DE1953503B2

DE1953503B2 - Frequenzkonversierungssystem fuer ein elektronisches musikinstrument

Info

Publication number: DE1953503B2
Application number: DE19691953503
Authority: DE
Inventors: Kinji Neyagawa Tsunoo Masahiko Osaka Omura Masuo Hirakata Kawamoto, (Japan) D05b 59 00
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1968-10-21
Filing date: 1969-10-20
Publication date: 1972-04-20
Also published as: JPS4911934B1; NL149931B; FR2021150A1; DE1953503C3; GB1286128A; NL6915894A; DE1953503A1

Description

C =

wohei

/ die freie Lange der Saite.
T die Spannung der Saite.
ij die Dichte der Saite.
S der Querschnitt der Saite,
Q der Young-Modul,
k der Gyrationsradius um die ".'utrale

Achse des Querschnittes,
f₀ die Grundfrequenz einer dünnen, biegsamen Saite, die transversal zwischen starren

Stützen schwingt,
C dir Geschwindigkeit der Wellenfortpflanzung

und
;i die Ordnung der Harmonischen

Man kann eine Unharmonizitätsfunktion Y(n) wie folgt definieren:

wobei

»/1 h = .-T²Q²S;/²T.

"'+ Jm²

ΓΤ7Γ

40

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Frequenz-Lonvcrsionssystem für ein elektronisches Musikinstrument, welches aus einer Signalquells, mindestens einem Frequeiizkonverter und einem elektroaku-Mischen Wandler besteht.

Fin herkömmliches elektronisches Musikinstrument erzeugt Tonsignalc entsprechend jeder Taste t-ncr Tastatur unter Verwendung eines Tongencrami s. der aus zwölf Oszillatoren und zwölf Ketten son Frequenzteilern entsprechend den zwölf Oszillatoren besteht. Jedes der Tonsignale besitzt exakte Harmonische, die ein ganzzahliges Vielfaches einer (iiundfrequcnz sind. Das Tonsignal mit exakten Harmonischen ist natürlich, da die Tonsignale eines herkömmlichen Musikinstruments, 7. B. eines Klaviers, einer Geige, einer Klarinette usw.. nicht diese exakten Harmonischen aufweisen. Heim herkömmlichen elektronischen Musikinstrument ist das Fre- <.|uenzvcrhültnis von zwei Signalen, die musikalisch fto im Abstand von einer Oktave liegen, exakt 2: I vom niederfrequenten Bereich bis zum hochfrequenten Hereich. Die Tonhöhe jedes der Signale ist nicht hoch t'.enug im hochfrequenten "crcich und nicht tief genug im niederfrequenten Bereich. Dieser Fehler wird ¹^ durch den Tongcncrator und die Frequenzteiler der obenerwähnten Art bewirkt.

1 in herkömmliches elektronisches Musikinstru- Y(n) ist ein Maß der Unharmonizität und ein Verhältnis der n-ten Obertonfrequenz /„ zu dem Vielfachen /1 der Grundfrequenz /,.

Da diis durch die Gleichung (5) angegebene b im allgemeinen bei ICT³ - 1(T⁴ liegt, wird y(;i) nicht kleiner als 4% für ein großes n.

Die Gleichung (4) zeigt, daß, je größer die Ordnung der Flarmonischen ist, die Unharmonizität desto größer wird.

Auf der anderen Seite hat ein Ton oder ein Signal eines herkömmlichen elektronischen Musikinstrumentes, das durch eine elektronische Oszillatorschaltung oder eine Frequcnztcilerschaltung erzeugt ist, exukte Harmonische, nämlich die Frequenzen der Obcrtönc /„ sind exakte positive ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz/,. Die Unharmonizitätsfunktion Y(n) für eine solche Situation lautet wie folgt:

Y(ii) =

./„

= 1

Allgemein ist zu sagen, daß Töne mit exakten Harmonischen selten bei herkömmlichen Musikinstrumenten vorko-nmcn und beinahe alle herkömmlichen Musikinstrumente Töne mit einer Unharmonizitätsfunktion erzeugen, die ungleich 1 ist.

Die Tonqualität eines Signals mit nicht exakten Harmonischen ist in der Natürlichkeit, der Klarheil und der Stärke dem Signal mit exakten Harmonischen überlegen.

Das herkömmliche elektronische Musikinstrument lesitzt einen weiteren Fehler darin, claii die Höhe ;les Signals nicht mit der natürlichen musikalischen Skala übereinstimmt. Signale mit einem exakten Frequenzverhältnis 2: 1 hören sich für das menschliche Ohr nicht so an, als ob sie um eine musikalische Oktave auseinanderlägen, insbesondere im Bereich hoher und niedriger Frequenzen, sondern man benötigt eiri größeres Frequenzverhältnis als 2:1. um ein musikalisches Intervall von einer Oktave zu erhalten.

Bei einem herkömmlichen elektronischen Musikinstrument beträgt das Frequenzverhältnis von zwei Signalen, die in einem musikalischen Intervall von einer Oktave liegen, exakt 2:1 vom niedrigen bis zum hohen Frequenzbereich.

Infolgedessen besitzt ein herkömmliches elektronisches Musikinstrument den Fehler, daß die Höhe des Signals nicht ausreichend hoch ist im hohen Frequenzbereich und nicht ausreichend niedrig im niedrigen Frequenzbereich.

Der Fehler der nicht perfekten Tonhöhe bei einem herkömmlichen Musikinstrument kann beinahe beseitigt werden durch Verwendung von Tongeneratoren für jedes Tonsignal entsprechend jeder Tonhöhe der natürlichen musikalischen Skala. Solche Tongeneratoren erzeugen jedoch die Grundfrequenz und ihre genauen Harmonischen. Deshalb bleibt die Tonqualität jedes Signals weiterhin unnatürlich und wird nicht verbessert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Frequenzkonversionssystem für ein elektronisches Musikinstrument zu schaffen, welches die Tonqualität eines herkömmlichen elektronischen Musikinstrumentes verbessert.

Dieses Ziel wird mit einem Frequenzkonversionssystem erreicht, welches dadurch gekennzeichnet ist. daß ein Signal von der Signalquelle in der Frequenz und in der Tonhöhe durch den Frequenzkonverter konvertiert wird und von dem elektroakustischen Wandler in Schall umgewandelt wird.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung können neuartige Tonsignale erzeugt werden, die nicht exakte Harmonische aufweisen, wie z. B. der Ton eines Klaviers.

Die neuen Tonsignale sind besser in der Tonqualität hinsichtlich der Natürlichkeit, der Klarheit und der Stärke. Sie haben eine ausreichend niedrige Tonhöhe im niederfrequenten Bereich und eine ausreichend hohe Tonhöhe im hochfrequenten Bereich, um sich dem natürlichen Tonhöheempfinden des menschlichen Ohres anzupassen.

Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden genauen Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlieh werden. In den Zeichnungen ist

F i g. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausfiihrungsform des Frequenzkonversionssystems.

F i g. 2 ein Diagramm, welches ein Beispiel des Spektrums, d. h. die Grundfrequenz und die Obertonfrequenzen, eines Originalsignals und eines Signals, bei dem die Frequenz konvertiert worden ist. darstellt.

F i g. 3 ein Diagramm der Unharmonizitätsfunktion Y'(n) über der Ordnung der Harmonischen.

F i g- 4 ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausfuhrungsform des Frequenzkonversionssystems.

F i g. 5 ein schematisches Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform des Frequen/.konversionssystems.

F i g. 6 ein schematisches Blockdiagramm einer vierten Ausführungsform des Frequenzkonversionssystems.

F i g. 7 ein schematisches Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform des Frequenzkonversionssystems.

Fig. 8 ein Diagramm der Kennlinie der Frequenz über der Tonhöhe,

F i g. 9 ein schematisches Blockdiagramm einer sechsten Ausführungsform des Frequenzkonversionssystems.

Fig. 10 ein schematisches Blockdiagramm einer siebenten Ausfuhrungsform des Frequenzkonversionssystems,

Fig. 11 ein Diagramm der Frequenzkonversionskennlinic der Ausführungsform gemäß Fig. 10.

F ig. 12 ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels eines Frequenzkonverters, welcher in einem Frequenzkonversionssystem verwendet wird,

Fig. 13 ein schematisches Blockdiagramm eines Vervielfachers, welcher in dem Frequenzkonverter der Fig. 12 verwendet wird,

Fig. 14 ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Beispiels für einen Frequenzkonverter und

Fig. 15 ein Diagramm eines Frequenzspektrums zur Erklärung der Arbeitsweise des in Fig. 14 gezeigten Frequenzkonverters.

F i g. 1 ist ein Diagramm eines raonophonen elektronischen Musikinstrumentes, welches einen neuen Klang erzeugen kann.

In F i g. 1 besteht eine Signalquelle 100 aus einem Tongenerator 98 und einem Tonhöhenwähler 1. Der Tongenerator 98 erzeugt ein Signal 6, welches aus der Grundfrequenz und den exakten Harmonischen besteht, d. h. ein Frequenzspektrum /,, /₂, f_s ... /„ aufweist, wobei die Gnindfrequenz und die harmonischen Frequenzen /₍Hz, /₂Hz, /jHz ... /„Hz ... sind und /„ = n/, (n = 1, 2, 3 ...) ist, wie es von den durchgezogenen Linien in F i g. 2 gezeigt wird. Die Grundfrequenz /₍ wird durch einen Höhenwähler 1 gesteuert. Ein Frequenzkonverter 200 subtrahiert I /Hz von dem Signal 6 und erzeugt ein Signal 7 mit den Frequenzkomponenten

(/,- l/)Hz,(2/_r

wie es die gestrichelten Linien in F i g. 2 anze xn. Das Signal 7 wird durch einen elektroakustischen Wandler 3 in einen Schall umgewandelt.

Der Schall hat solche neuen Klangqualitäten, wie Natürlichkeit. Klarheit und Stärke, und ist ein neuei Klang, der mit einem herkömmlichen elektronischer Musikinstrument nicht erzielt werden kann.

Für das Signal 6 eilt die Unharmonizitätsfunktioi Y in)

"/■

_3ί_ "/1

Das Signal 6 hat deshalb nicht die Natürlichke eines von einem herkömmlichen Musikinstrumei erzeugten Tones. Diese Beziehung wird durch d durchgezogene Linie 10 in F i g. 3 gezeigt.

Das herkömmliche elektronische Musikinstrume verwendet Oszillatoren, die eine Rechteck- oder eil Sägezahnwelle als Originaltonsignal erzeugen. Sole¹ Wellenformen setzen sich aus vielen Sinuswell

zusammen mit den Frequenzen /,. I₂ ■■■ I_n.... wobei /„ ein uan/zahligcs Vielfaches von /, ist. I)ics kann mathematisch durch Fourierreihen bewiesen werden. Dementsprechend ist /„ gleich nl\. Dann wird V(N) der Gleichungen (6) und (7) zu I.

Für das Signal 7 kann die Unharmoniziliitsfunktion >'(») ^irirpcstcllt werden als

I'll!)

Ml/,

I /

i/i

I./

*obei(/, I /leine Grundfrequenz ist und («/, - I/) die Frequenz der n-ten Harmonischen ist. Die Gleichung (8) zeigt an. daß die Verhältnisse der Obertonfrequenzen zu der Grundfrequenz ansteigen bei einer fcrhöhung der Frequenz. Die Gleichung (8) wird als gestrichelte Linie 11 in Fig. 3 gezeigt. Die gestrichelte Liniell zeigt, daß ein Signal 7 eine Unharmonizitätsfunktion aufweist, die etwa ähnlich ist der tines Klaviertones, dessen Unharmonizitätsfunktion V(/i) durch die Gleichung (4) dargestellt und als gekrümmte Linie 12 in F i g. 3 gezeigt wird. Die Frequenz I f ist vorzugsweise eine unter dem Hörbereich liegende Frequenz, z. B. einige Hz. zur Simulation eines Klaviertones.

Wenn die Frequenz 1/ kleiner als 2% der Grundfrequenz / ist. dann hat das konvertierte Signal 7 eine verbesserte Tonqualität, wie verbesserte Natürlichkeit. Klarheit und Stärke. Wenn I/ größer als 2% und kleiner als 4% der Grundfrequenz / ist. ist die Tonqualität des konvertierten Signals 7 weiter verbessert in bezug auf Natürlichkeit, Klarheit und Starke. Wenn I / größer als 4% der Grundfrequenz f ist. dann hat das Signal 7 eine Tonqualität, die weder von einem herkömmlichen elektronischen Musikinstrument noch von einem herkömmlichen Musikinstrument erreicht werden kann.

Wie oben erwähnt wurde, kann ein Frequenzkonversionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Signal mit exakten Harmonischen in ein Signal mit nicht exakten Harmonischen verändern, wie diejenigen des natürlichen Klanges eines herkömmlichen Musikinstrumentes.

Wenn der Frequenzkonverter 200 I/'Hz zu dem Signal 6 in F i g. 1 addiert, dann wird das konvertierte Signal 7 zu einem Signal mit nicht exakten Harmonischen und einer durch die Gleichung (9) dargestellten Unharmonizitätsfunktion Y(n).

» on =

υ/, - I ,'■ Ul /. - lY ι

ι Γ ?Γ- ι/

Die Gleichung ι9ι zeigt, daß die Verhältnisse der Obertonfrequenzen zu der Grundfrequenz abnehmen. Die Gleichung <9i wird durch die gekrümmte Linie 13 in F i ·ζ. } dargestellt. Dieses Signa! ist ein neuer Ton. den ein herkömmliches elektronisches Musikinstrument nicht erzeugen kann.

F i g. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Frequenzkonversionssystems für tin elektronisches Musikinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung. Fine Signalquelle 100 besteht aus einem Tongenerator 98 und einem Höhenwähler 1. Der Tongenerator 98. dessen Frequenz durch den Höhenvähler 1 gesteuert wird, erzeugt ein Signal 6 mit einer Grundfrequenz und exakten Harmonischen. Ein Frequenzkonverter 200 erhöht oder erniedrigt die Frequenzen dt:. Sisnals 6 um I / Hz und liefert ein Signal 7. Das Signal 7 wird von einem elektroakustischen Wandler 3 in einen Schall umgewandelt. Die Frequenz I/ Hz wird auch von dem Höhenwähler 1 gesteuert. Dann ist die Unharmonizitätscharakteristik des Si's gnals 7 abhängig von der Tonhöhe des Signals 7. und eine optimale Unharmonizitätsfunktion für das Signal 7 kann gewählt werden, wenn die Höhe des Signals 7 steigt oder Rillt.

F i g. 5 zeigt die dritte Ausführungsform eines

ίο Frequenzkonvertersystems für ein elektronisches Musikinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Signalquelle 100 besteht aus den Tongeneratoren 101. 102. 103. 104 . . . entsprechend den Tönen einer Tonleiter, und sie haben Grundfrequenzen f_m, f_W2.

■ 5 /inv Λ04 bzw. ihre exakten Flarmonischen. Die tongeneratoren 101. 102. 103. 104 ... sind mit Fre quenzkonvertern 201. 202. 203. 204 ... entsprechend verbunden. Die Konvertierungsfrequenzen der Frequenzkonverter 201. 202. 203. 204 ... sind l/₂₍„.

'/202· 1/20.1· 1 /201 ■ ■·

Die Ausgangssignale der Frequenzkonverter 201. 202.203.204 ... sind mit einem Tastenschaltersystem 4 einer Tastatur verbunden. Die von dem Tastenschalter-System 4 gewählten Ausgangssignale werden durch ein Klangfilter 5 gefiltert und durch einen elektroakustischen Wandler 3 in Schall umgewandelt.

Gemäß der Ausfuhrungsform in Fig. 5 ist jeder Unharmonizitätsübergang erzielbar in einer Tonleiter durch Anordnung der Konvertierungsfrequenzen

J° ¹AnI- I/202. I/203. 1/204 ■■■ Tür den gewünschten Unharmonizitätsübergang. Wenn z. B. die Konvertierungsfrequenzen !/,„,. l/_2n2. I /"203. I/204 die gleichen Prozentsätze der Grundfrequenzen der entsprechenden Tongeneratoren sind, ist die Gleichung (8) die gleiche für jeden Tongcncrator und Frequenzkonverter, d. h. mit anderen Worten, für jeden Ton entsprechend einer Taste des Tastenschaltersystems 4. Deshalb wird eine gleichförmige Unharmonizitätscharakteristik über der gesamten Tonleiter erzielt.

F i g. 6 zeigt die vierte Ausführungsform eines Frequenzkonversionssystems für ein elektronisches Musikinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Signalquelle 100 besteht aus den Tongeneratoren 101. 102. 103. 104 ... entsprechend der Tonleiter mit den Grundfrequenzen /_l01, fi02-/1031/104 ■ ■ · ^u"d ihren exakten Harmonischen. Die Signale von den Tongeneratoren werden durch ein Tastenschaltersystem 4 ausgewählt. Die Ausgangssignale des Tastensd.altersystems werden in einer oder mehreren Grup-

pen. /. B. in drei Gruppen, zusammengefaßt und aul Frequenzkonverter 201. 202. 203 entsprechend der drei Gruppen gegeben. Die Ausgangssignale der Frequenzkonverter werden auf ein Klangfilter 5 gegeber und von einem elektroakustischen Wandler 3 ir Schall umgewandelt. Diese Ausführungsform erfor dert weniger Frequenzkonverter als die in Fig.: gezeigte Form und ist praktischer.

Fig."? zeigt eine fünfte Ausführungsform eine Frequenzkonversionssystems gemäß der Erfindung um eine Unharmonizitätscharakteristik in Tönen zi erzielen. Eine Signalquelle 100 besteht aus Tonsene ratoren 101. 102. 103. 104 ... entsprechend" de Tonleiter mit den Grundfrequenzen f_m. /₁₀₂. /₁₀-/,nj. ... und ihren exakten Harmonischen. Di

fr> Signale von den Tongeneratoren werden durch ei Tastenschaltersystem 4 ausgewählt und über Widei stände 301. 302. 303. 304 ... auf einen Frequen; bereichstrenner 400 aus Filtern gegeben, der in eir

209 517/11

Anzahl von Ciruppcn aiifpctcill ist. /.H. in Signalbereiche niedriger, mittlerer und hoher Frequenzen. Die getrennten Signale laufen durch Frequen/konvertcr 201. 202. 203. um dann durch Mittel, wie die Widerstände 501. 502. ^03. zusammengefaßt zu werden Und weiterhin durch einen eiektroakustischcn Wandler 3 in Schall umgewandelt zu werden.

In den Ausführungsformen der 1 i g. 5. 6 und 7 werden die Tonhöhen oder Grundfrequenzen der Tongeneratoren 101. 102. 103. 104 . vorzugsweise vorgespannt zur Kompensation aller unerwünschten Höhenabweichungen, die durch die Frequenzkonversion verursacht werden.

Fin Frequenzkonversionssystem für ein elektronisches Musikinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung hat noch eine andere Funktion und Wirkung, die einen Fehler eines herkömmlichen elektronischen Musikinstrumentes überwindet, nämlich eine Diskrepanz zwischen der von dem herkömmlichen elektronischen Musikinstrument erzeugten Tonleiter und natürlichen Höhenempfinden.

F i g. 8 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen der Signalfrequenz und der von menschlichen Ohren erkannten Höhe. Die Tonhöhenempfindung isi gesättigt in den Bereichen hoher und niedriger Frequenz, und für menschliche Ohren ist eine größere Frequenzänderung erforderlich, um eine gleiche Tonhöhenänderung in den niedrigen und hohen Frequenzbereichen zu unterscheiden, wie sie notwendig ist. um eine entsprechende Tonhöhcnanderung im mittleren Frequenzbereich zu unterscheiden.

F i g. 9 zeigt eine sechste Ausführungsform eines Frequenzkonversionssystems gemäß der F.rfindung zur Korrektur der Höhenunrichtigkeit eines herkömmlichen elcktroni>chen Musikinstrumentes. Ein Tongenerator 99 eines herkömmlichen elektronischen Musikinstrumentes erzeugt Tonsignale, die der Tonleiter entsprechen. Allgemein besteht der Tongenerator 99 aus zwölf Oszillatoren entsprechend den Tönen der chromatische-; Tonleiter und zwölf Frequenzteilerketten entsprechend den zwölf Oszillatoren. Wenn z. B. der Tongenerator 99 Oszillatoren und Frequenzteiler enthält, die jeweils die Eingangssignalfrequenz durch den Faktor 2 teilen, dann stehen die Intervalle von einer Oktave exakt im Frequenzverhältnis 2:1.

Die Signale vom Tongenerator 99 werden auf einen Frequenzkonverter 200 über ein Tastenschaltersystem 4 und auf ein Klangfilter 5 gegeben und von einem elektroakustischen Wandler 3 in Schalt verhandelt. Der Tongenerator 99. das Tastenschalter-System 4 und das Klansfilter 5 bilden eine Signalquelle 100. Der Frequenzkonverter 200 vermindert die Frequenz/Hz des Eingangssignal? um l/Hz, und erzeugt ein Signal mit der Frequenz (/ — l/l Hz. Der Prozentsatz der Frequenzänderung >, von der originalen Tonhöhe entsprechend der Grundfrequenz /Hz des Tongenerators 99 ist wie folgt darzustellen:

If

too

(10)

, wird sroß mit abnehmender Frequenz /Hz. d.h.. die Tonhöhenverringerung wird groß mit abnehmender Frequenz /Hz. Deshalb hat ein Ton im niedrigen Frequenzbereich eine ausreichend niedrige Höhe, und die Höhenunrichtigkeit ist verbessert im niedrigen Frequenzbereich. Da auch die Unharmonizitätscharaktcristik verbessert ist. ist die Klangqualität verbessert.

Fig. 1(1 zeigt eine siebente Ausführungsform des Frequenzkonversionssystems gemäß der vorliegenden

> Erfindung zur Korrektur der Höhenunrichtigkeit eines herkömmlichen elektronischen Musikinstrumentes. Fine Signalquelle 100 besteht aus einem Tongenerator 99. einem Tastcnschaltersystcm 4 und einem Klangfilter 5. Der Tongenerator 99 eines herkömmlichen

in elektronischen Musikinstrumentes erzeugt Tonsignale mit Frequenzen, die der Tonleiter entsprechen. Das Signal vom Tongenerator 9 wird auf einen Frequenzbereichstrenner 400 über das Tastenschaltersystem 4 und das Klangfilter 5 gegeben, um in eine Anzahl von im Frequenzband begrenzten Signalen getrennt zu werden, z. B. in vier Signale, deren Frequenzbereiche

(F, - F₂). (F₂ ~ F.,), (F₃ - F₄) bzw. (F₄ - F₅) sind, wobei

F, < F₂ < F₃ < F₄ < F₅.

wie es in F i g. 10 gezeigt wird. Mindestens ein Signal vom Frcquenzhereichstrenner 400, /.. B. drei Signale, wird auf Linterfrequenzkonverter geliefert, z. B. 205.

206 bzw. 207.

Die Signale von den Unterfrequenzkonvertern 205. 206 und 207 und der Rest des im Frequenzband begrenzten Signals, der nicht auf irgendeinen Unterfrequenzkonverter gegeben wird, werden durch Widerstände 501. 502. 503 und 504 zusammengefaßt und durch einen elektroakustischen Wandler 3 in Schall umgewandelt.

Der Frequenzbereichstrenner 400. die Unterfrequenzkonverter 205.206 und 207 und die Widerstände

501. 502. 503 und 504 bilden einen Frequenzkonverter 210.

Wenn die Konvertierungsfrequenzen der Unterfrequenzkonverter l/Hz, l/'Hz und 1/"Hz sind und in der Beziehung

t/ < 0 < 1/' < 1/"

stehen, ist der Höhenfehler nicht nur im Bereich niedriger Frequenzen (F₁ ~ F₂), sondern auch in dem hoher Frequenzen (F₃ ~ F₄) und (F₄ ~ F₅) verbessert Eine negative Konvertierungsfrequenz entspricht einer Frequenzherabsetzung, eine positive einer Frequenzerhöhung.

Fig. 11 zeigt ein Beispiel einer Frequenzkonversionscharakteristik, die mit der Ausfiihrungsform der Fig. 10 erreicht wird.

Die Klangqualität wird ebenfalls durch die erhalten Unharmonizitätscharakteristik verbessert. Beiden Auführungsformen der F i g. 9 und 10 ist es am hosten wenn der Tongencrator 99 in der Frequenz vorge spannt ist zur Kompensation unerwünschter Höhen abweichungen auf Grund der Frequenzkonversior Wenn ein Magnetbandgerät oder ein Plattenspielc

als Signalquelle 100 in Fig. 1. 9 und 10 verwende wird, dann wird die Harmonizitätscharakteristik ode die Höhe der Signale auf dem Band oder auf dt Platte verändert, und die Klangqualität und die Höhei Unrichtigkeit werden verbessert.

Wenn ein herkömmliches Musikinstrument, wie eii Violine, eine Klarinette oder eine Trompete, und e Wandler, wie ein Mikrophon, als Signalquelle H in den Fig. 1. 4. 5. 9 und 10 verv/endei werde kann die Unharmonizitätscharakteristik des Musi Instrumentes verändert werden und ein neuer Ton π

besserer Klangqualität als der originalen erzielt werden. Einige herkömmliche Musikinstrumente mit IK.'ienunrichtigkeil können verbessert werden. Man kann auch eine vollständig neue Klangqualiliil erzielen durch die Konvertierung von Frequenzen der Signale herkömmlicher Musikinstrumente.

Wie oben erwähnt, ist der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht begrenzt auf eine bestimmte Art von Signalquelle 100. Es ist nur notwendig, daß die Signalquelle 100 ein Hör- oder Tonfrequenzsignal •rzeugt.

Die Frequenzkonverter 200. 201. 202. 203. 204 ... Und die Unterfrequenzkonverter 205. 206. 207 können wie folgt realisiert werden.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel eines Frequenzkonver-♦ers. Ein Tonfrequenzsignal A sin 2.-r/f. wie das Ausgangssignal eines elektronischen Musikinstrumentes, wird auf eins Eingangsklemme 601 gegeben und durch einen Konstantphasenteiler 603 in zwei Signale X₁ und X₂ aufgeteilt, die gegeneinander eine Phasendifferenz von j haben, und entsprechend auf Leitungen 605 und 606 gegeben. Sie werden dann auf die Multiplizierer 609 bzw. 610 gegeben und durch zusammenfassende Mittel, d.h. die Widerstände 611 und 612. zusammengefaßt und auf eine Ausgangsklemme 613 geliefert. Ein Oszillator 602 erzeugt ein Paar Frequenzkonvertierungssignale V₁ und V₂

mit einer Phasendifferenz von -j- gegeneinander und

liefert diese auf Leitungen 607 und 608. Diese Signale werden auf die Multiplizierer 609 bzw. 610 gegeben. Die Signale X₁, X₂. V₁ und V₂ können wie folgt dargestellt werden:

X₁ =· A sin(2-r/r + Φ) (12)

X₂ = A sin (2.-r/r ± y + ''') (13)

V₁ = ßsin(2.-r/f + 'F) (14)

V₂ = B sin (2,-r/f ± ^- + Ψ). (15)

Die Ausgangssignale Z, und Z₂ von den Multiplizierern 609 und 610 können folgendermaßen dargestellt werden:

Z₁ = X₁V₁ = .-Iß sin (2.T/'! -"- Φ)
sin i2.-r/r - Vl

(16)

Z₂ = X;V_: = AB sin (2.-7ft ± ^- ■+- Φ)

sin(2-/r ±4~ ^ψ)· ⁽¹⁷⁾

Die Signale Z₁ und Z₂ werden zusammengefaßt, und ein Signaler!Z₁ + Z₁). wie es durch die Gleichung

(18) dargestellt ist. erscheint an der Ausgangsklemme 613.

, (Z, ) Z₂)

A B cos

Γ.2.τ(/± Df

Das Signal ^ (Z₁ + Z₂) an der Ausgangsklemme

ίο 613 ist ein Signal, dessen Frequenz die Summe oder die Differenz der beiden Frequenzen von der Fingangsklemme 601 und dem Oszillator 602 ist. Ob die

Frsquenz des Signals ^ (Z₁ + Z₁) die Summe oder die Differenz der beiden Frequenzen wird, hängt von der Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgangssignalen des Phasenteilers 603 und der Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgangssignalen vom Oszillator 602 ab.

Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform der Multiplizierer 609 und 610. Ein Signal X an einer Klemme 614 wird in einem Amplitudenmodulator 616 durch ein Modulationssignal Y an einer Klemme 617 moduliert. Das Signal 615 gelangt auch auf einen Phaseninverter 615. Ausgangssignale vom Amplitudenmodulator 616 und vom Phaseninverter 615 werden durch Mittel, wie die Widerstände 618 und 619, zusammengefaßt und erscheinen an der Ausgangsklemme 620. Das Ausgangssignal vom Amplitudenmodulator 616 hat ein Trägersignal X und seine beiden Seitenbänder. Wenn das Trägersignal X durch ein in der Phase invertiertes Signal vom Phaseninverter 615 am Ausgang 620 ausgelöscht wird, dann erscheinen nur zwei Seitenbänder am Ausgang 620.

Die beiden Seitenbänder entsprechen einem Signal XY, nämlich einem Produkt der Signale X und V. Die Multiplizierer 609 und 610 und der Amplitudenmodulator 616 sollten linear sein.
Eine Ausführungsform eines Frequenzkonverters, der als Frequenzkonverter 200. 201, 202. 203. 204 ... verwendet werden kann, wird in Fig. 14 gezeigt. Ein Modulator 623 moduliert ein Tonfreqivnzsignal Lfal- welches an eine Klemme 621 angelegt wird, mit dem Modulationssignal f_c. das eine höhere Frequenz als [/„] hat und an die andere Klemme 622 geliefert wird. Der Modulator 623 erzeugt mindestens zwei Seitenbänder f_c — [/„] und f_c + [/J, wie in den Fig. 15(a) und 15 (b) gezeigt wird. Ein Bandpaßfilter 624 läßt nur das untere Seitenband /_C[/J

gemäß Fig. 15(c) durch. Ein anderer Modulator 626 moduliert das gefilterte untere Seitenband/^ - [/J mit einem anderen Modulationssignal f_c (= f_c — Af) und erzeuet mindestens zwei Seitenbänder f'_c — f + [/J und /; + /_f-[/J gemäß Fig. 15(d). Da; untere Seitenband f'_c — f_c + [/„] wird von einerr weiteren Bandpaßfilter 627 durchgelassen und er scheint am Ausgang 628. Das Ausgangssignal f'_c— f + [/J ist [/J — I/. dessen Frequenz niedriger is als die des Signals [/J um eine kleine Frequenz I / Die abgeglichenen Modulatoren 623 und 627 könnei lineare Modulatoren, wie Multiplizierer, die einei Hall-Effekt ausnutzen, oder nichtlineare Modulatorei sein, wie Rinamodulatoren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. I requenzkonversionssYslem für ein elektronisches Musikinstrument, bestehend aus einer Signalquelle, mindestens einem Frequenzkonverter und einem elektroakustisch^ Wandler, die in der angegebenen Folge in Reihe geschaltet sind, d a d u ich gekennzeichnet, daß ein Signal von der Signalquelle (100) in der Frequenz und in der Tonhöhe durch den Frequenzkonverter (200i konvertiert wird und von dem elektrouk iistischen Wandler in Schall umgewandelt wird.

2. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin Mittel enthält /ur Verschiebung der Frequenz des Sijiiial:·. der Siunaiuuelle. um ungewollte Frequenzverschiebungen durch den Frequenzkonverter zu kompensieren.

3. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkonverter die Grundfrequenz und die Frequenz der Obertöne des Signals um I /Hz herabsetzt, um die Verhältnisse der Frequenzen der Obertöne zur Grundfrequenz des Signals zu erhöhen.

4. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkonverter die Grundfrequenz und die Frequenzen der Oberlöne des Signals um I /Hz erhöht, um die Verhältnisse aer Frequenzen der Obertöne zur Grundfrequenz des Sigrals herabzusetzen.

5. Frequenzkonversionssyst"m nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der I requenzkonvcrtcr die Grundfrequenz und die Frequenzen der Obertöne um eine konstante Frequenz I /FIz herabsetzt, um die Tonhöhe des Signals von der

Signalquelle um -■- · 100% von der Originaltonhöhe entsprechend der Grundfrequenz /, der Signalquelle herabzusetzen.

6. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle im wesentlichen aus zwölf Oszillatoren entsprechend den Tönen der chromatischen Tonleiter und zwölf Ketten von mit den Oszillatoren gekoppelten Frequenzteilern besteht.

7. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkonvertcr im wesentlichen aus einem Konslantphascntcilcr. der cm Tonfrequenzsignal in ein Paar Si-

gnalc mit einer Phasendifferenz ~ aufteilt, aus

einem Oszillator zur f.rzeugung eines Paares von Frcquenzkonvcrticrungssignalcn mit einer Phasendifferenz von ^ . aus einem ersten mit ■■

dem Phasenleilcr und dem Oszillator gekoppelten Multiplizierer zur Multiplikation eines Ausgangssignals des Phasenteilcrs mit einem der Frcquenzkonvcrticnmgssigiialc von dem Oszillator, aus (<o einem /weiten mit dem Phascnteilcr und dem Oszillator gekoppelten Multiplizierer zur Multiplikation des anderen Ausgangssignals vom Phascnteilcr mit dem anderen Frcqucnzkonverticrungssignal. und aus zusammenfassenden Mitteln r>s besieht, die mit den Multiplizieren! gekoppelt sind zur /usamnienfassimg der Ausgangssignalc von den Multiplizieren!.

S. Frequenzkonversionssyslem nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Multiplizierer im wesentlichen aus einem Ampliti'denmodulator zur Modulation eines angelegten Tonfrequenzsignals mil dem Frequenzkonvertierungssignal, aus einem Inverter zum Inverlieren des Tonfrequenzsignals und aus zusammenfassenden Mitteln besieht, die mit dem Ampliludenmodulator und dem Inverter gekoppelt sind und die Ausgangssignale des Amplitudenmodulators und des Inverters zusammenfassen, um eine Komponente des Tonfrequenzsignals, die in dem Ausgangssignal des Amplitudenmodulators entha'ten ist. auszulöschen.

9. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkonverter im wesentlichen aus einem Modulator eines Tonfrequenzsignals mit einem Müdulationssignal, dessen Frequenz /_tHz höher ist als die Tonfrequenz, aus einem ersten mit dem Modulator gekoppelten Filter, welches nur das untere Seitenband des Modulator-Ausgangssignals durchläßt, aus einem weiteren mit dem ersten Filter gekoppelten Modulator zur Modulation des Ausgangssignals des Filters mit einem anderen Modulationssignal, dessen Frequenz /_c'Hz sich um die Konvertierungsfrequenz I /Hz von der Frequenz /_cHz unterscheidet, und aus einem zweiten Filter besteht, welches mit dem weiteren Modulator gekoppelt ist, um nur das untere Seitenband des Ausgangssignals des weiteren Modulators durchzulassen.

10. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulatoren Ringmodulatoren sind.

11. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkonverter aus einem Frequenzbereichstrenner zum Trennen des Signals von der Signalquelle in eine Anzahl von Signalen mit begrenztem Frequenzband, aus mindestens einem Unterfrequenzkonverter, der mit dem Frequenzbereichstrenner gekoppelt ist. um die Frequenz von mindestens einem aus der Anzahl der Signale mit begrenztem Frequenzband zu konvertieren, und aus zusammenfassenden Mitteln besteht, die mit dem Unterfrequenzkonverter gekoppelt sind, um das Ausgangssignal des Unterfrequenzkonverters und den Rest der Signale mit begrenztem Frequenzband, dci nicht in der Frequenz konvertiert wurde, zusammenzufassen.

12. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, daß der \ Inlerfrequcnzkonverter im wesentlichen aus einem Konstantphascnteiler. der ein Tonfrcqucnzsignal in ein Paar Signale mit der Phasendifferenz ^ aufteilt, aus einem Oszillator zur Urzeugung eines Paares von Frequenzkonvcrsionssignalen mit der

Phasendifferenz \ . einem ersten Multiplizierer.

der mit dem Phascnteilcr und dem Oszillator gekoppelt ist. um das eine Ausgangssignal des Phasenteilcrs mit einem der Frcqucnzkonvcrticrungssignalc vom Oszillator /u multiplizieren, aus einem zweiten mil dem Phasenleilcr und dem Oszillator gekoppelten Multiplizierer zur Multiplikation des anderen I'hasrntcilcr-Ausgangssignals

mil dem anderen Frequen/konvertierungssignal von dem Oszillator, und aus zusammenfassenden Mmein besteht, die mit den Multiplizieren! gekoppelt sind und die Ausgangssignale der Multiplizierer zusammenfassen.

Il Frequenzkonversionssystem nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Multiplizierer im wesentlichen aus einem Amplitudenmodulator zur Modulation eines I oni'requenzsignals mit einem Frequenzkonver-ι ie ι iingssignal. aus einem Inverter zum Invertic-en (J ■·, Tonfrequenzsignals und aus zusammenfassenden Mitteln besteht, die mit dem Amplitudenmodulator und dem Invcru, ■ gekoppelt sind, um ds Ausgangssignale des Amplitudenmodulaiors in.d des Inverters zusammenzufassen und eine Komponente des Tonfrequenzsignals, die im Ausi.ingssignal des Amplitudenmodulators enthalten ist. auszulöschen.

14. Frequenzkonversionssystem nach An- >pruch 11, dadurch gekennzeichnet, da^r der i! nterfrequenzkonverter im wesentlichen aus einem Modulator zur Modulation eines Tonfrequenz-Signals mit einem Modulationssignal, dessen Frequenz/Hz höher ist als die Tonfrequenz, aus einem ersten mit dem Modulator gekoppelten Filter, das nur das untere Seitenband des Modukitor-Ausgangssignals durchläßt, aus einem weiteren mit dem ersten Filter gekoppelten Modulator zur Modulation des Filter-Ausgangssignals mit einem Modulationssignal, dessen Frequenz /_c'Hz sich um das Konvertierungssignal I /Hz von der Frequenz /_cHz unterscheidet, und aus einem zweiten mit dem weiteren Modulator gekoppelten Filter besteht, um nur das untere Seitenband des Ausgangssignals des weiteren Modulators durchzulassen.

ment wird daher als einem herkömmlichen Musikinstrument, welches die mechanische oder akustische Vibration oder Schwingung ausnutzt, in der Tonqualität unterlegen betrachtet.

Die Grundfrequenz /, und die Frequenzen der Harmonischen /„ einer schwingenden Klavier-.aile können wie folgt dargestellt werden: _|

/„ = ι ■ ./'„ Π + »^: I²Qk²S I²T)' (D

/;, = C 21 (P-I