der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass den einzelnen zu erzeugenden Tönen leitende Geberelektro den zugeordnet sind, die in gleicher Fläche mit der Innenwand des den Rotor umgeben den geerdeten Gehäuses liegen und von die sem durch halbleitendes Material getrennt sind, und die eine solche Form aufweisen, dass der Verlauf der zeitlichen Änderung ihrer Kapazität gegenüber schmalen Stegen des leitenden, jedoch isoliert gelagerten Rotors der Kurvenform des gewünschten 'Tones geo metrisch ähnlich ist, wobei die Tonabnahme kapazitiv erfolgt durch feststehende, in gerin gem Abstand vom Rotor angebrachte Elek troden und die Tonerzeugung in der Weise ge schieht,
dass die Geberelektroden mittels min destens eines Tastenkontaktes mit Stromkrei sen verbunden Emd wieder getrennt werden können, wobei entsprechend dem Kapazitäts verlauf zwischen Geberelektrode und Rotor steg :die Strombeeinflussung erfolgt.
Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen elektrischen Orgel in den Grundelementen näher beschrieben. Die elektrische Orgel besitzt kapazitive Tonerzeu gung; eine Anzahl Generatoren rotiert. mit Drehzahlen, die den Frequenzen der tempe rierten Stimmung entsprechen. Um den me chanischen Aufwand möglichst gering zu hal ten, werden in einem Generator Geberelek troden und Rotorstege nicht nur für den Grundton, sondern auch für möglichst viele Oktaven sowie für die als Aliquotstimme ver wendbare 3., 5. und 7.
Harmonische vorge sehen, also zum Beispiel im ersten Generator CI, <I>C, G, C, 8,</I> b, C1, e2, C3, C4, C . Eine mög liche Anordnung dafür zeigt. Abb. 1, Ein walzenförmiger Rotor 1 aus einem mindestens oberflächlich leitenden Material ist auf der Achse 2 isoliert befestigt und dreht sich mit gleichbleibender Drehzahl.
Auf sei- nem Umfange sind schmale Stege 3 in Abstand befestigt In geringem Abstand von den Stegen 3 -des Rotors 1 befin det sich ein zylindrischer Mantel aus Isolier material, der auf der Innenseite einen durch gehendem leitenden Belag aufweist. Dieser Belag ist längs bestimmter Kurvenzüge, die sich wieder in sich selbst schliessen, entfernt, so dass isolierte Inseln 4 entstehen, die von aussen her durch elektrische Zuleitungen auf geladen werden können. Beispiele solcher In seln sind in Abb. 2 gegeben.
Auf die Formen wird weiter unten eingegangen. Schliesslich steht der einen Stirnseite des Rotors 1 noch in geringem Abstand eine ringförmige fest stehende Abnahmeelektrode 5 gegenüber.
Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist nun folgende (siehe Ersatzschaltbild, Abb. 3) Die Kapazität cl zwischen den Stegen 3 und den isolierten Inseln 4, im folgenden Geber elektroden genannt, ändert sich zeitlich peri odisch. Die Kapazität c2 des Rotors gegen Erde ist grösser als cl und zeitlich praktisch konstant. Der Isolationswiderstand R2 des Rotors gegen die Achse sei zunächst als un endlich gross angenommen.
'Zwischen Rotor 1 und Abnahmeelektrode 5 besteht die Teilkapazität c3. Die Abnahme elektrode 5 ist direkt mit dem Gitter einer Verstärkerröhre- 25 verbunden. Die Gitter kapazität einschliesslich der Leitungskapazität imd der Kapazität der Abnahmeelektroden 5 gegen Masse habe die Grösse cn.
Der Gitterableitwiderstand ist R.. Wie oben ausgeführt, verläuft nun die Kapazität cl wegen der gleichmässigen Teilung des Ro tors 1 nach einer periodischen Fiiu'ktion, deren Wechselanteil
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beträgt.
Unter der Voraussetzung c2 > cl iuid bei einer erzeugenden Spannung an den Geber elektroden 4 von der Grösse U ergibt sich eine Spannung des Rotors von der Grösse
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Der Rotor wirkt wie eine Wechselspan nungsquelle vom Innenwiderstand<I>1</I> /vcoc2 über die Kapazität<B>e3</B> auf das Gitter der Verstär- kerröhre 25. Die entstehende Gitterwechsel spannung berechnet sich zu
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Der Kapazitätsverlauf cl <I>(t)</I> wird also dif ferenziert.
Um eine bestimmte Kurvenform U, <I>(t)</I> zu erhalten, ist also zunächst das Inte gral SU <I>(t)</I> dt zu bilden und als cl (t) in .einem geeigneten Massstab als Form der Geberelek trode herzustellen. Zum Beispiel .erfordern Sin-Töne einen Verlauf cl <I>(t),</I> der Cos-Gestalt hat. In Abb. 2 sind Beispiele für eine Elek- trodenform gezeigt.
Ein sehr obertonreiches Gemisch entsteht bekanntlich bei sehr kurzen Impulsen, wie sie durch Geberelektroden der Form 4b hervorgerufen werden. Einen Klang, der nur ungeradzahlige Harmonische enthält, erhält man durch eine Geberelektrodenform 4c. Diese Töne sind musikalisch brauchbar als Flöten, bzw. Posaunen bzw. Hörner, wenn man sie mit einer dem Instrument entspre chenden Zeitkonstante erklingen lässt und eventuell noch im Verstärkerkanal in an sich bekannter Weise Formanten beimischt.
Die übrigen Figuren der Abb. 2 zeigen noch einige auf Grund von Klanganalysen an Pfeifenorgeln gewonnene Elaktrodenformen, nämlich < eGedackt (4d), Prinzipal (4e), Oktav (4f), Quinte (4g), Terz (4h), wobei die beiden letzteren nur als Aliquot- stimmen oder Mixturen gedacht. sind. Bei allen Figuren ist als Massstab .die Teilung t des Rotors angegeben. Die Figuren werden also um so kürzer, in um so höheren Lagen sie verwendet werden. Selbstverständlich können in besonderen Fällen ebenso wie Terzen und Quinten auch Oktaven erzeugt werden.
Dies ist zum Beispiel zweckmässig für besonders hohe Frequenzen, um eine zu enge 'Teilung des Rotors zu vermeiden.
Um diese Anordnung zur Tonerzeugung verwenden zu können, müssen nun eine Reihe von Massnahmen ergriffen werden. Insbeson dere ist es erforderlich, Isoliermaterial mit hohem Oberflächen- und Durchgangswider- stand zu vermeiden, oder, wenn aus konstruk tiven Gründen, zum Beispiel aus Gründen der mechanischen Festigkeit, hochwertiges Isolier material verwendet werden muss, die Ober fläche durch leitfähige Beläge oder durch elektrostatische Schirme vor Aufladung zu schützen. Die Geberelektroden 4 dürfen nicht aus der Fläche herausragen, damit die Kapazi tätsänderungen des Rotors gegen Erde klein gehalten werden.
Es ist ferner erforderlich, als Träger der Geberelektroden 4 nicht ein Isoliermaterial, sondern einen Halbleiter, zum Beispiel eine Pressmasse, die Kolloidgraphit oder Russ enthält., zu verwenden. Ferner sind clie Geberelektroden 4 und der Rotor 1 aus möglichst demselben Material herzustellen oder bei verschiedenem Material mit einem ,Yleichen metallischen Oberflächenüberzug zu versehen, um die Kontaktspannungen zu ver meiden.
Wenn eine solche Lösung aus kon struktiven Gründen ausscheidet, ist es mög lich, durch ein zwischen Rotor und Erde, also zum Beispiel zwischen den isolierten Lagern des Rotors und der Erde eine Kompensations- spannung uk geeigneter Grösse und geeig neten Vorzeichens einzuführen, wie dies in Abb. 3 schaltungsmässig angedeutet ist. Diese Kompensationsspannung bringt die von der Kontaktspannung herrührende Feldstärke zwischen Geberelektrode und Rotor wieder auf Null. Die 'Töne entstehen nietmehr in einer Stärke, die der Spannung U der Geber elektrode proportional ist.
Daher kann man die Spannung der 'Geberelektroden direkt durch die Tasten steuern und mit einer An ordnung nach Abb. 1 zahlreiche 'Töne unab hängig voneinander und gleichzeitig erklin- rien lassen. Durch Zwischenschalten von Wi- derstandskondensatorgliedern können An- und Abklingen der Töne beliebig variiert werden. Ein Beispiel für die möglichen Schaltungen zeigt Abb.4. Die Taste 6 betätigt über die Stange 7 einen Doppelkontakt B. Der obere Kontakt ist ein R.uhe'kontakt und liegt an einer Erdschiene 9, während der untere an einer Spannungsschiene 10 angeschlossen ist.
Die Spannung ui() der .Schiene 10 wird über einen Trennwiderstand 11 an einem .Span- nungsteiler 12 eingestellt. Der Spannungs- teiler 12 kann zum Beispiel durch einen Pedal schweller betätigt werden. Gespeist wird der Spannungsteiler 12 aus einer genügend ge glätteten Gleichspannungsquelle der Span nung U". Wird nun die 'Taste 6 gedrückt, so schliesst sich der untere Kontakt von 8, der Kondensator 14 und damit die parallel ge schaltete Geberelektrode 4 wird über den Widerstand 15 aufgeladen.
Lässt man die Taste los, so entlädt sich der Kondensator 14 über den Widerstand 15 und den Ruhekon- ta@kt 8 nach Erde und der Ton verschwindet. Durch eine mechanische Vorrichtung ist es leicht möglich, das Entladen vorübergehend zu verhindern, indem man zum Beispiel die Erdschiene 9 ein wenig anhebt. Eine solche Vorrichtung kann durch einen besonderen Pedaltritt in 'Tätigkeit gesetzt werden und ergibt Nachklingen aller betätigten 'Töne bis zum Loslassen des Pedaltrittes, also eine ähn liche Wirkung wie beim Aufheben der Dämp fung eines Klaviers.
Es ist nun möglich, ein und dieselbe Geberelektrode nicht nur von einer einzelnen Taste aus aufzuladen, sondern auch von mehreren, die zum Beispiel um je eine Oktave auseinanderliegen. Der Wider stand 16 deutet eine Verbindung zu einer solchen Taste an, die eine Oktave höher liegt. Wird diese gedrückt, so erscheint der Ton in der gleichen Stärke, wie wenn die Taste 6 ge drückt wäre.
Um über einen erzeugten Ton ein Vibrato zu legen, wird gegebenenfalls durch den Kon densator 13 eine niederfrequente Wechsel spannung u zugeführt. Da die Spannungs schiene 10 allen Tastenkontakten des betref fenden Registers 'Strom zuführt, kann somit ein Register oder eine Registergruppe durch Vibrato belebt werden. Eine weitere Schal tungsmöglichkeit zeigt Abb. '5. An Stelle der durchlaufenden Schiene 9 wird jetzt nur ein Kontaktstück 17, und zwar je eines für jede Taste verwendet. Diese Kontaktstücke 17 lie gen jeweils über einen -Widerstand 19 an einem Kondensator 20 -Lund der Geberelektrode 4.
Ein grosser Kondensator<B>18</B> wird im Ruhe zustand' aus der Schiene 10 mit der Span nung ulo aufgeladen, wobei ein Widerstand 21 verhindert, dass zu grosse Stromstösse auf treten. Sobald die Taste 6 gedrückt wird, be wegt sich die Kontaktfeder des Doppelkon taktes 8 und schliesst den untern Kontakt.
Dann kann sich die Ladung des Kondensators 18 über das Kontah-tstück 17 und. den Wider stand 19 auf den Kondensator 20 ausgleichen und einen Ton ergeben. Dieser würde sich von den bisherigen nicht unterscheiden. Schal tet man jedoch. einen Widerstand 22 ein, so erhält man abklingende Töne, wie bei .Schlag und Zupfinstrumenten, ziun Beispiel Cem balo.
Ein Widerstand 26 verhindert, dass die Töne ganz abklingen, so dass einmal ange schlagene Akkorde- auch nach längerer Zeit noch leise hörbar sind. Öffnet. man den Schal ter 24, so klingen die '.Töne in der . zuletzt ge hörten Lautstärke weiter. Auch dieser Schal ter kann wie oben durch Fusstritt in Tätig keit gesetzt werden. Seine Wirkung entspricht wieder dem Aufheben der Dämpfung beim Klavier.
An Stelle der in Abb. 1 dargestellten zy lindrischen Bauweise ist auch eine scheiben förmige Konstruktion möglich. Die Anord nung zeigt Abb. 6. 1 ist der Rotor, der jetzt aus zwei mit dem Rücken gegeneinanderge- stelzten Teilscheiben besteht. Die Abnahme der ;Spannungen erfolgt durch einen Ring 5 kapazitiv vom Umfange des Rotors.
Die Stege 3 sind jetzt radial eingeordnet und auf die beiden Stirnflächen verteilt. Zum Beispiel auf einer Seite 1. bis 4. Oktave, auf der zweiten Seite 5. bis B. Oktave. Die Geberelektroden 4 sind in die leitenden Flächen des Gehäuses eingraviert und mittels dünner Drähte ange schlossen. Der Rotor sitzt isoliert auf der Welle 2. Der Oberflächenwiderstand des Iso- lators bildet den Widerstand R2 in der Abb: 3. Die Lager sind isoliert; es kann daher über sie die Kompensationsspannung u1, zugeführt werden.
Bei dieser Anordnung (Abb.6) ist ebenso wie bei der Abb. 1 die gesamte Rotor oberfläche leitfähig; der Umfang des Rotors weist überall die gleiche Wechselspannung auf. Es ist daher nicht möglich, aus dem ent standenen Tongemisch einzelne Töne für sich in der Klangfarbe nachträglich zu ändern. Gelegentlich ist es aber erwünscht, mehrere voneinander unabhängige Verstärkerkanäle anwenden zu können.
Dies ist möglich durch Vervielfachung der Zahl der Generatoren sätze nach Abb. 1 oder nach Abb. 6 mit der Zahl der gewünschten unabhängigen Verstär- kerkanäle.
Einen einfacheren Weg zeigt die Abb. 7. Der Rotor besteht ans Metall oder metallisier tem Isolierstoff und hat die Form einer Doppelscheibe. Die Stege 3 sind jetzt vom Rotorkörper isoliert; und zwar mit einem solchen Isolationswiderstand, dass einerseits störende Aufladungen nicht entstehen, ander seits eine zusätzliche Differenziierung der Kurvenform der von der Geberelektrode im Steg hervorgerufenen 'VVechselspannung durch Spannungsteilung an einem zu kleinen Isola tionswiderstand vermieden wird. Der Isola tionswiderstand der einzelnen Stege soll gleich sein.
Ein Ausführungsbeispiel für die Isola tion zeigt die Abb. B. Die Geberelektroden 4 sind unverändert wie in Abb.6. Es ent stehen nunmehr in den einzelnen Stegen 3 Wechselladungen, die eine Funktion des Ortes sind. Daher kann die Abnahmeelektrode 5 für die einzelnen Geberelektroden jetzt geteilt werden und die entstehende Spannung ein zelnen Verstärkerkanälen zugeführt werden. Dann ist eine Färbung einzelner Register mit Hilfe von Formanten oder eine getrennte Verstärkung einzelner Registergruppen, zum Beispiel eines Pedals, möglich.
Es ist, jedoch zu beachten, dass das Ersatzschaltbild Abb. für diese Anordnung nicht vollständig ist und die auf Grund dieses Ersatzschaltbildes oben angegebenen Formeln infolgedessen hier nicht mehr genau zutreffen. Ein Beispiel für eine Teilung zeigt die Abb. 9. 5a, 5b und 5c sind voneinander isolierte Segmente der mittleren Abnahmeelektrode 5 .der Abb. 7, die nun an je einen Verstärker geführt werden.
Beispiels weise werden über 5b die für die Zungen stimmen, über 5c die für abklingende Stim- tuen und über 5a die für gewöhnliche Labial- stimmen bestimmten Spannungen abgenom men.
Man kann auch, um aus einem einzigen <B>,</B> Sat7 <B>,</B> von elektrostatischen Generatoren meh- rere Verstärkerkanäle zu speisen, ein Träger- frequenzverfa.hren zu dem vorstehend be schriebenen Verfahren der Tonerzeugung mit tels einer konstanten Gleichspannung verwen den.
Ersetzt man in einer Anordnung nach Abb.1 oder -6 für einen Teil der Geberelek troden 4 die erzeugende Gleichspannung U, in Schaltung nach Abb.4 durch eine Hoch frequenzstromquelle und lässt dafür die Kon densatoren 14 weg, so erhält man durch die Rotation eine Modulation des Hochfrequenz stromes mit der Tonfrequenz der'betreffenden Oktave in der Kurvenform der Geberelek trode. Eine Differentiation findet nicht statt.
Mittels bekannter Siebmittel ist. es nun leicht. möglich, aus dem Gemisch von Span nungen, das auf der Abnahmeelektrode 5 ent steht, die Tonfrequenz von der modulierten Hochfrequenz zu trennen; letztere wird in bekannter Weise demoduliert und einem ge trennten Verstärker zugeführt. Da bei gleich zeitiger oder wahlweiser Tonerzeugung mittels (Tleiehspannung oder durch Modulation des HF-Stromes die Geberelektroden für den Be trieb mit Gleichspannung die Form der Inte gralkurve der gewünschten Tonwechselspan nung erhalten,
muss die durch Demodulation des Hochfrequenzstromes gewonnene Ton spannung nachträglich differenziiert werden, um auch bei dieser Tonerzeugung mit den gleichen Geberelektroden die richtige Kur venform der Tonwechselspannung zu erhalten.
Da die Hochfrequenz im wesentlichen un- verzögert in der Geberelektrode entsteht, die Klänge also ohne Einschwingvorgang ein setzen, ist diese Art von Tonerzeugung be sonders für obertonreiehe Register geeignet, also zum Beispiel Posaunen.
Da sich Hochfrequenzströme durch Filter gut voneinander trennen lassen, ist auch eine wiederholte Anwend\ang dieses Verfahrens mit mehreren voneinander verschiedenen Fre- quenzen, zum Beispiel 20, 25 und 30 kHz, auf ein und dieselbe Geberelektrode möglich.
Die Tonstärke der mit Hilfe vorstehend beschriebener Anordnungen erzeugten 'Töne kann, wie oben ausgeführt., durch Verändern der im Spannungsteiler 12 abgegriffenen Spannung eingestellt werden. Um nun, wie bei Musikinstrumenten im allgemeinen und der Orgel im besonderen, mit zunehmender Tonstärke auch einen höheren Relativgehalt an Obertönen zu bekommen, wird gleichzeitig mit der Tonstärke ein an sich bekannter, 'Ton regler, zum Beispiel ein veränderlicher Kon densator, in Reihe mit einem Widerstand so verstellt, dass bei der Einstellung leise die höheren Frequenzen unterdrückt werden, während bei Einstellung laut alle Töne mit ihren Obertönen voll zur Wirkung kommen.
Dieser--Tonregler befindet sich an einer ge eigneten Stelle des betreffenden Verstärker- k anals.
Die Stärke der Wirkung dieses Tonreglers kann ferner zum Beispiel durch stufenweise Zuschaltung von Widerstünden so modifiziert werden, dass je nach dem Wunsche des Spie lers die Obertöne in stärkerer oder schwä cherer Weise mit zunehmender Tonstärke zur Wirkung kommen. Mit Hilfe einer solchen Regeleinrichtung, die zum Beispiel vom Schwellerpedal aus bedient wird, lassen sich Klangkombinationen erzeugen, die der Pfei fenorgel mit steiler oder flacher Disposi tion entsprechen.
Die 'Tonstärkeregelung kann ferner im Bedarfsfalle nicht nur durch Verändern der erzeugenden Spannung U, sondern auch gleichzeitig durch einen Verstärkerregler am Ausgange des Verstürkerkanals vorgenom men werden.