DE2338513C3

DE2338513C3 - Elektronisches Blasinstrument

Info

Publication number: DE2338513C3
Application number: DE19732338513
Authority: DE
Inventors: William A. Bernardi; Roger R. Noble
Original assignee: Computone Inc Hanover Mass (vsta)
Current assignee: Computone Inc Hanover Mass (vsta)
Priority date: 1973-07-30
Filing date: 1973-07-30
Publication date: 1980-08-14
Also published as: DE2338513B2; DE2338513A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Blasinstrument, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aerophone bzw. Blasinstrumente sind in der Musik seit langem bekannt und umfassen eine Vielzahl von Zungen/Luftsäulen-Instrumenten, die sehr komplexe akustische Eigenschaften zeigen und mit einem groiJen Ausdruckbereich gespielt werden können. Ein Musiker gewinnt seinen Ausdruck und seine Tonqualität mit diesen Instrumenten durch eine Kombination von Lippenstellung und -druck, im allgemeinen Ansatz genannt, durch Steuerung des Luftstroms, den er dem Instrument zuführt, um eine bestimmte charakteristische Spielweise zu erzielen, und auch durch Drücken von Tasten, um die Tonhöhe oder Frequenz der erzeugten Töne zu variieren. Beim Spielen eines Zungeninstrumentes kann als die Klangquelle die schwingende Zunge angesehen werden, wobei der beim Spielen erzeugte charakteristische Klang eine Kombination von Änderungen der akustischen Resonanz ist, die durch den mit der Zunge gekoppelten Schalltrichter und auch dit mit der Zunge gekoppelte Anatomie des Spielers gebildet wird. Die durch den Spieler mittels Ansatz- und Atemsteuerung ausgeübte Steuerung sowie der Fingersatz sind äußerst variabel, flexibel und können damit sehr ausdurcksstark sein. w

Die allgemeine Tonqualität oder die Klangfarbe des Musikinstrumentes resultiert von der Kombination des Grundtons, der von der Zunge durch den Schalltrichter ausgewählt wird, und Beiträgen der Harmonischen dieses Grundtons. Der Beitrag zum gesamten Ton von jeder der Harmonischen kommt von der Schallfilterwirkung des Instruments. Obwohl die spezielle Wahl des Instruments zu einer speziellen Tont'.ruktur für gegebene Werte von Lippendruck, Atemluftstrom und Tonhöhe führt, ist diese Ton^tn'ktur sehr variabel für bo eine gegebene Tonhöhe du Ji variieren des Lippendrucks und des Atemluftstroms.

Daher kann dieselbe Note auf demselben Instrument, das von verschiedenen Spielern oder sogar vom selben Spieler in verschiedener Weise gespielt wird, verschie- b5 dene Tonstruktur haben. Es ist wesentlich für das Verständnis des Spielens einps Blasinstruments, daß, da das Ohr des Spielers die ausgesandten Klänge hört, sein Gehirn seinen Lippendruck und Atem regelt, um den gespielten Klang zu modifizieren. In den modernen Begriffen der Steuerungs- und Regelungstechnik ausgedrückt: Es handelt sich um einen Regelkreis, wobei das Scha'lausgangssignal vom Schalltrichter und Spieler durch das Ohr erfaßt und zum Gehirn weitergeleitet wird, das seinerseits Stellsignale an die Muskeln abgibt, die den Lippendruck und den Atem beeinflussen, um das Schallausgangssignal zu verändern bzw. zu steuern. Die Blasinstrumente erlauben eine sehr große Variationsbreite des Ausdrucks beim Spielen wegen ihres Bereichs von regelbaren Variablen hinsichtlich Amplitude, Frequenz und Tonzusammensetzung und wegen der sehr engen Kopplung zwischen dem Spieler und dem Mundstück, so daß der Spieler eine sehr genaue Regelung vornehmen kann.

Die herkömmlichen Blasinstrumente, die an sich einen großen künstlerischen Ausdruck erlauben, unterliegen jedoch gewissen Beschränkungen, die grundsätzlich von der akustischen Natur des Schalltrichters herrühren, ferner von den physikalischen Eigenschaften, die durch die Konstruktion dieses Schalltrichters bedingt sind und durch die Kopplung des akustischen Systems des Spielers mit diesem Schalltrichter. Daher ist es nahezu unmöglich, daß zwei verschiedene Spieler mit unter schiedlicher Anatomie dieselben Klänge mit demselben Instrument erzeugen, selbst wenn sie die gleiche Übung aufweisen. Ähnlich erfordert die Kompliziertheit des Ansatzes, um die Instrumente beständig zur willkürlichen Erzeugung derselben Klänge zu spielen, selir viel Übung. Auch die physische Fähigkeit zur Erzeugung des Luftstroms für die Instrumente und die Muskelkraft zum Spielen des Instruments können beim selben Spieler zeitabhängig sein und von vielen Faktoren abhängen. Auf diese Weise kann der Spieler, der ein langes Spiel beginnt, Klänge vom Schalltrichter abgeben, die er am Anfang oder am Ende desselben Spiels einfach ph>sisch nicht erzeugen kann. Auch Spieler, die bestimmte Fähigkeiten erreicht haben, können mit zunehmendem Alter diese körperlichen Fähigkeiten verlieren, die für ein unverändertes Spielen notwendig sind. Ein anderer Mangel von manchen Holzblasinstrumenten ist deren komplizierter Fingersatz bzw. Grifftechnik, da die Anordnung der Tasten notwendigerweise eingeengt ist wegen der Länge der zu steuernden Luftsäulen, weshalb manche Übergänge von einer Fingerverteilung in eine andere ziemlich schwierig oder sogar fast unmöglich sein können, was die musikalischen Übergänge einschränkt, die mit diesem Instrument erreichbar sind. Ferner kann der Fingersatz zum Erzeugen einer bestimmten Tonhöhe in einer Oktave eines Instruments, das über ein Dreioktavenband spielbar ist, vom Fingersatz verschieden sein, um denselben Ton in einer anderen Oktave zu spielen. Außerdem brauchen manche Instrumente eine Anlaufzeit, bis sie die richtigen Töne abgeben.

Eine jüngere Entwicklung der Musikinstrumente sieht den Einsatz von elektronischen Oszillatoren vor, um elektrische Signale zu erzeugen, die elektroakustisch^ Lautsprecher zur Klangabgabe ansteuern. Eine ziemlich übliche Verwirklichung dieses Konzepts ist die Elektronenorgel. Andere derartige elektronische Musikinstrumente haben Normalfrequenzgeneratoren (mit Frequenzsynthese) und verschiedene elektronische Hilfsmittel zum Verstärken oder Variieren mindestens von Teilen des durch herkömmliche akustische Musikinstrumente erzeugten Klangs. Keines dieser elektronischen Musikinstrumente ist jedoch eng mit dem Spieler

gekoppelt, weshalb sie nicht sehr ausdrucksvoll gespielt werden können. So kann die Elektronenorgel zur Erzeugung eines reinen Tons für jede Taste gespielt werden. Jedoch ist der Ausdruck des Spielers auf eine grundsätzlich digitale Form begrenzt, da die Taste unabhängig vom Anschlag grundsätzlich immer denselben Ton erzeugt. Bei diesen Elektronenorgeln ist es möglich, ein Vibrato durch irgendeine Hilfstaste zu überlagern, die ein genaues und mechanisches Klingen des Tons erzeugt, der angeschlagen worden ist, indem gemäß einer vorbestimmten Variation ein Pulsieren auftritt. Dieses Vibrato unterscheidet sich stark von dem durch einen Spieler auf einem Blasinstrument erzeugten Vibrato, da letzterer ein Pulsieren von Frequenz und Amplitude erzeugt, das er individuell steuern kann. ,

Es sind bereits Versuche unternommen worden, den akustischen Tongenerator in einem Blasinstrument durch einen elektronischen Signalgenerator in Verbindung mit einem elektroakustischen Lautsprecher zu ersetzen (vgl. z.B. US-PS 23 01 184). Dabei wird die Frequenz der ausgesandten Klänge durch Tastenbetätigung gesteuert, die ihrerseits gesteuert wird durch elektronische Schalter in derselben Weise wie bei der Elektronenorgel, während die Amplitude des abgegebenen Klangs durch einen Stellwiderstand in Abhängigkeit vom Lippendruck modifiziert wird. Bei Verwendung einer derartigen Einrichtung muß der Spieler sehr schnell auf den Anfangsklang eines Tons reagieren, um die Amplitude desselben Tons zu modifizieren. Ein Schalter, der den elektronischen Tongenerator zur jo Signalerzeugung freigibt, wird durch den Atem des Spielers betätigt, so daß er nur in das Instrument mit einer bestimmten Intensität blasen muß, um den Schalter zu betätigen. Dieser »Atem-Wandler« ist jedoch ein einfacher Ein-Aus-Schalter für den elektrantsehen Tongenerator.

Inzwischen ist zwar eine gewisse Weiterentwicklung erfolgt, die zum elektronischen Blasinstrument nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 geführt hat (vgl. US-PS 34 39 106). Danach hat ein Instrument einen _4Q Luftstromwandler, der elektrische Signale abgibt, die proportional zum Luftstrom durch das Mundstück des Instruments variieren. Dieses Luftstromsignal wird verwendet, um die Amplitude der durch einen elektronischen Signalgenerator erzeugten Töne zu regeln bzw. zu variieren. Die Frequenz oder Höhe der erzeugten Töne wird durch Tastenbetätigung gesteuert. Auch dieses Instrument ist in seinen Spieleigenschaften beschränkt, da es zusätzlich zu der Tastenbetätigung nur eine einzige Variablensteuerung aufweist, nämlich durch die Atemamplitude. Derartige Instrumente sind also im musikalischen Ausdruck sehr eingeengt, weshalb es bedeutend schwieriger als bei den entsprechenden akustischen Musikinstrumenten sein kann, sie gut zu spielen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein elektronisches Blasinstrument zu schaffen, bei dem die Klangerzeugung durch den Mund des Spielers steuerbar ist, um den musikalischen Ausdruck mit diesem Instrument beträchtlich zu erweitern. eo

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Der im Patentanspruch 1 verwendete Begriff »monoton« wird dabei im mathematischen Sinn verstanden.

Das Instrument kann mit ziemlich denselben physikalischen Steuervariablen gesteuert werden, wie sie beim Spielen von akustischen Blasinstrumenten vorhanden smd. Jedoch kann derselbe akustische Bereich mit einem Luftstrombereich erzeugt werden, der größenmäßig geringer einstellbar ist, als zum Spielen eines Holzblasinstruments bei jedem annehmbaren Wert erforderlich ist. Ähnlich kann die Abänderung von einem der Faktoren mit einem Gewichts- oder Bewertungsfaktor und einer Zeitverzögerung benutzt werden, um die Amplitude, die Frequenz, die Klangfarbe und die Dauer der entstandenen Töne zu variieren. Der Tongenerator des Instruments ist vorzugsweise ein spannungsgesteuerter (Spannungs/Frequenz-Steuerung) elektronischer Oszillator, der ein Dreieckssignal in einem Frequenzbereich erzeugt, das vor dem Spielen eingestellt worden ist, wobei die speziellen Frequenzen der einzelnen Noten oder Töne (Spannungen) durch Fingerbetätigung des Instruments ausgewählt wird.

Dieses Signal am Ausgang des elektronischen Oszillators wird bei einem gebauten Ausführungsbeispiel in einen Vergleicher eingespeist und mit einer von Hand einstellbaren Gleichspannung verglichen, der gewichtete bzw. bewertete Ausgangssignale vom zweiten und/oder ersten Steuersignalgeber (Lippen- und/oder Atemwandler) zugeführt werden können, um dadurch den wirksamen Arbeitszyklus des Vergleicherausgangssignals zu variieren. Das rechteckige Ausgangssignal vom Vergleicher wird dann in eine Signalverzögerungsschaltung eingespeist, die im wesentlichen ein Sägezahnsignal erzeugt, wobei das Verhältnis von Anstiegs- zu Abfallzeit und damit die harmonischen Komponenten mit der Vergleichs-Gleichspannung variieren. Auf diese Weise beeinflussen der Vergleicher und die Verzögerungsschaltung das Frequenzspektrum dieses Signals. Dieses Signal kann in einen Amplitudenmodulator eingespeist werden, der grundsätzlich durch den Atemwandler gesteuert wird. Das resultierende modulierte Spannungsausgangssignal kann direkt verwendet werden, um einen Verstärker und einen elektroakustischen Wandler wie einen Lautsprecher oder eine Hörkapsel anzusteuern. Das Signal kann auch auf einem Aufzeichnungsträger wie einem Magnetband für ein späteres Umsetzen in akustische Signale aufgezeichnet werden.

Wahlweise und vorzugsweise wird das Ausgangssignal des Vergleichers in eine parallele Anordnung von Bandpaßfiltern eingespeist. Diese Filter sind so spannungsgesteuert, daß ihre Mittenfrequenz proportional zur an ihren Steuereingängen angelegten Spannung variiert. Da die Steuereingänge mit dem Ausgang der Tastschaltung verbunden sind, laufen die Mittenfrequenzen der Filter nach, um einer Änderung in der Frequenz des Haupttongenerators sich anzupassen. Die Frequenzdifferenz zwischen jedem der Filter (in bezug auf den Haupttongenerator) kann eingestellt werden, um einer gewünschten Folge wie der natürlichen Folge (f. 2f, 3f,4f.5f,... nf) zu entsprechen, wobei »f« die Frequenz des Haupttongenerators bedeutet.

Das Abstimmen wird durch dieselbe Tastenspannung vorgenommen, die auch den Haupttongenerator abstimmt.

Bei den akustischen Instrumenten kann der »Schalltrichter«-Abschnitt als ein aktives Filter angesehen werden, das durch Tasten oder Schieber abstimmbar ist, die den Grundton und manche Obertöne verstärkern, was von der Bauart des Instruments, der Bauart des Mundstücks und dem Ansatz des Spielers abhängt. Der »lebendige« Klang von akustischen Instrumenten

stammt von der Fähigkeit des Spielers, willkürlich den harmonischen (Oberton-)Anteil des Ausgangssignals ebenso wie die Phasenbeziehung der Harmonischen untereinander und zur Grundschwingung zu variieren.

Durch Verwendung des zweiten Steuersignalgebers, insbesondere eines Lippenwandlers, zur Speisung der Filtermittenfrequenz-Steuereingänge zusätzlich zur Hauptabstimmspannung ist es möglich, die Phase der Harmonischen (Obertöne) wie bei den akustischen Instrumenten zu ändern. Durch Verwendung des Lippenwandlers zur Änderung des »Arbeitszyklus« des Vergleichers kann der harmonische Anteil am Toneingangssignal der Filter variiert werden. Wenn die Ausgangsspannung vom zweiten Steuersignalgeber der Frequenzsteuerspannung (Tastensignal) vom Haupttongenerator überlagert wird, kann die Frequenz des Haupttongenerators variiert werden, um ein »Glissando« zu erzeugen, das im wesentlichen vom selben Typ wie das bei den akustischen Instrumenten erhaltene »Glissando« ist.

Es ist auch möglich, diese Effekte ebenso wie den Anteil der Harmonischen im Ausgangssignal unabhängig zu bewerten bzw. zu gewichten und zu verzögern, weshalb ein außerordentlich umfassender Bereich von gegenseitiger Abhängigkeit von Phase, Frequenz und harmonischen Anteilen erzielt wird. Da die Güte »Q« der Filter aus einem stark gedämpften Zustand in einen Oszillatorzustand verstellbar ist, kann die Klangfarbe des Instruments einen Bereich an Klangfarbe überdekken, der bei akustischen Instrumenten unmöglich ist.

Es ist alsc ersichtlich, daß wie bei herkömmlichen Holzblasinstrument die harmonische Zusammensetzung oder Klangfarbe des erzeugten Klangs sowohl durch den Luftstrom als auch durch den Mund (Mundstellung und/oder Mundbetätigungsdruck) und ferner durch die angeschlagene Taste steuerbar ist.

Wie bereits gesagt, liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß bei Blasinstrumenten der Beitrag von den Obertönen eines bestimmten Tons variiert wird in Abhängigkeit von der Mundstellung einschließlich Mundbetätigungsdruck. Das erfindungsgemäße elektronische Blasinstrument erlaubt dem Spieler einen ähnlichen Grad an Ausdruck. Während beim akustischen Instrument die Fingersätze durch die physikalischen Eigenschaften des Schalltrichters als einer akutischen Luftsäule beschränkt sind, kann der Fingersatz beim elektronischen Musikinstrument völlig der Bedienungsbequemlichkeit des Spielers angepaßt werden. Daher kann im Unterschied zu den akustischen Instrumenten dieselbe Note durch denselben Fingersatz in irgendeiner der Oktaven gespielt werden, in der das Instrument spielbar ist. Ein Fingersatz bzw. Griffsystem wird angegeben, das mit der herkömmlichen Holzblasinstrument-Grifftechnik eng verknüpft ist. Eine kumulative chromatische Fingersatz-Logikschaltung erlaubt das geeignete Spielen von erhöhten oder erniedrigten Halbtönen (im Englischen kurz sharps bzw. flats genannt) oder doppelten erhöhten oder erniedrigten Halbtönen irgendeiner Note der Tonleiter. Dieses Fingersatzsystem beseitigt viele der Beschränkungen, die bei akustischen Instrumenten bei der Vornahme bestimmter Obergabe von manchen Noten zu manchen anderen auftreten.

Damit ein unerwünschtes Ausgangssignal nicht gehört werden kann, wenn eine Oktavenverschiebung erfolgt, ist vorzugsweise eine Ausgangssignalunterdrükkungsschaltung vorgesehen. Ein Unterdrückungssignal wird subtrahiert vom Hauptblassignal während und

proportional zu der Größe der Frequenzverschiebung infolge Tasten (es sei darauf hingewiesen, daß es physikalisch unmöglich ist, den Tastenwechsel und die Atemartikulation so schnell wie die Ansprechzeit der Schaltung zu koordinieren). Dies wird erreicht durch Differentiation des »Absolutwert« des verzögerten Tastsignals, Bewerten des Differentialquotienten und Subtrahieren vom Blas(Amplituden)-Signal. Wenn eine große Änderung erfolgt, kann das System so eingestellt werden, daß das Ausgangssignal auf Null reduziert wird. Dies simuliert die entsprechende »Sprech«-Verzögerung von akustischen Instrumenten, die durch das Unvermögen der Instrumente bedingt ist, Spielarten momentan zu ändern.

Das erfindungsgemäße Blasinstrument ist also geeignet, in Klängen die verschiedenen und komplexen Töne bzw. Nuancen des Ausdrucks und Verzierungen umzusetzen, die die Begabung und Fähigkeit eines Interpreten manifestieren.

Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen elektronischen Blasinstruments wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Mundstücks und der Tasten eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Musikinstruments,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht aus der entgegengesetzten Richtung des Mundstücks und der Tasten des Instruments von F i g. 1,

Fig.3 einen vergrößerten Querschnitt des Mundstücks des Instruments von F i g. 1,

F i g. 4 schematisch eine Schaltung für den Luftstromwandler des Mundstücks von F i g. 3,

F i g. 5 schematisch eine Schaltung für den Zungenwandler des Mundstücks von F i g. 3,

F i g. 6 das Blockschaltbild einer in Verbindung mit dem Mundstück und den Tasten von Fig. 1 verwendeten Schaltung,

F i g. 7 schematisch ein Filter für die Schaltung von Fig. 6,

F i g. 7A einen typischen Frequenzgang für das Filter von F i g. 7,

Fig. 8 eine Blasobertonschaltung für die Schaltung von F i g. 6, und zwar teilweise schematisch und teilweise als Blockschaltbild,

F i g. 9 die Ausgangssignalkennlinie der Schaltung von F i g. 8,

Fig. 10 schematisch eine Tastschaltung für das Instrument von F i g. 1 und

Fig. 11 —13 Fingersatzdiagramme zum Spielen des Musikinstruments von F i g. 1.

Das Mundstück und die Tasten eines elektronischen Blasinstruments nach der Erfindung sind in Fig. 1—3 gezeigt, während Fig.6 ein Übersichtsblockschaltbild der einzelnen Schaltungsteile des Instruments darstellt.

Das Instrument hat einen grundsätzlich rohrförmigen Körper 11 mit einem Mundstück 12 einschließlich einer Zunge 13. Ein Satz von Tasten 21, 24, 25, 26,39, 30 und 31 ist zur Notenwahl vorgesehen, während Tasten 22, 23, 27 und 28 zur Chromatikwahl dienen, wobei auf der entgegengesetzten Seite des Körpers 11 zwei Oktaventasten 32 und 33 zusammen mit einer Daumenauflage 34 vorhanden sind. Von einer Einheit 15 von Daumenauflage und elektrischem Steckverbinder gehen Ausgangssignalleitungen vom rohrförmigen Körper 11 zu einer Konsole aus, die die in F i g. 6 gezeigten Schaltungsbauteile enthält.

Das Mundstück 12 ist als herkömmliches Einzungen-Holzblasmundstück ausgebildet, wobei die Zunge

normalerweise aus Rohr oder Kunststoff besteht. Das Instrument kann daher als ein herkömmliches Blasinstrument in bezug auf Ansatz und Luftstrom gespielt werden. In dieses Instrument bläst der Spieler durch einen Kanal 18, jedoch erzeugt er keinen Klang, wie es herkömmliche Blasinstrumente tun. Im Gegensatz dazu wird der Luftstrom von einem Druckwandler erfaßt, wonach er durch eine Öffnung 17 im Mundstück austritt. Die öffnung 17 ist teilweise durch eine verstellbare Daumenschraube 14 verschlossen, so daß der Druck im Kanal 18 variiert werden kann, um dem Spieler ein angemessenes Gefühl zu vermitteln und die Empfindlichkeit des Wandlers gegenüber dem Luftstrom zu variieren.

Der Blaswandler, wie er am deutlichsten in Fig.3 gezeigt ist, hat eine flexible Membran 40, die an einer Wand des Kanals 18 angeordnet ist. Direkt über der flexiblen Membran 40 liegt ein Federelement 41, das einen abgebogenen Teil hat, der Licht von einer Lichtquelle 43 zu einer Öffnung in einem sonst lichtundurchlässigen Gehäuse 45 mit einer darin angeordneten Fotozelle 44 unterbricht. Die Lichtquelle

43 kann irgendeine geeignete Form haben, vorzugsweise eine Leuchtdiode (LED) sein. Beim Betrieb erzeugt eine Zunahme des Luftstroms eine Zunahme des Drucks im Kanal 18, so daß das Federelemept 41 ausgelenkt und ein größerer Anteil des von der Lichtquells 43 abgegebenen Lichts aufgefangen wird, was eine entsprechende Abnahme der Beleuchtung der Fotozelle

44 zur Folge hat. In Fig.4 ist eine Schaltung abgebildet, die mit dem

gezeigten Luftstromwandler verwendet werden kann. Die Fotozelle 44 ist in Reihe mit einem Widerstand 51 zwischen einer positiven Spannungsquelle + V und einer negativen Spannungsquelle - V geschaltet. Am Verbindungspunkt des Widerstands 41 mit der Fotozelle 44 ist ein Operationsverstärker 50 über eine Reihenschaltung von zwei Leuchtdioden 43 und 52 an die positive Spannungsquelle + V angeschlossen. Beim Betrieb bewirkt eine Abnahme des Lichts von der Leuchtdiode 43 auf die Fotozelle 44 eine Erhöhung des vom Operationsverstärker 50 den Dioden zugeführten Stroms und damit eine Erhöhung in der Helligkeit beider Leuchtdioden 43 und 52. Die Diode 52 kann daher als »gesteuerte« Diode in bezug auf die Diode 43 angesehen werden, die ein Lichtausgangssignal abgibt, das direkt mit den Druckänderungen variiert. Die entsprechende Änderung des Lichtausgangssignals von der Leuchtdiode 52 kann dann als ein Atemluftstrom-Wandlersignal benutzt werden, indem eine geeignet angeordnete Fotozelle in anderen Auswerteschaltungen verwendet wird. Es ist ersichtlich, daß, obwohl hier eine spezielle Ausführung eines Luftstromwandlers gezeigt ist, auch andere Techniken in Frage kommen, z. B. ein Heißdrahtluftstrom-Wandler od. dgl.

Der zweite Wandler im Mundstück des Instruments spricht auf den Lippendruck an der Zunge 13 an. Dieser Wandler hat einen dünnen Anker 47, der aus einem magnetischen Werkstoff besteht, der an der Innenseite der Zunge 13 angebracht ist. Dtr Anker 47 ist gegenüber einem dreischenkligen Induktivitätskern 48 so angeordnet, daß ei in der normalen oder Ruhesteilung nicht den Kern 48 berührt. Die zwischen den Schenkeln des Induktivitätskerns 48 und dem Anker 47 erreichte Kopplung ist eine Funktion der Zungenlage und damit des Lippendrucks. Der Kern 48 ist Teil einer Reluktanz- oder Magnetwiderstandsbrücke 49, wie aus Fi g. 5 ersichtlich ist. Auf jeden Schenkel des Kerns 48 ist eine Induktivitätsspule 59, 60 bzw. 61 gewickelt. Die Induktivitätsspule 60 wird durch einen Oszillator 58 betätigt, während die Induktivitätsspule 59 mit einem Anschluß direkt und mit dem anderen Anschluß über eine Reihenschaltung einer Diode 62 und eines Kondensators 64 geerdet ist. Die andere Seite der Brücke ist symmetrisch und hat eine Verbindung von einem Anschluß der Induktivitätsspule 61 über eine Diode.63 und einen Kondensator 65 und Erde, während der zweite Anschluß der Induktivität 61 direkt geerdet ist. Der Verbindungspunkt zwischen der Diode 62 und dem Kondensator 64 ist über Widerstände 71 und 72 in Reihenschaltung mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 63 und dem Kondensator 65 verbunden. Der Eingang eines Operationsverstärkers 74 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 71 und 72 verbunden. Die Ausgangsspannung, z. B. vom Operationsverstärker 74, dient als das Ausgangssignal des Zungenwandlers. Eine Schwellensteuerung ist durch ein Potentiometer 70 gegeben, das zwischen einer positiven Spannungsquelle + V und dem Eingang des Operationsverstärkers 74 liegt. Ein Rückkopplungswiderstand 75 ist um den Operationsverstärker 74 geführt.

Die Schaltung arbeitet so, daß bei ruhender Zunge der Anker 47 asymmetrisch von allen drei Kerninduklivitätsspulen entfernt und die Reduktanzbrücke unabgeglichen ist. Wenn die Zunge durch die Lippen in die normale Spielstellung gebogen wird, ist die Induktivitätsspule 60 über den Anker 47 mit der Induktivitätsspule 61 mit einem höheren Kopplungsfaktor als mit der Induktivitätsspule 59 gekoppelt. Unter diesen Bedingungen ist die Brücke unabgeglichen oder verstimmt. Wenn die Zunge noch mehr durch die Lippen verbogen wird, wird die Kopplung ausgeglichen, so daß die Brücke besser abgeglichen wird. Zu Beginn ist das Schwellenpotentiometer 70 so eingestellt worden, daß für eine bestimmte Verstimmung der Brücke kein Ausgangssignal vom Operationsverstärker 74 abgegeben wird. Wenn die Zunge verbogen wird und die Ankerstellung zu einer Gleichkopplung zwischen den Induktivitäten führt, gibt der Operationsverstärker dann ein Ausgangssignal proportional zur Zungenlage ab. Wie im Fall des Luftstromwandlers ist auch hier die Erfindung nicht auf den speziell beschriebenen Zungenwandler beschränkt.

Die Tastelemente des Instruments sorgen für eine Ausgangsspannung, die direkt proportional zu den Tasten variiert, die geschlossen sind, so daß eine Steuerspannung e* abgegeben wird, die sich mit den gespielten Noten ändert. Das Tastsystem ist grundsätzlich ein abgewandeltes Böhm-System. Die genaue Anordnung der Tastschaltung wird weiter unten in Verbindung mit F i g. 10 - 13 beschrieben werden.

Grundsätzlich besteht also das elektrische Ausgangssignal vom Mundstück und von den Tasten aus drei einzelnen Signalen, nämlich einem Luftstromwandler-Ausgangssignal e„, einem Zungenwandler-Ausgangssignal e^. und aus Ausgangssignalen ei entsprechend den Tastenlagen.

In Fig. 6 ist das Blockschaltbild der gesamten elektronischen Schaltung des Musikinstrumentes zu sehen, wobei diese Schaltung üblicherweise sich in einer Konsole befindet. Die speziellen Baugruppen von F i g. 6, wie Addierer, Subtrahierer, Verzögerungsglieder (Verzögerungsglieder unterscheiden sich von herkömmlichen Phasenschiebern dadurch, daß letztere sich nur auf Wechselstromsignale bestimmter Frequenz beziehen, während Verzögerungsglieder sowohl

sprunghafte Änderungen von Gleichstromsignalen als auch von Wechselstromsignalen beeinflussen, vgl. dazu auch die folgende Literaturstelle, wo eine vollständige Definition der Verzögerungsglieder gegeben ist), Absolutwertglieder und Funktionsfilter sind für sich gut bekannt (vgl. z. B. Handbook of Operational Amplifier Applications, Burr-Brown, Tucson, Arizona, 1963, S. 57, 59, 67 und 69; Applications Manual For Operational Amplifiers, herausgegeben von Philbrick/Nexus Research, A Teledyne Company, Dedham, Massachusetts, 1968, Abschnitte 11.15, 11.16, 11.3, 11.4 und 11.5). Das Ausgangssignal e„ vom Luftstromwandler wird über einen Subtrahierer 126 als das eine Eingangssignal einem Modulator 121 zugeführt, dessen Ausgangssigna! über einen Addierer 123 und einen Verstärker 124 einem ausgangsseiiigen Lautsprecher 125 zugeführt wird. Wenn der Wandler wie in Fig. 3 aufgebaut ist, kann dieses Ausgangssignal e„, das in den Modulator 121 eingespeist wird, die Form von Licht von der zweiten Leuchtdiode 52 (vgl. F i g. 4) haben. Das Licht von dieser Leuchtdiode 52 ändert sich entsprechend dem ankommenden Luftstrom, und es kann selbst als das Modulationssignal benutzt werden, wenn seinerseits der Modulator eine lichtempfindliche Einrichtung ist. Die Hauptsignalquelle für das Musikinstrument ist ein Oszillator 102. Dieser Oszillator ist ein spannungsgesteuerter Oszillator mit konstanter Amplitude und variabler Frequenz, dessen Steuersignal von einem Addierer 100 über ein einstellbares Tastverzögerungsglied 101 (vgl. Fig. 6), das ein auf das Tastsignal t\ ansprechendes Verzögerungsglied ist (vgl. auch weiter unten), zugeführt wird. Es ist ersichtlich, daß in den Addierer 100 das Tastsignal e; und auch das Zungen oder Glissando-Signal e_P, das von der Lippendruckeinrichtung erzeugt wird und den Glissando-lEffekt bewirkt, eingespeist werden. Das Tastsignal wird im allgemeinen die Hauptsteuerung des Oszillators 102 variabler Frequenz vornehmen, während die Zunge 102 und das Zungensignal c_f gar keinen Beitrag oder einen variablen Beitrag leisten, der vom auf die Zunge durch den Spieler ausgelösten Lippendruck abhängt. Das Ausgangssignal vom Addierer 100 kann als ei+ De₁; dargestellt werden, wobei D eine Konstante ist. die dem Zungensignal zugeschrieben wird, um dessen Einwirkung auf die Oszillatorsteuerung zu bewirken. Das Tastverzögerungsglied 101 ist ein herkömmliches Verzögerungsglied, wobei stufenweise Änderungen des zugeführten Signals in ein langsam ansteigendes Signal umgesetzt werden, und wobei die Größe der Verzögerung die Ansprechzeitkennlinie des Instruments steuert. Das Ausgangssignal e> vom Oszillator wird als das eine

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dessen Ausgangssignal zu einem Vergleicher 106 gelangt, dessen Ausgangssignal wiederum über ein Signalverzögerungsglied 108 in e^;ne Folge von Bandpaßfiltern 111 eingespeist wird. Das Zungensignal e^.und das Luftstromwandlersignal e„ werden auch als Eingangssignale dem Addierer 104 zugeführt (es handelt sich dabei um einen herkömmlichen Addierer, dessen Ausgangssignal gleich der Summe seiner Eingangssignale, bezogen auf den Bezugseingangsspannungspegel, ist, weshalb der Verlauf des Ausgangssignals sich mit dem Gleichspannungsbezugspegel ändert, dem er überlagert wird). Eine manuelle Klangfarbensteuerung 107 am Addierer 104 erlaubt ein Variieren des Nullbezugspegels, dem das Sägezahnausgangssignal vom Oszillator 102 überlagert ist. Der Zweck dieser Baugruppen einschließlich des Addierers 104, des Vergleichers 106 und des Signalverzögerungsglieds 108 besteht darin, ein im wesentlichen Sägezahnsignal zu erzeugen, das ein variables Verhältnis von Anstieg- zu Abfallzeit hat. Da sich die Form des Signals ändert, ändern sich die Frequenzkomponenten in diesen Signalen, so daß damit auch die harmonische Struktur des resultierenden Signals, das schließlich am elektroakustischen Ausgang auftritt, variiert ist. Daher steuert diese Gruppe von Schaltungsbestandteilen vor allem die

lu Klangfarbe des Instruments. Der Vergleicher 106 ist eine bistabile Schaltung mit einer voreingestellten Schwelle, so daß, wenn das Eingangssägezahnsignal an ihm oberhalb der bestimmten Schwelle auftritt, der Vergleicher einen ersten Pegel des Ausgangssignals abgibt, während er unterhalb dieser Schwelle einen anderen Ausgangssignalpegel abgibt. Das Ausgangssignal vom Vergleicher 106 ist daher eine Rechteckwelle mit variablem Tastverhältnis oder variabler Arbeitsperiode, wobei die Frequenz der Oszillatorfrequenz folgt und das Tastverhältnis durch die manuelle Klangfarbenresonanzspannung e, gesteuert ist. Das Signalverzögerungsglied 108 setzt diese Rechteckwelle mit variablem Tastverhältnis in eine im wesentlichen Sägezannwelle um, wobei die Form der Sägezahnwelle durch das Rechteckwellen-Tastverhältnis gesteuert ist. In das Verzögerungsglied 108 wird auch eine Bezugsspannung direkt vom Ausgang des Addierers 100 eingespeist, die damit das Signal e_k + De₁; darstellt. Diese Spannung dient zur Aufrechterhaltung eines Ausgangssignals mit konstanter Spitze-Spit/e-Amplitude vom Verzögerungsglied 108 trotz Änderungen der Eingangsfrequenz. Die Bandpaßfilter 111 bestehen aus einer Reihenschaltung von (normalerweise fünf) spannungsgesteuerten Bandpaßfiltern, die normalerweise entsprechend den Tonleitertönen. erste Harmonische, zweite Harmonische usw. angeordnet sind, so daß die Bandpaßcharakterislik z. B. beim Grundton plus vier harmonischen Obertönen vorliegt, jedes dieser Filter ist ein Filier mit variabler Mittenfrequenz, die durch ein Eingangssignal vom Addierer 109 über das Verzögerungsglied 110 gesteuert wird. Die Eingangssignal des Addierers 109 kommen direkt vom Zungenwandler (ej und auch vom Ausgang des Addierers 100. Die Ausgangssignale des Addierers 109 können dargestellt werden als e^. + (e_k + DeJ. Der Grad, mit dem dieses Steuersignal die Mittenirequenzen und die Bewertungsfaktoren von jedem der Bandpaßfilter um den Normalwert durch Beiträge vom Lippenwandler variiert, kann anfangs eingestellt werden. Die Ausgangssignale von den Filtern 111 werden einem Addierer 120 zugeführt, wo sie summiert werden, wonach das resultierende Ausgangssigna! als ein zweites Signa! in der·. Modulator 121 eingespeist wird.

Wenn das Obertonwählglied 114 nicht betrachtet wird, besteht das Ausgangssignal des Modulators 121 das den Addierer 123, den Verstärker 124 und den Lautsprecher 125 ansteuert, aus der Summe der Ausgangssignale von den Bandpaßfiltern 111. moduliert durch das Ausgangssignal e„ vom Luftstromwandler. Es

bo sei darauf hingewiesen, daß das System ohne die Bandpaßfilter 111 betrieben werden könnte. In letzterem Fall würde das Ausgangssignal vom Signalverzögerungsglied 108 direkt als eines der Modulatorsignale in den Modulator 121 eingespeist werden, und das resultierende Ausgangssignal zum Verstärker 124 und zur elektroakustischen Ausgangseinrichtung, hier als Lautsprecher 125 gezeigt, würde daher aus einem Sägezahnsignal mit variabler Anstiegs- und Abfallzeit

bestehen, das durch das Signal e„ vom Luftstromwandler variiert wird. Βεί eingebauten Filtern steuert das Lippendrucksignal e» die Mittenfrequenzen und Bewer-■lungsfaktoren der Filter und damit den Obertongehalt des Ausgangssignals (vgl. F i g- 7). Ohne Filter würde das Luftstromsignal e„ durch das Sägezahnsignal moduliert werden, das der Summe e_s-r e» + e* entspricht Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind jedoch die Bandpaßfilter 111 zwischen das Signalverzögerungsglied 108 und den Addierer 120 geschaltet, so daß die Obertonstruktur des endgültigen Tons direkter durch den Lippendruck steuerbar ist

Es ist ersichtlich, daß, obwohl die Mittenfrequenz von jedem Bandpaßfilter im allgemeinen voreingestellt ist und die Mittenfrequenzen, wie bereits erwähnt, im allgemeinen in derselben Beziehung zueinander entsprechend den Tonleitertönen, erste Harmonische, zweite Harmonische usw. stehen, sie durch vorherige Einstellungen in irgendeine gewünschte Kombination gebracht werden können, z. B. um dem typischen Obertonabstand eines herkömmlichen Blasinstruments zu entsprechen, insbesondere einer Klarinette. Obwohl hier nur vier Ausgangssignale gezeigt sind, ist es klar aufgrund der Bezeichnungen Fi. F₂ und F_n. daß jede Anzahl von Filter benutzt werden kann.

Eine zweite Schaltungsuntergruppe zur Verwendung mit den Steuerungen und Filtern von F i g. 6 ist das Obertonwählglied 114 von Fig. 6. Dieses Glied gewährleistet eine Änderung der Obertonstruktur des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Atemintensität und dem Lippendruck. Das Obertonwählglied hat einen Satz von Anaiogmultiplizierern 116, denen als ein Eingangssignal die Ausgangssignale Fi bis F„ von jedem der Bandpaßfilter 111 und Steuersignale von einem Analogfunktionsanpasser 115 mit Kennlinien entsprechend Fig. 9 (vgl. auch Abschnitt Nr. 26 des vorher erwähnten Handbook of Operational Amplifier Application ...) zugeführt werden. Das Eingangssteuersignal für den Analogfunktionsanpasser 115 ist die bewertete oder gewichtete Summe Ke₁₁ + Ke_g der Ausgangssignale e„ vom Luftstromwandler und e_f vom Lippendruckwandler. Die Ausgangssignale der Analogmultiplizierer 116 werden in einen Addierer 117 eingespeist, dessen Summenausgangssignal in ein Mischsteuerglied 118 gelangt. Ebenfalls dem Mischsteuerglied 118 wird ein Ausgangssignal vom Addierer 120 zugeführt Das Ausgangssignal des Mischsteuerglieds 118 wird in den Modulator 121 eingespeist. Baugruppen 126, 127 und 128 bilden eine Ausgangssignalunterdrückungss~haltung. Diese Schaltung hat einen Differentiator 128, in den das Signal L (eu + De_e) vom Tastverzögerungsglied 102 eingespeist wird. Das differenzierte Signal gelangt in eine Bewertungsschaltung, hier Absolut- oder Betragsschaltung 127 genannt, und dieser gewichtete Wert wird dann im Subtrahierer J26 vom Signal e„ subtrahiert das in den Modulator 123 gelangt.

In F i g. 7 ist eiii geeigneter Filteraufbau für jede Stufe der Bandpaßfilter 111 zu sehen. Das Eingangssignal e, der Filter wird über einen Widerstand 142 in einen Eingang eines Operationsverstärkers 150 mit einem Rückkopplungswiderstand 141 eingespeist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 150 ist mit einem Multiplizierer 131 verbunden, dessen zweites Eingangssignal von einem Steuereingang 130 kommt. Der Eingang 130 empfängt sein Signal vom Verzögerungsglied 110, und dieses Signal kann ausgedrückt werden als

L[e_e+(e_k+De_t)}.

Das Ausgangssignal des Multiplizierers 131 wird über einen Widerstand 132 und einen Kondensator 133 in einen anderen Multiplizierer 135 eingespeist Ein Operationsverstärker 146 ist zu einem Kondensator 133 parallelgeschaltet Das zweite Eingangssignal des Multiplizieren 135 kommt direkt vom Steuereingang 130. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 135 wird über einen zweiten Widerstand 134 und einen Kondensator 136 in Reihe zum Eingangswiderstand 140

ίο eines Operationsverstärkers 150 geleitet Ein anderer Operationsverstärker 148 liegt parallel zum Kondensator 136, und der Ausgang des Operationsverstärkers 150 ist über ein Potentiometer 152 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 148 verbunden. Der Schleifer des Potentiometers 152 ist über einen Kondensator 151 mit dem Eingang des Operationsverstärkers 146 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 146 ist geerdet über ein Potentiometer 158 und mit einer negativen Spannungsquelle — V über zwei Widerstände 154 und 155 verbunden, wobei der Verbindungspunkt der beiden letzteren über die Reihenschaltung eines Transistors 156 und einer Diode 157 zurück zum Eingang des Operationsven färkers 146 geführt ist Das gesamte Filterausgangssignal wird vom Schleifer des Potentiometers 158 abgenommen. Geeignete Werte für jedes Bauelement von Fig. 7 sind in der folgenden Tabelle angegeben:

Tabelle

R 132	10 ΚΩ
C133	0,02 μ
Λ 134	10 ΚΩ
C 136	0,02 μ
Λ 140	10Κ.Ω
R 141	10 ΚΩ
Λ 142	10 ΚΩ
C151	0,001
Potentiometer 152	100 ΚΩ
Potentiometer 158	20 ΚΩ
Λ 154	10 ΚΩ
/?156	10 ΚΩ
/?155	20 ΚΩ

Die Mittenfrequenz Z₁ des Bandpaßfilters kann ausgedrückt werden als:

f _

mit

R = Widerstandswert der Widerstände 132 und 134,
C = Kapazität der Kondensatoren 133 und 136 und
A = Abschwächungsfaktor durch den Multiplizierer 131 oder 135.

Da das in den Steuereingang 130 eingespeiste Signal die Abschwächung durch die Multiplizierer 131 und 135 beeinflußt, beeinflußt dann dieses Steuereingangssignal auch die Mittenfrequenz f_c der Bandpaßfilter. Eine typische Kennlinie für die Bandpaßfilter ist in Fig.7a gezeigt. Im Filter erlaubt das Potentiometer 152 eine Einstellung der Güte Q der Schaltung. Die Diode 157 ist ein begrenzendes Bauelement, um eine Sinuswelle abzugeben, wenn das Filter auf Oszillatorbetrieb eingestellt ist.

Fig.8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Obertonwählglieds, das für die Schaltung von F i g. 6 geeignet ist.

Bandpaßfiltersignale Fi, F₂, F₃, F₄ und F_n werden als erstes Eingangssignal einer Folge von Multiplizierern 116a bis 116e zugeführt Ein zweites Eingangssignal für jeden dieser Multiplizierer kommt von den Funktionsanpassern 115a bis 115e. Das Eingangssignal der Funktionsanpasser 115a bis 115e kommt vom Addierer, der die Wandlerausgangssignale e»und e_g bewertet und summiert. Die Funktionsanpasser sind Baugruppen, die in Abhängigkeit von einem variierenden Gleichstromeingangssignal ein Gleichstromausgangssignal abgeben, das sich entsprechend einer vorbestimmten Funktion ändert Wenn z.B. das Eingangssignal (Ke_w+Ke_g) in einem Satz von Werten linear ansteigen sollte, dann könnte der Funktionsanpasser 115a so aufgebaut sein, daß er für einen anfänglichen Anstieg des Ausgangssignals sorgt und dann bei und oberhalb eines bestimmten Gleichstromeingangspegels für eine Abnahme des Ausgangssignals. Jeder der Funktionsanpasser kann so aufgebaut sein, daß er eine bestimmte Ansprechcharakteristik zeigt, die für die gewünschte spezielle Obertoncharakteristik geeignet ist. Zusätzliche Einstellungen können vorgenommen werden durch mehrere Bewertungspotentiometer 160 bis 164, die mit den Ausgängen der Multiplizierer 116a bis 116e verbunden sind. Die Ausgangssignale von den einstellbaren Potentiometern 160 bis 164 werden in einem Addierer 117 addiert, der aus einem Operationsverstärker 170 zusammen mit einem Rückkopplungspotentiometer 171 besteht, das den Gesamtverstärkungsfaktor steuert. Der Ausgang des Addierers 117 ist mit einem Ende des Mischsteuerglieds 118 verbunden, während das andere Ende an den Ausgang des Addierers 21 angeschlossen ist. Der Schleifer des Potentiometers 118 ist mit dem Modulator 121 verbunden. Das Mischsteuerglied 118 gestattet eine Einstellung des Beitrags vom Hauptfilter-Ausgangssignal und Obertonwählglied-Ausgangssignal. Die Potentiometer 160 bis 164 erlauben eine bewertende Einstellung, um den Beitrag des Ausgangssignals von jedem Filter festzulegen, der zum Addierer 117 gelangt.

In F i g. 9 sind typische Ausgangssignalfunktionen für das Obertonwählglied von F i g. 8 abgebildet, wie das Signal (Ke_u + Ke_g) vom Eingangsaddierer die Beiträge von jedem Filter zur gesamten ausgangsseitigen harmonischen Struktur ändert. Zum Beispiel ist ersichtlich, daß das Filterausgangssignal Fi bei einem sehr niedrigen Wert von (Ke₁, + Ke_f) beginnt, einen Spitzenwert annimmt und dann auf im wesentlichen Null bei ungefähr demselben Wert von (Ke_n +Ke_g) abfällt, bei dem das Filter /?4 ein Ausgangssignal abzugeben beginnt. Die Form dieser Ausgangssignalantworten wird durch die Funktionsanpasser gesteueit. die die Ausgangssignale von den Bandpaßfiltern über ihre entsprechenden Multiplizierer steuern. Obwohl ein Spezialfall in Fig.9 als geeignetes Beispiel gezeigt ist. versteht es sich, daß diese gesamte Schaltung für eine vollständige Steuerflexibilität hinsichtlich der Änderung der Obertöne des grundlegenden Instrumentenausgangssignals proportional zur Atemintensität und/oder zum Lippendruck sorgt. In der gezeigten Schaltung liefern die Bandpaßfilter 111 die diskreten harmonisehen Signale für die Obertonschaltung. Wahlweise könnte ein völlig getrennter Satz von Filtern verwendet werden, um diese Eingangssignale für die Obertonschaltung vorzusehen, wobei die jetzt in die Bandpaßfilter 111 eingespeisten Signale dann zu jenen Filtern gelangen würden.

Fig. 10 zeigt in Blockschaltbildform die Tast- und Zwischensatzschaltung, die die veränderliche Ausgangsgleichspannung eic erzeugt Diese Schaltung umfaßt eine Folge von Schaltern 21 bis 31, die den in Fig. 1 und 2 abgebildeten Tasten entsprechen und auch auf den Fingersatzdiagrammen in Fig. 11 bis 13 gezeigt sind. Obwohl die Schalter als mechanische Schalter abgebildet sind, wobei ein weicher leitender Kunststoff für ein angemessenes »Fühlen« verwendet wird, ist ersichtlich, daß der Betätigungsteil typischerweise in den Fingertasten liegt, wobei Transistorschalter bei der tatsächlichen Ausführung der Schaltung verwendet werden. Diese Betätigungsteile könnten wirkliche mechanirche Tasten sein, die elektrische Kontakte bei Betätigung schließen, oder einfach konzentrische .Elektroden mit einem hochohmigen Spalt, wobei die Finger des Spielers dann einen niederohmigen Leitungsweg zwischen den Elektroden zum Schließen des Schalters bilden. Eine Folge von einzelnen Widerständen 162 bis 168 ist so angeordnet, daß sie einen Gesamtwiderstandswert R_a bildet, der in Reihe mit einem Widerstandswert Rb liegt, der als Widerstand 161 ausgeführt ist der den Eingangswiderstand eines Operationsverstärkers 185 darstellt. Jeder der Schalter 21, 24,25,26, 29, 30 und 31 ist normalerweise geschlossen. Wenn also alle Tasten gedrückt sind, ist jeder dieser Schalter geöffnet, und die Widerstände R_a und Rb liegen in Reihe, wobei der Strom von der Bezugsspannungsquelle zum Eingang des Verstärkers 185 E_rei/(Ra+ Rb) beträgt. Unter diesen Bedingungen gilt R_a=Rb. Jeder der Widerstände 162 bis 168 ist so bemessen, daß eine Stromänderung in demselben Verhältnis wie die Frequenzänderungen in einer »Ganzton«-Tonleiter stattfindet. Daher nimmt, wenn alle Tasten, beginnend mit der Taste 21. nacheinander losgelassen werden, der Strom in den Eingang des Verstärkers 185 in Form einer Oktave von »ganztemperierten Tönen« (C- D- E-F-

-G-A-B-C)Zu.

Der Operationsverstärker 185 ist mit einem Rückkopplungswiderstand 169 und anderen Rückkopplungswiderständen 170 und 171 versehen, die durch Betätigen der Oktaventasten 32 und 33 eingeschaltet werden können. Der Widerstand 169 und der Widerstand 170 haben jeweils den doppelten Widerstandswert des Widerstands 171. Wenn also beide Oktaventasten 32 und 33 freigegeben werden, sind alle Widerstände 169 bis 171 parallelgeschaltet. Wenn die Taste 32 gedrückt ist. bleiben nur die Widerstände 169 und 170 in Parallelschaltung als die Rückkopplungswiderstände, weshalb entsprechend das Ausgangssignal vom Verstärker 185 verdoppelt ist. Wenn beide Oktaventasten 32 und 33 gedrückt sind, verbleibt jedoch nur der Widerstand 169 in der Rückkopplungsschleife, so daß das Ausgangssignal vom Verstärker 185 eine Erhöhung auf den vierfachen Wert erfährt. Infolgedessen kann das Ausgangssignal vom Verstärker 185 über einen Bereich von vier Oktaven variiert werden, mit einer Oktave in ganzen Tonschritten, und zwar durch Betätigen der Tasten 21 bis 31 und der drei zusätzlichen Oktaventasten.

Das Eingangssignal des zweiten Operationsverstärkers 186 ist das Ausgangssignal ei vom Verstärker J85, dividiert durch einen Widerstandswert, der durch die Tastenwahl bestimmt ist. Wenn also die Tasten 22,23,27 und 28 freigegeben sind und kein »Überkreuzgretfen« stattfindet, dann ist dieser Widerstandswert gleich der Summe der Kehrwerte der Widerstandswerte der Widerstände 172, 173, 174 und 178. Rückkopplungswiderstände 179 und 180 am Verstärker 186 sind so gewählt, daß sie den Wert des Ausgangssignals e_k

geeignet für dessen Einspeisung in den Oszillator 102 machen. Der Widerstand 120 ist ein Potentiometer, das die Einstellung von seinem Widerstandswert gestattet, um eine Änderung in der musikalischen Abstimmung oder im Notenschlüssel des Instruments zu erlauben. Wie bereits erwähnt wurde, betätigt die Tastenwahl die elektronischen Schaltkreise, weshalb im erfindungsgemäßen Instrument eine Vielfalt von Fingersätzen möglich ist, die in einem akustischen Instrument nicht erreicht werden kann.

Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß das Greifen bzw. Fingerbetätigen der Tasten von Oktave zu Oktave gleich sein kann. Andere Vorteile sind die Möglichkeit von doppelt erhöhten Halbtönen und doppelt erniedrigten Halbtönen, und auch der Fingersatz für zwischenliegende Chromatik kann willkürlich so vorgenommen sein, wie er für den Spieler am bequemsten ist

In der Eingangsschaltung des Verstärkers 186 dienen Widerstände 173 bis 178 zum Addieren oder Subtrahieren des Eingangsstroms in Halbtonwerten (etwa 6%), je nachdem, ob er in die Schaltung eingeführt (erhöhter Halbton) oder aus der Schaltung abgeführt (erniedrigter Halbton) werden soll. Die Tasten 22 und 27 sind normalerweise geschlossen, und das Drücken von einer dieser beiden Tasten schaltet einen Halbton-Widerstand aus den Stromkreis, so daß die Ausgangsspannung e* um etwa 6% verringert wird. Das Drücken beider Tasten verringert e* um etwa 12% (doppelt erniedrigter Halbton). In ähnlicher Weise führt das Drücken von einer der beiden Tasten 23 und 28 zum Einschalten eines der Halbton-Widerstände 176 und 174, während durch das gleichzeitige Drücken beider Tasten ein doppelt erhöhter Halbton erzeugt wird.

Die Schaltung hat eine Anzahl von logischen oder Verknüpfungsgliedern zur Erzeugung bestimmter Zwischensätze (engl. interposes), die normalerweise im Böhm-Fingersatzsystem von Holzblasinstrumenten verwendet werden. Diese Zwischensätze sind Verknüpfungsglieder 190 bis 193 und sorgen dafür, daß mit Holzblasinstrumenten vertraute Spieler diese Zwischensätze verwenden können. Die Verknüpfungsglieder können aus normalen Gattern aufgebaut sein. Zum Beispiel wird das Verknüpfungsglied 190 (fis oder ges) betätigt, wenn die Tasten 25,29,3C und 31 gedrückt sind. Dies bewirkt ein Ausgangssignal, das den Schalter 35 öffnet, so daß der Widerstand 178 aus dem Eingangsstromkreis des Verstärkers 186 ger >mmen wird. Ähnlich ist das Verknüpfungsglied 19S (as) betätigt, wenn die Taste 26 geschlossen ist in Verbindung mit den Tasten 30 und 31, und es bewirkt dasselbe Ausgangssignal wie das Verknüpfungsglied 190. Das Verknüpfungsglied 193 (b) gibt sein Ausgangssignal ab, um denselben Schalter 35 zu betätigen, wenn die Tasten 26 und 31 gedrückt sind. Ähnlich wird eis jedesmal gespielt, wenn alle Tasten offen sind, und der Ton Cwird gespielt, wenn die Taste 30 gedrückt ist Da die Anordnung die Verwendung von doppelt erhöhten Halbtönen und doppelt erniedrigten Halbtönen erlaubt, kann das Instrument so gefertigt werden, daß ein ganzer Ton niedriger und ein ganzer Ton höher erfaßt werden, als mit dem üblichen entsprechenden akustischen Fingersatzsystem erfaßt werden kann. Dies gestattet, Fingerzwischensätze beim Spielen bestimmter Passagen ohne Oktavenänderung zu benutzen.

Fig. 11 bis 13 zeigen Fingersatzdiagramme zur Verwendung im abgewandelten Böhm-System dieser Tastlogik, um die speziellen angedeuteten Noten zu erzeugen.

Obwohl die Erfindung anhand einer speziellen Schaltung und spezieller Logik- bzw. Verknüpfungsglieder erläutert worden ist, versteht es sich, daß die verschiedensten Änderungen der Schaltung möglich sind. Insbesondere kann ein Tastenfeld oder eine Eingangseinrichtung das Instrument mit dem Spieler »koppeln«. Das Instrument kann wie oben angedeutet verwendet werden, um Töne zu erzeugen, die im wesentlichen identisch denen einer Klarinette oder eines anderen herkömmlichen Blasinstruments sind, indem die Tasten und Bewertungsfaktoren geeignet ausgewählt werden. Völlig andere Anordnungen, die bis jetzt bei keinem der klassischen Blasinstrumente gefunden werden, können selbstverständlich erreicht werden durch entsprechendes Bewerten der verschiedenen Einstellungen in der Schaltung und durch Änderung der Bewertungsfaktoren, die den Wandlerausgangssignalen zugeordnet sind. Auch wenn das Instrument hier anhand eines Spielens beschrieben worden ist, bei dem der Spieler es benutzt, um im wesentlichen sofort ein musikalisches Ausgangssignal abzugeben, versteht es sich, daß das Instrument auch verwendet werden könnte, um nicht nur das momentane musikalische Ausgangssignal zu erzeugen, sondern auch dahingehend, daß die elektrischen Steuersignale e_m e_g und e* auf einem Aufzeichnungsträger aufgezeichnet und im wesentlichen der Tongeneratorschaltung zugeführt werden könnten, um dieses musikalische Ausgangssignal ohne den Spieler wiederzugeben. Ein anderes Vorgehen könnte das Aufzeichnen der elektrischen Ansteuersignale für die elektroakustische Ausgangseinrichtung auf einem Aufzeichnungsträger und die anschließende Verwendung dieser Signale zusammen mit der akustischen Ausgangseinrichtung wie einem Lautsprecher zur Musikwiedergabe umfassen.

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektronisches Blasinstrument,

mit einem elektroakustischen Wandler, mit einem spannungsgesteuerten obertonreichen Oszillator, mit Tasten zur Erzeugung jeweils eines Tastensignals (e_k) zur Wahl des Grundtones des Oszillators,

mit einem durch den Atemluftstrom des Spielers gesteuerten Steuersignalgeber, der ein bei Anwachsen des Atemluftstromes monoton mit diesem anwachsendes Steuersignal (e_w) abgibt, das zur Steuerung der Amplitude des Oszillatorsignals dient, gekennzeichnet durch einen zweiten Steuersignalgeber, der durch Mundstellung und/oder Mundbetätigungsdruck des Spielers gesteuert wird und ein sich mit Änderung von Mundstellung und Mundbetätigungsdruck monoton änderndes zweites Steuersignal (e_e) abgibt, das mittels einer Verknüpfungsschaltung das Obertonspektrum des vom Oszillator gelieferten Signals variiert.

2. Blasinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Steuersignalgeber einen Luftstromwandler im Mundstück (12) aufweist.

3. Blasinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuersignalgeber einen im Mundstück (12) angeordneten Wandler aufweist, dessen Ausgangssignale sich mit Lippen- jo stellung und/oder -druck des Spielers ändern.

4. Blasinstrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler auf einer im Mundstück (12) angeordneten Zunge (13) vorgesehen ist. um von der Zungenstellung abhängige ^ Ausgangssignale zu erzeugen.

5. Blasinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß schaltungsmäßig zwischen dem Oszillator (102) und dem elektroakustischen Wandler vorgesehen sind: ein Addierer (104) und ein damit verbundener Vergleicher (106), wobei der Addierer (104) von einer manuell einstellbaren Bezugsspannungsquelle (e,) sowie vom ersten und/oder zweiten Steuersignalgeber (e„. e^gespeist ist (F i g. 6).

b. Blasinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (102) ein im wesentlichen dreieckförmiges Ausgangssignal erzeugt.

7. Blasinstrument nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (106) vom zweiten Steuersignalgeber (e_g) gespeist ist und ein Zweipegel-Ausgangssignal erzeugt, dessen Pegel jeweils eine Dauer aufweisen, die durch die Eingangssignale des Vergleichers steuerbar ist.

8. Blasinstrument nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vergleicher (106) unmittelbar ein Verzögerungsglied (108) nachgeschaltet ist, das aus dem Zweipegel-Ausgangssignal vom Vergleicher (106) ein im wesentlichen dreieckförmi- bo ges Ausgangssignal (e_s) erzeugt, bei dem das Verhältnis von Anstiegs· zur Abfallszeit durch das Verhältnis der Dauern des Vergleicher-Ausgangssignals für dessen ersten und zweiten Pegel steuerbar ist (F ig. 6). e,5

9. Blasinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch schakungsmäßig zwischen dem Oszillator (102) und dem elektroakustischen Wandler angeordnete mehrere Mittenfrequenzsteuerbare Bandpaßfilter (111) und eine die Mittenfrequenzen der Bandpaßfilter (111) derart steuernde Filtersteuereinrichtung, daß die Mittenfrequenzen aller Bandpaßfilter Frequenzänderungen des Oszillators (102) folgen, jedoch untereinander in vorbestimmter Beziehung bleiben (F i g. 6).

10. Blasinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, .gekennzeichnet durch einen dem Oszillator (102) vorgeschalteten zweiten Addierer (100), der das zweite Steuersignal (eg) zu dem Tastensignal (ε_λ) in gewichtetem Verhältnis addiert (e_k+ DCg)(Fig. 6).

11. Blasinstrument nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtersteuereinrichtung ein den Bandpaßfiltern (111) vorgeschaltetes Signalverzögerungsglied (108) aufweist (F i g. 6).

12. Blasinstrument nach Anspruch 9 oder 11, gekennzeichnet durch eine dem elektroakustischen Wandler (125) vorgeschaltete Modulationseinrichtung (121), die die Ausgangssignale der Bandpaßfilter (111) durch das erste Steuersignal (e_w)moduliert (F ig. 6).

13. Blasinstrument nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen vom ersten oder zweiten Steuersignal (e^. e„) gesteuerten, Obertonkomponenten erzeugenden Obertonerzeuger (114) und eine der Modulationseinrichtung (121) vorgeschaltete Verknüpfungseinrichtung (118) zum Verknüpfen der Oberton-Komponenten mit den Ausgangssignalen der Bandpaßfilter (111) (F i g. 6).

14. Blasinstrument nach Anspruch 13. dadurch gekennzeichnet, daß der Obertonerzeuger (114) aufweist:

Mehrere Funktionsanpasser (115; \\5a-\\5e), die jeweils ein gemäß einer vorbestimmten Funktion vom jeweiligen Eingangssignal abhängiges Ausgangssignal erzeugen,

eine gleiche Anzahl von Multiplizierern (116; 116a - 1\(>e), deren jeder als Eingangssignale einerseits ein Ausgangssignal von einem entsprechenden der Funktionsanpasser (115, 115a-U5e) und andererseits ein Ausgangssignal von einem entsprechenden der Bandpaßfilter (111) erhält, und
eine Einrichtung (112), die als jeweiliges Eingangssignal in die Funktionsanpasser das erste und das zweite Steuersignal (e_n. ej verknüpft (Ke_n + KcJ einspeist (F ig. 6; 8).

15. Blasinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Unterdrückungsschaltung mit einem Signalsubtrahierer (126), der schaltungsmäßig zwischen dem ersten Steuersignalgeber und dem elektroakustischen Wandler angeordnet ist, sowie mit einer Einrichtung zur Einspeisung eines Subtraktionssignals in den Signalsubtrahierer, das sich entsprechend dem Tastensignal (ej ändert, so daß vom ersten Steuersignal (e,_t) ein sich mit dem Tastensignal (ck) änderndes Signal subtrahiert wird (F i g. 6).

16. Blasinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Vergleicher (106), der mit dem Oszillator (102) gekoppelt ist und an den elektroakustischen Wandler Ausgangssignale abgibt, deren Folgefrequenz durch den Oszillator (102) und deren Form durch dasjenige Steuersignal gesteuert ist, das nicht die Folgefrequenz (Grundton) des Oszillators (102) steuert (F ig. 6).

17. Blasinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der Tasten entsprechend einer Fingersatzbzw. Griffanordnung nach Böhm angeordnet sind und jeweils ein Tastensignal (eu) zur Erzeugung der entsprechenden musikalischen Note gemäß der Fingersatz- bzw. Griffanordnung nach Böhm abgeben, daß ferner eine erste und eine zweite Taste (22, 27) für erniedrigten Halbton sowie eine erste und eine zweite Taste (23, 28) für erhöhten Halbton vorgesehen sind, wobei der Beitrag von jeder der Tasten für erniedrigten Halbton und Tasten für erhöhten Halbton kumulativ zu den Beiträgen von der anderen der Tasten für erniedrigten Halbton und Tasten für erhöhten Halbton ist, so daß durch Betätigen beider Tasten für erniedrigten Halbton oder beider Tasten für erhöhten Halbton die durch Drücken der übrigen Tasten (21, 24—26, 29—31) bestimmte Note um einen ganzen Ton geändert wird.