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Elektropiano Die Erfindung betrifft ein Elektropiano mit einem brettartigen
Saitenträger und den Saiten zugeordneten piezoelektrischen Wandlerelementen.
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Elektropianos der hier beschriebenen Art besitzen gewöhnlich einen
SaitentrCger, sowie ein Werk, mit dessen Hilfe die Saiten in Schwingung versetzt
werden können.
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Es fehlt ihnen jedoch der übliche Steg und der Elangboden. Anstelle
dessen besitzen sie Einrichtungen, mit deren Hilfe die Saitenschwingungen in elektrische
Schwingungen und diese wiederum mit Hilfe eines Lautsprechers in akustische Schwingungen,
d. h. in Töne umgewandelt werden können. Es ist wünschenswert, daß die von einem
Elektropiano erzeugten Töne denen von einem gewöhnlichen akustischen Piano oder
Klavier erzeugten Tönen weitgehend ähnlich sind. Es hat sich jedoch als sehr schwierig
herausgestellt, mittels eines Elektropianos die Klangqualität
eines
gewöhnlichen Klaviers zu erreichen, insbesondere deshalb, weil bei dem gewöhnlichen,
akustischen Klavier der Steg und der Klangboden die Saiten des Instruments sehr
stark miteinander koppeln und alif diese Weise in hohem Maße die Ausschwing- und
Klangcharakteristik der Töne des akustischen Pianos bestimmen.
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In einem gewöhnlichen akustischen Klavier werden die Saiten durch
Hämmer des Schlagwerkes in Schwingung versetzt, die unmittelbar nach dem Anschlag
der Saiten wieder von ihnen abgehoben werden. Das Ausklingen der Töne wird durch
verschiedene Faktoren gesteuert. Dazu zählen die Saitenlänge, die Saitenkoppelung,
die Spannerimpedanz und die von dem Spannermaterial und der Spannerkonstruktion
ausgeübte Dämpfung. Wenn die Dämpfer eines mechanisch-akustischen Klaviers mittels
des sie untersttitzenden Pedals angehoben werden, tritt eine beträchtliche gegenseitige
Einwirkung der einzelnen Saiten, die Töne unterschiedlicher Grundfrequenzen repräsentieren,
auf. Dieses Ineinanderspielen zwischen den einzelnen Saiten ist außerordentlich
komplexer Natur, umfaßt die zahlreichen Schwingungsformen jeder Saite und verleiht
dementsprechend dem Klang eines akustischen Klaviers eine bemerkenswerte Qualität.
Wird eine derartige Qualität durch ein Elektropiano nicht erreicht, so kann es keineswegs
als ein optimales Instrument bezeichnet werden.
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Es sind im Stand der technik bereits Versuche unternommen worden,
die mit der Klangqualität zusammenhängenden Probleme zu lösen. So befaßt sich beispielsweise
die US-Patentschrift 3 049 958 mit der Gestaltung von Wandlerelementen
für
die einzelnen Töne des Elektropianos und der Herstellung geeigneter D§mpfereffekte.
Die gemaß dieser Patentschrift vorgeschlagene Lösung ergibt zwar eine Verbesserung
für die einzelnen Töne, diese wurde jedoch aufgrund der verwendeten Dämpfer- und
Trägerkonstruktion auf Kosten des Mitschwingens der einzelnen Saiten von direkt
nebeneinander und entfernt liegenden Saitengrnppen erkauft.
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Auch konnte mit dieser Konstruktion die Tendenz des Ineinanderlaufens
einzelner Töne bei ihrem Abspielen in rascher Sequenz nicht wirkungsvoll beseitigt
werden.
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In der USA-Patentanmeldung, Serial-Nr. 553 335 vom 27. Mai 1966 wird
ein weiterer Lasungsversuch für dieses Problem unternommen. Dsrin wird ebenso wie
in zahlreichen anderen Vorschlägen für Elektropianos, und wie es üblich ist, die
Verwendung eines Wandlerelenentes fUr Jede Saite oder jede Saitengruppe, die einen
einzelnen Ton erzeugt, vorgeschlagen0 Die Verwendung eines ndlerelementes für Jeden
Ton erfordert Jedoch eine relativ komplisierte Konstruktion, die teuer und schwierig
abzustimmen ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Elektropiano
vorzuschlagen, bei den die vorstehend geschilderten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die piezoelektrischen Wandlerelenente
in einem U-förmigen, sich quer zu den Saiten erstreckenden, akustisch leitenden
Profil untergebrscht sind, das mit einem U-Schenkel akustisch isoliert auf den Saitenträger
aufliegt und nber dessen anderen, freien U-Schenkel die Saiten verlaufen.
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Diese einzige, sogenannte "Wandlerschiene" gemaß der vorliegenden
Erfindung, die einen frei tragenden Schenkel besitzt, kann beispielsweise aus einem
extrudierten Aluminiumprofil hergestellt werden. Sie kommt ftir alle Saiten des
Pianos gemeinsam zum Einsatz. Selbstverständlich kann aber aus konstruktiven Graden
eine Anzahl von zwei oder auch drei Abschnitten eines solchen Profils zur Anwendung
kommen. In diesem Fall wirken im wesentlichen die mehrfachen Abschnitte sowohl mechanisch
als auch elektrisch genauso wie ein einzelnes Profil. Durch die Verwendung einer
einzigen Wandlerschiene flir alle Töne des Pianos werden erheblich weniger Wandlerelemente
benötigt, als der Anzahl der Töne des Pianoe entspricht.
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Beispielsweise ist es Jederzeit durchfUhrbar, in einem Piano mit 88
Schlüsseln 20 - 25 piezoelektrische Wandlerelemente einzusetzen. Da alle die Wandlerelemente
in einer gemeinsaaen Schiene angeordnet sind, die aus Metall besteht und deshalb
akustisch und werkstoffstrukturell hochgradig übertragend wirkt, sind die Saiten
untereinander gekoppelt und eine irgendwo längs der Schiene auftretende Schwingtmg
wird längs dieser auf die ttbrigen Saiten übertragen.
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Das extrudierte Profil kann selbst so gestaltet sein, daß die abgestimmten
Abschnitte der Saiten an einer Kante desselben endigen. Unmittelbar jenseits der
abgestimmten Segmente der Saiten, zweckmäßigerweise unmittelbar auf der Profil selbst,
kann eine Dämpfereinrichtung für Jede Saite vorgesehen sein. Diese Dämpfereinrichtung
kann ein in Kontakt Mit den Saiten befindliches totes Gummi- oder Plastikelement
sein. Der Dumpfereffekt selbst
hängt in gewissem Sinn von der Größe,
der Form, der Dichte und der Härte des verwendeten Dämpfermaterials ab. Du Dämpfermaterial
kann in einzelnen Stecken oder wiederum zugunsten eines einfacheren Einbaues als
kontinuierlicher Streifen angeordnet sein. Es kann auf das Ende der abgestimmten
Saitenabsohnitte zu oder von diesem wegebewegt werden, um die Abklinggeschwindigkeit
in Übereinstimmung mit den Klanganforderungen in unterschiedlichen Abstandsbereichen
zu erhöhen oder zu erniedrigen. Zur Vereinfachung der Herstellung ist es günstiger,
in dem extrudierten Profil eine flache Rinne vorzusehen, in der sich das Dämpfermaterial
am günstigsten anordnen läßt. Die unterschiedlichen Dicken, Breiten oder Durchmesser
des Dämpfermaterials werden dazu herangezogen, den Dämpfnngseinfluß in verschiedenen
Bereichen zu variieren.
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Die vorstehend vorgeschlagene Methode erweist sich als ideal zur Abstimmung
fester Ausklinggeschwindigkeiten für die Saiten einzelner Töne oder Tonbereiche.
Es ist aber auch möglich, innerhalb desselben Instrumentes durch eine unterschiedliche
Montage des Dämpfermaterials nach wunsch entweder das pianoartige Ausklingen oder
- in getragenerer Form - orgelartige Töne zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird das
Dämpfermaterial auf einem speziellen Dämpferstab befestigt, der sich neben der Wandlerschiene
längs erstreckt und mechanisch aufgrund seines Gewichtes oder mittels Federdruck
das Dämpfermaterial in Kontakt mit den Saitenspannern hält, solange eine pianoartige
Ausklingcharakteristik erzeugt werden soll. Wenn getragenere Töne erwünscht sind,
wird dieser Stab mittels Pedal, von Hand oder mittels elektrischer BetCtigung abgehoben
und dadurch das Dämpfer-Material zeitweise außer Kontakt mit den Saitenausläufern
"»
Die Wandlerschiene erzeugt eine bessere Koppelung der einzelnen
Töne untereinander und damit ein dem Klavier ähnlicheres Klangvolumen, wenn sie
gedämpft-nachgiebig auf dem starren Saitenträger gehalten ist, anstelle dort starr
festgeklemmt zu sein. Dies erinnert in einer gewissen Weise an den Vorschlag gemäß
der eingangs erwähnten US-Anmeldung 553 335. Der erfindungsgemäß weseitliche Unterschied
besteht Jedoch immer noch darin daß die Wandlerelemente innerhalb der Profilschiene
angeordnet sind. Demgegenüber sieht der Vorschlag der US-Patentanmeldung vor, die
jedem einzelnen Ton zugeordneten Wandlerelemente auf einer massiven Schiene anzuordnen,
die gedämpft-nachgiebig gehalten ist.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Wandlerschiene in Verbindung
Mit ihrer Befestigung kann theoretisch in folgende vier Punkte zusammengefaßt werden:
1. Die mechanische Impedanzpassung zwischen der Wandlerschiene und den Saiten ad
eines Ende von deren gestimmten Abschnitten) muß ähnlich der eines gewöhnlichen
Klaviersteges sein, so daß der tergang von einem anfänglich sehr raschen Ausklingen
(fUr eine Gruppe anfänglich in Phase befindlicher Saiten) zu einem weniger raschen
Ausklingen am Ende (für Saiten, die sich später während der längsten Zeit außer
Phase befinden) möglich ist. Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch die
Kombination des frei tragenden Profils mit der Nachgiebigkeit, die mechanisch in
Reihe geschaltet ist, mit den Wandlerelementen und dem nachgiebigen Auflager der
ganzen Wandlerschiene auf dem starren Saitenträger erreicht.
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2. Weiterhin muß am oder in der Nähe des Endes der abgestimmten Saitenabschnitte
eine zusätzliche mechanische Dämpfung vorhanden sein, die die im Holz eines gewöhnlichen
Klaviersteges vorhandene DIsptung ersetzt, so daß die Gesamtklangabschwächung zufriedenstellend
ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Dämpfermaterial
die Saiten unmittelbar hinter ihren Auflageenden berührt, u. zw. entweder auf der
Wandlerschiene selbst oder auf einen getrennten abhebbaren Stab, wenn spezielle
orgelartige Toneffekte erzielt werden sollen.
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3. Weiterhin muß eine Koppelung der Töne untereinander auftreten,
wie dies bei eines gewöhnlichen, auf einem Klangboden aufliegenden Klaviersteg der
Fall ist, so daß nach dei Abheben der Diapfer von den Saiten (oder auch in manchen
Pianos nur von einer Gruppe der BaBsaiten) ein erhebliches Mitschwingen nebeneinanderliegender
Saiten mit ähnlichen Grundfrequenzen und - in einen geringeren Be - entfernt liegender
Saiten auftritt.
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Gemäß der vorliegenden rfindung erfolgt diese loppelung in der Hauptsache
aufgrund der direkten Übertragung durch den kontinuierlich verlaufenden frei tragenden
Arm des Profils. In zweiter linie erfolgt die Übertragung aber auch durch die Durchbiegung
der dessen Wandlerschiene aufgrund ihrer nachgiebigen Lagerung auf dem Saitenträger.
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4. Die Tonwiedergabe der Wandlerelemente beruht auf der veränderlichen
Spanwig aufgrund der Audiofrequenzen zwischen den Stirnseiten der Wandlerelemente.
Eine
feste Spannung, die durch das normale Zusammendrücken der Profilschenkel
hervorgerufen wird, hält die Wandlerelemente an Ort und Stelle und gewährleistet,
daß große Schwingungsamplituden die Wandlerelemente, auch nicht zeitweilig, lockern.
Die Dämpfungspolster zwischen den Wandlerelementen und der Schiene verhindern eine
zu hohe mechanische Impedanz der Schiene gegenüber den Saiten an der Kreuzungsstelle
mit den Elementen und unterstützen die Angleichung der Wiedergabe jedes Elements
für alle Saiten in der unmittelbaren Nähe des Elementes. Sowohl die Dämpferelemente
als auch das Dämpfermaterial zwischen der Wandlerschiene und dem Saitenträger verhindern
Klangschläge in der Wandlerschiene und dem Träger von größerer Dauer.
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Im wesentlichen besteht also die vorliegende Erfindung darin, in einem
Elektropiano mit einer Anzahl akustisch-elektrischerWandlerelemente, die kleiner
als die Anzahl der Töne des Elektropianos ist, die Wandlerelemente in einem kontinuierlichen
Aluminiumstreifen von U-förmigem Querschnitt anzuordnen und den Streifen eo auf
dem Saitenträger des Elektropianos zu befestigen, daß eine Koppelung und Dämpfung
der Töne untereinander auftritt und dadurch die normalerweise in einem mechanischen
Klavier auftretende Koppelung und Dämpfung angenähert wird. Jede Saite trägt eine
Dämpferfläche, die unmittelbar hinter ihrem abgestimmten Äbschnitt- liegt und das
Abklingverhalten der Abklingkurve einer gewöhnlichen Klaviersaite sehr stark annähert.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden Zeichnungen,
sowie aus den Unteranspriichen.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausftihrungsform
der Erfindung; Fig. 2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte Ausführngsform;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht längs der Linie 3 - 3 in Fig. 2; Fig. 4 eine Querschnittsansicht
längs der Linie 4 - 4 in Fig. 3 und Fig. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht einer
modifizierten Ausführngsform mit einer Einrichtung zur Veränderung der Ausklinggeschwindigkeit
der Saitenschwingung.
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Ein Saitenträger 10 trägt eine Anzahl gespannter Klaviersaiten 11
zwischen Befestigungswirbeln 12 und Stimmwirbeln 13. Jede Saite verläuft über einen
Steg 14 in der Nähe der Stimmwirbei 13, sowie über eine Wandlereinrichtung 15 in
der Nähe der Befestigungswirbel 12. Wenn von Saiten die Rede ist, kann dies jeweils
eine Saite je Ton besonders im Baßbereich des Pianos und drei Saiten je Ton im Diskant
bedeuten. Es kann jedoch, wie das in einigen Elektropianos der Fall ist, auch durchwegs
jeweils eine Saite je Ton darunter zu verstehen sein.
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Die Wandlereinrichtung 15 besteht vorzugsweise aus einer langgestreckten
extrudierten Aluminiumschiene E, die im
Querschnitt ein U-förmiges
Profil, d. h. einen unteren Schenkel 16 und einen frei tragenden Schenkel 17, die
durch einen kurzen Steg 18 miteinander verbunden sind, aufweist. Diese Schiene liegt
mit einem ihrer Profilschenkel auf. Eine einzelne extrudierte Schiene kann sich
quer zu allen Saiten erstrecken und als Steg wirken, da das Instrument im übrigen
keinen Steg oder Klangboden besitzt. Die Schiene kann nacheinander gekrümmt sein,
um sich der erwünschten Lage der Saitenendpunkte anzupassen. Sie kann bereits von
Anfang an in der gekrilnunten Form gegossen sein.
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Die Wandlereinrichtung 15 besitzt etwa 20 bis 25 Wandlerelemente 20
für ein ganzes Piano mit angenommen 88 Tönen. Die Wandlerelemente 20 sind längs
der Schiene E so verteilt, daß die Lautstärke jedes getrennten Tones der Lautstärke
dieses Tones in einem mechanisch-akustischen Klavier angepaßt ist. Diesbeztiglich
bedeutet eine Annäherung eines Wandlerelementes näher an eine Saite eine Verstärkung
von deren Klangausgangsleitung beim Anschlagen.
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Die Wandlerelemente 20 sind vorzugsweise keramische piezoelektrische
Elemente mit Filterelektroden und arbeiten durch Veränderung ihrer Dicke. Die unteren
Blektroden der Piezoelemente 20 liegen alle am unteren Schenkel 16 der Wandlerschiene
E an, so daß damit die Wandlereinrichtung 15 eine gemeinsame Erdung oder Basis SSr
die Wandlerelemente vorsieht. Die oberen Elektroden der riezoelektrischen Elemente
20 berühren Bronzelamellen 25, die wiederum mit einer Schicht Isoliergummimaterial
26, das akustisch dämpfend wirkt, in Beruhrung
stehen. Die Lamellen
25 stehen alle untereinander durch eine gemeinsame Leitung 28 in Verbindung, die
zu einem Ausgangsanschluß 23 f(Uirt. Der untere Schenkel 16 liegt auf einer Schicht
aus akustisch isolierendem Material 30, z. B. Filz, das die Wandlereinrichtung 15
akustisch von dem Saitenträger 10 isoliert und gewährleistet, daß ein Klingen des
Saitenträgers nicht in unzulässigem Maße auf die Wandlereinrichtung übertragen wird.
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Die in einem Instrument verwendeten Wandlerelemente 20 stehen unter
einem so ausreichenden Druck, daß Sechselsignale exakt gewandelt und die Wandlerelemente
20 auch bei starker Schwingung nicht gelockert werden. Es können unterschiedliche
Typen von Wandlerelementen in der U-fdrmigen Wandlerschiene angeordnet werden. Die
Schiene selbst kann beispielsweise aus einem magnetisch weichen Material, z. B.
Eisen, sein und anstelle der keramischen Wandlerelemente 20 können Magnetspulenwandler
mit oder ohne Dlmpfergummi 26 zum Einsatz kommen.
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Um die Wandlereinrichtung 15 gegenüber dem Saitenträger 10 zu fixieren,
sind im unteren Schenkel 16 der Wandlerschiene Löcher 31 vorgesehen, die bei 32
mit losen Augen versehen sind und mittels der die Schiene auf Stifte 33 des Saitenträgers
10 aufgesteckt werden kann. Der frei tragende Arm 17 kann auf diese Weise frei auskragen,
da die Augen 32 nicht starr sind und ermöglicht so das Schwingen des piezoelektrischen
Elementes 20 im Verhältnis zum unteren Schenkel 16 der Schiene, sowie die Übertragung
der Schwiiiggen in Längsrichtung zu nicht angeschlagenen Saiten hin. Diese werden
dadurch ebenfalls in Schwingung versetzt und erzeugen elektrische Signale in ihrer
Eigenfrequenz, die dem Anschluß 29 zugeleitet werden. Diese Wirkungsweise nähert
sich außerordentlich stark der Wirkungsweise eines gewdhnlichen mechanisch-akustischen
Klaviers
an. Es besteht lediglich die Ausnahme daß in einem mechanisch-akustischen
Klavier eine Koppelung der Saiten untereinander primär ueber einen Steg und einen
Elangboden erfolgt, während bei der vorliegenden Erfindung die Koppelung der Saiten
untereinander ueber die Wandlereinrichtung erfolgt. Dadurch wird ein bisher in Elektropianos
auftretender Mangel beseitigt, nämlich der, daß die Ausklingcharakteristik derjenigen
eines mechanischakustischen Pianos völlig unähnlich ist. Letzteres hat nämlich im
wesentlichen eine doppelt so große Ausklinggeschwindigkeit mit einem raschen Abfall
auf ein niedriges Niveau, gefolgt von einem sehr langsamen Ausklingen daran anschließend.
Demgegenüber besitzen übliche Elektropianos nahe zu lineare Ausklingcharakteristiken.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein D§mpfer aus totem
Gummi 40 in Streifenform oder als getrennte Teilstücke Je Saite oder, je Saitengruppe
vorgesehen.
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Der Dämpfergummi 40 ist gerade außerhalb der abgestimmten Saitenabschnitte
unterhalb der Saiten in Berührung mit diesen angeordnet. Eine geeignete Stelle ist
der frei tragende Schenkel der Schiene. Um den Gummidämpfer 40 an Ort und Stelle
zu halten, ist in der oberen Fläche des frei tragenden Armes 17 eine Eindrtickung
41 auagebildet, der der Dämpfergummi 40 hinsichtlich seiner Form angepaßt ist. Diese
Dämpfungswirkung simuliert die Saitendämpfung aufgrund des Holzes des gewöhnlichen
Elaviersteges gerade am Ende der abgestimmten Saitenabschnitte.
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Wenn sich die Dämpfer 40 gerade an der Stegkante des frei tragenden
Armes oder längs der abgestimmten Saitenabechnitte befinden, ist die Dämpfungswirkung
abrupt und schwierig unter Kontrolle zu bringen.
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Figo 5 zeigt eine modifizierte Ausführungsform des in Fig. 3 dargestellten
Systems, in der die Dämpfer 40 auf einem beweglichen Stab 45 befestigt sind, so
daß sie von den Saiten 11 wahlweise abgehoben und wieder mit ihnen in Beruhrung
gebracht werden können. Der Stab 45 erlaubt es außerdem, einstellbare Änpreßdrticke
an die Saiten einzuhalten. Dies erlaubt Änderungen hinsichtlich der Tonstärkeabnahme
bei gewöhnlichen Pianos.