DE1953503C3 - Frequenzkonversionssystem zur Beeinflussung der Klangfarbe der Tone eines elektronischen Musikinstruments - Google Patents

Description

/o = C/2 /,

wobei

/ die freie Länge der Saite,

T die Spannung der Saite,

ρ die Dichte der Saite,

5 der Querschnitt der Saite,

Q der Young-Modul,

k der Gyrationsradius um die neutrale Achse des

Querschnitts,
/o die Grundfrequenz einer dünnen, biegsamen Saite, die transversal zwischen starren Stützen

schwingt;
C die Geschwindigkeit der Wellenfortpflanzung

und
η die Ordnung der Harmonischen

ί>ι-1,2.3...)

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

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Frequenzkonversionssystem zur Beeinflussung der Klangfarbe der Töne eines elektronischen Musikinstruments, bestehend aus mindestens einer Quelle für obertonhalt'ge Tonfrequenzsignale, mindestens einem Frequenzkonverter und einem elektroakustischen Wandler, die in der angegebenen Folge in Reihe geschaltet sind.

Ein herkömmliches elektronisches Musikinstrument erzeugt entsprechend jeder Taste einer Tastatur unter Verwendung eines Tongenerators, der ums zwölf Oszillatoren und zwölf Ketten von Frequenzteilern entsprechend den zwölf Oszillatoren besteht, Tonsignale. Jedes der Tonsignale besitzt exakte Harmonische, die ein ganzzahliges Vielfaches einer Grundfrequenz sind. Das Tonsignal mit exakten Harmonischen ist unnatürlich, da die Tonsignale eines herkömmlichen Musikinstruments, z. B. eines Klaviers, einer Geige, einer Klarinette usw., nicht diese exakten Harmonischen aufweisen. Beim herkömmlichen elektronischen Musikinstrument ist das Frequenzverhältnis von zwei Signalen, die musikalisch im Abstand von einer Oktave liegen, exakl 2 : 1 vom niederfrequenten Bereich bis zum hochfrequenten Bereich. Infolgedessen weist ein herkömmliches elektronisches Musikinstrument den Fehler

V(«) =	»Λ	•	(4)
=	T	T.	(4)
h =	,2Q	(5
~+ b
2Sl2

wobei

Y(n) ist ein Maß der Unharmonizität und ein Verhältnis der /Men Oberionfrequenz f_n zu dem Vielfachen η der Grundfrequenz /Ί.

Da das durch die Gleichung (5) angegebene b im allgemeinen bei 10~³~ ΙΟ"⁴ liegt, wird VYn^nicht kleiner als 4% für ein großes n.

Die Gleichung (4) zeigt, daß die Unharmonizität um so größer ist, je größer die Ordnung der Harmonischen ist.

Auf der anderen Seite hat ein Ton oder ein Signal eines herkömmlichen elektronischen Musikinstruments, das durch eine elektronische Oszillatorschaltung oder eine Frequenzteilerschaltung erzeugt ist, exakte Harmonische. Die Frequenzen der Obertöne f„ sind nämlich exakte positive sanzzahliee Vielfache der Grundfre-

qusnz /";. Die Unharmonizitätsfunktion Y(n) für eine solche Situation lautet wie folgt:

Y inj =

./„

»/■

= I

(6)

Allgemein läßt sich sagen, daß Töne mil exakten Harmonischen bei herkömmlichen Musikinstrumenten selten vorkommen und daß 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 Klarheit und der Stärke dem Signal mit exakten Harmonischen überlegen.

Das herkömmliche elektronische Musikinstrument besitzt einen weiteren Fehler, der darin Desteht, daß die Tonhöhe des Signals nicht mit der natürlichen Tonleiter übereinstimmt. Signale mit einem exakten Frequenzverhäitnis 2 : 1 hören sich insbesondere im Bereich hoher und niedriger Frequenzen für das menschliche Ohr nicht so an, als ob sie um eine Oktave auseinanderlägen. Man benötigt vielmehr ein größeres Frequenzverhältnis als 2:1, um ein Intervall von einer Oktave zu erhalten.

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

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

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

In W. Meyer— Eppler, »Elektronische Klangerzeugung«, Bonn 1949. Seiten 55 bis 57, ist ein Verfahren beschrieben, bei dem hochfrequente Schwingungen transponiert werden. Hierbei wird ein ganzer Frequenzbereich unter Beibehaltung aller Frequenzabstände um einen beliebigen Betrag nach höheren oder tieferen Frequenzen hin verschoben. Auf den Seiten 106 bis 108 dieser Druckschrift sind Geräte mit Transponierungs-Generatoren beschrieben. Das erzeugte Signal weist in jedem Falle auch die Grundfrequenz und ihre exakten Harmonischen auf.

InW. Meyer—Eppler, »Elektronische Klangerzeugung«, Bonn 1949, Seite 112 und E Weiss, »Le piano photoelectrique >Spielmann< « ist das sogenannte »Spie!mann«-Piano beschrieben, bei dem für jede Klangfarbe 12 rotierende Scheiben aus geschwärztem ZJIuIoid vorgesehen sind. Lichtempfindliche Elemente ermitteln die Lichtintensitätsänderungen entsprechend der aufgedruckten Klangfarbe.

In E W e i s s, »Un appareil de musique radioelectrique« ist ein Musikgerät beschrieben, bei dem die Klangfarbe durch einen variablen Kondensator eingestellt wird. Dabei ergibt sich aus jeder Kapazitätsänderung des Kondensators eine Frequenzänderung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Klänge mit nicht exakt harmonischen Obertönen zu erzeugen

oder bei Klängen, die bereits nicht exakt harmonische Oberi'">np enthüllen, die Abweichung der Frequenter; der Obertönc von den Frequenzen der exakt ilannoni sehen zu vergrößern.

Dieses Ziel wird mit einem Frequenzkonversionssystem erreicht, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Frequenzkom erier sämtliche im rrequen/.spektrum eines der Tonfrequ^pnzsignale enthaltenen Frequenzen um denselben Wert A f verschiebt, der klein gegenüber derGmndfrequenzdes Tünfrequenzsignals ist.

iviit Hilte der vorliegenden Erfindung können neuartige Tonsignalc erzeugt werden, die wie 7. B. der Ton eines Klaviers nicht exakte Harmonische aufweisen.

Die neuen Tonsignale sind besser in der Tonqualitäl hinsiehtlieh der Natürlichkeit, der Klarheit und der Stärke. 9.\t weisen im niederfrequenten Bereich eine ausreichend niedrige Tonhöhe und im hochfrequenten Bereich eine ausreichend hohe Tonhöhe auf, um sich dem natürlichen Tonhöheempfinden des menschlichen Ohrs anzupassen.

Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich werden. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein schemalisches Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform des Frequenzkonversionssystems,

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

Fig. 3 ein Diagramm der Unharmonizitätsfunktion yfn^über der Ordnung der Harmonischen,

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform des Frequenzkonversionssystems,

F i g. 5 ein schematisches Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform des Frequenzkonversionssystems,

Fig. 6 ein schematisches Blockdiagramm einer vierten Ausführungsform des Frequenzkonversionssystems,

Fig. 7 ein schematisches Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform des Frequenzkonversionssystems,

F i g. 8 ein Diagramm der Kennlinie der Frequenz über der Tonhöhe,

Fig. 9 ein schematisches Blockdiagramm einer sechsten Ausführungsform des Frequenzkonversionssystems,

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

F i g. 11 ein Diagramm der Frequenzkonversionskennlinie der Ausführungsform gemäß F i g. 10,

Fig. 12 ein schematisches Blockdiagramm eines Beispiels eines Frequenzkonverters, der in einem Frequenzkonversionssystem verwendet wird,

Fig. 13 ein schematisches Blockdiagramm eines Vervielfachers, der in dem Frequenzkonverter der F i g. 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 zeigt ein Diagramm eines monophonen elektronischen Musikinstruments, das einen neuen

K hing erzeugen kann.

In Γ i g. 1 besteht eine Signalquell" 100 aus einem Tongenerator 98 und eineiü Torthohenwähler i. Der Tongern rntoi 98 erzcMgt ein Signal 6, welches aus der Grundfrvijucn/. und den exakten Harmonischen besteht, d. h. ein Frequenzspcktrum /i, f>, Z₁ . . f„ aufweist, wobei die Gnindfrequenz und die harmonischen Frequenzen IMv., /jHz. AHz ... /"„Hz ... sind und f„ = nf_t(n = 1, 2. 3 . ,) ist. wie es 'iiitvh die durchgezogenen Linien in F i g. 2 gezeigt wird. Die «",rundfrequenz /", wird durch einen i löheiivvähler I gesteuert. Fin Frequenzkonverter 200 sublnihierl Δ /Hz von dem Signa! 6 und erzeugt ein Signal 7 mit den Frequenzkomponenten

/i- 1 [)\\i,{2f_x-A /",IH/.

(3Γ,- Δ QHt... (nf,-Δ OHz....

wie es die gestrichelten Linien in Fig. 2 anzeigen. Das Signal 7 wird durch einen elektroakustischen Wandler 3 in einen Schall umgewandelt.

Der Schall weist neue Klangquaütäten, wie Natürlichkeit, Klarheil und Stärke auf und kann mit einem herkömmlichen elektronischen Musikinstrument nicht erzielt werden.

Für das Signal 6 gilt die Unharmonizitätsfunktion Y(n)

= I

(7)

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

Das herkömmliche elektronische Musikinstrument verwendet Oszillatoren, die eine Rechteck- oder eine Sägezahnwelle als Originaltonsignal erzeugen. Solche Wellenformen setzen sich aus vielen Sinuswellen mit den Frequenzen Zi, h ... f„ ... zusammen, wobei f_n ein ganzzahliges Vielfaches von /] ist. Dies kann mathematisch durch Fourierreihen bewiesen werden. Dementsprechend ist f„ gleich nf\. Damit wird Y(n) der Gleichungen (6) und (7) zu 1.

Für das Signal 7 kann die Unharmonizitätsfunktion Vf/i^dargestellt werden als

Y (η) =

(8)

0 - ^L) τ¹

V η J /ι -

I/

I/'

wobei (ί\—Δ f) eine Grundfrequenz und (ηί\—Δ f) die Frequenz der n-ten Harmonischen ist. Die Gleichung (8) zeigt an, daß die Verhältnisse der Obertonfrequenzen zu der Grundfrequenz bei einet Erhöhung der Frequenz ansteigen. Die Gleichung (8) ist in F i g. 3 als gestrichelte Linie 11 dargestellt Die gestrichelte Linie 11 zeigt, daß ein Signal 7 eine Unharmonizitätsfunktion aufweist, die etwa der eines Klaviertones ähnlich ist, dessen Unharmonizitätsfunktion Y(n) durch die Gleichung (4) dargestellt und als gekrümmte Linie 12 in F i g. 3 gezeigt ist Vorzugsweise liegt die Frequenz Δ /zur Simulation eines Klaviertones z. B. einige Hz unter dem Hörbereich.

Wenn die Frequenz Δ f kleiner als 2% der Grundfrequenz /ist, dann hat das konvertierte Signal 7 eine verbesserte Tonqualität, sowie auch verbesserte

Natürlichkeit, Klarheit und Stärke. Wenn Δ /'größer als 2% und kleiner als 4% der Grundfrequenz /"ist, ist die Tonqualität des konvertierten Signals 7 in bezug auf Natürlichkeit, Klarheit und Stärke weiter verbessert. Wenn Δ /"größer als 4% der Grundfrequenz /"ist, dann hat das Signa! 7 eine Tonqualität, die weder νυη einem herkömmlichen elektronischen Musikinstrument noch von einem herkömmlichen Musikinstrument erreicht werden kann.

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

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

Yin) =

.Γ

s- if"

Die Gleichung (9) zeigt, daß die Verhältnisse der Obertonfrequenzen zu der Grundfrequenz abnehmen. Die Gleichung (9) wird durch die gekrümmte Linie 13 in F i g. 3 dargestellt. Dieses Signal ist ein neuer Ton, den ein herkömmliches elektronisches Musikinstrument nicht erzeugen kann.

Fig.4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Frequenzkonversionssystems für ein elektronisches Musikinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Signalquelle 100 besteht aus einem Tongenerator 98 und einem Höhenwähler 1. Der Tongenerator 98, dessen Frequenz durch den Höhenwähler 1 gesteuert wird, erzeugt ein Signal 6 mit einer Grundfrequenz und exakten Harmonischen. Ein Frequenzkonverter 200 erhöht oder erniedrigt die Frequenzen des Signals 6 um Δ /Hz und liefert ein Signal 7. Das Signal 7 wird von einem elektroakustischen Wandler 3 in Schall umgewandelt. Die Frequenz Δ /"Hz wird ebenfalls von dem Höhenwandler 1 gesteuert. Die Unharmonizitätscharakteristik des Signals 7 ist abhängig von der Tonhöhe des Signals 7 und es kann eine optimale Unharmonizitätsfunktion für das Signal 7 gewählt werden, wenn die Höhe des Signals 7 steigt oder fällt.

Fig.5 zeigt die dritte Ausführungsform eines Frequenzkonvertersystems für ein elektronisches Musikinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Signalqueile 100 besteht aus den Tongeneratoren 101, 102, 103, 104 ... entsprechend den Tönen einer Tonleiter. Diese haben Grundfrequenzen /_]Oi, /102, /103, f_m... bzw. ihre exakten Harmonischen. Die Tongeneratoren 101,102,103,104... sind mit Frequenzkonvertern 201,202,203,204... verbunden. Die Konvertierungsfrequenzen der Frequenzkonverter 201, 202, 203, 204 ... sind Δ Z₂₀I, Δ Z₂₀₂, Δ Z₂₀₃, Δ Z₂₀₄...

Die Ausgangssignale der Frequenzkonverter 201, 202, 203, 204 ... sind mit einem Tastenschaltersystem 4 einer Tastatur verbunden. Die von dem Tastenschaltersystem 4 gewählten Ausgangssignale werden durch ein Klangfilter 5 gefiltert und durch einen elektroakustischer Wandler 3 in Schall umgewandelt

Gemäß der Ausführungsfonn ii; Fig. 5 ist jeder Unharmonizitätsübergang in einer Tonleiter durch Anordnung der Konvertierungsfrequenzen Δ F₂₀], Δ /202. Δ /jui, A /im ... für den gewünschten Unharmonizitätsübergang erziclbar. Wenn /.. B. die Konverticrungsfrc- ■-, quenzen Δ Λ₍₎ι. Δ im?, Δ /jo ι. Δ fim ... die gleichen Prozentsätze der Grundfrequenzen der entsprechenden Tongeneratoren sind, ist die Gleichung (8) für jeden Tongenerator und Frequenzkonverter die gleiche, d. h. mit anderen Worten, für jeden einer Taste des m Tastenschaltersystems 4 entsprechenden Ton. Deshalb wird eine gleichförmige Unharmonizitätscharakteristik über der gesamten Tonleiter erzielt.

F i g. 6 zeigt die vierte Ausführungsfonn eines Frequenzkonversionssystems für ein elektronisches |-, Musikinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Signalquelle 100 besteht entsprechend der Tonleiter aus den Tongeneratoren 101, 102, 103, 104 ... mit den Grundfrequenzen /Ί_Οι, /Ί02, /ioj. fm ■ ■ ■ und ihren exakten Harmonischen. Die Signale von den Tongeneratoren werden durch ein Tastenschaltersystem 4 ausgewählt. Die Ausgangssignale des Tastenschaltersystems werden in einer oder mehreren Gruppen, z. B. in drei Gruppen, zusammengefaßt und den drei Gruppen entsprechend auf Frequenzkonverter 201, 202, 203 gegeben. Die Ausgangssignale der Frequenzkonverter werde auf ein Klangfilter 5 gegeben und von einem elektroakustischen Wandler 3 in Schall umgewandelt. Diese Ausführungsform erfordert weniger Frequenzkonverter als die in F i g. 5 gezeigte Form und ist daher praktischer.

Fig. 7 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines Frequenzkonversionssystems gemäß der Erfindung zur Erzielung einer Unharmonizitätscharakteristik in Tönen. Eine Signalquelle 100 besteht entsprechend der j-, Tonleiter aus Tongeneratoren 101, 102, 103, 104 ... mit den Grundfrequenzen /Ί01, /102. /103. /104 ··· und ihren exakten Harmonischen. Die Signale von den Tongeneratoren werden durch ein Tastenscha'.tersystem 4 ausgewählt und über Widerstände 301, 302, 303, 304 ... _4ί) auf einen Frequenzbereichstrenner 400 aus Filtern gegeben, der in eine Anzahl von Gruppen z. B. in Signalbereiche niedriger, mittlerer oder hoher Frequenzen aufgeteilt ist. Die getrennten Signale laufen durch Frequenzkonverter 201, 202, 203 und werden dann durch Mittel, wie die Widerstände 501, 502, 503 zusammengefaßt und durch einen elektroakustischen Wandler 3 in Schall umgewandelt.

In den Ausführungsformen der F i g. 5,6 und 7 werden die Tonhöhen oder Grundfrequenzen der Tongeneratoren 101, 102, 103,104 ... vorzugsweise vorgespannt um unerwünschte Tonhöhenabweichungen, die durch die Frequenzkonven.ion verursacht werden, zu kompensieren.

Ein Frequenzkonversionssystem für ein elektronisches Musikinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung hat noch eine andere Funktion und Wirkung, die einen Fehler eines herkömmlichen elektronischen Musikinstruments überwindet, nämlich eine Diskrepanz zwischen der von dem herkömmlichen elektronischen <,ο Musikinstrument erzeugten Tonleiter und einem natürlichen Tonhöhenempfinden.

F i g. 8 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen der Signalfrequenz und der von menschlichen Ohren erkannten Tonhöhe. Die Tonhöhenempfindung ist in den Bereichen hoher und niedriger Frequenz gesättigt, 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 Tonhöhenänderung im mittleren Frequenzbereich zu unterscheiden.

Fig. 9 zeigt eine sechste Ausführungsform eines Frequenzkonversionssystems gemäß der Erfindung zur Korrektur der Höhenunrichtigkeit eines herkömmlichen elektronischen Musikinstruments. Ein Tongen(.T;i ior 99 eines herkömmlichen elektronischen Musikinstruments erzeugt Tonsignale, die der Tonleiter entsprechen. Im allgemeinen besteht der Tongenerator 99 aus zwölf Oszillatoren, den Tönen der chromatischen Tonleiter entsprechend und zwölf Frequenzteilerketten, den zwölf Oszillatoren entsprechend. 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 über ein Tastenschaltersystem 4 und ein Klangfilter 5 auf einen Frequenzkonverter 200 gegeben und von einem elektroakustischen Wandler 3 in Schall umgewandelt. Der Tongenerator 99, das Tastenschaltersystem 4 und das Klangfilter 5 bilden eine Signalquelle 100. Der Frequenzkonverter 200 verminderi diu Frequenz /"Hz des Eingangssignals urn Δ /"Hz und erzeugt ein Signal mit der Frequenz (ί—Δί)Hz. Der Prozentsatz der Frequenzänderung η von der originalen Tonhöhe entsprechend der Grundfrequenz /"Hz des Tongenerators 99 ist wie folgt darzustellen:

I/

(101

η wird mit groß 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 im niedrigen Frequenzbereich verbessert. Da auch die Unharmonizitätscharakteristik verbessert ist, ist die Klangqualität verbessert.

Fig. 10 zeigt eine siebente Ausführungsform des Frequenzkonversionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zur Korrektur der Höhenunrichtigkeit eines herkömmlichen elektronischen Musikinstruments. Eine Signalquelle 100 besteht aus einem Tongenerator 99, einem Tastenschaltersystem 4 und einem Klpngfilter 5. Der Tongenerator 99 eines herkömmlichen elektronischen Musikinstruments 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, z. B. in vier Signale, deren Frequenzbereiche

(F₁ ~ F₂),(F₂ ~ Fj)₁(F₃ ~ F₄) bzw.(F₄ ~ F₅) sind, getrennt zu werden, wobei

F₂< F₃<

F₅,

wie es in Fig. 10gezeigt ist Mindestens ein Signal vom Frequenzbereichstrenner 400, z. B. drei Signale, wird auf Unterfrequenzkonverter 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 Wider-

stände 501, 502,503 und 504 zusammengefaßt und durch einen elektroakiisiischen 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 kuiivcrtierungsfrequenzen der Unterfrequenzkonverter Δ /"Hz, Δ /"'Hz und Δ /'Hz sind und in der Beziehung

s'chen, ist der HöhenfehU'r nicht nur im Bereich niedriger Frequenzen (r\ ~ F₂), soiidcni auch in dem hoher Ficquenzen (h\ ~ F₄) und (F* ~ F₃) verbessert. ;·, Fine negative Konvertierungsfrequenz entspricht einer Frequenzherabsetzu:;g, eine positive einer Frequer./erhöhung.

Fig.lt zeig: ein Beispiel einer i-requenzkonvertierungschaiakteristik, die mit der Au^führungsform der :n Fig. 10 erreicht wirr!.

Die Klangqualhüt wird ebenfalls dup.-i. die erhaltene Unharmonizitätscharakteristik verbessert. Bei den Ausführuiigsformen der F i g. 9 und 10 ist es am besten, wenn die Frequenz des Tongencrators 99 zur 2~> Kompensation unerwünschter Hunenabweichungen auf Grund der Frequenzkonversion vorgespannt ist. Mit anderen Worten ist es besser, den Tongenerator 99 auf eine Frequenz einzustellen, die um Δ /Ήζ in die entgegengesetzte Richtung abweicht, so daß die j» Komponente der Grundfrequenz des Ausgangssignals durch die Frequenzkonversion nicht beeinflußt wird.

Wenn ein Magnetbandgerät oder ein Plattenspieler als Signalquelle 100 in Fi g. 1, 9 und 10 verwendet wird, dann wird die Harmonizitätscharakteristik oder die j-, Höhe der Signale auf dem Band oder auf der Platte verändert, und die Klangqualität und die Höhenunrichtigkeit werden verbessert.

Wenn ein herkömmliches Musikinstrument, wie eine Violine, eine Klarinette oder eine Trompete, und ein Wandler, wie ein Mikrophon, als Signalquelle 100 in den Fig. 1, 4, 5, 9 und 10 verwendet werden, kann die Unharmonizitätscharakteristik des Musikinstruments verändert werden und e^;n neuer Ton mit besserer Klangqualität als der originalen erzielt werden. Einige 4-, herkömmliche Musikinstrumente mit Höhenunrichtigkeit können verbessert werden. Man kann auch eine völlig neue Klangqualität durch die Konvertierung von Frequenzen der Signale herkömmlicher Musikinstrumente erzielen. Dies rührt daher, daß die harmonische -,0 Struktur dieser Musiktöne durch die vorliegende Erfindung verändert werden kann.

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

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

Fig. 12 zeigt ein Beispiel eines Frequenzkonverters. Ein Tonfrequenzsignal A sin 2 π ft, wie ζ. Β. das Ausgangssignal eines elektronischen Musikinstruments, wird auf eine Eingangsklernme 601 gegeben und durch einen Konstantphasenteiler 603 ir. zwei Signale X\ und _b5 Xi aufgeteilt, die gegeneinander eine Phasendifferenz von-i- aufweisen und jeweils auf Leitungen 605 und 606 gegeben werden. Sie werden dann auf die Multiplizierer 609 bzw. 610 gegeben und z. B. durch die Widerstünde 611 und 612 zusammengefaßt und an eine Ausgangsklemme 613 angelegt. Ein Oszillator 602 erzeugt ein ·") Paar Frcquenzkonvertierungssignale \< um' V- mit

einer Phasendifferenz vonygegeneinandei und liefert

diese an Leitungen 607 und 608. Diese Signale werden auf die Multiplizierer 609 bzw. 610 gegeben. Die Signale in Ai. Vi, K und K₂ können wie folg; dargestellt werden:

.V₁ = A sin (2 j ΙΊ + Φ). (12)

A₂ = A sin (l j fi L ^ +</Λ, (1?)

V₁ = üsin (2.-./Γ + ν), (14)

y, = »sir (in ft ί '] + t,\ (15)

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

Z₁ = ΑΙ V₁ = AB sin (2.τ/ί + Φ)

sin (2.7/1 + _Ψ). (16)

Z₂ = .V₂ V₂ = AB sin (2 .τ ft ί ^ + </'

sin ( 2 τ ft .1 ^ + _(/·J . (1'

Die Signale Zi und Z₂ werden zusammengefaßt und es erscheint ein Signal-y- (Z\ + Zi), wie es durch die

Gleichung (9) dargestellt ist, an der Ausgangsklemme 613.

\ (Z₁ + Z₂)= ■!, .-Iß cos

Zi + Z₂) an der Ausgangsklemme613 ist

ein Signal, dessen Frequenz die Summe oder die Differenz der beiden Frequenzen von der Eingangsklemme 601 und dem Oszillator 602 ist. Ob die Frequenz des Sigrials-^γΖι + Z₂) 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 gelangt auch auf einen Phaseninverter 615. Ausgangssignale vom Amplitudenmodulator 616 und vom Phaseninverter 615 werden, z. B. durch die Widerstände 618 und 619, zusammengefaßt und erscheinen am Ausgangsanschluß 620. Das Ausgangssignal vom Amplitudenmodulator 616 hat ein Trägersignal X und seine beiden Seitenbänder. Wenn das

Trägersignal Λ durch ein in der Phase invertiertes Signal vom Phaseninverter 615 am Ausgangsanschluß 620 ausgelöscht wird dann erscheinen nur zwei Seitenbänder am Ausgang 620. Die beiden Seitenbänder entsprechen einem Signal AV. nämlich einem Produkt der Signale A"und Y. Die Multiplizierer 609 und 610 und der Amplitudenmodulator616 sollten linear sein.

Eine Ausführungsform eines Frequenzkonveriers, der als Frequenzkonverter 200, 20!, 202, 203, 204 ... verwendet werden kann, wird in Fig. 14 gezeigt. Ein Modulator 623 moduliert ein Tonfrequenzsignal [Q, welches an eine Klemme 621 angelegt wird, mit dem Modulationssignal fc das eine höhere Frequenz als [Q hat und an die andere Klemme 622 geliefert wird. Der Modulator 623 erzeugt mindestens zwei Seitenbänder

i—[/"J und f_L+[Q. wie in den Fig. 15(a) und 15(b] gezeigt ist. Ein Bandpaßfilter 624 läßt nur das untere Seitenband Z₁ -[Q gemäß Fig. 15(c) durch. Ein anderer Modulator 626 moduliert das gefilterte unlere Seitenband f_L— [Q mit einem anderen Modulationssigna] /!-(= ί—Δ f) und erzeugt mindestens zwei Seitenbänder f\—fc+[Q und Λ·+ί—[Λ] gemäß Fig. i5(d). Das untere Seitenband f\-f_c+[Q wird von einem weiteren Bardpaßfilter 627 durchgelassen und erscheint am Ausgang 628. Das Ausgangssignal f'_c— f_c+[Q ist [Q-Δ f. dessen Frequenz um eine kleine Frequenz Δ , niedriger ist als die des Signals [/"J. Die abgeglichenen Modulatoren 623 und 627 können lineare Modulatoren wie Multiplizierer, die einen Hall-Effekt ausnutzen, oder nichtlineare Modulatoren sein, wie Ringmodulatoren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Frequenzkonversionssystem zur Beeinflussung der klangfarbe der Töne eines elektronischen Musikinstruments, bestehend aus mindestens einer Quelle für obertonhaltige Tonfrequenzsignale, mindestens einem Frequenzkonverter und einem elektroakustischen Wandler, die in der angegebenen Folge in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkonverter sämtliche im Frequenzspektrum eines der Tonfrequenzsignale enthaltenen Frequenzen um denselben Wert Af verschiebt, der klein gegenüber der Grundfrequenz des Tonfrequenzsignals ist.

2. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1, dadurch .eekennzeichnet, daß die Grundfrequenz des Signals der Quelle (100) und die Frequenzverschiebung Af so wählbar sind, daß der im elektroakustischen Wandler (3) nach der Frequenzverschiebung durch den Frequenzkonverter (200) wiedergegebene Klang einen vorbestimmten Grundton aufweist.

3. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkonverter (200) die Frequenzen um AfHz 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 Frequenz- jo konverter die Frequenzen um Af Hz erhöht, um die Verhältnisse der Frequenzen der Obertöne zur Grundfrequenz des Signals herabzusetzen.

5. Frequenzkonversionssysiem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkonver- r, ter die Frequenzen um eine konstante Frequenz Af Hz herabsetzt, um die Tonhöhe des Signals von der Quelle um -J- ■ 100% von der Originaltonhöhe

entsprechend der Grundfrequenz f\ der Quelle 4(1 herabzusetzen.

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

7. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkonverter im wesentlichen aus einem Konstantphasenteiler ->o (603), der ein Tonfrequenzsignal in ein Paar Signale

mit einer Phasendifferenz y aufteilt, aus einem Oszillator (602) zur Erzeugung eines Paares von Frequenzkonvertierungssignalen mit einer Phasen- ^

differenz vony, aus einem ersten mit dem Phasenteiler und dem Oszillator gekoppelten Multiplizierer (600) zur Multiplikation eines Ausgangssignals des Phasenteilers mit einem der Frequenzkon- tn vertierungssignale von dem Oszillator, aus einem zweiten mit dem Phasenteiler und dem Oszillator gekoppelten Multiplizierer (610) zur Multiplikation des anderen Ausgangssignals vom Phasenteiler mit dem anderen Frequenzkonvertierungssignal und aus μ einem gemeinsamen Ausgang (613) besteht, der mit den Multiplizierern zur Zusammenfassung der Ausgangssignale der Multiplizierer gekoppelt ist

(Fig. 12).

8. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Multiplizierer im wesentlichen aus einem Amplitudenmodulator (616) zur Modulation eines angelegten Tonfrequenzsignals mit dem Frequenzkonvertierungssignal, aus einem Inverter (61S) zum Invertieren des Tonfrequenzsignals und aus einem Ausgangsanschluß (620) besteht, der mit dem Amplitudenmodulator und dem Inverter gekoppelt ist dnd die Ausgangssignale des Amplitudenmodulators und des Inverters zusammenfaßt, um eine Komponente des Tonfreqmpnzsignals, die in dem Ausgangssignal des Amplituldenmodulators enthalten ist, auszulöschen (F i g. 13$.

9. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkonverter im wesentlichen aus einem Modulator (623) eines Tonfrequenzsignals mit einem Modulationssignal, dessen Frequenz f_c Hz höher ist als die Tonfrequenz, aus einem ersten mit dem Modulator gekoppelten Filter (624), welches nur das untere Seitenband des Modulator-Ausgangssignals durchläßt, aus einem weiteren mit dem ersten Filter (624) gekoppelten Modulator (626) zur Modulation des Ausgangssignals des ersten Filters (624) mit einem anderen Modulationssignal, dessen Frequenz f'_c Hz sich um die Kor.vertierungsfrequenz Af Hz von der Frequenz fc Hz unterscheidet, und aus einem zweiten Filter (627) besteht, welches mit dem weiteren Modulator (626) gekoppelt ist, um nur das untere Seitenband des Ausgangssignals des weiteren Modulators (626) durchzulassen (F ig. 14).

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

11. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkonverter (210) aus einem Frequenzbereichstrenner (400) zum T rennen des Signals von der Quelle (100) in eine Anzahl von Signalen mit begrenztem Frequenzband, aus mindestens einem Unterfrequenzkonverter (205, 206, 2Ö7 ...), der mit dem Frequenzbereichstrenner (400) gekoppelt ist, um die Frequenz (F] ~ F₂; Fz-Ft; Fn-Fi) von mindestens einem aus der Anzahl der Signale mit begrenztem Frequenzband zu konvertieren, und aus einem gemeinsamen Ausgangspunkt, der mit dem Unterfrequenzkonverter gekoppelt ist, um das Ausgangssignal des Unterfrequenzkonverters und den Rest der Signale (F2~Fj) mit begrenztem Frequenzband, der nicht in der Frequenz konvertiert wurde, zusammenzufassen (Fig. 10).

12. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterfrequenzkonverter (205, 206, 207 ...) im wesentlichen aus einem Konstantphasenteiler (603), der ein Tonfrequenzsignal in ein Paar Signale mit der Phasendifferenz γ aufteilt, aus einem Oszillator (602) zur Erzeugung eines Paares von Frequenzkonversionssignalen mit der Phasendifferenz-^-, einem ersten Mulliplizierer (600), der mit dem Phasenteiler und dem Oszillator gekoppelt ist, um das eine Ausgangssignal des Phasenteilers mit einem der Frequenzkonveriierungssignale vom Oszillator zu multiplizieren, aus einem zweiten mit dem Phasenteiler und dem

Oszillator gekoppelten Multiplizierer (610) zur Multiplikation des anderen Ausgangssignals vom Phasenteiler mit dem anderen Frequenzkonvertierungssignal von dem Oszillator, und aus einem gemeinsamen Ausgang (613) besteh., der mit den Multiplizierern zur Zusammenfassung der Ausgangssignale der Multiplizierer gekoppelt ist (Fig. 12).

13. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Multiplizierer im wesentlichen aus einem Amplitudenmodulator (616) zur Modulation eines angelegten Tonfrequenzsignals mit einem Frequenzkonvertierungssignal, aus einem Inverter (615) zum Invertieren des Tonfrequenzsignals und aus einem Ausgangsanschluß (620) besteht, der mit dem Amplitudenmodulator und dem Inverter gekoppelt ist, um die Ausgangssignale des Amplitudenmodulators und des Inverters zusammenzufassen und eine Komponente des Tonfrequenzsignal!., die im Ausgangssignal des Amplitudenmodulators enthalten ist, auszulöschen (F i g. 13).

14. Frequenzkonversionssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterfrequenzkonverter (205, 206, 207...) im wesentlichen aus einem Modulator (623) zur Modulation eines Tonfrequenzsignals mit einem Modulationssignal, dessen Frequenz f_c Hz höher ist als die Tonfrequenz, aus einem ersten mit dem Modulator gekoppelten Filter (624), das nur das untere Seitenband des Ausgangssignals des Modulators durchläßt, aus einem weiteren mit dem ersten Filter gekoppelten Modulator (626) zur Modulation des Ausgangssignals des ersten Filters mit einem Modulationssignal, dessen Frequenz P₁- Hz sich um das Konvertierungssignal AfHz von der Frequenz /_cHz unterscheidet, und aus einem zweiien mit dem weiteren Modulator gekoppelten Filter (627) besteht, das nur das untere Seitenband des Ausgangssignals des weiteren Modulators durchläßt (F ig. 14).

ίο

auf, daß die Höhe des Signals im hohen Frequenzbereich nicht genügend hoch und vom niedrigen bis zum hohen Frequenzbereich nicht ausreichend niedrig genug ist Aus diesem Grund passen sich herkömmüche elektronische Musikinstrumente dem natürlichen Tonhöheempfinden des menschlichen Ohres nicht an. Dieser Fehler wird durch den Tongenerator und die Frequenzteiler der obenerwähnten Art bewirkt.

Ein herkömmliches elektronisches Musikinstrument ist daher einem herkömmlichen Musikinstrument, das die mechanische oder akustische Vibration oder Schwingung ausnutzt, in der Tonqualität unterlegen.

Die Grundfrequenz /j und die Frequenzen der Harmonischen f„ einer schwingenden Klaviersaite können wie folgt dargestellt werden: