DE102010014488B4 - Membranophon - Google Patents
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Abstract
Membranophon als Musikinstrument mit einem Spannrahmen und mit einer im Spannrahmen an zwei einander gegenüberliegenden Membranrändern eingespannten Membran, wobei die Membran zwei zwischen den eingespannten Membranrändern angeordnete nicht eingespannte Membranränder aufweist und wobei die Membran zumindest teilweise aus mindestens zwei Schichten besteht.Membraneophone as a musical instrument with a tensioning frame and with a membrane clamped in the tensioning frame on two opposite membrane edges, the membrane having two non-clamped membrane edges arranged between the clamped membrane edges and the membrane consisting at least partially of at least two layers.
Description
Die vorliegende Erfindung, das Membranophon, betrifft ein mechanisch akustisches Musikinstrument mit bestimmter Tonhöhe, dessen Membran hauptsächlich in einer Richtung gespannt ist und in Querrichtung dazu, freie nicht eingespannte Membranränder hat.The present invention, the membraneophone, relates to a mechanical acoustic pitched musical instrument whose membrane is biased in one direction and has transversally unrestrained membrane margins.
Eingangs wird die Klangerzeugung beim Saiteninstrument und konventioneller Membrantrommel beschrieben. Die wahrgenommene Tonhöhe einer schwingenden Saite entspricht ihrer Grundschwingung, wobei die zusätzlich miterzeugten Oberschwingungen in harmonischer Abstufung folgen, sodass die erste Oberschwingung die doppelte Frequenz, die zweite Oberschwingung die dreifache Frequenz der Grundschwingung besitzt usw. Ausserdem regt die Saitenschwingung den instrumentenspezifisch geformten Resonanzkörper zum Mitschwingen an, woraus erst das typische Klangbild entsteht. Die gehörten Schallwellen gehen hauptsächlich vom schwingenden Resonanzkörper aus und kaum von der Saite.At the beginning the sound generation of the stringed instrument and the conventional membrane drum is described. The perceived pitch of a vibrating string corresponds to its fundamental, with the harmonics additionally produced in harmonic progression, so that the first harmonic has twice the frequency, the second harmonic has three times the frequency of the fundamental, and so forth. In addition, the string vibration stimulates the instrument-specific shaped sounding body to resonate , from which only the typical sound emerges. The heard sound waves are mainly from the resonating resonating body and hardly from the string.
Anders bei der meist kreisförmigen, an ihrem Rand allseits eingespannten Trommelmembran. Hier wird die Schwingungsenergie der bewegten Membran hauptsächlich direkt an die sie umgebende Luftmasse abgegeben, durch schnell aufeinanderfolgende Kompression und Entspannung der dort anliegenden Luft. Zudem liegen die meisten miterzeugten Oberschwingungen in einem unharmonischen Verhältnis zueinander, wobei die schwache Grundschwingung vernachlässigbar ist. Dies begünstigt die Überlagerung zu einem im Extremfall reinen Geräusch ohne bestimmte Tonhöhe. Deshalb sind Trommeln eher Rhythmusinstrumente, weil ein melodisches Spiel nur sehr begrenzt möglich ist.Unlike the most circular, at its edge on all sides clamped drum membrane. Here, the vibrational energy of the moving membrane is mainly delivered directly to the surrounding air mass, by rapidly successive compression and relaxation of the air present there. In addition, most of the co-generated harmonics are in an inharmonic relationship with each other, the weak fundamental being negligible. This favors the superimposition to an extreme pure sound without a specific pitch. Therefore, drums are rather rhythm instruments, because a melodic game is very limited possible.
Bei der Pedalpauke verändert sich die Tonhöhe im Bereich einer Oktave durch Verändern der Membranspannung. Bei der Tablatrommel werden Schwingungsmoden weniger diskreter Einzeltöne ermöglicht durch eine in Fellmitte aufgetragene Paste aus Schweresteinchen.In the pedal drum, the pitch changes in the range of one octave by changing the membrane voltage. In the tablature drum, vibration modes of less discrete single tones are made possible by a paste of heavy stones applied in the center of the coat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die akustische Lücke zwischen herkömmlicher Trommel und Saiteninstrumemt zu überbrücken. Das neue Instrument soll diesen fehlenden Zwischenbereich an Klängen generieren. Allgemein müssen zur kontinuierlichen Erzeugung aller bekannten Tonleitern hauptsächlich harmonische Schwingungen benutzt werden. Um die unharmonisch verteilten radialen und konzentrischen Schwingungsmoden der Trommel zu vermeiden, wird die allseitige Einspannung der Membran aufgegeben, zugunsten zweier sich gegenüberliegender offener Membranränder, sodass hauptsächlich periodisch harmonische Transversalschwingungen in Spannrichtung erzeugt werden. Der Tonumfang der meist rechteckigen, an zwei gegenüberliegenden Seiten eingespannten Membran, lässt sich beim Spielen durch Verändern der wirksamen Membranlänge mittels eines verschiebbaren Steges auf etwa vier Oktaven steigern. Durch Verändern der Membranspannung bei konstanter Membranlänge lässt sich zusätzlich die Tonhöhe für das Glissandospiel kontinuierlich verändern. Geräuschanteile mit zunehmend unbestimmter Tonhöhe lassen sich durch zunehmendes Abdämpfen der periodisch harmonischen Schwingungen steigern. Damit erweitert sich die Einsatzmöglichkeit dieses Instruments auf das gesamte melodische Spielrepertoire, ob als Solo- oder Orchesterinstrument gebraucht.The invention has for its object to bridge the acoustic gap between the conventional drum and Stringinstrumemt. The new instrument should generate this missing intermediate range of sounds. Generally, for the continuous generation of all known scales, mainly harmonic vibrations must be used. In order to avoid the inharmonically distributed radial and concentric vibration modes of the drum, the all-sided clamping of the membrane is abandoned, in favor of two opposite open membrane edges, so that mainly periodically generated harmonic transversal oscillations in the clamping direction. The range of the usually rectangular membrane, clamped on two opposite sides, can be increased by playing the effective membrane length by means of a movable bridge to about four octaves. By changing the membrane voltage at a constant membrane length, the pitch for the glissando game can be continuously changed. Noise components with increasingly indefinite pitch can be increased by increasing dampening of the periodically harmonic vibrations. This extends the range of application of this instrument to the entire melodic repertoire, whether used as a solo or orchestral instrument.
Die Membran des Membranophons gibt den Klang ihrer Schwingung direkt an ihre Umgebungsluft ab, wie bei der Trommel.The membrane of the membraneophone emits the sound of its vibration directly to its ambient air, as with the drum.
Das schnell sich abdämpfende Primärgeräusch des Schlegelaufpralls, unterscheidbar vom langen Nachklang des erzeugten Tons, entspricht ebenso dem der Trommel.The rapidly attenuating primary sound of the flail impact, distinguishable from the long reverberation of the sound produced, also corresponds to that of the drum.
Es wurden Membranen aus verschiedenem Material untersucht, wobei sich zugfeste Polyesterfolien im Bereich von 0,1 mm Dicke als besonders geeignet erwiesen. Diese bereits in der
Um die Schwingungsfrequenz einer Folienmembran für den Bassbereich adäquat zu erniedrigen, eignen sich besonders Elastomerfolien zwischen 0,1 mm bis 1 mm Dicke. Diese werden in gleicher Grösse wie die der zugfesten gespannten schwingenden Folie zugeschnitten und auf diese spannungslos gelegt unter Verwendung eines flüssigen Kopplungsmediums wie Wasser oder Öl. Diese Mehrschichtmembran hat völlig andere Klangeigenschaften wie ihre Einzelkomponenten. Zum einen erniedrigt sich der entstehende Ton vorhersagbar durch die grössere Massebelegung, zum anderen wirkt die gummielastische Schicht als selektiver Filter für unliebsam miterzeugte Schwingungsmoden in der Kunststoffolie, wie auch damit der primäre Anschlagton wohltuhend abgedämpft wird. Die für den Klang ausschlaggebenden Schwingungen werden dabei ungehindert durchgelassen. Wahrscheinlich spielt sich die Dämpfung unangenehmer Schwingungen durch kleinste Scherbewegungen und damit der Dissipation der Schwingungsenergie im Flüssigkeitsfilm zwischen Grundmembran und Elastomerfolie ab. Ausserdem besitzen Elastomere bei innerer Schallweiterleitung eine hohe Dämpfung. Unerwünschte Longitudinalschwingungen in der Foliengrundmembran werden durch die spannungslos aufgelegten flüssigkeitsgekoppelten Elastomerflächen ebenso an der Abstrahlung gehindert.In order to adequately lower the oscillation frequency of a foil membrane for the bass range, elastomer foils of between 0.1 mm to 1 mm thickness are particularly suitable. These are cut to the same size as that of the tensile strained vibrating foil and placed on this tensionless using a liquid coupling medium such as water or oil. This multi-layer membrane has completely different sound properties as its individual components. On the one hand, the resulting sound is predictably lowered by the greater mass occupancy, on the other hand, the rubber-elastic layer acts as a selective filter for unpleasantly miterzeugte vibration modes in the plastic film, as well as the primary attack sound is well damped. The decisive vibrations for the sound are transmitted unhindered. Probably the damping of unpleasant vibrations by the smallest shearing movements and thus the dissipation of the vibrational energy in the liquid film between the base membrane and elastomeric film from. In addition, elastomers have a high degree of cushioning for internal sound transmission. Unwanted longitudinal vibrations in the film base membrane are also hindered from radiation by the tension-free liquid-coupled elastomer surfaces.
Für den Diskantspielbereich braucht es leichte Membranmassen. Um hierbei die Dämpfung unliebsamer Partialschwingungen in der gespannten Folie zu erreichen, muss nicht die gesamte Folienoberfläche überdeckt werden. Es genügt, die direkt an den Einspannungen und gegebenenfalls gleichzeitig die am Steg gelegenen Stellen mit schmalen, gleichfalls fluidgekoppelten Gummistreifen zu bedecken. Die Streifenlänge entspricht dabei der Grundmembranbreite. Eine gleichzeitige Bedeckung an Steg und Einspannung ist für die selektive Dämpfung besonders wirkungsvoll. Für ein klangliches Optimum im Diskantbereich werden zwei schmale Streifen eingesetzt mit etwa ¼ der Breite ihrer Streifenlänge in symmetrischer Anordnung bezüglich ihrer Auflageorte an Einspannung und Steg. Die vom beweglichen Steg mitgeschleppte Elastomerfläche gleitet ebenfalls auf einem geschlossenen Flüssigkeitsfilm zur Kopplung.For the diskant play area it needs light membrane masses. In order to achieve the damping of unpleasant partial oscillations in the tensioned film, it is not necessary to cover the entire film surface. It is sufficient to cover directly at the clamps and possibly at the same time lying on the web points with narrow, also fluidly coupled rubber strips. The strip length corresponds to the basic membrane width. A simultaneous covering at web and clamping is particularly effective for the selective damping. For a tonal optimum in the treble range, two narrow strips are used with approximately ¼ of the width of their strip length in a symmetrical arrangement with respect to their place of support at rest and web. The elastomeric surface entrained by the movable web also slides on a closed liquid film for coupling.
Als Membran eignen sich ebenso einige textile Gewebe, besonders die aus hochfester Glasfaser und mit PTFE luftdicht beschichtet sind. Diese Gewebe sind auch ohne die oben beschriebenen aufgelegten Elastomerfolien einsetzbar.Also suitable as a membrane are some textile fabrics, especially those made of high-strength glass fiber and airtight with PTFE. These fabrics can also be used without the elastomeric films applied above.
Die Klangabstrahlung kann vorteilhaft durch Resonanzkörper verstärkt werden. Besonders die für den Bassbereich eingesetzte Membran wird ohne Resonator meist als zu lautschwach empfunden gegenüber der für den Diskantbereich, die auch ohne Resonator gut hörbar ist, da es für kurze Wellenlängen nicht zum akustischen Kurzschluss durch Druckausgleich zwischen Membranober- und unterseite kommen kann.The sound radiation can advantageously be amplified by sound boxes. In particular, the membrane used for the bass range is usually perceived as too weak with no resonator compared to that for the treble range, which is well audible even without a resonator, as it can not come to an acoustic short circuit due to pressure equalization between upper and lower membrane for short wavelengths.
Die Verstärkung durch einen Hohlraumresonator allein, funktioniert dabei zwangsläufig nur unvollkommen bei den verschiedenen Stegstellungen, da nicht analog wie bei einem Orchesterxylophon unter den einzelnen Klangstäben jeweils genau abgestimmte einzelne Resonanzröhren anordbar sind. Deshalb ist auch die Wandresonanz der beiden elastischen Kastenseitenwände wichtig. Die Zargen können massiver gebaut sein. Der Resonanzkasten soll hierbei so gebaut sein, dass er alle Frequenzen möglichst gleichmässig verstärkt und keine ausgeprägten Eigenfrequenzen besitzt. Keilförmige asymmetrische Seitenwandflächen statt rechteckige begünstigen dies. Die Wände können aus Massivholzbrettern gefügt und wie ein Klavierresonanzboden mit Versteifungsrippen gewölbt werden, jedoch reicht auch eine Sperrholzkonstruktion. Im Kasten können schallenkende Flächen als Traversen zwischen den Wanden eingebaut sein. Die Wände können in ihrem Schwingungsverhalten günstig beeinflusst werden durch punktuelle Versteifungen mit eingelassenen Rundstäben zwischen den Seitenwänden und zusätzlichen Verstärkungsleisten auf den Wanden. Besonders bei dünnen Seitenwänden empfiehlt sich eine Leistenverstärkung um den offenen Rand herum.The amplification by a cavity resonator alone, it works necessarily imperfectly at the various bridge positions, as not exactly analogous as an orchestra xylophone under each sound bars exactly tuned individual resonance tubes can be arranged. Therefore, the wall resonance of the two elastic box side walls is important. The frames can be built solid. The resonance box should be built so that it amplifies all frequencies as evenly as possible and has no pronounced natural frequencies. Wedge-shaped asymmetric side wall surfaces instead of rectangular ones favor this. The walls can be made of solid wood boards and arched like a piano resonance floor with stiffening ribs, but also a plywood construction is sufficient. In the box, sound-deflecting surfaces can be installed as traverses between the walls. The walls can be favorably influenced in their vibration behavior by selective stiffening with recessed round bars between the side walls and additional reinforcement strips on the walls. Especially with thin side walls, a last reinforcement around the open edge is recommended.
Die Anregung des Resonanzkastens erfolgt einerseits luftgekoppelt durch die bewegte Luft der Membranschwingung über der Öffnung des Resonatorkastens. Die Höhenlage der Membran über dem Resonanzkasten und der Abstand zwischen Kastenwand und freiem Membranrand bestimmt die Stärke der Luftkopplung.The excitation of the resonance box is on the one hand air-coupled by the moving air of the membrane vibration over the opening of the resonator box. The height of the membrane above the resonance box and the distance between the box wall and the free edge of the membrane determine the strength of the air coupling.
Andererseits werden durch festen Kontakt des verschiebbaren Stegs mit den Seitenwandkanten besonders die Seitenwände zum Schwingen angeregt.On the other hand, by firm contact of the displaceable web with the side wall edges, especially the side walls are excited to vibrate.
Die Membranvorspannung wird beim Einsatz von dünnwandigen Resonanzkästen vorteilhaft vom Spannrahmen aufgenommen.The diaphragm prestressing is advantageously absorbed by the clamping frame when using thin-walled resonance boxes.
Der Spieler stellt sich die Neigung des Tisches so ein, dass die Tischfläche zwischen 15° bis 30° gegenüber der Horizontalen geneigt ist. Die Unterarme liegen auf Polsterflächen und verschieben den damit verbundenen Steg über die in Verschieberichtung wirkende Haftreibung zwischen Unterlage und Arm. Wenn nun der Arm von der Unterlage im Spiel abgehoben wird, um einen freien Schlag auszuführen, könnte die Verschiebevorrichtung durch die Hangabtriebskraft unerwünscht nach unten rollen und dabei die eingestellte Steglage mitverschieben. Dies wird vorteilhaft verhindert durch den Anbau eines z. B. als Elektrohaftmagnet ausgeführten, elektrisch betätigten Stoppers. Der elektromagnetische Effektor wird von einem in der Polsterfläche integrierten Bedienungstaster durch den Armauflagedruck gesteuert. Rein mechanisch angesteuerte Bremsen funktionieren dagegen unbefriedigend, weil die steuernde Verschiebekraftrichtung durch den Armdruck, je nach Stellung der Stegs wechselt. Die dargestellte Technik wurde bisher in ihrer praktischen Anwendung nur anhand solcher Instrumente beschrieben, deren Einzelmembranen es gestatten, während des Spiels ihre Tonhöhe zu variieren, hauptsächlich mittels der dynamischen Stegverschiebung.The player adjusts the inclination of the table so that the table surface is inclined between 15 ° and 30 ° with respect to the horizontal. The forearms lie on padded surfaces and move the associated web over the static friction acting in the direction of displacement between the pad and arm. Now, if the arm is lifted from the pad in the game to perform a free impact, the displacement device could roll down undesirable by the slope force and thereby move the set web position with it. This is advantageously prevented by the cultivation of a z. B. designed as an electro-adhesive magnet, electrically operated stopper. The electromagnetic effector is controlled by an operating button integrated in the cushion surface by the armrest pressure. Purely mechanically controlled brakes, however, work unsatisfactory, because the controlling displacement force direction changes due to the arm pressure, depending on the position of the web. The illustrated technique has hitherto been described in its practical application only on the basis of such instruments whose individual membranes allow to vary their pitch during the game, mainly by means of the dynamic web displacement.
Die dargestellten Membranen mit Resonatoren können jedoch genauso in einer anderen Instrumentengattung eingesetzt werden, in der die bespielte Membranlänge stets konstant bleibt und deshalb nur einzelne fest vorgegebene Töne entsprechend der fest vorgegebenen Membranlänge erzeugt werden können. Für eine bestimmte Anzahl spielbarer Töne bedarf es also dieselbe Anzahl an Einzelmembranen, wobei als Einzelmembran der frei schwingende Bereich zwischen zwei begrenzenden festen Rändern verstanden wird. Als Rand ist eine feste Membraneinspannung oder ein festgelegter Steg zu verstehen.The illustrated membranes with resonators can, however, also be used in a different type of instrument in which the recorded membrane length always remains constant and therefore only individual fixed predetermined tones accordingly the fixed predetermined membrane length can be generated. For a certain number of playable tones, it thus requires the same number of individual membranes, the individual membrane being understood to be the freely oscillating region between two bounding solid edges. The edge is to be understood as a fixed diaphragm clamping or a fixed web.
Mehrere Einzelmembranen mit einzelnen Spannrahmen können dabei analog ähnlich aneinandergereiht werden, wie es mit den Klangstäben von den Stabspielen Xylophon oder Marimbaphon gebräuchlich ist.Several individual membranes with individual clamping frames can be strung together analogously similar to those used with the sound bars of xylophone or marimba.
Die Resonatorbauart kann wie bei den verschiedenen für das Marimbaphon eingesetzten Arten variieren: Der Trogresonator wird für mehrerere Klangerzeuger gemeinsam eingesetzt und ist daher stets eine Kompromisslösung. Die Schallabstrahlung des rohr- oder kastenförmigen Einzelresonators kann dagegen für den betreffenden Einzelton besonders optimiert werden.The resonator type can vary as with the various types used for the marimbaphone: The trough resonator is used for several sound generator together and is therefore always a compromise solution. On the other hand, the sound radiation of the tubular or box-shaped single resonator can be particularly optimized for the particular single tone.
Anstatt der reinen Luftkopplung des Resonators mit dem Klangerzeuger kann zusätzlich die schon erwähnte Stegkopplung mit Wandresonanz eingesetzt werden, bei der die schwingungsfähigen Seitenwände direkt über einen oder mehrere Stege mit der schwingenden Membran gekoppelt sind.Instead of the pure air coupling of the resonator with the tone generator can be used in addition to the already mentioned bridge coupling with wall resonance, in which the oscillatory side walls are coupled directly via one or more webs with the vibrating membrane.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigt:Advantageous embodiments of the invention are set forth in the dependent claims and the following description with reference to the drawings. It shows:
Die Positionsnummern von
Die den Membranen zugehörigen Stegverschiebevorrichtungen
Zur Klangverstärkung ist unter der Bassmembran ein Resonanzkasten, bestehend aus Zargenwand
Die am Rahmen schwenkbar befestigten Einspannungen
Die am Fussgestell
Es sind mindestens zwei Laufrollen
Der druckbetätigte Taster
Zur Ergänzung der vorangegangenen Beschreibung des Instruments werden die bereits aus der
Kniehebelbetätigte Dämpfer wie in
Zur dynamischen Abdämpfung der schwingenden Membran ist s.
Zum ungedämpften Spiel sind die Oberschenkel soweit ausgegrätscht, dass der Kugelkopf
Der Umriss für diesen Drehflächendämpfer ist weitgehend variabel, s.
Nach
Statt den Drehflächendämpfern wird weiterhin eine als Stirnflächendämpfer bezeichnete Art benutzt. Eine vorteilhafte Ausführung dieser mit ihrer Dämpferstirnfläche auf die Membran drückende Anordnung zeigt
Statt an einem an einer Drehachse befestigten Hebel
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