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Schaltungsanordnung zur Klangerzeugung für ein elektronisches Musikinstrument
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Klangerzeugung für ein
elektronisches Musikinstrument, bei dem diese durch eine der Anzahl der Tasten bzw.
Klänge entsprechende Zahl von Tonfrequenzgeneratoren mit komplexer Wellenforrn erfolgt
und der Oberschwingungsgehalt der Tonfrequenzausgangsspannung durch Filterschaltungen
beinflußt wird.
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Es ist bekannt, Klänge künstlich über Schwingungen, die reich an Oberschwingungen
sind, subtraktiv zu erzeugen. Jeder Klang läßt sich dann in Teilbereichen filtern,
um zu einem gewünschten Anteil an Oberschwingungen zu gelangen, so daß alle beliebigen
Klänge nachgeahmt werden können. Dazu ist jedoch eine ziemlich große Anzahl von
Filtern notwendig. Falls jede Note bzw. jede Taste in dei Lage sein soll, entsprechende
Klänge verschiedener Musikinstrumente nachzuahmen, beispielsweise die verschiedenen
Stinunen einer Orgel, so vervielfacht sich die Anzahl der erforderlichen Filter.
Geeignete Filteranordnungen sind teuer und beanspruchen beträchtlichen Raum. Demzufolge
waren elektronische Orgeln bisher im allgemeinen ziemlich groß und teuer, von minderer
Qualität oder enthielten nur eine beschränkte Anzahl von spielbaren Stimmen. Es
ist daher ein Ziel der Erfindung, ein elektronisches Musikinstrument mit einer relativ
kleinen Anzahl von Klangfiltern zu schaffen, von denen jedes für eine Gruppe von
Noten oder Tasten wirksam ist, so daß sich die erforderliche Anzahl von Filtern
verringert.
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Erfindungsgemäß sind dieTonfrequenzgeneratoren in Gruppen von
je einer halben Oktave zusammengefaßt und jede Gruppe ist mit einem für diesen
Tonbereich durchlässigen Bandfilter verbunden, das aus wenigstens zwei in bekannter
Weise festgekoppelten Kreisen besteht, so daß der Durchlaßbereich des Filters zwei
Höcker aufweist, deren Abstand im wesentlichen gleich der halben Oktave der Grundschwingungen
der betreffenden Gruppe der Tonfrequenzgeneratoren ist, und daß die Filterkurve
am oberen Ende einen steilen Abfall und am unteren Ende einen allmählichen Abfall
besitzt.
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Ferner wird durch die Erfindung ein elektronisches Musikinstrument
mit Filtern angegeben, von denen jedes die Grundschwingungen einer ganzen Anzahl
von Klängen mit ungefähr gleicher Intensität liefert und im wesentlichen die Oberschwingungen
sämtlicher dieser Töne eliminiert.
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Es soll schließlich erreicht werden, daß in dem elektronischen Musikinstrument
eine Anzahl von Filtern im wesentlichen die harmonischen Oberschwingungen bestimmter
Tongruppen eliminieren, um Flötenklänge zu erzeugen, und in dem sämtliche Klänge
des Instruments wahlweise nur bestimmten Filtern zugeführt werden, um zusätzliche
Orgelstimmen mit Hilfe eines verschobenen Oberschwingungsaufbaus zu erzeugen.
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Die Filter des elektronischen Musikinstrumentes sollen ferner jeweils
einen vorbestimmten, ziemlich breiten Ansprechbereich mit einer relativ scharfen
Grenzkennlinie am oberen Ende des Bereiches und einem relativ weniger scharf begrenzten
Trenn- oder Abschaltpunkt im unteren Ansprechbereich besitzen.
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Zur Veranschaulichung der Erfindung werden im folgenden Ausführungsbeispiele
an Hand der Zeichnungen näher beschrieben, und zwar zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild
eines Musikinstrumentes gemäß der Erfindung, F i g. 2 ein Schaltbild eines
Teils des Instrumentes, F i g. 3 ein Schaltbild eines der Filter mit dessen
Eingangs- und Ausgangsseite, F i g. 4 eine Frequenzwiedergabekurve für eines
der Filter, F i g. 5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform
des Filters und F i g. 6 ein Schaltbild für eine andere Filter-Ausführungsform.
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Wie im einzelnen aus den Zeichnungen hervorgeht, ist in F i
g. 1 eine Anzahl von Klanggeneratoren 10
angedeutet. Die Generatoren
können beliebiger Bauart sein und erzeugen eine an Oberschwingungen reiche Welle.
In dem Ausführungsbeispiel sind achtundvierzig Klanggeneratoren vorgesehen. Diese
sind
in acht Gruppen zu jeweils sechs Tönen unterteilt, und die
einzelnen Gruppen besitzen die BezugszeichenI bis VIII. Wie der Fachmann erkennt,
umfassen die Gruppen zu sechs Tönen eine halbe Oktave von Halbtönen.
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Jeder Generator10 ist im einzelnen über einen entsprechenden Schalter12
an einen Verbindungspunkt 14 geführt. Diese Schalter sind normalerweise offen. Sämtliche
Verbindungspunkte 14 sind über gleiche Kondensatoren an eine gemeinsame Sammelleitung
oder -schiene 18 geführt, die im einzelnen weiter unten beschrieben ist.
Die Verbindungspunkte 14 sind in der beschriebenen Sechs-Tongruppe außerdem über
-entsprechenden Kondensatoren 20 in acht Sammelleitungen oder -scbienen 22 geführt,
die ihrerseits mit Kontakten 24 in Verbindung stehen. Die Sammelleitun 'gen 221
und die Kontakte 24 sind über Kondensatoren 26 an Erde geführt. An sämtlichen
Kontakten 24 liegt normalerweise ein gemeinsamer bewegbarer Arm 28 an, der
schematisch in F i g. 1
angedeutet ist und an Stelle einer Anzahl miteinander
gekuppelter Arme steht. (Der Aufbau dieser Figur macht es unmöglich, den Arm 28
als einen gemeinsamen Arm für sämtliche Kontakte 24 darzustellen.) Der Arm
28 ist geerdet. Solange ein Schalter 28 aeschlossen ist, wird daher jede
an der Stelle 24 auftretende Schwingung zur Erde abgeleitet. Sämtliche Schalter
28 sind miteinander gekuppelt und bilden ein Flötenregister.
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Die ortsfesten Schaltkontakte 24 sind jeweils über Widerstände
30 mit Filtern 32 verbunden. Es sind acht derartige Filter Nr.
1 bis 8 vorgesehen. Sämtliche Filter sind an ihrer Ausgangsseite an
eine gemeinsame Sammelleitung 34 geführt. Diese Sammelleitung ist wiederum mit einem
Verstärker 36 verbunden, der an einen Lautsprecher 28 geführt ist. Sämtliche
vorgenannten Bauteile sind vorzugsweise in einem Orgelgehäuse entsprechend der Darstellung
befestigt. Die Filter 32 sind ziemlich scharf abgestimmt, wobei ihre Kennlinie
auf der hohen Seite des abgestimmten Bereiches sehr schnell abfällt, so daß im wesentlichen
die Oberschwingungen eliminiert werden und damit ein Flötenklang erzeugt wird.
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Den Filtern Nr. 1 bis 4 wächst eine zweifache Aufgabe zu. Die
Sammelleitung 18 ist über eine Leitung 40 mit einem feststehenden Schaltkontakt
42 eines Oboen-Registers und mit einem feststehenden Schaltkontakt 44 eines Trompeten-Registers
verbunden. Der Oboen-Register-Schalter enthält ferner einen beweglichen Schaltarm
46, der in seiner Ruhela ge an einem geerdeten, feststehenden Schaltkontakt 48 anliegt.
Der Schaltarm 46 ist über einen Widerstand 50 mit Erde verbunden und über
einen Widerstand 52 zum Filter Nr. 1 der Filter 32 geführt
sowie über einen Widerstand 54 mit dem Filter Nr. 3 verbunden.
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Der Trompeten-Register-Schalter enthält ferner einen beweglichen Schaltarm
56, der normalerweise mit einem geerdeten, feststehenden Kontakt
58 im Eingriff steht und über einen Widerstand 60 an Erde geführt
ist.
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Der bewegliche Schaltarm 56 ist über einen Widerstand
62 mit dem Filter Nr. 2 der Filter 32 sowie über einen Widerstand
64 mit dem Filter Nr. 4 verbunden.
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In F i g. 1 wurden zum Zwecke der übersichtlicheren Darstellung
verschiedene Vereinfachungen vorgenommen, wie es sich aus dem in F i g. 2
ausführlieh dargestellten Steilschaltbild ergibt. In F i g. 2 liegen die
Einegangsverbindungen von den Generatoren zu den Filtern und dem zugeordneten Aufbau
in Sechsergruppen, die durch Dreiecke 66 angedeutet sind. Diese Leitungen
sind über Kondensatoren 26
an Erde geführt. Die feststehenden Kontakte 24
sind in Wirklichkeit nicht direkt mit dem geerdeten Schaltarm 28 wie in F
i g. 1 verbunden, sondern über Drähte 68 an bewegliche Kontakte 70 geführt,
die auf einer Flöten-Register-Platte 72 befestigt sind. Sämtliche Kontakte
70 stehen normalerweise im Eingriff mit einem einzelnen feststehenden geerdeten
Kontakt 28 und können von diesem wegbewegt werden, wenn die Flöten-Reggister-Platte
72 von Hand betätigt wird.
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Die Verbindungsstellen oder die feststehenden Schaltkontakte 24 sind
über Widerstände 30 jeweils an die Steuergitter 74 von Vakuumtrioden
76 geführt. Es sind acht derartige Triodenröhrenabschnitte vorgesehen, die
zweckmäßigerweise jeweils aus einer halben Doppeltriode (z.B. 12AX7) bestehen. Der
übersichtlichkeit halber sind diese Röhren in F i g. 1
nicht eingezeichnet.
Die Kathode 78 aus jedem Triodenabschnitt ist über einen Widerstand
80 geerdet, während die Anode 82 mit der Eingangsseite des entsprechenden
Filters 32 verbunden ist.
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Sämtliche Filter 32 besitzen den gleichen Aufbau, obwohl sie
sich ihren Werten nach unterscheiden. Der Eingangsweg zu einem Filter von der entsprechenden
Röhre 76 verläuft über einen Widerstand 84, der an einen Verbindungspunkt
86 angeschlossen ist. Der Punkt 86 ist über eine veränderbare Induktivität
88 mit einem Punkt 90 verbunden, der seinerseits über eine veränderbare
Induktivität 92 mit einem Filterausgangspunkt 94 in Verbindung steht. Der
Punkt 94 ist über einen Widerstand 96 an eine Sammelleitung 98 geführt,
die mit dem Kabel 34 in Verbindung steht, das aus einer abgeschirmten Leitung besteht.
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Sämtliche Punkte 86 sind ferner jeweils über einen Kondensator
100 an einen Punkt 102 geführt. Der Punkt102 ist über einen weiteren Kondensator
104 mit dem Punkt 94 verbunden. Der Punkt 102 ist außerdem über eine veränderbare
Induktivität 106 mit dem Punkt 90 verbunden. Der Punkt 106
ist in sämtlichen Fällen ferner an eine Sammelleitung 108 mit positiver Spannung,
z. B. mit einer Spannung von -' 260 Volt angeschlossen, die das Anodenpotential
für die Röhren 76 bildet.
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Die Widerstände 84 bilden einen Teil der Röhrenschaltung, der zur
Verstärkung und Isolierung vorgesehen ist, während die Widerstände 96 zur
Isolation dienen. Jeder Filter umfaßt die Induktivitäten 88, 94 und
106 sowie die Kondensatoren 100 und 104. Die Induktivitäten
88 und 89 sind nicht induktiv miteinander gekoppelt, während die induktive
Kopplung in dem Filter über die Induktivität 106
erfolgt.
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Die Ersatzschaltung des Filters 32 ist in F i g. 3
gezeigt,
in der sich erkennen läßt, daß die Ausgangsschwingung des Generators 10 einen
sägezahnförmigen Verlauf 110 besitzt. Der Filter wandelt diesen Schwingungsverlauf
in eine reine Sinuswelle 112 um, wobei sich dieser Vorgang am besten unter Beachtung
der Frequenzwiedergabekurve für die Filter in F i g. 4 verstehen läßt.
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Diese Empfindlichkeitskurve, mit der Bezugsziffer 114 versehen, besitzt
zwei Höcker und entspricht damit
in ihrem Verlauf etwa einer Kurve
eines zu stark gekoppelten Resonanztransformators. Wie sich erkennen läßt, beträgt
die Differenz zwischen der Amplitude der Mittelfrequenz 116 und der Amplitude
des unteren Höckers 118 und des oberen Höckers 120 weniger als 2 db. Der
an der Stelle 122 angegebene Frequenzbereich zwischen den beiden Hökkern stellt
somit den Frequenzbereich der Grundschwingungen der jedem Filter zugeführten sechs
Töne dar. Das Ansprechverhalten auf die Grundschwingungen dieser sechs Töne ist
daher im wesentlichen gleich. Die Empfindlichkeitskurve fällt an der Stelle 124
sehr scharf ab; man erkennt, daß an einem Punkt 126, der bei dem halben Wert
der Mittelfrequenz 116 liegt, die Kurve 28 db unter dem Bezugspunkt
liegt, d. h. 26 db unter der Mittelfrequenz. Somit sind in sämtlichen
praktischen Fällen die zweite Harmonische und damit auch sämtliche höheren Frequenzen
ausgeschieden. Selbst wenn man die Frequenz an dem ersten Höcker 118 betrachtet,
liegt die zweite Harmonische wenigstens 20 db darunter, so daß sich eine noch günstigere
Situation bezüglich der Frequenz an dem zweiten Höcker 120 ergibt. Auf diese Weise
wird ein sehr echter Flötenklang erzeugt.
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Wie oben beschrieben, sind die Trompeten- und Oboen-Register ebenfalls
mit bestimmten Filtern verbunden. In F i g. 2 deutet der Kreis 40 den Anschlußdraht
40 aus F i g. 1 an. Der Schaltarm 46 wird von einer Oboen-Register-Platte
128 bewegt, während der Schaltarm 56 von einer Trompeten-Register-Platte
130 bewegt wird. Die Widerstände 52 und 54, die in der Zuleitung des
Oboen-Register-Schalters liegen, sind an die Gitter von Trioden 76 geführt,
denen erste und dritte Filter zugeordnet sind. In gleicher Weise sind die von dem
Trompeten-Register-Schalter herkommenden Widerstände 62 und 64 an die Gitter
74 der Trioden 76 geführt, denen zweite bzw. vierte Filter zugeordnet sind.
Wenn von den Oboen- und Trompeten-Registern das eine oder beide gespielt werden,
so werden sämtliche erzeugten Töne zwei Kombinationen von jeweils zwei Filtern zugeführt.
Es leuchtet ein, daß der größte Bereich sämtlicher gespielten Töne aus dem normalen
Ansprechbereich 122 eines gegebenen Filters herausfällt. Es könnte erwartet werden,
daß die unter den ersten Höcker der Wiedergabekurve eines Filters fallenden Töne
stark gedämpft werden. Dies ist jedoch nicht der Fall. Die Grundschwingung und möglicherweise
einige der Oberschwingungen werden abgeschnitten, während jedoch einige der Oberschwingungen
im Bereich der Kurvenhöcker durch den Filter hindurchgelangen. Demzufolge ist die
erscheinende Intensität ungefähr die gleiche, jedoch mit einer stark veränderten
Oberschwingungsstruktur. Man erkennt, daß sich das Gefüge der Oberschwingungen von
einem Ton zum anderen für jeden beliebigen Filtei oder eine Kombination aus Filtern
verändern wird. Diese Erscheinung der Veränderung des Gefüges von Oberschwingungen
ist bei Musikinstrumenten üblich.
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Die in Verbindung mit den Oboen- und Trompeten-Registern zur Anwendung
gelangenden Filter sind die an der Spitze oder an der Oberseite des Bereiches. In
der beschriebenen Anordnung ist das Filter Nr. 1 aus den Filtern
32 auf die höchste Frequenz abgestimmt. Somit fallen größtenteils die Grundschwingungen
und zuweilen bestimmte der niedrigeren Oberschwingungen auf den relativ flachen
Kurvenverlauf auf der Niederfrequenzseite des Hökkerbereiches und werden nicht annähernd
soweit gedämpft, wie dies für die Oberschwingungen mit den Flötenklängen der Fall
ist. In dem oberen Frequenzbereich werden die oberen Schwingungen natürlich stärker
gedämpft, und zwar unter besonderer Berücksichtigung der Grundschwingungen und einer
oder zweier der niedrigsten Oberschwingungen. Dies ist für Musikinstrumente ebenfalls
nicht unüblich, da die höheren Bereiche der meisten Instrumente eine stark verringerte
oder verkümmerte Struktur der Oberschwingungen besitzen. Es ist oft sehr schwer,
mehrere Instrumente voneinander zu unterscheiden, wenn sie in ihren obersten Bereichen
gespielt werden.
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Die Werte der Schaltungsbauteile in den Filtern sind natürlich von
Filter zu Filter verschieden.
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Die Kondensatoren 100 und 104 sind immer gleich. Bei den Induktivitäten
ist dies jedoch nicht der Fall. Die angegebenen Werte der Induktivitäten sind Nennwerte
und können in der einen oder anderen Weise voneinander abweichen, da die Induktivitäten
veränderlich sind. Der doppelte Höcker in der Empfindlichk-eitskurve wird durch
die geeignete Einstellung der Induktivität 106 erzeugt. Wenn der Induktivitätswert
dieser Spule erhöht wird, so entsteht aus dem anfänglichen einzelnen Höcker der
erwünschte doppelte Höcker.
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In den F i g. 5 und 6 sind Veränderungen des Aufbaus,
jedoch nicht der Funktion des Filters 32 dargestellt. In F i g. 5,
in der die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung der bekannten gleichen Teile,
jedoch mit dem Zusatz a verwendet sind, ist eine veränderbare Induktionsspule
132 an die Punkte 86a und 102a angeschlossen. Der Punkt 86a ist mit dem Punkt
90a über einen Kondensator 134 und der Punkt 90a über den Kondensator
36 mit dem Punkt 102a verbunden. Der Punkt90a bleibt über eine veränderbare
Induktionsspule92a mit dem Punkt 94a verbunden, während der Punkt102a mit dem Punkt
94 a über einen Kondensator 104 a verbunden bleibt. Die Ausführungsform nach Fig.5
arbeitet in etwa der gleichen Weise wie bisher beschrieben, ist jedoch in der Herstellung
wegen einer fehlenden Induktivität etwas billiger, denn bekanntlich sind Kondensatoren
im allgemeinen billiger als Induktionsspulen. Kostenmäßig ergibt sich somit ein
Gewinn, obwohl ein Kondensator in der abgeänderten Ausführungsform hinzukommt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 6
gezeigt. Hier ist eine einzige veränderliche-Induktionsspule 138 vorgesehen und
bei etwa 25% des Bodenanschlusses an dem Punkt 90 b angezapft. Das untere
Ende des Leiters ist an den Punkt 86b
und das obere Ende an den Punkt 102
b geführt. Ein Widerstand 140 kann parallel zu dem Leiter angeschlossen sein,
ist jedoch nicht in jedem Fall notwendig. Der Widerstand 140 dient zur Einstellung
des Gütefaktors Q der Induktivität 138 auf den gewünschten Wert. Der
Wert des Widerstandes 140 kann daher veränderlich sein. Ein Kondensator
100 b
liegt parallel zum Widerstand 140, wobei sein unteres Ende an
den Punkt 86 b und das obere Ende an den Punkt 102b geführt ist. Der
Belastungswiderstand 84 b ist an den Punkt 86 b und wie in den vorhergehenden
Ausführungsformen an die zugehörige Anode angeschlossen. Eine veränderbare Induktionsspule
92 b ist mit dem Abgriff oder der Anzapfung 90b und dem Punkt 94b
verbunden. Ein Kondensator
104 b liegt zwischen dem Punkt
102 b und dem Punkt 94 b, während der Punkt 94 b mit dem Widerstand
96b verbunden ist, der zum Ausgang führt. C el Die Wirkung der in F i g.
6 gezeigten Schaltung ist ähnlich der zuvor beschriebenen, wobei die Kosten
für den Aufbau noch geringer sind, da nur zwei Induktionsspulen und nur zwei Kondensatoren
verwendet werden. Selbst in den Fällen, in denen der Widerstand 140 notwendig wird,
ergibt sich eine Kosteneinsparung, da Widerstände in jedem Fall die billigsten Schaltungsbauteile
sind.
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Vorstehend ist somit eine neuartige Filterung von komplex erzeugten
Schwingungen beschrieben, um verschiedenartige erwünschte Töne in einem Instrument
für künstliche Musik zu erzeugen. Im besonderen werden durch die Unterdrückung von
im wesentlichen sämtlicher Schwingungen bis auf die harmonischen Flötenklänge erzeugt,
wobei die Anzahl der dazu erforderlichen Filter nur einen kleinen Bruchteil der
gesamten Zahl der Töne ausmacht. Weitere Stimmen einer Orgel werden auf sehr wirtschaftliche
Weise durch die doppelte Verwendung der Flötenfilter erzeugt, so daß auch Trompeten-
und Oboenklänge entstehen.