DE2222726A1 - Verfahren und vorrichtung zur frequenzumsetzung und speicherung von elektrischen tonsignalen von musikinstrumenten mittels digitaltechnik - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur frequenzumsetzung und speicherung von elektrischen tonsignalen von musikinstrumenten mittels digitaltechnik

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DE2222726A1
DE2222726A1 DE19722222726 DE2222726A DE2222726A1 DE 2222726 A1 DE2222726 A1 DE 2222726A1 DE 19722222726 DE19722222726 DE 19722222726 DE 2222726 A DE2222726 A DE 2222726A DE 2222726 A1 DE2222726 A1 DE 2222726A1
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frequency conversion
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Rudi Koestner
Istvan Kovacs
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10HELECTROPHONIC MUSICAL INSTRUMENTS; INSTRUMENTS IN WHICH THE TONES ARE GENERATED BY ELECTROMECHANICAL MEANS OR ELECTRONIC GENERATORS, OR IN WHICH THE TONES ARE SYNTHESISED FROM A DATA STORE
    • G10H5/00Instruments in which the tones are generated by means of electronic generators
    • G10H5/02Instruments in which the tones are generated by means of electronic generators using generation of basic tones
    • G10H5/06Instruments in which the tones are generated by means of electronic generators using generation of basic tones tones generated by frequency multiplication or division of a basic tone

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Electrophonic Musical Instruments (AREA)

Description

  • Beschreibung Verfahren und Vorrichtung zur Freguentumsetzung und Speicherung von elektrischen Tonsignalen von Musikinstrumenten mittels Digitaltechnik.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzumsetzung und Speicherung von elektrischen Tonsignalen von Musikinstrumenten mittels Digitaltechnik, und bezieht sich in erster Linie auf Musikinstrumente mit elektrischen Abtastsystemen, beispielsweise Gitarren, und befaßt sich mit der Erzeugung von musikalischen Tonsignalen. Das Bestreben, die musikalische Ausdrucksfähigkeit der konventionellen Musikinstrumente auf elektrische Wege zu vergrößern, ist bekannt. Die Mehrzahl der Verfahren die diesen Zweck dienen, basieren auf periodischen oder aperiodischen Änderung des Amplitudenwerts, oder/und der Anteil der harmonischen Oberwellen eines Tonsignais. Eine ander wirkungsvollere Möglichkeit stellt die Frequenzumsetzung dar, bei dem eine Ausgangsschwingung erzeugt wird und deren Frequenz von der Frequenz der Eingangsschwingung abweicht. Derartige Vorrichtungen fUr Musikinstrumente haben bis jetzt den Nachteil aufgewiesen, daß angezupfte oder angeschlagene Saiten- Saiteninstrumente oder andere Schlaginstrumente wegen des ständig anderlichen Amplitudenwerts und des unregelmäßig änderlichen harkonischen Oberwellenteils während des Abklingvorgangs als Tonquelle nicht verwendet werden konnte.
  • Ein anderer Nachteil der bisherigen Vorrichtungen zur Frequenzumsetzung ist, daß die Frequenzvervielfachung wo das Frequenzverhältnis der Ein- und Ausgangsschwingung größer ist als 1:2, sich einfach nur fUr Eingangsschwingungen mit relativ kleinen Frequenzbereich realisieren lassen.
  • Bei Musikinstrumenten beträgt der Frequenzbereich mindestens zwei und eine halbe Oktave und es ist bis jetzt bei diesem Frequenzbereich noch nicht gelungen, zuverlässige Vorrichtungen zur Frequenzvervielfachung, außer Frequenzverdopplung, mit ertragbaren Aufwand zu schaffen.
  • Um die musikalische Ausdruckfähigkeit bei angezupften oder angeschlagenen Saiteninstrumenten und anderen Schlaginstrumenten zu vergrößern, ware es erwünscht, die ständige Minderung des Amplitudenwerts während des Abklingvorgongs zu vermeiden. Derartige Voirichtungen arbeiten bis heute mit irgend einer Art von RUckkopplung die den Nachteil aufweisen, daß der RUckkopplungsfaktor stark Frequenzabhängig ist, außerdem wandert sich bei Eintritt des Ruckkopplungsvorgangs der harmonische Oberwellenanteil.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Frequenzumsetzung fUr alle Musikinstrumente, einschließlich aller Arten von Saiteninstrumenten und für den menschlichen Gesang zu schaffen.
  • Des weiteren ein Vdrfahren zu schaffen zur Frequenzvervielfechung zit unbegrenzten Frequenzverhöltnis zwischen der Ein- und Ausgangs schwingung. Beispielsweise ein Verhältnis von 1:8, bei dem die Ausdie Ausgangs schwingung drei Oktaven höher ist als die Eingangsschwingung oder neben dem Verhältnis nach den zweier Potenzen bei den Ausgangsschwingungen mit Oktavintervallen, bezogen auf die Eingangsschwingung, entstehen. Auch das Verhöltnis nach den ganzen Zahlen, bei denen zusätlich die harmonischen Oberwellen, beispielsweise der Quint, entstehen.
  • Des weiteren ein Verhältnis nach Bruche, bei dem Ausgangsschwingungen entstehen welche mit der Eingangsschwingung nicht harmonisch im Verhältnis sind.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, bei welcher unabhängig von der Änderung des Amplitudenwerts der Eingangs schwingung, der Amplitudenwert der Ausgangsschwingung exakt konstant bleibt, auch dann, wenn die Eingangsschwingung völlig abgeklungen ist und die Ausgangsschwingung so lange konstant halt bis eine neue Eingangsschwingung mit abweichender Frequenz erscheint. Diese Vorrichtung bezieht sich in erster Linie auf angezupfte oder angeschlagene Saiteninstrumente oder andere Schlaginstrumente.
  • Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung fUr angezupfte oder angeschlagene Saiteninstrumente oder ander Schlaginstrumente vorgesehen, bei dem die Zeitdauer einer der ersten Perioden der Eingangsschwingung mit der ersten Zeitnormal tl verglichen wird und das Meßergebnis anschließend speichert. Die gespeicherte Information, welche der Frequenz der Eingangsschwingung entspricht, wird mit einem zweiten Zeitnormal "t2" standig -verglichen, wodurch eine Ausgangs schwingung entstehen kann.
  • Es besteht die gleiche Proportionalitat zwischen den Frequenzen der Ein- und Ausgangsschwingung und zwischen der Größe der beiden Zeitnormale : t1 faus t2 = Fein Durch das Variieren der Verhdltnisse der beiden Zeitnormale, sind beliebige Frequenzverhdltnisse der Ein- und Ausgangsschwingungen erzielbar.
  • Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung fUr Musikinstrumente mit relativ konstanten Amplituden, wie beispielsweise Blasinstrumente, werden nacheinander mehrere Perioden der Eingangsschwingung ständig mit der ersten Zeitnormal verglichen und immer neu gespeichert. Damit kann die Frequenz der Ausgangsschwingung die kontinuierliche Frequenzdnderung der Eingangsschwingung untergegebenen Frequenzverholtnis der Ein- und Ausgangsschwingung auch kontiunierlich folgen.
  • Auf Grund dieser Maßnahmen können angezupfte oder angeschlagene Saiteninstrumente oder andere Schlaginstrumente als Tonquelle fUr Vorrichtungen zur Frequenzumsetzung verwendet werden. Diese Musikinstrumente besitzen die Eigenschaft, nach dem Einschwingvorgang kurzzeitig relativ oberwellenfreie Tonsignale oder Tonsignale mit günstigerem Grundton - Oberwellenverhältnis zu liefern.
  • Die Erfindung nutzt diese Eigenschaften dadurch aus, daß nur eine der ersten Perioden der Eingangs schwingung Frequenzbestimmend ist.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß mit einfachen Variieren der Verhältnisse der beiden Zeitnormale eine Frequenzumsetzung entsteht. Des weiteren der Vorteil, daß die Ausgangsschwingung fUr unbegrenzt lange Zeit erhalten bleiben kann.
  • Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung, hauptstich lich fUr flngezupfte oder angeschlagene Saiten instrumente oder andere Schlaginstrumente, wird mit Zeichnung dargestellt.
  • Es zeigen: Fig. 1 ein Blockdiagramm welches die grundsätzlichen Merkmale darstellt; Fig. 2 eine graphische Darstellung, der bei dem Frequenzumsetzer gemäß Fig. 1 auftretenden Schwingungen.
  • Die Eingangsschwingung (1-1) wird mit Gleichrichter (21) gleichgerichtet, anschließend mit Tiefpass (22) gesiebt, wonach Gleich spannung (12) entsteht, dessen Größe mit dem Amplitudenwert der Eingangsschwingung (11) proportional ist. DurchHochpass.(23) werden nur die relativ schnellen Änderungen der Gleichsponnungsgröße zu Schmitt-Trigger (24) zugeführt, welcher so bemessen ist, daß nur bei sprunghafter Amplitudenwertsteigerung der Eingangsschwingung (11) einen Startimpuls (13) liefert.
  • Die analoge Eingangsschwingung (11) wird durch Schmitt-Trigger (25) in Rechteckimpuls (14) umgewandelt, der das J-K Flip-Flop (30) speist. Der RUckstelleingang (51) des J-K Flip-Flop (30) ist mit dem Ausgang (61) des Schmitt-Trigger (24) verbunden damit J-K Flip-Flop (30) nur fUr die Dauer des Startimpuls (13) geöffnet wird, außerdem durch die ZurUckfUhrung des Q Ausgang-(63) des angeschlossenen J-K Flip-Flop (31) auf dem J-Vorbereitungseingang 41) des J-K Fltp-Flops~(3Q) J-K Flip-Flop (30) kann nur zweimal umkippen, entsteht Steuerimpuls (15) fur Frequenzteiler (34).
  • Anmerkung: Alle nicht erwähnten J-Vorbereitungseingdnge der J-K Flip-Flops ( 30, 31, 32 und 33 ) liegen auf Logikpegel "1".
  • Der Taktgenerator (27) speist mit dem Taktimpuls (17) J-K Flip-Flop (32), Zähler (37) und durch einen 16:1 Frequenzteiler (34) auch Zähler (35).
  • Steuerimpuls (15), dessen Dauer mit der Eingangsschwingungsperiodendauer gleich ist, durch RUckstelleingang (54) öffnet Frequenzteiler (34) exakt fUr eine Periodendauer und unter dieser Zeit zählt Zdhler (35).
  • Nach Beendigung des Zdhivorgangs am Ausgang (68) des Zählers (35) entsteht eine Information in Form einer Zahl in binär Code, dessen Größe exakt von der Frequenz der Eingangsschwingung (11) abhangt.
  • Am Q Ausgang (62) des J-K Flip-Flop (30) erscheinende invertierte Steuerimpuls (16) öffnet J-K Flip-Flop (32 u. 33) durch ihre Rückstelleingänge (52 u. 53) nur dann, wenn Frequenzteiler (34) gesperrt ist. J-K-Flip-Flop (32) kann auch durch die Zu; ruckfuhrung des Q Ausgangs (66) des angeschlossenen J-K Flip-Flops (33) auf dem J-Vorbereitungseingang (42) des J-K Flip-Fop (32) nur zweimal umkippen. Am Q Ausgang (64) des J-K Flip-Flops (32) erscheint Speicherbefehlimpuls (18) fUr Speicher (36) und ar Q Ausgang (65) des J-K Flip-Flops (33) erscheint Rückstellipuls (19) fUr Zähler (35).
  • Kurz nach Beendigung des Zähivorgongs in Zähler (35) wird durch Speicherbefehlsimpuls (18) die Information an die Speicher (36) Ubergeben, danach wird durch Ruckstellimpuls (19) die Information in Zähler (35) geluscht, damit die Fähigkeit fUr einen neuen Zählvorgang gegeben wird.
  • Der Zähler (37) zahlt standig die Taktimpulse (17) des Taktgenerators (27). Zwischen dem Zähler (37) und Speicher (36) ist ein Vergleicher (26) angeschlossen, welcher bei Ubereinstimmen der Informationen des Speichers (36) und Zahler (37) einen Ausgangsimpuls liefert. Dieser Ausgangs impuls rUckstellt Zähler (37) auf Null, womit Zähler (37) wieder von vorne zu zählen beginnt bis Informationen des Speichers (36) und Zähler(37) wieder Ubereinstimmen. Dann entsteht wieder ein Ausgangsimpuls, gleich Ruckstellimpuls fUr Zähler (37) und dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, bis in Speicher (36) die gleiche Information ist.
  • Weil die Frequenz der Taktimpulse (17) 16-mal größer ist, als am Ausgang (67) des Frequenzteilers (34) erscheinende Zählimpuls fUr Zähler (35), fUr Erreichen eines bestimmten Zahlwerts in Zähler (37) wird 16-mal kleinere Zeit benötigt, als in Zähler (35).
  • Unter der Dauer des Zählvorgangs in Zähler (35), gleich Periodendauer der Eingangsschwingung (11), entsprechende Zeit werdende Informationen des- Speichers (36) und Zähler (37) 16-mal Ubereinstimmen, was sechzehn-Ausgangsimpulse unter der Periodendaue r der Eingangsschwingung (11) als Folge hat, die Ausgangsimpuls frequenz wird zwangslaufig das sechzehn-fache der Frequenz der Eingangsschwingung (11) sein.
  • Die Ausgangsimpule des Vergleicher (26) besitzen eine sehr kleine Impulsdauer nur on den Verzögerungszeiten des Zählers (37) und und Vergleicher (26) abhängt.
  • Aus diesem Grund sind die Ausgangs impulse fUr musikalische Zwecke nicht verwendbar, sie steuern lediglich nur Frequenzteiler Flip-Flop (38) und Frequenzteiler (39).
  • FUr Erzeugung der Ausgangsschwingungen mit "Quint"-Verhältnisse, bezogen auf die Eingangsschwingung, wurde ein 3:1 Frequenzteuler (39) eingesetzt. Die folgende Tabelle zeigt die Frequenzverhöltnisse der Frequenzteiler-Flip-Flop-Ausgänge (71, 72, 73, 74, 75, 76, 77 und 78) wo "f" die Frequenz der Eingangsschwingung ist: Ausgang Frequenz-Verhultn. Register-Fußlage 70 8 f 0/2' 71 8 f 1/2' 72 4 f 1' 77 3 f 1 1/3' Quint 73 2 f 2' 78 1,5 f 2 2/3' Quint 74 1 f 4' 75 0,5 f 8' 76 0,25 f 16' 76 0,25 f 06' Bei einer anderen beispielsweisen AusfUhrungsform der Erfindung hauptsächlich für Musikinstrumente mit relativ konstanten Aplituden, wie beispielsweise Blasinstrumente, wird Gleichrichter (21), Tiefpass (22), Hochpass (23) und Schmitt-Trigger (24) weggelassen und statt J-K Flip-Flops (30 und 31) wird ein einfacher Frequenzteiler eingesetzt. Durch diese Maßnahme steuert jede zweite Periode der Eingangsschwingung (11) durch Schmitt-Trigger (25) und statt J-K Flip-Flop (30 und 31) eingesetzte Frequenzteiler den 16:1 Frequenzteiler (34), folglich nach jeder zweiten Periode der Eingongsschwingung (11) wird ein neuer Vergleich zwischen Speicher (36) und Zähler3(0@@)vorgenommen, damit kann damit kann die Frequenz der Ausgangs impulse des Vergleichers (26) die kontiunierliche Frequenzänderung der Eingangsschwing ung (11) unter dem Frequenzverhaltnis von 1:16 zwischen der Eingangsschwingung und Ausgangsimpulse, auch kontiunierlich folgen. Weiterhin besteht kein Unterschied zwischen den beiden beschriebenen AusfUhrungsformen der Erfindung.
  • - Ansprüche -

Claims (5)

  1. AnsprUche Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzumsetzung und Speicherung von elektrischen Tonsignalen von Musikinstrumenten mittels Digitaltechnik, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer einer der ersten Perioden einer Eingangsschwingung mit der ersten Zeitnormal verglichen wird, und das Meßergebnis anschließend gespeichert wird. Die so gespeicherte Information welche der Frequenz der Eingangsschwingung entspricht, wird mit einem zweiten Zeitnormal stdndig verglichen, wodurch eine Ausgangsschwingung entsteht. Es besteht die gleiche Proportionalität zwischen den Frequenzen der Ein- und Ausgangsschwingung und zwischen den Größen der beiden Zeitnormale. Aus diesem Grund wird durch Variieren der Verhältnisse der beiden Zeitnormale beliebige Frequenzverhältnisse der Ein- und Ausgangsschwingungen erzielt.
  2. 2.) Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzumsetzung und Speicherung von elektrischen Tonsignalen von Musikinstrumenten mittels Digitaltechnik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer zweier oder mehrerer der ersten Perioden der Eingangsschwingungen mit der ersten Zeitnormal verglichen-wird.
  3. 3.) Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzumsetzung und Speicherung von elektrischen Tonsignalen von Musikinstrumenten mittels Digitaltechnik nach A n s p r u c h 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß n a c h e i n a n d e r mehrere Perioden der Eingangs schwingungen s t ä n d i g mit der ersten Zeit normal verglichen und immer neu gespeichert werden.
  4. 4.) Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzumsetzung und Speicherung von elektrischen Tonsignalen von -Musikinstrumenten mittels Digitaltechnik nach A n s p r u c h 3, dadurch gekennzeichnet, daß n a c h e i n a n d e r mehrere Perioden der Eingangsschwingungen s t ä n d i g mit der ersten Zeitnormal verglichen und nicht gespeichert werden.
  5. 5.) Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzumsetzung und Speicherung von elektrischen Tonsignalen von Musikinstrumenten mittels Digitaltechnik naeh A n s p r u c h 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch gleichzeitig gleicherAnderung der beiden Zeitnormale, oder durch Änderung nur eines Zeitnormals, die Frequenzen der gespeicherten Ausgangs schwingungen geändert werden.
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