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Anordnung zur Anzeige der Höhe eines Tones Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur Anzeige der Tonhöhe eines gesungenen oder durch ein Musikinstrument
erzeugten Tones.
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Sowohl fur Gesangsübungen als auch für das Erlernen bestimmter Musikinstrumente
ist es nützlich, wenn zur Kontrolle der Tonhöhe ein Gerät zur Verfügung steht, das
die Tonhöhe anzeigt.
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Es sind Anordnungen bekannt, die einen Ton jeweils mit einem Bezugston,
auf den die Anordnungen einzustellen sind, vergleichen und Abweichungen beider Töne
voneinander oder deren Übereinstimmung zur Anzeige bringen. Diese Anordnungen sind
vorwiegend als Hilfsmittel zum Stimmen von Musikinstrumenten gedacht, so z. B. die
in den deutschen OS 2.152.595, 2.322.295, 2.354.127 und 2.441.119 beschriebenen
Anordnungen.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist das Einstellen der Anordnung auf
bestimmte Bezugstöne nicht erforderlich. Die Erfindung ist zwar wie die erwähnten
Anordnungen auch zum Stimmen von Musikinstrumenten geeignet, jedoch besteht ihr
Hauptzweck darin, anzuzeigen, ob die Töne einer beim Musizieren erzeugten Tonfolge
die jeweils angestrebte Höhe (Frequenz) besitzen.
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Diese Aufgabe liegt auch der in der deutschen OS 2.351.421 beschriebenen
Erfindung zugrunde. Die dort beschriebene Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch
die Verwendung eines Mikrofons in Verbindung mit einer elektronischen Schaltung,
die unter anderem eine Vielzahl von elektrischen Filtern zur Trennung der einzelnen
Töne einer Tonleiter aufweist, und einer optisch ablesbaren Anzeigeeinrichtung.
Die auf diese Weise vorgenommene Lösung der gestellten Aufgabe ist aber wegen der
erforderlichen Vielzahl von Filtern und anderer elektronischer Einrichtungen außerordentlich
aufwendig.
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Andere bekannte Einrichtungen (US-PS 2.779.920 und US-PS 3.204.513)
bringen die Tonhöhe unter Verwendung elektromagnetischer Hilfsmittel durch Resonanz
mechanischer Anordnungen zur Anzeige.
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Als Nachteil aller bisher gefundenen Lösungen für das Anzeigen der
Höhe eines Tones wird der erhebliche Aufwand beim elektronischen oder mechanischen
Teil der nach diesen Vorschlägen zu bauenden Geräte angesehen. Ein solcher Aufwand
ist aber erforderlich, wenn die bisher vorgeschlagenen Geräte genau arbeiten und
im praktischen Einsatz sich bewähren sollen. Bei vielen der bisher bekanntgewordenen
Anordnungen ist als weiterer Nachteil auch anzusehen, daß die Anzeigeempfindlichkeit
bei kleinen Abweichungen der Tonhöhe des anzuzeigenden Tones von der Soll-Tonhöhe
nicht groß genug ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mit geringem Aufwand
herzustellendes Gerät zu schaffen, mit dem man imstande ist, innerhalb eines bestimmten,
auswählbaren Tonbereichs (z. B.
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der Sopran-Stimmlage) zu erkennen, ob ein gesungener oder durch ein
Musikinstrument erzeugter Ton tatsächlich die angestrebte Tonhöhe besitzt und das
in der Umgebung der jeweils anzustrebenden Soll-Tonhöhen eine ausreichend große
Empfindlichkeit in Bezug auf Tonhöhenabweichungen aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine nach dem stroboskopischen
Prinzip arbeitende Anordnung gelöst.
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Stroboskopische Verfahren zur Messung von Frequenzen sind an sich
bekannt. Bei den heute üblichen Stroboskopen werden als trägheitsarm steuerbare
Lichtquellen ausnahmslos Gasentladungsröhren angewendet.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß bei einer stroboskopisch
arbeitenden Anordnung zur Tonhöhenbestimmung als Lichtquelle, die von dem zu bestimmenden
Ton gesteuert wird und die eine gleichförmig rotierende Stroboskopscheibe beleuchtet,
sogenannte Leuchtdioden (das sind Halbleiter-Bauelemente, in denen be Stromfluß
nicht aus einer Schicht mit
einem PN-übergang emittiert wird) verwendet
werden, daß ein Weg zu einer zweckmäßigen Betriebsweise dieser Leuchtdioden aufgezeigt
wird und daß eine Ausführungsform vorgeschlagen wird, die den bei stroboskopi sch
arbeitenden Anordnungen sonst erforderlichen Aufwand auf ein Minimum reduziert.
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Ein Gerät, das nach den in den Haupt- und Unteransprüchen vorgeschlagenen
Maßnahmen gebaut ist, erweist sich für den vorgesehenen Zweck anderen bisher vorgeschlagenen
Anordnunqen gegenüber als überlegen. Insbesondere ist es zu ungleich geringeren
Kosten als andere bekannte Lösungen zu realisieren.
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Die Vorteile der Leuchtdioden bei der Verwendung als Lichtquelle in
einem stroboskopisch arbeitenden Tonhöhenmesser sind ihr im Tonfrequenzbereich praktisch
trägheitsloses Verhalten, ihre relativ große Leuchtdichte und ihre niedrige Betriebsspannung.
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Während bei den Gasentladungsröhren bekannter Stroboskope die Lichtemission
in einem Raumgebiet erfolgt, ist es bei den Leuchtdioden eine dünne Schicht (PrJ-Obergang),
die das Licht emittiert. Diese Schicht wird - ganz anders als eine Gasentladungsröhre
- bereits durch eine Kurzzeit-Überlastung leicht zerstört. Um eine Leuchtdiode vor
der Zerstörung zu bewahren, genügt es nicht, daß bei impulsförmigem Betrieb die
höchstzulässige Verlustleistung im zeitlichen Mittel nicht überschritten wird, sondern
es ist darüber hinaus noch erforderlich, daß der Augenblickswert des durch die Leuchtdiode
fließenden Stromes einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Das heißt, daß bei
einer mit Leuchtdioden arbeitenden stroboskopischen Anordnung keinesfalls auch nur
annähernd so kurze und dabei noch genügend starke Lichtblitze erzeugt werden können
wie mit einer Gasentladungsröhre. Voraussetzung für den Einsatz von Leuchtdioden
als stroboskopische Lichtquelle ist, daß eine Betriebsweise gefunden wird, bei der
eine ausreichende Helligkeit der Leuchtdioden erzielt wird, ein ausreichend scharfes
stroboskopisches Bild erzeugt wird und eine große Lebensdauer der Leuchtdioden gegeben
ist.
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Eine aus einem Ton mittels eines Mikrofons und einer elektronischen
Schaltungsanordnung leicht zu erzeugende Rechteckimpulsfolge, bei der die Impulsdauer
annähernd gleich der Impulspause ist, ist für die Speisung einer stroboskopischen
Lichtquelle - außer bei kurzzeitigen oder Labor-Anwendungen - ungeeignet, da die
hierbei erzeugten stroboskopischen Bilder sehr unscharf sind und ein längeres Betrachten
dieser Bilder die Augen stark ermüdet. Bei einer Verkürzung der Impulslänge ist
jedoch zu beachten, daß bei einer stroboskopisch arbeitenden Anordnung, die für
eine allgemeine Verwendung und nicht nur als Laborgerät gedacht ist, unbedingt angestrebt
werden sollte, daß bei allen Tonhöhen die stroboskopische Lichtquelle mit einer
im zeitlichen Mittel konstanten Helligkeit strahlt, damit störende Helligkeitsänderungen
des stroboskopischen Bildes bei einem Tonwechsel unterbleiben.
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In der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung werden diese Forderungen
dadurch erfüllt, daß der zu bestimmende Ton von einem Mikrofon aufgenommen wird,
das eine elektronische Schaltung ansteuert, die zur Speisung der Leuchtdioden eine
Rechteckimpulsfolge erzeugt, bei der die Impulsfolgefrequenz gleich oder gleich
einem Bruchteil der Frequenz des zu bestimmenden Tones ist, die Impulsdauer kleiner
als halb so groß wie die Impulsperiode und umgekehrt proportional der Frequenz des
zu bestimmenden Tones ist und bei der die Impulsamplitude bei allen auftretenden
Frequenzen annähernd konstant und kleiner als die höchstzulässige Spitzenstromstärke
der Leuchtdioden ist.
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Als ein sehr günstiges Verhältnis der Impulsdauer zur Impulsperiode
wurde der Wert 1 : 4 erkannt, der durch schaltungstechnische Maßnahmen bei einer
Frequenzhal bierung leicht zu realisieren ist, bei dem auf einer von Leuchtdioden
beleuchteten, rotierenden Stroboskopscheibe ein Bild ausreichender Schärfe und Helligkeit
entsteht und bei dem eine hinreichend lange Lebensdauer der Leuchtdioden zu erzielen
ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren 1 bis 5 des näheren
beschriebX
Fig. 1 zeigt das blockschaltbild des elektronischen Teils
einer möglichen Ausführungsform der vorgeschlagenen Anordnung. Ein Mikrofon 1 empfängt
den zu bestimmenden Ton. Der durch das Mikrofon erzeugte Wechselstrom wird über
einen Verstärker 2 verstärkt und anschließend einer Filterschaltung 3, welche im
wesentlichen nur die Grundfrequenz durchläßt, zugeführt. Eine sich anschließende
Impulsformerschaltung 4 erzeugt eine Rechteckimpulsfolge von der Grundfrequenz des
empfanganen Tones. Diese Impulsfolge wird einer sich anschließenden Frequenzteiler-
und logischen Verknüpfungsschaltung 5 zugeführt. Die von dieser Schaltung erzeugte
Rechteckimpulsfolge wird in einen Schal tverstärker 6 geleitet, der den Stromfluß
durch die Leuchtdioden 7 steuert.
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Ist bei einer Anordnung der vorgeschlagenen Art die Filterschaltung
3 auf verschieden hohe obere Grenzfrequenzen umschaltbar und ist die Frequenzteiler-
und logische Verknüpfungsschaltung 5 auf verschiedene Frequenzuntersetzungen einstellbar,
so kann diese Anordnung auf verschiedene Stimmlagen (z. B. Sopran: c' bis c"' oder
Tenor: c bis c) ohne Austausch der Stroboskopscheibe oder Änderung ihrer Drehzahl
eingestellt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Schaltung kann darin bestehen, daß
man durch zusätzliche Schaltungsmaßnahmen dafür sorgt, daß bei fehlendem Eingangssignal,
d. h. wenn kein Ton von der Anordnung aufgenommen wird, die Leuchtdioden von einem
konstanten Gleichstrom durchflossen werden, der so bemessen ist, daß die Leuchtdioden
im zeitlichen Mittel mit der gleichen Helligkeit strahlen wie bei der Anzeige eines
Tones. Durch eine solche Maßnahme unterbleibt das eventuell als störend empfundene
Erlöschen der Leuchtdioden bei Pausen zwischen den anzuzeigenden Tönen.
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Fig. 2 zeigt, wie eine zum Betreiben der Leuchtdioden geeignete Impulsfolge
durch die Frequenzteiler- und logische Verknüpfungsschaltung 5 erzeugt werden kann.
Wird die aus dem tonfrequenten Signal 8 von der Impulsformerschaltung 4 erzeugte
Rechteckimpulsfolge 9 (bei der die Impulsdauer gleich der halben Impisperiode ist)
mit einer durch Frequenzteilung erzeugten neuen Impulsfolge 10 in bekannter Weise
ber eine geeignete Torschal-
tungverknüpft, so entsteht die Rechteckimpulsfolge 11, bei der das Verhältnis von
Impulsdauer zur Impulsperiode 1 : 4 ist. Werden die Leuchtdioden als stroboskopische
Lichtquelle mit einer solchen Impulsfolge betrieben, so entsteht ein hinreichend
scharfer visueller Eindruck auf einer entsprechend ausgestalteten Stroboskopscheibe.
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Fig. 3 zeigt eine zweckmäßige Ausführung eines nach dem Erfindungsgedanken
zu bauenden Tonhöhenmessers. Um den Aufwand für eine Einrichtung, die die Stroboskopscheibe
in eine gleichförmige Rotation versetzt, zu umgehen, ist es empfehlenswert, den
Tonhöhenmesser als Zusatzgerät zu einem Schallplattenspieler auszugestalten, da
solche Geräte heute weit verbreitet sind.
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Bei einem solchen Tonhöhenmesser wird eine Strobos kopschei be 12
in der Größe einer 30-cm-Schallplatte verwendet, die auch genauso wie eine Schallplatte
auf den Plattenteller eines Schallplattenspielers 13 gelegt wird. Die die Stroboskopscheibe
12 beleuchtenden Leuchtdioden 7 befinden sich dicht über der Stroboskopscheibe an
der Unterseite eines Aufsatzteiles 14 zum Schallplattenspieler 13. Dieses Aufsatzteil
14 ist durch zwei Füße 15, 16 außerhalb des Plattentellers fest gelagert, während
ein dritter Unterstützungspunkt 17 in der Mitte des Plattentellers liegt, wobei
aber durch konstruktive Maßnahmen die Drehbarkeit des Plattentellers unter dem ruhenden
Aufsatzteil 14 zu gewährleisten ist. Das die Leuchtdioden enthaltende Aufsatzteil
14 ist durch ein Kabel 18 mit einem Gerät 19 verbunden, das die Schaltungsanordnungen
2 bis 6 (siehe Fig. 1) nebst Netzteil oder Batteriesatz enthält und an das das Mikrofon
1 angeschlossen ist. Ein Durchbruch 20 im Aufsatzteil 14 gibt dem Betrachter 21
den Durchblick auf den von den Leuchtdioden 7 beleuchteten Teil 22 der Stroboskopscheibe
12 frei. Ein auf den Aufsatz 14 aufgelegtes Blatt 23 mit der Darstellung eines Notensystems
zeigt an, wie die einzelnen Rasterspuren 24 (die nur zum Teil zeichnerisch dargestellt
sind) der Stroboskopscheibe 12 den Tönen einer Tonleiter zugeordnet sind.
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Wird bei einer solchen Anordnung von dem Mikrofon 1 ein Ton empfangen,
so entsteht an der von den Leuchtdioden beleuchteten Stelle 22 der rotierenden StroboskopXscheibe
12 die bekannte stroboskopische
Erscheinung scheinbar stehender
bzw. nach der einen oder anderen Seite durchlaufender Rasterspuren, je nachdem,
ob der Ton die Soll-Tonhöhe besitzt oder zu hoch oder zu tief ist.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der in Fig. 3 dargestellten
Anordnung. Ein Spiegel 25 läßt die Rasterspuren 24 so erscheinen, daß die die hohen
Töne anzeigenden Rasterspuren oben und die die tiefen Töne anzeigenden unten liegen.
Ein dementsprechend beschriftetes, vorzugsweise durchsichtiges Blatt 26 gibt die
Zuodnung der einzelnen Rasterspuren zu den Tönen einer Tonleiter an. Das Blatt,
das mit Noten versehen sein kann oder auch zum Sel bstbeschriften vorgesehen sein
kann, läßt sich zwischen zwei Führungsschienen 27 und 28 seitlich verschieben.
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Eine andere Ausgestaltung der in Fig. 3 dargestellten Anordnung zeigt
Fig. 5. Durch ein Schrägstellen des Schallplattenspielers 13 mittels eines verstellbaren
Untersatzes 29 wird eine für das Ablesen der stroboskopischen Tonanzeige günstige
Lage erreicht.
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Bemerkung: Der in den folgenden Patentansprüchen benutzte Begriff
"Rechteckimpulsfolge" ist so zu verstehen, daß damit auch solche Impulsfolgen gemeint
sind, bei denen die Form der Impulse von der idealen Rechteckform im Rahmen des
technisch üblichen (z. B.
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Vorhandensein einer bestimmten Dachschräge) abweicht.