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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spannen und Entspannen der Membran eines Musikinstruments, insbesondere einer Trommel, deren Membran unabhängig vom Trommelkessel in einer Spannvorrichtung vorgespannt ist, welche Anwendung findet für alle Bauarten von Trommeln, wie Schlagzeugtrommeln, Marschtrommeln, Pauken und auch handbetätigte Perkussionsinstrumente, wie Congas oder Bongos.
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Eine Trommel gemäß dem Stand der Technik besitzt sehr viele Nachteile von zum Teil sehr komplexer Natur, welche fast ausschließlich auf die Spannvorrichtungen zum Spannen der Membranen (so genannte Trommelfelle) zurückzuführen sind. Die am weitesten verbreitete Ausführung wird zur Erläuterung dieser Nachteile im Folgenden beschrieben. Eine symbolische, 2-dimensional rotationssymmetrische Darstellung gängiger Spannvorrichtungen für Trommeln beinhaltet 1. Hierbei ist die konventionelle Membran 1 in einen Reifen 2 eingepresst oder eingeklebt, der somit ein Lager darstellt. Die Vorspannung der Membran, und damit eine Änderung der Eigenfrequenz, werden durch Spannschrauben über einen Spannring in den Reifen 2 der Membran 1 eingeleitet, welche symbolisch durch die Kraft F dargestellt werden. Diese stützt sich über so genannte Spannböckchen 3 am Trommelkessel 4 ab. Optimal ist erfahrungsgemäß eine möglichst homogene, mechanische Vorspannung, um einen ästhetischen Klang zu ermöglichen.
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Die Nachteile dieser Spannvorrichtungen lauten:
Das Stimmverfahren ist kompliziert und zeitintensiv, da eine homogene Änderung der Frequenz nur über eine Änderung der Vorspannung aller Spannschrauben möglich ist. Es gibt hierbei ohne Messgeräte keine Anhaltspunkte, welche Schraube wie weit verstellt werden muss.
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Ein Verstimmen der Trommel ist durch das Setzverhalten der mechanischen Elemente der Spannvorrichtung, sowie durch das Temperatur- und Feuchteverhalten aller beteiligten Komponenten und der Relaxation der Membranen üblich und bedingt eine häufige Korrektur der Vorspannung.
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Der Wunsch einer Spannvorrichtung mit einer elektronischen Verstellung und/oder Regelung der Stellgröße „Frequenz” (oder Klang) bedingt demnach eine sehr aufwendige und ungenaue Mehrgrößenregelung. Eine Regelstrecke mit einer einzigen Eingangsgröße und der Ausgangsgröße „Frequenz” wäre vorteilhaft.
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Der Trommelkessel unterliegt einer ungewollten Schwingungsdämpfung aufgrund der an ihn angeschraubten Spannböckchen, Mechanismen, etc. Hierdurch wird das einzige, für den Klang wesentliche Merkmal unterschiedlicher Produkte, nämlich die Konstruktion und der Werkstoff des Trommelkessels, bis zur Unkenntlichkeit unterdrückt. Alle zusätzlich an den Trommelkessel angeschraubten Massen zur Verbesserung anderer Nachteile verschlechtern diesen Aspekt zusätzlich.
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Die Änderung der Frequenz pro Schraubenumdrehung ist viel zu hoch. Demzufolge lässt sich eine Trommel nur sehr unpräzise spannen. Der Grund hierfür ist die viel zu große Übersetzung der Spannschraube. Selbst teilweise verwendete Feingewindeschrauben erreichen nicht die gewünschte Präzision.
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Die Verformung der Spannringe in axialer Richtung zwischen zwei Spannschrauben unter Einfluss der Vorspannkraft sorgt für eine inhomogene Spannung der Membran, die an den Schrauben maximal und mittig zwischen 2 Schrauben minimal ist. Eine Vergrößerung der Schraubenanzahl verringert diesen Effekt, verschlechtert aber zusätzlich den genannten Nachteil der hohen Eigendämpfung.
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Der Trend zu immer dünnwandigeren Trommelkesseln ist durch die Belastungen infolge der Vorspannung der Membranen begrenzt, welche sich vollständig am Trommelkessel abstützt.
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Die Membran als ausgeführtes Trommelfell ist nach ihrem Gebrauch ein für die Verwertung zur Rohstoffgewinnung unvorteilhafter Verbundwerkstoff aus Polyesterfolie, Klebstoff und einem oder mehreren Metallringen.
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Keiner dieser Nachteile wurde bis jetzt durch eine Erfindung verbessert und erfolgreich angewendet, was darin begründet ist, dass immer gleichzeitig eine wesentliche Verschlechterung einer anderen Eigenschaft erfolgte.
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In der
US000006417432 gibt es erfindungsgemäß keinen Kontakt mehr zwischen Trommelkessel und Spannvorrichtung, da durch einen zusätzlichen Ring eine Grundspannung der Membran ohne Trommelkessel ermöglicht wird. Die anderen Nachteile sind jedoch unbeeinflusst. Hinzu kommen die gravierenden Nachteile, dass man die Trommelfelle nicht unabhängig voneinander stimmen kann und dass man das Resonanzfell nicht mehr höher stimmen kann als das Schlagfell, was somit ein Stimmen im wichtigsten Klangspektrum verhindert.
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In der
WO002000042597 gibt es eine pneumatische Verstellung, demnach nur eine Eingangsgröße. Nachteilig ist, dass die von geometrischen Toleranzen abhängige Grundspannung der Membran nicht lokal ausgeglichen werden kann. Eine homogene Fellspannung ist deshalb nur durch erheblichen Fertigungsaufwand möglich. Weiterhin wird die Schwingung des Trommelkessels durch den Kontakt mit dem Schlauch sehr stark gedämpft.
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Die
WO002000043984 beinhaltet eine pneumatische Verstellung für eine Übungstrommel mit uneinheitlichen Ansprüchen, deren Schlauch am Trommelkessel befestigt ist und somit stark dämpfend wirkt. Außerdem ist die gewerbliche Anwendbarkeit bei dieser Ausführung nicht gegeben, da eine Membran nicht die gesamte Trommel umhüllen kann.
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Die
WO002007144706 beinhaltet eine hydraulische Betätigung. Nachteilig ist, dass auf den für einen guten Klang unbedingt erforderlichen Kontakt von Fell und Trommelkessel verzichtet wird. Weiterhin ist die Vorspannung durch die lokale Krafteinleitung über die einzelnen Zylinder prinzipbedingt inhomogen.
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In der
WO001999038150 und
US000005392681 ist erfindungsgemäß ein Pneumatikschlauch in das Fell integriert. Nachteilig ist hierbei, dass die Kraft resultierend aus dem Druck stark reduziert ist, da der Schlauch sich frei nach außen ausdehnen kann und folglich bei vergleichsweise geringem Druck reißt. Außerdem wird der Schlauch nicht optimal genutzt, da er als Aktor physikalisch bedingt nur einen geringen Hub bei hoher Kraft ermöglicht.
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In der
WO001997029479 wird die Vorspannung der Membranen über die Änderung des Durchmessers kegelförmiger Ringe mit Hilfe einer einzigen Spannschraube realisiert, es gibt somit nur eine zu regelnde Größe. Nachteilig hierbei ist die sehr inhomogene Vorspannungsverteilung, die an der Schraube maximal, und diametral zur Schraube minimal ist. Weiterhin wirkt die Verbindung des unteren Rings für den Trommelkessel stark dämpfend, da sie nicht wie üblich punktuell, sondern an dem gesamten Durchmesser anliegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung zu entwerfen, welche alle genannten Nachteile, das komplizierte und unpräzise Stimmverfahren mit mehreren Stellgrößen, die Dämpfung des Trommelkessels, die inhomogene Spannung der Membran, die hohen äußeren Belastungen des Trommelkessels und das schlecht verwertbare Trommelfell, erheblich verbessert oder gänzlich beseitigt.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ergeht aus der symbolischen, 2-dimensional rotationssymmetrischen Darstellung in 2. Die mit F symbolisierte Vorspannkraft wird in die Membran 5 über einen axial verschieblichen, aber radial konzentrisch geführten Druckring 6 eingeleitet, welche sich konzentrisch an einer inneren Lagerstelle 7 und an einer äußeren Lagerstelle 8 abstützt. Die Membran ist zudem radial über einen in axialer Richtung kraftschlüssigen Pressverband 9 fest eingespannt. Diese Anordnung besitzt eine sehr kleines Übersetzungsverhältnis der Kraft F (Aktorkraft/Vorspannkraft) von 0 bis höchstens 2. Sie eignet sich demnach hervorragend für Aktoren mit hoher Kraft und geringem Hub, wie etwa ein Schlauch mit einem Druckmedium.
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Vorteilhaft ist zudem, dass die Membran unabhängig vom Trommelkessel gestimmt werden kann, da sich die Vorspannkraft in den Lagerstellen 7, 8, 9 abstützt und nicht am Trommelkessel. Es besteht somit kein Kontakt zwischen genannter Vorrichtung und dem Trommelkessel, was eine völlig ungedämpfte und obertonreiche Eigenschwingung dessen zulässt. Es wird nur noch eine geringe Anpresskraft benötigt, um die Membran am Trommelkessel aufliegen zu lassen und somit die akustische Kopplung herzustellen.
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Diese Anpresskraft wird mit Hilfe von Verbindungselementen an der gegenüberliegenden Spannvorrichtung des Resonanzfells abgestützt, welche gleich aufgebaut ist. Mit einer Veränderung der Vorspannung des Schlagfells wird die Vorspannung des Resonanzfells also nicht wesentlich verändert. Es ist auch möglich das Resonanzfell höher zu stimmen als das Schlagfell.
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Da die Verbindungselemente nur die geringe Anpresskraft tragen, ist die Verformung der Spannvorrichtung zwischen 2 Verbindungselementen und die damit verbundene inhomogene Spannung der Membran vernachlässigbar gering. Außerdem können aufgrund der geringeren Belastungen dünnwandigere Trommelkessel verwendet werden.
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Zum Aufbringen der Vorspannkraft können unterschiedliche Aktoren zum Einsatz kommen. Ein Schlauch mit einem unter Druck stehenden Medium bietet hierbei den enormen Vorteil einer homogenen Spannung der Membran. Der Stimmvorgang wird zudem über die Stellgröße „Druck” wesentlich vereinfacht und verkürzt, was erstmals eine unkomplizierte sowie präzise Steuerung oder Regelung der Membran-Eigenfrequenz ermöglicht und somit die Gelegenheit bietet ein komplettes Schlagzeug binnen weniger Sekunden umzustimmen.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass toleranzbedingte, inhomogene Spannungen über die Spannschrauben ausgeglichen werden können.
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Vorteilhaft sind zudem die Umweltfreundlichkeit und die geringen Unterhaltungskosten dieser Anordnung durch Verschleiß der Trommelfelle, da die verwendeten Trommelfelle lediglich aus einer kreisrunden Membran mit Löchern für die Spannschrauben und Klemmschraube besteht und somit nicht in einen Ring eingeklebt werden muss.
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Die Anwendbarkeit der Erfindung bietet sich in vielen Möglichkeiten, beispielsweise einer einfachen, manuell verstellbaren Spannvorrichtung, oder die Realisierung des ersten akustischen Schlagzeugs, welches man elektronisch stimmen kann und somit keine Einstellung von Spannschrauben, sondern den gewünschten Klang als Einstellmöglichkeit bietet. Weiterhin ist es hiermit möglich, eine Regelung der Regelgröße Membran-Eigenfrequenz zu realisieren, um einem Verstimmen des Schlagzeugs automatisch entgegenzuwirken.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert:
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1 zeigt eine symbolische Darstellung einer konventionellen Spannvorrichtung.
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2 zeigt eine symbolische Darstellung des Erfindungsprinzips.
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3a zeigt das erste Ausführungsbeispiel in Draufsicht mit Lage der Schnittansicht.
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3b zeigt die Schnittansicht und Detailansichten des ersten Ausführungsbeispiels.
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4 zeigt die Detailansicht X aus 3b.
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5 zeigt die Detailansicht Y aus 3b.
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6 zeigt die Detailansicht X des zweiten Ausführungsbeispiels.
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7 zeigt eine räumliche Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels.
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Das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus einer Anordnung von Trommelkessel 4 und zwei Spannvorrichtungen, der Spannvorrichtung des Schlagfells 10 und der Spannvorrichtung des Resonanzfells 11. Diese beinhalten jeweils mindestens eine kreisrunde Membran 5 und sind mit mehreren, parallel zur Achse des Trommelkessels verlaufenden Spannschrauben 12 und entsprechenden Säulen 13 von beiden Seiten gegen die planaren, offenen Seiten des Trommelkessels 4 verspannt. Es besteht ein Kontakt zwischen den beiden Membranen 5 und dem Trommelkessel 4.
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Die Spannvorrichtungen 10, 11 weisen jeweils mehrere Klemmschrauben 14 auf, die einen oberen Spannring 15 und einen unteren Spannring 16 verbinden, und demnach einen Pressverband 9 für die Membran 5 bilden. In den Spannvorrichtungen befindet sich ein konzentrischer Druckring 6, eine konzentrische innere Lagerstelle 7 der Membran, eine konzentrische äußere Lagerstelle 8 der Membran, ein Druckmedium 17 in einem konzentrischen Druckschlauch 18, der beispielsweise in einer konzentrischen Nut in dem unteren Spannring so angeordnet ist, dass nur eine axiale Ausdehnung in Richtung des Druckrings zugelassen wird. Weiterhin weisen die Spannvorrichtungen zwischen Druckschlauch und Druckring einen inneren Stützring 19 und einen äußeren Stützring 20 auf.
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Zwischen dem unteren Spannring 15 und den Säulen 13 ist mindestens eine Tellerfeder 21 angeordnet. Ein Anschluss 22 befindet sich jeweils im unteren Spannring 16 und verbindet das Druckmedium 17 in dem Druckschlauch 18 mit einer nicht weiter dargestellten Versorgungsquelle.
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Die definierte Anpresskraft, welche die Spannvorrichtungen 10 und 11 über die Spannschrauben 12 und die Säulen 13 definiert gegen den Trommelkessel 4 presst ist nur dazu da, um den Kontakt zwischen den Membranen 5 und dem Trommelkessel zu gewährleisten.
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Die eigentliche Vorspannung der Membranen zur Erzeugung des gewünschten Klangs ist unabhängig von dem Kontakt zwischen Trommelkessel und den Membranen. Die Vorspannung der Membranen ist durch deren Anordnung in den Spannvorrichtungen 10, 11 selbst gegeben. Hierzu ist jeweils die Membran 5 mit mehreren Klemmschrauben 14 zwischen dem oberen Spannring 15 und dem unteren Spannring 16 zu einem kraftschlüssigen Pressverband 9 verschraubt und somit radial fixiert.
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Die Kraft zur gesteuerten Vorspannung der Membran ist abhängig von dem Druck des Druckmediums 17 in dem Druckschlauch 18, indem eine Vergrößerung des Drucks eine Ausdehnung des Druckschlauchs und damit eine Kraftwirkung auf den axial verschieblichen, aber radial konzentrisch geführten Druckring 6 ausübt, welcher in einem beispielhaften Linienkontakt eine Kraftwirkung auf die Membran 5 ausübt, welche demzufolge an der konzentrischen, inneren Lagerstelle 7 und an der konzentrischen, äußeren Lagerstelle 8 anliegt und demgemäß eine Kraftübersetzung mit einem Übersetzungsverhältnis erfolgt, welches einen Betrag kleiner als 1 besitzt. Einer bestimmten Wegänderung des Druckschlauchs 18 folgt demnach eine größere Wegänderung der Membran 5. Der Druckschlauch dehnt sich zwingend in Richtung des Druckrings aus, da der Druckschlauch innenseitig, außenseitig und auf der dem Druckring gegenüberliegenden Seite durch den unteren Spannring 16 begrenzt ist.
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Ein insbesondere innerer Stützring 19 und ein insbesondere äußerer Stützring 20 verhindern eine Spaltextrusion des Druckschlauchs 18 zwischen dem unteren Spannring 16 und dem Druckring 6. Diese Maßnahme ist bei geringen Vorspannungen und/oder hohen Schlauchfestigkeiten, sowie sehr geringen Spaltmaßen zwischen Druckring und unterem Spannring nicht zwingend erforderlich.
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Es besteht kein Kontakt zwischen den Spannvorrichtungen 10, 11 und dem Trommelkessel 4, dessen konzentrische Position über die gegenseitige Verspannung der Spannvorrichtungen oder über nicht näher dargestellte Distanzstücke zwischen unterem Spannring 16 und Trommelkessel, die vorteilhafter Weise aus Filz bestehen, um den Trommelkessel nicht zu dämpfen.
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Die Spannschrauben 12 ermöglichen außerdem einen Ausgleich von geometrischen Fertigungstoleranzen des Trommelkessels 4 und dessen inhomogenem Verformungsverhalten bezüglich Feuchte- und Temperaturänderungen. Die geringe Vorspannkraft der Spannschrauben 12 erfordert aufgrund der dynamischen, äußeren Belastungen während der Betätigung bekannte und nicht näher genannte Maßnahmen zur Schraubensicherung, wie die hier beispielhaft verwendete Tellerfeder 21. Die Spannschrauben 12 sind beispielhaft im Wechsel und in gleichem Abstand mit den Klemmschrauben 14 angeordnet.
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Die Schnittstelle des Druckschlauchs 18 zur Quelle des Druckmediums 17 ist beispielhaft über einen nicht näher dargestellten Anschluss 22 realisiert. Eine nicht näher dargestellte Halterung zur Befestigung der gesamten Trommel ist vorteilhafter Weise mit den Säulen 13 verbunden, um den Vorteil der ungedämpften Schwingung des Trommelkessels zu gewährleisten.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich gegenüber dem ersten nur im Aufbau des Aktors. Anstelle des Druckschlauchs sind hier Gewindestifte 23 beispielsweise in den oberen Spannring 15 geschraubt, und stirnseitig mit dem Druckring 6 verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- konventionelle Membran
- 2
- Reifen
- 3
- Spannböckchen
- 4
- Trommelkessel
- 5
- Membran
- 6
- Druckring
- 7
- innere Lagerstelle
- 8
- äußere Lagerstelle
- 9
- kraftschlüssiger Pressverband
- 10
- Spannvorrichtung des Schlagfells
- 11
- Spannvorrichtung des Resonanzfells
- 12
- Spannschraube
- 13
- Säule
- 14
- Klemmschraube
- 15
- oberer Spannring
- 16
- unterer Spannring
- 17
- Druckmedium
- 18
- Druckschlauch
- 19
- innerer Stützring
- 20
- äußerer Stützring
- 21
- Tellerfeder
- 22
- Rohranschluss
- 23
- Gewindestift
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 000006417432 [0012]
- WO 002000042597 [0013]
- WO 002000043984 [0014]
- WO 002007144706 [0015]
- WO 001999038150 [0016]
- US 000005392681 [0016]
- WO 001997029479 [0017]
