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Gerät zur elektronischen Erzeugung von veränderbaren musikalischen
Klängen Zur Erzeugung elektronischer Musik benötigt man grundsätzlich zwei funktional
verschiedene Einrichtungen. Zum einen ist zur Bestimmung der einzelnen Töne bzw.
der jeweiligen Tonhöhe eines Klanges ein Schwingungserzeuger (Generatorteil) erforderlich.
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Zum anderen ist eine Einrichtung zur Erzeugung von Klängen (Klangformungsteil)
erforderlich. Für die Arbeitsweise des Klangformungsteiles sind zwei verschiedene
Prinzipien bekannt (Funkschau 1960, S. 27). Bei der sogenannten additiven Klangerzeugung
werden der Grundton und die eventuell von diesem Grundton abgeleiteten Obertöne
getrennt erzeugt. Der gewünschte Klang entsteht anschließend durch die Addition
einer bestimmten Anzahl der getrennt erzeugten Teil töne. Dagegen wird bei der sogenannten
selektiven oder subtraktiven Klangerzeugung zunächst ein obertonreiches Signal mit
der Grundtonfrequenz erzeugt, wobei die Signalform für alle Töne bzw. Klänge die
gleich ist, z.B.
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ein Sägezahn. Der gewünschte Klang entsteht dann durch das Herausfiltern
(Subtrahieren) bestimmter Teiltöne bzw. Formanten.
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Die beiden genannten Verfahren zur elektronischen Erzeugung von musikalischen
Klängen erfordern einen großen Aufwand an vlektronischen Schaltungen und Filtern.
Da es sich in den beiden genannten Fällen um die Erzeugung und die Verarbeitung
von
analogen Signalen handelt, stehen der Realisierung der hierzu
erforderlichen Schaltungen in der vorteilhaften integrierten Technik noch einige
Schwierigkeiten entgegen, so daß eine erwünschte Vereinfachung destSchaltungsaufbaues
und eine Verkleinerung des Volumens des Klangformungsteils einer elektronischen
Orgel mit den genannten Verfahren vorläufig nicht zu erreichen ist.
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Im Gegensatz zur Klangerzeugung macht man bei der Erzeugung von Tönen
schon weitgehend Gebrauch von der integrierten Technik, insbesondere von integrierien
digitalen Bausteinen. Es ist bekannt (Funkschau 1970, 5. 264), von jeweils einem
Hauptgenerator für jeden der 12 Grundtöne die einzelnen Oktavlagen mittels eines
integrierten Frequenzteilers auf digitalem, insbesondere binärem Wege zu erzeugen.
Eine elektronische Orgel könnte einfacher aufgebaut werden, wenn man nicht nur die
Schaltungen zur Erzeugung von Tönen,sondern auch diejenigen zur Erzeugung von Klängen
auf digitalem, insbesondere binärem Wege realisieren könnte.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur elektronischen
Erzeugung von veränderbaren musikalischen Klängen zu entwickeln, dessen Schaltungen
mittels integrierter digitaler Bausteine realisiert werden können. Die Erfindung
bezieht sich auf das genannte Gerbt zur Klangerzeugunge Erfindungsgemäß enthält
ein Gerät zur elektronischen Erzeugung von veränderbaren musikalischen Klängen Schaltungen,
die die verschiedenen Klänge durch verschiedene, in die gleiche Anzahl von gleich
langen Teilschritten (Impuls oder Pause) aufgeteilte Impulsgruppen bilden und die
Impulsgruppen im Takt der dem Grundton des Klanges entsprechenden Frequenz periodisch
wiederholen.
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Um die Anwendung der integrierten Technik beim Aufbau des Klangformungsteiles
zu ermöglichen, ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, daß
die Impulsgruppen mittels digitaler Bausteine aus einzelnen, bestimmten
TeilschrittCn
zugeordneten Rechteckimpulsen, insbesondere binären Pulsen, gebildet werden. Die
Impulsgruppen werden vorteilhaft dadurch erzeugt, daß die verschiedenen, aus Pausen
und binären Impulsen bestehenden und den verschiedenen Klängen zugeordneten Impulsgruppen
jeweils in ein zurückgekoppeltes Schieberegister eingegeben werden, mit einer Taktfrequenz,
deren Wert gleich dem Produkt aus Grundtonfrequenz und Anzahl der Teilschritte ist,
im zurückgekoppelten Schieberegister herumgeschoben werden und an einem Ausgang
des zurückgekoppelten Schieberegisters abgegriffen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Erzeugung der Impulsgruppen
besteht darin, daß ein einzelner, z.B. einer logischen "1" entsprechender Impuls
mit einer Taktfrequenz, deren Wert gleich dem Produkt aus Grundtonfrequenz und Anzahl
der Teilschritte ist, in einem zurückgekoppelten Schieberegister herumgeschoben
wird und die Ausgänge dieses Schieberegisters, deren Anzahl gleich der Anzahl der
Teilschritte ist, auf die ersten Eingänge einer entsprechenden Anzahl von UND-Gattern
geführt werden, wobei die weiteren Eingänge der UND-Gatter so gesteuert werden,
daß an dem Ausgang eines die AusC der UND-Gatter zusammenfassenden ODER-Gatters
jeweils die den verschiedenen Klängen entsprechenden verschiedenen Impulsgruppen
zur Verfügung stehen. Eine dritte vorteilhafte Möglichkeit der Erzeugung der Impulsgruppen
besteht darin, daß für jeden Ton ein Binär-Zähler mit einer Frequenz, deren Wert
gleich dem Produkt aus Grundtonfrequenz und Anzahl der Teilschritte ist, angesteuert
wird und daß die aufeinanderfolgenden Einstellungen (Zählschritte) des Zählers von
einer Decodierschaltungmit UND-Gattern und einem die Ausgänge der Decodierschaltung
zusammenfassenden ODER-Gatter in Impulsgruppen umgewandelt werden, wobei die den
Ausgängen der Decodierschaltung zugeordneten UND-Gatter der Decodierschaltung zusätzliche
Eingänge für die Klangbestimmung aufweisen. Gemäß einer Weiterbildung der zuletzt
genannten Schaltungen werden zur Erzeugung von Impulsgruppen, bei denen die Anzahl
der Teilschritte gleich einer Zweierpotenz ist, die Binär-Zähler für alle tieferen
Oktavlagen eines Grundtones zu einem
Zähler zusammengefaßt, dessen
Stellenzahl gleich der Summe aus der um Eins verminderten Anzahl der Oktavlagen
und dem Exponenten der Zweierpotenz ist.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung
dargestellt sind, erläutert. Es zeigen: Fig. 1 drei Impulsgruppen und die dazugehörigen
Spektren, Fig. 2 eine Anordnung mit einem zurückgekoppelten Schieberegister, das
mit einer dem zu erzeugenden Klang entsprechenden Impulsgruppe geladen ist, Fig.
3 eine Anordnung mit einem zurückgekoppelten Schieberegister, in dem ein einer logischen
tin entsprechender Impuls umherläuft, Fig. 4 eine Anordnung mit einem Binär-Zähler
und einer Decodierschaltung und Fig. 5 eine Anordnung mit einem für mehrere Oktavlagen
gemeinsamen Binär-Zähler.
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Die Fig. 1 zeigt drei Impulsgruppen, die gemäß der Erfindung periodisch
wiederholt werden; in der Zeichnung sind jeweils 2 Perioden dargestellt. Die entstehenden
Signalverläufe werden zunächst eventuell verstärkt oder aber direkt einem Lautsprecher
zugeführt. Die Tonhöhe hängt von der Wiederholungsfrequenz der Impulsgruppen ab,
während die Klangfarbe des Klanges vom Muster der periodisch wiederholten Impulsgruppen
abhängt.
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Unterteilt man die Schwingungsperiode in gleich lange Schritte, von
denen jeder nur eine bestimmte Amplitude, z.B. die in der digitalen Logik bekannten
Werte "1" und "0", haben kann, so entstehen rechteckig gemusterte Impulsgruppen.
Ein solches Muster kann man durch ein Binärwort kennzeichnen und mit digitalen Schaltkreisen
erzeugen. Die drei Impulsgruppen der Fig. 1 kann man z.B. durch die Binärwärter
"00000111", "00001001" und "00001111" darstellen. Bei einer Anzahl von s Teilschritten
einer Impulsgruppe gibt es genau 2s verschiedene Binärwörter.
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Davon gehen jedoch viele durch zyklische Vertauschung auseinander
hervor, ergeben also dasselbe nur phasenverschobene Muster,
dwh.
denselben Klang. Zum Beispiel sind bei s = 4 die Binärwörter ttOOOltt, tt 0Q10"
und ""1008" gleichartig in Bezug auf den Fall der Klangerzeugung. Auch von den nicht
durch zyklische Vertauschung auseinander hervorgehenden Mustern klingen manche gleich.
Zum Beispiel ändert das Umpolen einer elektrischen Schwingung nicht den Klang, dies
entspricht einer Vertauschung von ot und "1" im Binärwort. Auch eine Umkehr der
zeitlichen Reihenfolge der Teilschritte in der wiederholten Impuls gruppe kann nur
die Phasenbeziehungen, nicht den Klang ändern. Man kann nun jedes der 25 Binärwörter
zu s Teilschritten darauf prüfen, ob es einen neuen Klang (ein neues Fourierspektrum)
ergibt oder einen, der schon von vorher geprüften Binärwörtern bekannt ist. Auf
diese Weise ergeben sich weniger als 25 verschieden klingende Impulsgruppen.
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Zum Beispiel kann man mit 7 Teilschritten 8, mit 8 Teilschritten 14
und mit 9 Teilschritten 22 verschiedene Klänge erzeugen.
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In der Fig. 1 sind Beispiele für Impulsgruppen mit s=8 Teilschritten
gezeigt. Dazu ist jeweils das zu der entsprechenden Impulsgruppe gehörende Spektrum
dargestellt. Auf der Abzisse dieser Darstellungen des Spektrums ist jeweils die
Frequenz f und auf der Ordinate die Amplitude A der einzelnen Teiltöne aufgetragen.
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Entsprechend den unterschiedlichen rechnerisch ermittelten Spektren
empfindet das menschliche Ohr die periodisch wiederholten unterschiedlichen Impulsgruppen
als unterschiedliche Klänge.
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In Fig. 2 ist eine Schaltung dargestellt, mit der die Impulsgruppen
erzeugt und periodisch wiederholt werden0 Über die ersten Eingänge 20 der UND-Gatter
1 bis 8 kann ein von seinem Ausgang 10 auf seinen ersten Eingang 11 zurückgekoppeltes
Schieberegister 9 entsprechend der Klangfarbe, die dem der Tontaste 12 zugeordneten
Manual entspricht, eingestellt werden. Dies ist möglich, wenn die zweiten Eingänge
21 der UND-Gatter 1 bis 8 von der Tontaste 12, die als Umschaltekontakt ausgebildet
ist, angesteuert werden, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Soll nun ein Klang
am Ausgang 13 erzeugt werden, so wird von dem Orgel spieler die
Tontaste
12 gedrückt bzw. angeschlagen. Dadurch werden die UND-Gatter 1 bis 8 vom Schieberegister
9 abgeschaltet und zugleich der dem angeschlagenen Ton und dessen Tonhöhe entsprechende
Takt 14 über das UND-Gatter 15 auf den zweiten Eingang 16 des Schieberegisters gegeben.
Die Frequenz dieses Taktes 14 ist gleich dem Produkt aus Grundtonfrequenz und Anzahl
der Teilschritte, die im vorliegenden Fall gleich 8 ist. Damit wird die im Schieberegister
9 gespeicherte Impulsgruppe in diesem Schieberegister zu kreisen beginnen. Über
das UND-Gatter 17 kann diese Impulsgruppe nur dann zum Ausgang 13 gelangzn, wenn
das als eine "weiche Tastung' arbeitende Verzögerungsglied mit dem Widerstand 18
und dem Kondensator 19 das UND-Gatter 17 mit langsam ansteigender Signalflanke,
das heißt also ohne ein plötzliches Einschaltgeräusch durchgeschaltet hat. Obwohl
bei einer elektronischen Orgel nach diesem Konzept fur jeden Ton so viel Schieberegister
vorgesehen werden müssen, wie Manuale vorhanden sind, bereitet dieser scheinbar
große Aufwand in der integrierten Technik keine Schwierigkeiten.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schaltung zur Erzeugung
der Impulsgruppen zeigt die Fig. 3. In einem zurückgekoppelten Schieberegister 1
kreist ein einer logischen I'1,r entsprechender Impuls. Der Wert der am Eingang
25 des Schieberegisters 1 liegenden Taktfrequenz ist gleich dem Produkt -aus Grundtonfrequenz
und Anzahl der Teilschritte der Impulsgruppe. Der im Schieberegister 1 kreisende
Impuls erscheint also innerhalb einer Schwingungsdauer des Grundtones der Reihe
nach an den Ausgängen 2 bis 9 des Schieberegisters, die über die ersten Eingänge
der UND-Gatter 11 bis 18 und ein ODER-Gatter 19 auf den ersten Eingang eines weiteren
UND-Gatters 20 geführt werden0 ueber den zweiten Eingang des UND-Gatters 20 wird
wieder eine "weiche Tastung" des Ausgangssignales am Ausgang 21 mittels der aus
dem Widerstand 23 und dem Kondensator 24 bestehenden Verzögerungsichaltung vorgenommen.
Das Muster des Ausgangssignales wird durch die Einstellung der UND-Gatter 11 bis
18 an deren
zweiten Eingängen 10 entsprechend der Klangfarbe erzeugt,
die dem mit der Tontaste 22 angeschlagenen Ton im jeweiligen Manual zuge--ordnet
ist.
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Eine dritte Schaltung zur Erzeugung von Impulsgruppen mit s=8 Teilschritten
wird als Blockschaltbild in Fig. 4 dargestellt.
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Am Eingang 25 eines dreistelligen Binär-Zählers 26, mit dem bekanntlich
8 verschiedene Zustände (Teilschritte) erzeugt werden können, liegt ein Takt mit
einer Frequenz, deren Wert gleich dem Produkt aus Grundtonfrequenz und Anzahl der
Teilschritte ist. Die 3 Ausgänge 1, 3 und 5 des Binär-Zählers 26und die dazu jeweils
inversen Ausgänge 2,4,6 sind mit einer Decodierschaltung 7 verbunden. Die in bekannter
Weise aus UND-Gattern 16, von denen nur eins dargestellt ist, aufgebaute Decodierschaltung
7 ordnet den binären Ausgängen 1 bis 6 des Binär-Zählers eine entsprechende Zahl
von dezimalen Ausgängen zu. In dem vorliegenden Fall mit s=8 Teilschritten und einem
3-stelligen Binär-Zähler ergeben sich also 8 Ausgänge 8 bis 15 für die Decodierschaltung
7. Im Rhythmus der am Eingang 25 des Binär-Zählers S liegenden Taktfrequenz erscheint
also ein Impuls der Reihe nach an den Ausgängen 8 bis 15 der Decodierschaltung 7.
Die in der Decodierschaltüng 7 verwendeten UND-Gatter 16, deren Ausgänge jeweils
einem der 8 Ausgänge der Decodierschaltung zugeordnet sind, haben zusätzlich zu
den drei Eingängen 17, die sie für die Decodierung benötigen, jeweils einen weiteren
Eingang 18. Da jedes der UND-Gatter 16 einem Teilschritt der zu erzeugenden Impulsgruppen
zugeordnet ist, kann durch die Ansteuerung der UND-Gatter 16 an deren zusätzlichen
Eingängen 18 jeweils bestimmt werden, ob an dem entsprechenden Ausgang der Decodierschaltung
7 überhaupt ein-Impuls erscheinen soll. Auf diese Weise wird also das Muster der
Impulsgruppen an den zusätzlichen Eingängen 18 der Decodierschaltung 7 bzw. deren
UND-Gatter 16 eingestellt. Der Takt am Eingang 25 des Zählers zählt fortwährend
in den Zähler ; nach 8 Taktimpulsen sind alle UND-Gatter einmal angesteuert worden
und der Uyklus wiederholt sich, d.h. das über die Eingänge 18
eingestellte
Muster der zu erzeugenden Impulsgruppen wird periodisch wiederholt. Um das als Einstellung
der UND-Gatter 16 örtlich definierte Muster der Impulsgruppen in eine zeitliche
Folge von Impulsen umzuwandeln, werden die Ausgänge 8 bis 15 der Decodierschaltung
7 von einem ODER-Gatter 19 zusammengefaßt.
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Der Ausgang dieses ODER-Gatters 19 ist mit dem ersten Eingang eines
UND-Gatters 20 verbunden, über dessen zweiten Eingang der mit der Tontaste 21 gewählte
Klang mittels des Verzögerungsgliedes aus dem Widerstand 22 und dem Kondensator
23 "weich geschaltet wird. Am Ausgang 24 des UND-Gatters 20 erscheint also nur dann
eine Impulsgruppe, wenn die Tontaste 21 betätigt wird.
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Wenn die Anzahl der Teilschritte der Impulsgruppen gleich einer Zweierpotenz
ist, z,B,- s=23=8, dann benötigt man nicht mehr für jeden Ton einen eigenen Binär-Zähler
nach Fig. 4, sondern es können vorteilhaft jeweils die Zähler für alle Oktavlagen
eines der zwölf Grundtöne zusammengefaßt werden. Geht man von der höchsten Oktavlage
eines Tones aus, so ergeben sich die niedrigeren Oktavlagen eines Tones jeweils
durch eine einfache Frequenz teilung. Von diesem Prinzip macht das in Fig. 5 gezeigte
Ausführungsbeispiel Gebrauch, bei dem die Binär-Zähler von 4 Oktavlagen einer Anordnung
nach Fig. 4 zusammengefaßt sind. Am Eingang 14 eines sechsstelligen Binär-Zählers
13 mit den Stellen I bis VI liegt ein Takt mit einer Frequenz, deren Wert gleich
dem Produkt aus der Frequenz der höchsten Oktavlage des Grundtones und der Anzahl
der Teilschritte ist. Für die höchste Oktavlage a des zu erzeugenden Klanges werden
die Stellen I, II und III mit den Ausgängen 1 bis 6 des Binär-Zählers 13 entsprechend
dem Binär-Zähler 26in Fig. 4 verbunden, d.h. die Ausgänge 1 bis 6 des Zählers 13
in Fig. 5 entsprechen den Ausgängen 1 bis 6 des Zählers 26in Fig. 4. Für die Klänge,
die eine Oktavlage unter dem genannten Klang liegen, d.h. für Impulsgruppen-Muster
b, die mit der halben Frequenz periodisch wiederholt werden, werden die Stellen
II, III und IV mit den Ausgängen 3 bis 8 des Binär-Zählers 13 entsprechend den Ausgängen
1 bis 6 des Binar-Zählers 26 in
Fig. 4 verwendet. Sinngemäß ergeben
die zusammengefaßten Stellen III, IV und V mit den Ausgängen 5 bis 10 und.die zusammengefaßten
Stellen IV, V und VI mit den Ausgängen 7 bis 12 des Binär-Zählers 13 in Fig. 5 zwei
weitere Oktavlagen c und d der zu erzeugenden Klänge. Die Muster der dazu erforderlichen
Impulsgruppen werden -wie in Fig. 4 jeweils mit einer Decodierschaltung nach der
gewünschten Klangfarbe eingestellt. Die beschriebene Anordnung hat den zusätzlichen
Vorteil, daß die Anzahl der benötigten Schaltkreise durch Mehrfachausnutzung der
einzelnen Zählerstellen verringert wird.
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Obwohl sich das erfindungsgemäße Gerät zur elektronischen Erzeugung
von veränderbaren Klängen besonders vorteilhaft mit digitalen, insbesondere binären
Impulsgruppen realisieren läßt, ist es nicht auf binäre Impulsgruppen beschränkt.
Es können auch Impulsgruppen mit z.B. ternären und quaternären Teilschritten auf
digitalem Wege realisiert werden. Schließlich bezieht sich das erfindungsgemäße
Gerät auch auf nichtdigitale Teilschritte, da mit Hilfe zusätzlicher Schaltungen
auch analoge, z.B. treppenförmige und sägezahnförmige Verläufe der Teilschritte
auf digitalem Wege nach geeigneter Codierung verarbeitet werden können.
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Die Anzahl der Teilschritte einer Impulsgruppe wird dabei in erster
Linie von der gewünschten Anzahl verschiedener Klangfarben und dem jeweils vertretbaren
Aufwand an Schaltmitteln bestimmt.