DE102015006322A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Grundfrequenz der Stimme eines Benutzers - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung, zur Bestimmung der Grundfrequenz der Stimme eines Benutzers mittels einem elektroakustischen Körperschallwandler, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallwandler eingerichtet ist, am Körper des Benutzers ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mindestens einen physikalischen Parameter des von den Stimmbändern des Benutzers erzeugten Körperschalls repräsentiert, und eine Weiterführung des elektrischen Signals an eine Elektronik zur schnellstmöglichen numerischen Bestimmung der Grundfrequenz des Körperschalls aufweist. Zweck der Vorrichtung ist, das Musizieren dadurch zu vereinfachen, dem Benutzer die Kontrolle elektronischer Musikinstrumentenklänge durch seine Stimme, insbesondere durch das Singen zu ermöglichen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schnellstmöglichen Bestimmung der Frequenz der Stimme eines Benutzers unter Verwendung eines elektroakustischen Körpeschallwandlers mit nachgeschalteter Elektronik.
• Musik ist fester Bestandteil der Kultur des Menschen. In seiner Kulturgeschichte hat der Mensch eine Vielzahl von Musikinstrumenten erfunden und weiter entwickelt. Aber auch Vorrichtungen zur Verstärkung oder Ausrichtung von Schall waren immer Teil dieser Entwicklung. Weiterentwicklungen der jüngeren Zeit nutzen die physikalischen Eigenschaften der Elektromechanik um akustische Klänge in elektrische Schwingungen zu verwandeln. Bekannte Beispiele dafür sind Mikrofone. Im Gegensatz zum normalen Mikrofon, welches, wie auch das menschliche Ohr, Schallwellen in der Luft erfasst, ist der Körperschallwandler (auch Tonabnehmer, Körperschallmikrofon oder Kontaktmikrofon genannt), dazu eingerichtet Schall zu erfassen der sich in einem Festkörper ausbreitet. Bekannte Beispiele für Körperschallwandler sind verschiedene Arten von Tonabnehmern für akustische Musikinstrumente, insbesondere aber auch das sogenannte Kehlkopfmikrofon und das Schädeldeckenmikrofon. Diese sind im eigentlichen Sinne keine Mikrofone, da sie nicht auf die Schallwellen in der Luft reagieren, sondern Tonabnehmer, die den Schall der Stimmbänder direkt als Körperschall an der Kehle oder Schädeldecke abnehmen. Der entscheidende Vorteil dieser Tonabnehmer besteht darin störende Außengeräusche zu unterdrücken. Kehlkopfmikrofone wurden beispielsweise schon im Zweiten Weltkrieg dazu benutzt um die Sprachverständigung über Radio im Inneren sehr lauter Flugzeuge oder Panzer zu verbessern oder sogar erst zu ermöglichen.
• Die Weiterentwicklung der Musikelektronik der letzten Jahrzehnte, gestattet es, durch eine Vielzahl elektronischer Vorrichtungen, rein elektronische Klänge zu erzeugen. Darüberhinaus ist es auch möglich akustische Klänge elektronisch zu erfassen und zu manipulieren. Bekannte Beispiele dafür sind elektrische Gitarren, eine Vielzahl an Klangbearbeitungsgeräten, aber auch die rein elektronische Klangerzeugung von Synthesizern, elektronischen Orgeln oder sogenannten Samplern.
• Alle modernen elektronischen Musikinstrumente arbeiten vorzugsweise mit schnellstmöglicher Wirkung, d. h. mit einer Latenzzeit kürzer insbesondere als dreizehn Millisekunden. Es ist bekannt, dass zwei akustische Ereignisse, die weniger als dreizehn Millisekunden auseinanderliegen, vom Menschen als gleichzeitig, also als ein akustisches Ereignis, wahrgenommen werden.
• Auch die Bedienungselemente der Musikinstrumente, wie z. B. Saiten oder Tasten, sind im Rahmen dieser Weiterentwicklung durch elektronisch erfasste Sensoren verschiedenster Art ergänzt worden. Durch die Möglichkeit, elektronische Vorgänge auch abspeichern zum können, ergeben sich wiederum neue Möglichkeiten, wie zum Beispiel die, die Tastendrücke eines Pianisten beim Spielen eines Musikstückes aufzunehmen und in der zeitlich richtigen Folge abzuspeichern (MIDI Sequenzer Technologie). Mit diesen Daten kann das besagte Musikstück nicht nur wiedergegeben werden, sondern es ist auch möglich es sehr weitgehend zu manipulieren, aber auch eventuelle Fehler zu korrigieren. Darüber hinaus kann es dann nicht nur mit dem Originalklang, sondern auch mit einem völlig anderen Klang, wiedergegeben werden. Für heutige Musiker sind diese Optionen selbstverständlich.
• Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass Musikinstrumente, um sie spielen zu können, immer noch einiges an Übung erfordern. Obwohl das „schöne” Singen ebenfalls viel Übung erfordert, ist doch jeder Mensch unmittelbar in der Lage eine Melodie zu singen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur schnellstmöglichen Erzeugung numerischer Daten zu schaffen, die dem Benutzer das Musizieren dadurch erleichtert, dass der Benutzer seine Stimme, insbesondere das Singen, mittels der numerischen Daten zur tonalen und expressiven Kontrolle beliebiger elektronischer Klänge einsetzen kann. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage sein, dies auch in einer sehr lauten Umgebung befriedigend zu gewährleisten.
• Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt schnellstmöglich, d. h. mit einer Latenzzeit vorzugsweise unter dreizehn Millisekunden, numerische Daten die den Parametern der Grundfrequenz der Stimme des Benutzers entsprechen. Optional werden auch entsprechende numerische Daten der Lautstärke besagter Stimme erzeugt. Aus Gründen der einfacheren Handhabung wird die Bestimmung der Grundfrequenz und Lautstärke digital von einem elektronischen Prozessor mit entsprechender Software erledigt. Dazu wird das zunächst analoge Signal des Schallwandlers digital konvertiert. Von dem nun digitalisierten Signal wird optional die Lautstärke, d. h. die maximale Amplitude und Wellenenergie, ermittelt. In jedem Fall wird die Periodendauer der erfassten Schwingung der Stimmbänder berechnet. Dies geschieht mittels eines asymmetrisch-adaptiven Schmitt-Triggers mit vorgeschaltetem Tiefpass Filter, einer sequentiellen Zeitmessung der vom Schmitt-Trigger erzeugten Impulse und einem nachgeschalteten Algorithmus der die Plausibilität des Resultates der Zeitmessung überprüft. Wird die Plausibilität der ermittelten Daten als gültig erkannt, können die ermittelten Daten zur weiteren Verwendung weitergegeben werden. Insbesondere um den gesungenen Ton nicht durch anderen Schall aus der Umgebung zu verändern – mit von außen eindringendem Schall zu vermischen – werden Körperschallwandler eingesetzt. Gegenüber konventionellen Mikrofonen, die den Schall aus der Luft abnehmen, haben Körperschallwandler erfindungsgemäß den Vorteil störende Geräusche aus der Umwelt weitgehend zu isolieren und vorzugsweise nur den gewünschten Körperschall der Stimmbänder zu erfassen.
• Von Vorteil ist, dass diese numerischen Daten entweder in ein entsprechend standardisiertes Format umgewandelt werden, wie zum Beispiel das MIDI Protokoll, oder auch direkt, in ihrer ursprünglichen Form, genutzt werden können. In beiden Fällen werden sie angewendet um Klänge eines elektronischen Tonerzeugers (zum Beispiel eines Synthesizers oder Samplers) tonal und/oder expressiv zu steuern. Der Benutzer kann dadurch einen beliebigen Klang als Musikinstrument benutzen, in dem er die zu spielende Melodie singt. Die resultierende Tonlage der Melodie kann von der Tonlage der Stimme völlig unabhängig gemacht werden (Transposition), was dem Benutzer erlaubt auch Töne einen oder mehrere Halbtonschritte oder auch ganze Oktaven höher oder tiefer zu ”spielen” als seine Stimme tatsächlich singt. Dies könnte zum Beispiel benutzt werden um Musikinstrumente zu emulieren, deren tonaler Umfang tatsächlich außerhalb des Stimmumfangs des Benutzers liegt, wie z. B. einen Kontrabass oder eine Piccoloflöte. Darüber hinaus ist auch eine sofortige Korrektur der Intonation des Benutzers möglich, was das Singen von ”falschen” Noten, d. h. Frequenzen die den Frequenzen der Noten des Notensystems nicht genau entsprechen, verhindert, beziehungsweise korrigiert. Dies ermöglicht auch dem ungeübten Sänger eine präzise Intonation und/oder das Vermeiden von Noten die nicht zur gespielten Tonart passen. Weiterführend kann der Benutzer auch die intuitive Expressivität seiner Stimme nutzen um verschiedenste Klangparameter zu beeinflussen. Durch die Verwendung von Körperschallwandlern statt konventionellen Mikrofonen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in sehr lauter Umgebung (zum Beispiel auf einer Bühne während eines Konzerts) benutzt werden.
• Die Vorrichtung weist erfindungsgemäß, entsprechend Patentanspruch 1 und 2, einen oder mehrere Körperschallwandler auf, die eingerichtet sind die Schwingungen der Stimmbänder des Benutzers zu erfassen. Gemäß Patentanspruch 5 kann dies an der Kehle, aber auch am Hals, am Genick, am Schädel oder an den Zähnen des Benutzers erfolgen. Auch eine beliebige Kombination mehrerer Körperschallwandler an den genannten Körperstellen ist erfindungsgemäß. Die Körperschallwandler können verschiedenste Konstruktionsmerkmale aufweisen, wie im Patentanspruch 4 angegeben. Die Elektronik zur Bestimmung der Grundfrequenz der Stimme des Benutzers, kann erfindungsgemäß, nach Patentanspruch 3, auch die Lautstärke der Stimme des Benutzers als nutzbaren Parameter verwerten. Die Elektronik zur Bestimmung der Grundfrequenz der Stimme des Benutzers, kann erfindungsgemäß die Daten der Grundfrequenz manipulieren um zum Beispiel die Intonation des Benutzers zu korrigieren. Auch können die ermittelten Noten transponiert werden, oder als Ausgangspunkt genutzt werden für eine Tonart-gemäße Korrektur, Harmonisierung oder der Erzeugung eines der Harmonisierung entsprechenden Arpeggios (Patentanspruch 6). Nach Patentanspruch 7, kann die Erfindung die ermittelten Daten auch benutzen um externe Vorgänge zu beeinflussen. Zum Beispiel entspräche dies, bei der Konvertierung der Daten entsprechend dem MIDI Protokoll, dem Einsatz der Erfindung als sogenannter MIDI-Controller. Patentanspruch 8 grenzt die Benutzung der Erfindung gegenüber sprachanalytischen Erfindungen ab. Die Erfindung dient ausschließlich musikalischen Zwecken. Insbesondere weist die Erfindung, entsprechend Patentanspruch 9, keine Eignung auf, um körper-interne Klänge, wie z. B. Herzschlag, Lungen- oder Darmgeräusche, hörbar zu machen oder in irgendeiner Form zu analysieren. Die Erfindung ist kein elektrisches oder elektronisches Stethoskop. Nach Patentanspruch 10, kann, durch einen vorzugsweise an mindestens einem Körperschallwandler angebrachten Sensor (auch Druckschalter), ermittelt werden ob der Körperschallwandler tatsächlich am Körper anliegt und daher erfindungsgemäß verwendet werden kann.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung 1 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise ausgeführt sein um vom Benutzer in einer Hand gehalten zu werden. Es ist eine Ausführung vorstellbar, die ein flaches Gehäuse 4, ähnlich einem Mobiltelefon aufweist. Der Körperschallwandler wäre in einem rohrförmigen Fortsatz 2, auf einer kuppelförmigen Endung 1 montiert, wobei diese Endung durch eine Weichgummihalterung 3 akustisch vom Rest des Gehäuses isoliert ist. Die kuppelförmige Endung 1 wird vom Benutzer sanft gegen dessen Kehle gedrückt. Wenn der Benutzer singt, werden die Schwingungen seiner/ihrer Stimmbänder vom Körperschallwandler erfasst und an die eingebaute Elektronik weitergeleitet. Am flachen Teil des Gehäuses 4 könnten mehrere Bedienungselemente der Elektronik angebracht sein, zum Beispiel Druckknöpfe, die es dem Benutzer erlauben zwischen verschiedenen Klängen zu wählen oder Klangparameter und Funktionsparameter manuell zu beeinflussen. Eine optische Anzeige bestehend aus drei LEDs 5, sowie ein grafisches Display 6 erlauben dem Benutzer eine visuelle Kontrolle aller wichtigen Einstellungen. Anschlüsse 7, für zum Beispiel den Audioausgang eines im Gerät eingebauten Klangerzeugers, MIDI oder USB, vervollständigen die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Grundfrequenz der Stimme eines Benutzers mittels einem elektroakustischen Körperschallwandler, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallwandler eingerichtet ist, am Körper des Benutzers ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mindestens einen physikalischen Parameter des von den Stimmbändern des Benutzers erzeugten Körperschalls repräsentiert, und eine Weiterführung des elektrischen Signals an eine Elektronik zur schnellstmöglichen numerischen Bestimmung der Grundfrequenz des Körperschalls aufweist.
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektroakustische Körperschallwandler benutzt werden um das elektrische Signal zu erzeugen.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik zur schnellstmöglichen numerischen Bestimmung der Grundfrequenz auch die numerischen Daten der Lautstärke des Körperschalls zeitgleich ermittelt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektroakustische Körperschallwandler ein elektromagnetischer, elektrodynamischer, elektrostatischer, piezoelektrischer, piezoresistiver, granulatresistiver oder magnetostrictiver Körperschallwandler ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektroakustische Körperschallwandler den Körperschall der Stimmbänder an der Kehle, am Hals, am Schädel und/oder den Zähnen abnimmt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik die ermittelten Daten der Grundfrequenz und Lautstärke analysiert, möglicherweise korrigiert, möglicherweise manipuliert und dann diese Daten zur internen und/oder externen Re-Synthese des Schalls benutzt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik die ermittelten Daten der Grundfrequenz und Lautstärke zur Manipulation extern vorhandener Daten benutzt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik keine Daten der akustischen Formanten des von den Stimmbändern erzeugten Körperschalls ermittelt und dadurch nicht zu phonetischer Analyse eingerichtet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der, oder die, elektroakustischen Körperschallwandler ausschließlich eingerichtet sind, den von den Stimmbändern erzeugten Körperschall zu erfassen.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor erfasst ob mindestens einer der elektroakustischen Körperschallwandler über einen ausreichenden physischen Kontakt zum Körper des Benutzers verfügt um erfindungsgemäß funktionieren zu können.

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