DE2711511C2

DE2711511C2 - Polyphones elektronisches Musikinstrument

Info

Publication number: DE2711511C2
Application number: DE2711511A
Authority: DE
Inventors: Christian 91620 La Ville du Bois Deforeit
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-03-16
Filing date: 1977-03-16
Publication date: 1983-12-01
Also published as: FR2344907B1; GB1575721A; FR2344907A1; JPS52117119A; US4149440A; DE2711511A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein polyphon spielbares elektronisches Musikinstrument gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, das im wesentlichen in digitaler Technik aufgebaut ist. Es handelt sich beispielsweise um elektronische Orgeln, elektronische Akkordeons oder andere Instrumente mit oder ohne Tastatur, die es ermöglichen, mit Hilfe von elektronischen Steuerorganen synthetisch musikalische Klänge zu erzeugen.

Bei den polyphonen Musikinstrumenten nach dem Stand der Technik werden die Töne unter Verwendung einer Reihe von Oszillatoren erzeugt, denen Filterschaltungen und Tonformungsschaltungen zugeordnet sind, damit Sinustöne mit der Grundfrequenz des gespielten Tons sowie die verschiedenen Harmonischen erzeugt werden, die in dem Klang des entsprechenden Tons des zu imitierenden Instruments enthalten sind. Die Ausganssignale der Oszillatoren werden mit geeigneter Amplitudenbewertung summiert, damit eine komplexe Schwingungsform erhalten wird. Gute Ergebnisse werden nur dann erhalten, wenn die Anzahl der Oszillatoren, der Filterschaltungen und der Tonformungsschaltungen groß ist. Daraus folgt, daß die Anzahl der jeder Taste zugeordneten elektrischen Kontakte gleichfalls groß werden kann, und daß die Verdrahtung der Schaltungen und der Kontakte ein komplizierter Vorgang ist. Außerdem ist es stets schwierig, für jeden gespielten Ton die gleiche komplexe Wellenform zu erhalten.

Da das Instrument im allgemeinen nicht nur ein einziges traditionelles Musikinstrument imitieren soll, sondern mehrere mit Hilfe von Schaltern vorgewählte Gruppen von Instrumenten simuliert werden sollen, ist es erforderlich, eine entsprechend großp. Anzahl von verschiedenen Filterschaltungen und Bewertungsschaltungen sowie zahlreiche Registerschalter vorzusehen, was die Verdrahtung noch mehr erschwert.

Nachdem die Klangsynthese vorgenommen ist, müssen noch die Anstiegszeiten, Haltezeiten und Abfallzeiten jedes Tons so geformt werden, daß die mechanische Verzögerung simuliert wird, die dem Beginn oder dem Ende des beispielsweise von einer Orgelpfeife mit Gebläse erzeugten Tons simuliert wird, oder das plötzliche Einsetzen der Harmonischen hoher Ordnungszahl und der für jede Harmonische unterschiedliche Abfall des Klaviertons. Diese Kennlinien des Einsetzens und Abklingens werden im allgemeinen dadurch erzeugt, daß ein Kondensator aufgeladen und entladen wird, der eine logarithmisch ansteigende und abfallende Spannung liefert. Die Amplitude des Klangs des erzeugten Tons muß dann den Änderungen dieser zunehmenden und abnehmenden Spannung folgen. Diese Technik begrenzt die Wahl der verschiedenen Anstiegs- und Abfallkennlinien sowohl zeitlich als auch frequenzmäßig für praktisch alle zu imitierenden Instrumente. Der Einsatz der Perkussionsschaltungen, mit denen diese Effekte erhalten werden können, kompliziert ferner noch beträchtlich die Verdrahtung und den Schaltungsaufwand, insbesondere dann, wenn der Effekt polyphon sein soll.

Bei gewissen elektronischen Orgeln des Standes der Technik werden deshalb digitale Schaltungen zur Erzeugung der Klänge verwendet. Die wiederzugebenden Schwingungen werden in Speichern in Form von digitalen Abtastwerten gespeichert, die mit veränderlichen Geschwindigkeiten abgelesen werden, um alle vom Instrument gespielten Töne zu reproduzieren. Es können mehrere Schwingungsformen in mehreren Speichern gespeichert werden, damit mehrere verschiedene Instrumentenregister simuliert werden können.

Anstatt in einem Speicher die komplexe Schwingungsform zu speichern, die das Instrument wiedergeben soli, werden bei anderen bekannten Orgeln nur Abtastwerte einer Sinusschwingung gespeichert. Um den komplexen Klang eines Instruments zu erhalten, müssen dann die Abtastwerte des Grundtons und die Abtastwerte der Harmonischen erzeugt und mit geeigneten Amplituden addiert werden, bevor sie in Analogsignale umgewandelt werden.

Bisher lassen sich mit diesen digitalen Verfahren wirklich polyphone Instrumente nur schwierig realisieren; um mehrere Töne gleichzeitig zu spielen, war es bisher erforderlich, die Anzahl der Schaltungen zu multiplizieren, mit denen es möglich ist, jeweils einen einzigen Ton zu spielen. Die Steuerung dieser Schaltungen durch die Tasten des Manuals oder des Pedals wurde dann ein komplizierter Vorgang, der zahlreiche Schaltungen und eine komplizierte und aufwendige Verdrahtung erforderte. Zur Erzielung zahlreicher verschiedener Klangfarben war es ferner notwendig, die Anzahl der Speicher und der Amplitudensteuerschaltungen entsprechend der Anzahl der verschiedenen Töne, die gleichzeitig gespielt werden konnten, zu multiplizieren.

Eine Anordnung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen ist aus der US-PS 37 43 755 bekannt. Bei ihr ist ein Zeitmultiplex vorgesehen, bei dem jeder spielbaren Manualoder Pedaltaste ein Zeitschlitz zugeordnet ist. Im Takt dieses Zeitmultiplex werden dann die einzelnen Abtastwerte synthetisiert, und das hat zur Folge, daß ein erheblicher Teil der Rechenzeit ungenutzt bleibt, weil auch für nicht gespielte Tasten die Rechenvorgänge ausgeführt werden. Das Rechenwerk ist entsprechend aufwendig ausgeführt, und man muß mit extrem hohem Takt arbeiten.

In ähnlicher Weise erfolgt die Synthese der Abtastwerte mittels Fouriersynthese ebenfalls in starrem Zeitmultiplex bei der Anordnung gemäß US-PS 38 09 786.

Um die Erfüllung der einander widersprechenden Forderungen, niedrigen Systemtakt und hohe Rechenkapazität vorzusehen, leichter erfüllen zu können, kann man natürlich die Anzahl der Schaltkreise

vervielfachen mit notwendigerweise entsprechend höherem Aufwand. Ein solches Prinzip ist in der Anordnung nach der DE-AS 19 35 306 vorgesehen, bei der für jede gespielte Note ein eigener Steuerkreis vorgesehen ist und für jede Registrierung ein eigener Speicher mit zugeordneten Abtastwerten. Es sind Einzelgeneratoren für die die Tonfrequenzen repräsentierenden Impulsfolgen vorgesehen, wobei von dem Muster gemäß der Veröffentlichung »Integrierte Schaltungen für elektronische Musikinstrumente«, ITT Intermetall, 1972, S. 27—34 Gebrauch gemacht wird.

Ausgehend von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definierten Ausbildung eines Musikinstruments liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein »wirklich« polyphon spielbares Musikinstrument zu schaffen, bei dem gleichwohl mit relativ niedrigem Systemtakt in der Größenordnung von 6..10 HKz alle notwendigen Rechenvorgänge durchführbar sind. Dabei soll »wirklich« polyphon spielbar bedeuten, daß tatsächlich alle überhaupt vom Spieler betätigbaren Tasten gleichzeitig gespielt werden können und die entsprechenden Töne nebst ihren Harmonischen erzeugt werden, während im Gegensalz dazu bei »begrenzter« Polyphonie nur eine festgelegte maximale Anzahl von Tönen erzeugbar ist, z. B. acht oder zwölf.

Die gemäß der Erfindung vorgesehene Lösung diese·· Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1, während die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Prinzips definieren.

Man erkennt, daß Rechenzeit nur für die tatsächlich gespielten Tasten bzw. Töne verwendet wird, die nichtgespielten aber gewissermaßen »überspringen« werden. Daraus resultieren Vorteile, wie sie nachstehend geschildert werden:

Es wird eine geringe Anzahl von völlig digitalen Schaltungen verwendet; es eignet sich deshalb besonders gut für die Realisierung unter Verwendung von integrierten Bauteilen. Die Gesamtheit der Schaltungen nimmt dann ein beschränktes Volumen ein, und die Aufbau- und Verdrahtungsarbeiten können sehr weitgehend verringert werden. Ferner kann ein großer Teil des Instruments oder das ganze Instrument in einer einzigen Schaltung integriert werden.

Das Musikinstrument enthält eine Anordnung, welche das Manual oder die Manuale und, falls vorhanden, die Pedaltastatur abfragt und für jeden gewählten Ton den Abtastwert der Grundfrequenz und die Abtastwerte der Harmonischen mit der jeweiligen Amplitude berechnet. All Abtastwerte aller vorgewählten Harmonischen aller gespielten Töne werden im Verlauf einer Folgeperiode, deren Dauer wesentlich kleiner als die halbe Periode der Harmonischen mit der höchsten Frequenz, die das Instrument erzeugen kann, ist, berechnet und miteinander addiert.

Eine solche Rechengeschwindigkeit wird durch Anwendung der erfindungsgemäßen Methode zur Abfragung der Manuale und der Pedale und der Registerwählglieder erhalten. Wenn ein Ton auf einem Manual oder dem Pedal nicht gewählt ist, erfolgt keine Abtastwertberechnung für diesen Ton, wodurch die Gesamtrechenzeit für jeden Abtastwert des endgültigen komplexen Signals auf einen Mindestwert reduziert wird.

Man kann leicht feststellen, daß die Anzahl der gleichzeitig gespielten Töne kaum 11 oder 12 überschreiten kann, während das Instrument mehr als 100 Manual- und Pedaltasten enthalten kann. Wenn eine Anzahl von Harmonischen in der Größenordnung von 16 für jeden gespielten Ton gewählt wird, folgt daraus, daß die Höchstzahl von Abtastwerten, die zur Bildung eines Abtastwertes des endgültigen komplexen Signals addiert werden müssen, in der Größenordnung von 200 liegt, und daß die für die ίο Berechnung jedes elementaren Abtastwertes verfügbare Zeit größer als 200 Nanosekungen ist, was mit der gegenwärtigen Technologie vollkommen vereinbar ist.

Die Dauer des Rechenzyklus ist dabei veränderte lieh und hängt von der Anzahl der vom. Musiker auf den Manualen und den Pedalen gewählten Töne ab.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:

F i g. 1 den allgemeinen Aufbau eines polyphonen Musikinstruments nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Instruments,

Fig. 3 ein Beispiel für die Verbindung der drei verwendeten Zähler, nämlich des Tonzählers, des Oktavenzählers und des Harmonischen-Zählers,

F i g. 4 ein Beispiel für ein Manual und eine genauere Darstellung eines der Tastenkontakte,
F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel der Phasenabtastwert-Rechenschaltungen,

Fig. 6 Beispiele von Signalen, die in der Rechenschallung von F i g. 5 erzeugt werden,

F i g. 7 ein Beispiel einer Spezialeffekt-Generatorschaltung.

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel des Registerwählers,

F i g. 9 eine andere Ausführungsform des Registerwählers und

Fig. 10 ein Diagramm zur Darstellung der zeitlichen Änderung der Amplitude einer Harmonischen eines Tons.

Fig. 1 zeigt das allgemeine Übersichtsschema eines polyphonen elektronischen Musikinstruments nach der Erfindung. Es handelt sich beispielsweise um eine elektronische Orgel mit eiinem oder zwei Manualen, die beispielsweise jeweils 4 Oktaven haben, und gegebenenfalls mit einem Pedal. Es ist natürlich auch jede andere Bauart des Instruments möglich, vorausgesetzt, daß sich die Auswahl von einem oder mehreren Tönen durch der. Musiker im Schließen von einem oder von mehreren Kontakten äußert.

Außer den Manualen und dem Pedal oder den anderen Tonsteuereinrichtungen enthält das Instrument noch Einrichtungen zur Auswahl der Klangfarben oder Register, damit der Klang von traditionellen, nichtelektronischen Instrumenten imitiert werden kann oder neuartige Klänge erzeugt werden können. Es kann ferner noch Einrichtungen zur Erzeugung von Spezialeffekten enthalten, die beispielsweise auf die Frequenz der Töne einwirken (Vibrato-Effekt) oder auf die Amplitude der Harmonischen Komponenten der erzeugten Töne (Perkussion, Kontrakussion, Delay, Sustain usw.). Es gibt noch weitere Spezialeffekte, die mit dem erfindungsgemaßen Instrument realisierbar sind, und die im Verlauf der Beschreibung erläutert werden.

Die Konzeption des Instruments ist vollkommen digital. Bis zu einem Digital-Analog-Wandler 11 werden alle Signale in digitaler Form erzeugt. Die dem Digital-Analog-Wandler 11 zugeführten Signale sind aufeinanderfolgende Abtastwerte des komplexen Signals, das nach der Umwandlung in ein Analogsignal verstärkt und von einer Endstufe 12 mit Verstärker und Lautsprecher abgestrahlt wird. Der Takt der Erneuerung der Abtastwerte ist im wesentlichen doppelt so groß wie die höchste Frequenz, die das Instrument wiedergeben kann.

Da das Instrument polyphon ist, ist jeder dem Digital-Analog-Wandler zugeführte Abtastwert die algebraische Summe der verschiedenen Abtastwerte, die jedem gespielten Ton entsprechen, und für jeden i; Ton jeder Harmonischen, die in seiner spektralen Zusammensetzung auftritt.

Jeder gespielte Ton wird durch seine Bezeichnung: C, Cis, D..., H ... und durch die Nummer der Oktave, in der er sich befindet, definiert. Beispielsweise ist der Ton C₃ der in der dritten Oktave liegende Ton C. Seine Grundfrequenz ist das 2³ = 8fache der Grundfrequenz des tiefsten Tons C, den das Instrument spielen kann.

Jedem gespielten Ton kann somit ein Zahlenpaar (/,n) zugeordnet weiden, das seine Grundfrequenz kennzeichnet. Die zwischen 0 und 12 liegende Zahl 1 entspricht der Stellung des Tons in der tiefsten Oktave, und die Zahl n, die bei einem Manual mit 4 Oktaven zwischen 0 und 3 liegt, bezeichnet die Oktave, in der sich der gespielte Ton befindet.

Zur Erzeugung der verschiedenen Klänge, die erforderlich sind, damit die Klangfarben der gespielten Töne bekannte oder imaginäre Instrumente imitieren können, ist die Erzeugung der Grundfrequenz des gespielten Tons allein nicht ausreichend.

Diese Grundfrequenz muß von einer gewissen Anzahl ihrer Harmonischen begleitet sein. Eine Anzahl von 15 Harmonischen ermöglicht die Erzielung von praktisch jeder beliebigen Klangfarbe. Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel soll deshalb auf diese Zahl begrenzt sein.

Ein gespielter Ton ist dann die Summe einer Grundfrequenz und ihrer aufeinanderfolgenden Harmonischen. Mit h wird die Ordnungszahl der verschiedenen Harmonischen bezeichnet, wobei h zwischen 1 und 15 enthalten ist. Die Grundfrequenz ist dann durch die drei Zahlen (/, n, h = 1) bezeichnet, und die folgenden Harmonischen sind mit (1, n, h) bezeichnet, wobei h zwischen 2 und 16 liegt. Ferner isi jeder dieser Frequenzen eine Amplitude k (A) zugeordnet.

Jede der spektralen Komponenten eines gespielten Tons kann also folgendermaßen geschrieben werden:

* = *·,„ sin (Λ2"ω/ί)

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Darin ist coi die Augenblicks-Rreisfrequenz der Grundfrequenz der /-ten Amplitude, und / ist der Abtastzeitpunkt

Ein gespielter Ton kann somit folgendermaßen geschrieben werden:

)i=16

N(i.„)= Σ k_{h)un(h2ⁿ(oii)

Dieser Ausdruck hängt nur noch von i und η ab, d. h. von dem gewählten Ton.

Da das Instrument polyphon ist, können mehrere Töne gleichzeitig erzeugt werden. Jeder dem Digital-Analog-Wandler 11 zugeführte Abtastwert ist somit gleich der Summe der Abtastwerte der verschiedenen Töne, von denen jeder wiederum gleich der Summe der Abtastwerte der verschiedenen Harmonischen (gegebenenfalls einschließlich der Grundschwingung) ist, behaftet mit der jeweiligen Amplitude:

K= Σ Σ Σ A-₍„,sin(/i2'Wf)

Das polyphone Musikinstrument nach der Erfindung bildet diese Dreifachsumme von Abtastwerten. Es fragt mit Hilfe eines Tonzählers 20 die 13 Töne jeder Oktave des oder der Manuale 15 und des Pedals ab und bestimmt für jeden Wert von ;' den Abtastwert der Phase mit mit Hilfe einer Gruppe von Schaltungen 1 bis 4, wie nachstehend erläutert wird.

Bei jedem Niederdrücken einier Manual- oder Pedaltaste wird die gewählte Phase mit mit 2" multipliziert, wenn η die Nummer der dieser Taste entsprechenden Oktave ist, und dann mit /1 = 1, wenn die Grundfrequenz des Tons gespielt werden soll. Dem Wert Kl"mit ordnet eine Speicherschaltung 7 einen Sinuston-Abtastwert zu, der anschließend mit der entsprechenden Amplitude k(\) der Grundschwingung multipliziert und in einer Sammelschaltung 9 gespeichert wird.

Der gleiche Vorgang wird unverzüglich für die anderen Harmonischen des gleichen Tons wiederholt, wobei jeder neue berechnete Abtastwert zu den vorhergehenden Abtastwerten in der Sammelschaltung 9 addiert wird, dann für die anderen Töne der gleichen Bezeichnung (gleicher Wert von i), aber in höheren Oktaven n, und schließlich für die anderen Töne mit unterschiedlichem Wert i.

Sobald die Addition der verschiedenen Abtastwerte beendet ist, wird der Inhalt der Sammelschaltung 9 in ein Endregister 10 übertragen, an das der Digital-Analog-Wandler 11 angeschlossen ist. Dann wird der Inhalt der Sammelschaltung 9 gelöscht, und eine neue Abfragung des oder der Manuale und des Pedals beginnt mit einer neuen Summierung von Abtastwerten.

Es ist wichtig, zu beachten, daß die Erzeugung der verschiedenen Abtastwerte der verschiedenen Harmonischen der verschiedenen Oktaven der verschiedenen Töne nicht systematisch für alle Werte von i, von η und von h erfolgt, was eine viel zu lange Rechenzeit zur Folge hätte und die Erzeugung der hohen Frequenzen von 6 bis 10 kHz nicht erlauben würde.

Eine wesentliche Eigenschaft des beschriebenen Musikinstruments besteht darin, daß die Zeit für die Berechnung des dem Digital-Analog-Wandler zugeführten endgültigen Abtastwertes im wesentlichen der Anzahl der gespielten Töne proportional ist. Wenn es somit für bestimmte Werte von i und η keine gespielten Töne gibt, verliert das Instrument keine Zeit für diese Töne; es beachtet nur die tatsächlich gespielten Töne.

Es ist nämlich zu bedenken, daß die Höchstzahl von Tönen, die ein einziger Musiker gleichzeitig auf dem Instrument spielen kann, etwa 11 oder 12 beträgt, und daß ferner von diesen 12 Tönen mehrere die gleiche Bezeichnung (gleiches i) tragen, jedoch in verschiedenen Oktaven liegen. Die Rechenzeit für die Berechnung des endgültigen Abtastwertes kann durch eine ausgeklügelte Abfraguung der Manual-

Pedal-Anordnung 15 und durch eine nicht weniger ausgeklügelte Wahl der Reihenfolge, in der die Vorgänge durchgeführt werden müssen, auf ein Minimum verringert werden.

Bevor diese Reihenfolge der Operationen anhand von F i g. 2 genauer untersucht wird, soll zunächst auf die verschiedenen Organe und Schaltungen eingegangen werden, aus denen das Instrument besteht und die in Fig. 1 dargestellt sind.

Der Ausgangspunkt des Instruments ist ein Taktoszillator 1, der mit einer Spezialeffekt-Generatorschaltung 2 verbunden ist. Dieser Generator erzeugt beispielsweise ein Sinussignal sehr niedriger Frequenz, das die Frequenz des Oszillators 1 zur Erzielung des Vibrato-Effektes moduliert.

Der Taktoszillator 1 ist mit einem chromatischen Tongenerator 3 verbunden, der auf Grund des Taktsignals 13 Signale liefert, deren Frequenzen entsprechend den aufeinanderfolgenden Halbtönen einer Oktave verteilt sind.

Das Verhältnis zwischen zwei aufeinanderfolgenden Frequenzen ist 2¹In. Ein derartiger Generator ist unter der Bezeichnung MK 50240 von der Firma MOTOROLA oder unter der Bezeichnung SFF 5009 von der Firma SESCOSEM im Handel erhältlich. Er kann eine Gruppe von 13 unabhängigen Oszillatoren ersetzen und weist ferner den Vorteil auf, daß die 13 direkt von der Schaltung erzeugten Töne für alle Zeiten gestimmt sind. Die Gesamtstimmung der Orgel erfolgt dann einfach durch Einstellung der Frequenz des Taktoszillators 1; auf diese Weise können auch ohne weiteres Frequenztransponierungs-Effekte erzielt werden.

Der dreizehnte Halbton des Generators ist dem letzten Ton jedes Manuals oder Pedals zugeordnet. Die 13 Signale des chromatischen Tongenerators 3 werden einem Auswahlzähler 4 zugeführt, der von dem Tonzähler zugleich mit der Durchführung der Abfragung der Manual-Pedal-Anordnung gesteuert wird. Der Auswahlzähler 4 verhält sich wie eine Gruppe von 13 Zählern, deren Inhalte regelmäßig durch die Ausgangssignale des chromatischen Tongenerators unabhängig voneinander erhöht werden, wobei ein Umschalter mit 13 Stellungen den Inhalt des Men Zählers als Augenblicks-Phasenabtastwert oat des Tons / auswählt, wenn das Niederdrücken einer Taste für den Ton der Bezeichnung ί festgestellt wird.

Dieser Phasenabtastwert wit wird zu einer Multiplizierschaltung 5 übertragen, die von einem Oktavenwähler 16 gesteuert wird, der der Manual-Pedal-Anordnung 15 und einem Öktavenzähler 30 zugeordnet ist. Wenn die niedergedrückte Manual- oder Pedaltaste einem Ton der Bezeichnung ΐ und der Oktave η entspricht, fragt der Oktavenzähler 30 nacheinander die Oktaven des Tons i ab, und sobald das Niederdrücken der Taste in der Oktave η festgestellt wird, "wird der Wert von η zu der Multiplizierschaltung 5 übertragen, welche die Multiplikation des Abtastwerts mit 2" durchführt, d.h. eine Verschiebung des Binärworts mit η Bits nach links. In Wirklichkeit kann der Vorgang in etwas anderer Weise erfolgen.

Der Oktavenzähler steuert über den Oktavenwähler 16 die Verschiebung um ein Bit nach links jedesmal dann, wenn sich sein Inhalt um eine Einheit erhöht Das Ergebnis dieser Operation wird aber nur dann zu der folgenden Schaltung übertragen, wenn der Oktavenwähler das Niederdrücken einer Manual- oder Pedaltaste festgestellt hat.

Die folgende Schaltung ist eine Multiplizierschaltung 6 für die Multiplikation mit dem Faktor/1. der Ordnungszahl der Harmonischen in der spektralen Zusammensetzung des Tons.

Die Anzahl der Harmonischen (einschließlich der Grundschwingung) sowie ihre jeweiligen Amplituden werden von dem Musiker für alle Töne der gleichen Tastatur im voraus bestimmt. Mit anderen Worten: die Registrierung oder die Klangfarbe ist für alle Töne der gleichen Tastatur dieselbe, aber sie kann für ein anderes Manual oder das Pedal verschieden sein. Natürlich kann es mehrere voreinstellbare Registrierungen pro Manual geben, aber der Musiker kann hiervon nur eine einzige gleichzeitig pro Manual einstellen. Bei einer billigen Orgel, die nur ein einziges Manual enthält, ist es jedoch möglich, einen Teil des Manuals vom Rest zu trennen, so daß man zwei verschiedene Registrierungen für diese beiden Manualteile erhalten kann.

Die Registrierung kann in einem Festspeicher 17 mit 16 Zuständen enthalten sein, der mit Hilfe eines Harmonischen-Zählers 40 abgelesen wird, der es ermöglicht, für jeden Wert von h aus dem Festspeicher die Amplitude k_w zu entnehmen, mit welcher der Abtastwert multipliziert wird, der nach der Sinusberechnung erhalten wird.

Die Registrierung kann auch mit Hilfe von Sinuszugriegeln eingestellt werden, die durch eine Gruppe von 16 Flachbahnschaltern gebildet ist, mit denen gleichzeitig das Vorhandensein und die Amplitude einer Harmonischen eingestellt werden kann. Die Einzelheiten dieser Registrierung werden später angegeben. Spezialeffekte, wie Perkussion, Sustain, Kontrakussion, können mit Hilfe einer Steuerschaltung 18 eingestellt werden, die mit den Sinuszugriegeln verbunden ist. Wenn es sich um voreingestellte Registrierungen im Speicher handelt, können diese Spezialeffekte gleichfalls gespeichert werden und für die verschiedenen Harmonischen unabhängig voneinander sein.

Das Bestehen einer Harmonischen der Ordnungszahl h äußert sich darin, daß der von der Multiplizierschaltung 5 gelieferte Phasenabtastwert 2"ωίί in der Multiplizierschaltung 6 mit h multipliziert wird.

Der Abtastwert hl'toit wird dann als Adresse eines Festspeichers 7 verwendet, in welchem Abtastwerte einer Sinusfunktion oder irgendeiner anderen periodischen Funktion aufgezeichnet sind. Dieser Speicher ordnet somit dem Abtastwert hlTwit einen anderen Abtastwert zu, der dem Augenblickswert von sin hl'wit entspricht.

Eine Multiplizierschaltung 8 multipliziert diesen Wert mit der voreingestellten Amplitude der Harmonischen h, und dann wird das Ergebnis zum Inhalt der Sammelschaltung addiert

Dem Speicher 7 kann eine Spezialeffektschaltung 13 zugeordnet sein, mit der Phasenverschiebungs- oder Dopplereffekte erhalten werden können, die gewöhnlich »LESLIE«-Effekte, »Glissando« oder »Phasenvibrato« genannt werden.

Auf die Sammelschaltung 9 folgt ein Endregister 10, in das der Inhalt der Sammelschaltung übertragen wird, wenn alle Abtastwerte aller Harmonischen aller gespielten Töne nacheinander addiert worden sind.

Der Digital-Analog-Wandler 11 überträgt dann

den Analogwert des Abtastwertes des komplexen Signals zu dem Niederfrequenzteil 12 des Instruments.

Eine Verbindung 41 deutet an, daß nach Beendigung der Abtastung der 16 Harmonischen der voreingestellten Registrierung, wenn also der Harmonischen-Zähler 40 einen vollständigen Zyklus durchlaufen hat, der Inhalt des Oktavenzählers 30 um eine Einheit erhöht wird. In gleicher Weise erhöht eine Verbindung 31 den Inhalt des Tonzählers 20 um eine Einheit, wenn der Oktavenzähler 30 einen vollständigen Zyklus durchlaufen hat.

Schließlich bewirkt eine Verbindung 21 nach der Beendigung des Zyklus der Abfragung der Manual-Pedal-Anordnung die Übertragung des Inhalts der Sammelschallung 9 in das Endregistcr 10 und dann die Löschung des Inhalts der Sammelschaltung 9.

Die Steuerung und die Arbeitsweise des Instruments sind aus dem Flußdiagramm von Fig. 2 besser verständlich.

Dieses Flußdiagramm besteht aus drei aufeinanderfolgenden Teilen: der erste Teil A bezieht sich auf den Betrieb des Tonzählers 20, der zweite Teil B auf den Betrieb des Oktavenzählers 30 und der dritte Teil C auf den Betrieb des Harmonischen-Zählers 40.

Die verschiedenen Befehle des Teils A bedeuten:

Al: Am Beginn eines vollständigen Zyklus der Berechnung eines Abtastwertes des kornplexen Ausgangssignals wird der /-Zähler 20 auf Null zurückgestellt, und der Inhalt der Sammelschaltung 9 wird gelöscht.

A: 2 Der Auswahlzähler 4 wählt den Abtastwert χ — ojit für einen der 13 Halbtöne der tiefsten Oktave des Instruments aus. Am Beginn des Zyklus wählt der Auswahlzähler zunächst beispielsweise den Ton C (1 = 0) und dann die anderen Töne (bis zu 1 = 12).

A3: Da der Tonzähler 20 auch mit der Manual-Pedal-Anordnung verbunden ist, stellt diese fest, ob es für den betreffenden Wert von i eine niedergedrückte Taste gibt: wenn eine Taste der Bezeichnung i in irgendeiner Oktave niedergedrückt ist, gilt Γ_(;) = 1; wenn dies der Fall ist, wird zum Befehl B 1 übergegangen; im anderen Fall gilt T_(i) = 0, und man geht zu dem nächsten Befehl des Teils A über.

A 4: Im Fall Γ₍₀ = 0 wird der Inhalt des Zählers 20 um eine Einheit erhöht: / = i + 1.

A 5: Es handelt sieh um eine Prüfung des Zählerstands des Zählers 20. Für ί < 12 wird zum Befehl A 2 zurückgekehrt, damit ein neuer Wert von χ = coit bestimmt wird, der dem folgenden Ton i + 1 entspricht. Für ί > 12 beginnt der Zyklus nach dem Befehl A 6 wieder von vom.

A 6: Dies ist der Endbefehl. Wenn alle Töne, alle Oktaven dieser Töne und alle Harmonischen berechnet und addiert worden sind, wird der Inhalt R der Sammerschaltung 9 in das Endregister 10 und zum Digital-Analog-Wandler 11 übertragen.

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Die verschiedenen Befehle des Teils B bedeuten: B 1: Der erste Befehl des Teils B greift ein, wenn das Niederdrücken einer Taste der Bezeichnung / festgestellt wird. Der Oktavenzähler 30 wird dann auf Null zurückgestellt.
B 2: Der vom Oktavenzähler 30 gesteuerte Oktavenwähler 16 stellt fest, ob eine Taste der Bezeichnung i in der Oktave η niedergedrückt ist. Da es rwangsläufig wenigstens einen Wert von η gibt, für den diese Bedingung T_(U) = 1 erfüllt ist, durchlaufen die Befehle eine Schleife, bis diese Bedingung eintritt. In diesem Fall folgt als nächstes der Befehl C 1, d. h. die Abtastung der Registrierung. Solange der Zustand T_{n ιή} = 1 nicht erhalten wird, d. h. für T_(Lll) = 0 läuft das Unterprogramm B über den Befehl B 3 weiter.
B 3: Der Inhalt des Oktavenzählers 30 wird um eine Einheit erhöht.

B 4: Der Abtastwert χ = r»it wird mit zwei multipliziert, da er der nächsthöheren Oktave entspricht. Diese Multiplikation erfolgt automatisch jedesmal dann, wenn der Inhalt des Oktavenzählers 30 um eine Einheit erhöht wird, selbst im Zustand T_Oll) — 0. Somit kann für jeden beliebigen Wert von η im Zustand Τι-,,,ή — 1 d^er Inhalt der Multiplizierschaltung 5 in die MuHiplizierschaltung 6 übertragen werden.

B 5: Dieser Befehl bewirkt eine Prüfung des Wertes von π. Wenn der Wert /1 kleiner als die Gesamtzahl der vom Instrument umfaßten Oktaven oder gleich dieser Gesamtzahl ist (n = 3 bei dem Beispiel von F i g. 2), folgt als nächstes der Befehl B 2. Im anderen Fall wird zu dem Befehl A4 zurückgekehrt, da dann alle Oktaven des Tons / abgefragt und die Abtastwerte berechnet worden sind.
Die verschiedenen Befehle des Teils C bedeuten:
C 1: Der Harmonischen-Zähler 40 wird ir. den Zustand 1 gebracht, und der im Teil B bestimmte Abtastwert χ wird zu den folgenden Schaltungen 6, 7, 8 und 9 für die Berechnung der verschiedenen Abtastwerte der Harmonischen übertragen.

C 2: Für einen gegebenen Wert von h wird der Abtastwert χ in die Schaltung 6 übertragen, wo er zum Abtastwert γ wird. Der Wert von y wird als Adresse für den Speicher 7 verwendet, der / (y) = sin (y) oder eine andere periodische Funktion liefert. Dann wird / (y) mit dem Amplitudenfaktor A- (/1) der Harmonischen h multipliziert. Das Ergebnis wird zu dem vorhergehender. Inhalt R des Sammelregisters 19 addiert.
C 3: Der Inhalt des Harmonischen-Zählers 40

wird um eine Einheit erhöht.
C 4: Der Inhalt χ der Multiplizierschaltung 5 wird zu dem Wert y addiert, damit die aufeinanderfolgenden Werte von y = hx erhalten werden.

C 5: Durch eine Prüfung des Wertes von h kann schließlich festgestellt werden, ob alle Harmonischen der Registrierung abgefragt worden sind. Wenn dies der Fall ist (h > 16), wird zu dem Befehl B 3 im Teil B zurückgekehrt, damit die folgenden Oktaven abgetastet werden; im anderen Fall wird der Abtastwert der nächsten Harmonischen durch den Befehl C 2 berechnet

Es ist somit zu erkennen, daß die Berechnung eines Abtastwertes nur dann stattfinden kann, wenn die beiden Bedingungen 'i'_w = 1 und T_(Ul) = 1 gleichzeitig erfüllt sind. Die Äbtastwerte werden somit nur für die tatsächlich niedergedrückten Tasten berechnet. Für alle übrigen Tasten durchlaufen die Teile A und B sehr schnell Leerzyklen.

In F i g. 2 entspricht der Übergang von C 5 nach B 3 der Verbindung 41 von Fig. 1. In gleicher Weise entspricht der Übergang von B 5 nach A 4 der Verbindung 31, und der Übergang von A 5 nach A 6 der Verbindung 21.

F i g. 3 zeigt im einzelnen die Schaltung der Zähler 20, 30 und 40, die den gesamten Betrieb des Instruments steuern.

Ein allen Zählern gemeinsames Taktsignal H steuert die Fortschaltung der Programmbefehle.

Der Harmonischen-Zähler 40 wird von einer NOR-Schaltung 42 gesteuert, die einerseits das Taktsignal H und andererseits das Signal Γ₍,-_B) empfängt, das zu dem Signal T₁, „, komplementär ist. Wenn somit eine niedergedrückte Taste festgestellt wird, so daß gilt Γ_α,₍₁ = 1, wird der Inhalt des Zählers 40 im Rhythmus der Taktsignale H von 0 auf seinen maximalen Zählerstand erhöht. Der Zähler 40 ist mit dem Registrierungs-Speicher 17 verbunden, in dem er das Ablesen der voreingestellten Daten steuert, welche die Berechnung der Abtastwerte der verschiedenen Harmonischen des Tons (/, n,) ermöglichen.

Das Überlaufen des Inhalts des Zählers 40 erzeugt einen Impuls, der über eine ODER-Schaltung 32 den Inhalt des Oktavenzählers 30 um eine Einheit erhöht. Dieser Zähler wird außerdem von einer NOR-Schaltung 33 gesteuert, die das Taktsigna! H, das Signal Γ,_;, und das Signal T_(hll) empfängt. For T₁₁^ = 1 zählt der Zähler 30 nicht; dann kann nur der Zähler 40 zählen. Dagegen wird für Γ_(ί__w) = 0 und T_(n = 1 der Inhalt des Zählers 30 durch das Signal H erhöht, bis der Zustand T_{0 n)} = 1 eintritt.

Das gleiche Steuerungsprinzip gilt für den Tonzähler 20, der entweder durch die Anzeige des Überlaufens des Oktavenzählers 30 über eine ODER-Schaltung 22 fortgeschaltet werden kann, oder im Zustand T_ti) = 0 durch die Taktimpulse H über eine NOR-Schaltung 23, welche die Signale H und T₀, empfängt.

Der Oktavenzähler 30 steuert den Oktavenwähler 16 und der Tonzähler 20 steuert den Auswahlzähler 4 sowie die Manual-Pedal-Anordnung 15. Die Anzeige des Überlaufens des Zählers 20 löst ferner die Übertragung des endgültigen Abtastwertes von der Sammelschaltung 9 in das Endregister 10 und in den Digital-Analog-Wandler 11 sowie die Lösung der Sammelschaltung 9 aus.

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Manual-Pedal-Anordnung 15. Der Klarheit wegen ist nur ein Manual von 4 Oktaven plus eanem Ton dargestellt. Es enthält einen Decodierer 150, der den Inhalt des Tonzählers 20 empfängt und 13 Ausgänge hat, von denen jeweils nur ein einziger Ausgang einen anderen Zustand als die 12 anderen Ausgänge hat. Diese 13 Ausgänge sind mit 13 Leitungen 151 verbunden, die 4 Leitungen 152 kreuzen. An jedem Kreuzungspunkt kann über eine Diode 153, die in Serie mit einem Schalter 154 liegt, ein Kontakt zwisehen den Leitungen 151 und den Leitungen 152 hergestellt werden. Die Schalter 154 sind den Manualtasten zugeordnet und werden von diesen gesteuert.

Die 4 Leitungen 152 sind mit dem Oktavenwähler 16 verbunden, der an den Oktavenzähler 30 angeschlossen ist Der Oktavenwähler 16 liefert die Steuersignale r_(;) = 1, wenn irgendeiner der Schalter 154 an der dem Ton / entsprechenden Leitung 151 angeschlossen ist, und das Signal Γ_(ίη) = 1, wenn der Schalter am Kreuzungspunkt zwischen der dem Ton i entsprechenden Leitung 151 und der der Oktave π entsprechenden Leitung 152 geschlossen ist; diese Signale ermöglichen die Ausführung der aufeinanderfolgenden Multiplikationen mit dem Faktor 2, damit der Abtastweit 2¹Wf erhalten wird.

Die Ausbildung des Manuals kann beliebig sein. Es kann in ähnlicher Weise wie ein Klaviermanual ausgebildet sein, wie es in elektronischen Orgeln üblich ist, wobei jeder der Schalter 154 einer Taste zugeordnet ist und von dieser betätigt wird. Es können jedoch auch andere Ausführungsformen gewählt werden, beispielsweise die Tastatur eines Akkordeons oder irgendeines anderen Instruments.

Die beschriebene Ausführung des Manuals ergibt einen beträchtlichen Vorteil hinsichtlich der Anzahl der Verbindung jn, die zwischen dem Manual und den übrigen Schaltungen erforderlich sind. Jede Diode 153 braucht nur direkt mit dem zugeordneten Schalter verbunden zu sein; dann bleiben nur noch die 13 Verbindungsgdrähte zum Decodierer 150 und die 4 Verbindungssdrähte zum Oktavenwähler 16 übrig, also insgesamt 17 Verbindungsdrähte für ein Manual mit 49 Tasten (4 Oktaven plus einem Ton). Es ist im übrigen zu bemerken, daß die dreizehnte Leitung 151 des Decodierers 150, der beispielsweise dem höchsten C entspricht, über eine Diode 153 und einen Schalter 154 nur mit der der vierten Oktave zugeordneten Leitung 152 des Oktavenwählers 16 verbunden ist.

Dies sind die einzigen Verbindungen, die für das polyphone Musikinstrument nach der Erfindung notwendig sind. Eine so geringe Zahl von Verbindungen erlaubt eine merkliche Herabsetzung der Herstellungskosten.

Bei einem Instrument mit einem Pedal von 13 Tasten und 2 Manualen von jeweils 4 Oktaven beträgt die Gesamtzahl der Verbindungsdrähte 13 + 1+8 = 22; diese Zahl ist beträchtlich kleiner als bei jedem herkömmlichen analogen Musikinstrument.

Die Zahl der Verbindungsleiter kann noch weiter verringert werden, wenn der Decodierer 150 ein Bestandteil der Manual-Pedal-Anordnung ist.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Auswahlzählers 4. Diese Schaltung hat den Zweck, die Abtastwerte χ = loit zu erzeugen. Dies könnte durch 13 voneinander unabhängige Zähler in Verbindung mit einem den Inhalt jedes der Zähler auswählenden Wählers erreicht werden. Es ist jedoch sehr viel wirtschaftlicher, den Auswahlzähler in der in F i g. 5 dargestellten Weise auszubilden.

Ein vom Tonzähler 20 gesteuerter Wähler 400 wählt eines der vom chromatischen Generator 3 gelieferten Signale C₁. In einem Speicher 401 wählt der Tonzähler 20 den Wert M₁- aus, den das Signal C₁ im vorhergehenden Zyklus hatte. Eine Komparatorschaltung 403 vergleicht die Zustände von C, und M₁. Wenn diese Zustände verschieden sind, bewirkt der Komparator 403 die Zustandsänderung von M₁ in der Weise, daß gilt C₁ = M₁, und der Zustand der /'-ten Zahl im Speicher 402 wird um eine Einheit erhöht. Zu diesem Zweck empfängt ein Zwischenregi-

ster 404 die Zahl χ = wit des vorhergehenden Zyklus, es addiert unter der Wirkung der Komparatorschaltung 403 dazu eine Einheit und schreibt den neuen Wert von mit wieder :'n den Speicher 402 ein. Der Speicher 401 hat eine Kapazität von 13 χ

1 Bits, so daß er die 13 möglichen Zustände von M₁ enthalten kann, die den vom chromatischen Generator 3 gelieferten 13 Signalen C₁ entsprechen. Diese Speicher M₁ folgen, bis auf eine geringfügige Verzögerung, genau der Entwicklung der Signale C₁. F i g. 6 zeigt als Beispiel bei (a) ein beliebiges Signal C₁ und bei (b) die Steuerimpulse, die vom Zähler 20 abgegeben werden, wenn er den Wert i anzeigt. Bei (c) ist der Zustand des entsprechenden Speichers M₁ in der Speicherschaltung 401 dargestellt. Sein Zustand ändert sich zugleich mit dem Impuls i, der unmittel- ' bar auf jede Zustandsänderung des Signals C₁ folgt. In dem entsprechenden Speicher ioit der Speicherschaltung 402 werden nur diese Zustandsänderungen gezählt. Die Speicherschaltung 402 hat beispielsweise eine Kapazität von 13 χ 8 Bits. Sie enthält somit in jedem Zeitpunkt die 13 Werte von χ = a>it für die 13 Werte von /. Bei jeder Stellung des Zählers 20 wird somit ein Wert von χ im Speicher 402 ausgewählt, und dieser Wert wird zu den MuItipi izierschaltungen S und 6 übertragen.

Die Wahl von 8 Ausgangsbits für den Speicher 402 ist nicht zwingend. Diese Zahl hängt von der Genauigkeit ab, mit der die Signale des Instruments wiedergegeben werden sollen, sowie von der Frequenz des tiefsten Tons, den das Instrument abgeben soll. Ferner ist zu bemerken, daß die Speicherschaltungen 401 und 402 physikalisch zu einer Schaltung zusammengefaßt werden können, da ihre Adressenansteuerung die gleiche ist.

Die Berechnung des Abtastwertes der Grundschwingung eines Tons (i,n) erfolgt anschließend durch die Multiplizierschaltung 5. Der Speicher 402 liefert zu diesem Zweck Abtastwerte der Töne der tiefsten Oktave des Instruments (n = 0). Es war gezeigt worden, daß der Abtastwert des gespielten Grundtons (;, n) T «jit ist. Für ein Instrument mit

2 Manualen erhält man den Grundton dadurch, daß mit auf einem der Manuale beispielsweise mit 2" und auf dem anderen Manual mit 2 ' multipliziert wird.

In Wirklichkeit wird die Multiplikation mit 2" schrittweise durchgeführt, gleichzeitig mit der Erhöhung de& Inhalts des Oktavenzählers, und zwar durch aufeinanderfolgende Verschiebungen um 1 Bit nach links oder durch aufeinanderfolgende Additionen von «At mit sich selbst, wie in F i g. 2 gezeigt ist.

Ebenso erfolgt die Berechnung der Abtastwerte der Harmonischen A2" mit schrittweise zugleich mit der schrittweisen Erhöhung des Inhalts des Harmonischen-Zählers. Diese Multiplikation erfolgt also durch A aufeinanderfolgende Additionen von TuAt.

Der Grundton bzw. die Grundtöne des Instruments werden in dem Festspeicher 7 erhalten. Wenn der Grundton eine Sinusschwingung ist, braucht in dem Speicher nur eine Viertelperiode codiert zu werden. Der Rest der Sinusschwingung läßt sich daraus durch die bestehenden Symmetrien ableiten.

Dieser Speicher wandelt die von den Rechenschaltungen gelieferten Dreiecksignale in Sinussignale um. Diese Signale sind nämlich Dreiecksignale, weil sie durch gleichmäßige Erhöhung von Zählerständen erzeug werden.

Bei einem billigen Modell, bei dem die Erzeugung von Dreiecksignalen genügt, kann man somit den Festspeicher 7 einsparen.

Man kann auch noch ein billigeres Instrument entwerfen, das über keine Berechnung der Harmonischen verfügt, sondern über eine Vielzahl von Grundtönen, die im Festspeicher codiert sind.
Gewisse Spezialeffekte können dadurch erhalten werden, daß der Wert der dem Festspeicher 7 zugeführten Abtastwerte vorübergehend verändert wird.

Ein Beispiel für dieErzielung solcher Spezialeffekte ist in Fig. 7 dargestellt.

Es handelt sich um einen Effekt, der den durch die mechanische Drehung von Lautsprechern erzeugten Doppler-Effekt imitiert. Dieser Effekt wird üblicherweise »LESLIE«-Effekt oder »Phasenvibrato« genannt Er wird dadurch erhalten, daß zu dem Wert jedes für den Speicher 7 bestimmten Abtastwertes die Funktion // sin Ωί addiert wird, wobei die Kreisfrequenz Ω einigen Perioden pro Sekunde entspricht und / ein Koeffizient ist, der die Amplitude des gewünschten Effektes definiert.

Die Abtastwerte am Ausgang des Festspeichers werden dann:

V₀ sin(/i 2"ω/7 +.// sinΩί)

Darin ist V₀ eine Konstante, die von dem Wert der im Speicher codierten Abtastwerte abhängt.

Wenn Ω eine Konstante ist, erwecken die vom Instrument erzeugten Signale den Eindruck, als ob sie von einem Lautsprecher abgegeben würden, der für einen unbeweglichen Zuhörer einen Kreis beschreibt.

Zur Erzielung dieses Effektes wird eine Addierschaltung 70 zwischen die Multiplizierschaltung 6 und den Speicher 7 eingefügt. Der normale Abtastwert j²" mit wird dem einen Eingang der Addierschaltung 70 zugeführt, während der Wert jt sin Ω t an den anderen Eingang angelegt wird.

Dieser Wert jt sin Ω t wird am Ausgang eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers 71 erhalten, der Vorwärtsoder Rückwärtszählimpulse empfängt, die von einem Oszillator 72 erzeugt werden, dessen Frequenz durch eine Spannung steuerbar ist, und außerdem einen Befehl, der die Zählrichtung bestimmt. Die Frequenz des Oszillators 72 wird von einem Sinusoszillator 75 gesteuert, auf den eine Zweiweg-Gleichrichterschaltung 73 folgt. Die Zählrichtung des Zählers 71 wird dadurch bestimmt, ob ein Rechtecksignal, das von einer an den Oszillator 75 angeschlossenen Begrenzerschaltung 74 geliefert wird, den hohen Wert oder den niedrigen Wert hat.

Der Frequenzhub des Oszillators 72 bestimmt die Intensität des Effektes. Die Frequenz des Sinusoszillators 75 bestimmt die »Rotationsgeschwindigkeit« des Effektes.

F i g. 8 zeigt ein Ausführuungsbeispiel eines Registrierungswählers 17. Es handelt sich um eine Gruppe von Sinuszugriegeln, Schleifkontakten oder Flachbahnschaltern, die zur Voreinstellung der Anzahl und der Amplituden der Harmonischen dienen, die in der spektralen Zusammensetzung des vom Instrument abgegebenen Tons auftreten sollen.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl der Zugriegel 16. Der erste Zugriegel (A = 1) entspricht dem Grundton, und die folgenden Zugriegel entsprechen den Harmonischen 2 (A = 2), 3(A = 3)... 16(A = 16).

Jeder dieser Zugriege) hat einen Handgriff 17Si, mit dem ein Kontakt 174 auf einen von 8 leitenden Metallstreifen 172 einstellbar ist Jeder der 8 leitenden Metallstreifen 172 entspricht einem Amplitudenwert. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Metallstreifen besteht ein Amplitudenverhältnis von 6 dB. Jeder Zugriegel hat somit 9 Stellungen und ermöglicht die Einstellung der Amplitude einer Harmonischen h in Stufen von 6 dB zwischen 0 und —42 dB in den 8 ersten Stellungen und die vollständige Unterdrükkung des Pegels in der letzten Stellung.

Die Zugriegelanordnung ist mit dem Instrument einerseits über einen Decodierer 170 verbunden, der zwischen dem Harmonischen-Zähler 40 und den 16 Zugriegeln über Verbindungen 171 augeschlossen ist, und andererseits über einen Codierer 175, der zwei Arten von Anzeigen liefert: die erste Anzeige gibt das Vorhandensein oder NichtVorhandensein jeder Harmonischen an, und die zweite Anzeigt! gibt deren Amplitude an. .

Jeder Zählerstand des Zählers 40 wählt über die Wirkung des Decodieren 170 einen Zugriegel aus. Das vom Decodierer über diesen Zugriegel gelieferte Signal ergibt die erste Anzeige, wenn der bewegliche Kontakt 174 auf keinem der leitenden Streifen 172 steht. Das sich daraus ergebende Fehlen des Signals erzwingt eine Multiplikation mit 0 in der Multiplizierschaltung 8. Wenn der bewegliche Kontakt 174 auf einem der leitenden Streifen 172 steht, ermöglicht das am Eingang des Codierers 176 erscheinende Signal die Multiplikation des erhaltenen Abtastwertes der Sinusschwingung mit 2~" = k, wenn Λ die Nummer ist, die dem leitenden Metallstreifen entspricht, auf dem der bewegliche' Kontakt 174

steht. *

Der gleiche Vorgang wiederholt sich der Reihe: nach für alle Zugriegel bei allen Stellungen des Zählers 40. Natürlich kann jeder der Zugriegel durch einen Flachbahnschalter mit 8 oder 9 Stellungen ersetzt werden, der linear oder im Kreis einstellbar ist. In ίο diesem Fall werden die leitenden Streifen 172 durch Verbindungsleiter ersetzt, welche die verschiedenen feststehenden Kontakte der Flachbahnschalter miteinander und mit dem Codierer 176 verbinden.

Die vom Decodierer 170, den Zugriegeln und dem Codierer 176 gebildete Anordnung kann durch einen Festspeicher 177 ersetzt werden, wie in Fig. 9 dargestellt ist. Der Speicher ist so programmiert, daß er eine voreingestellte Registrierung enthält. Für jeden Wert von h liefert er die Anzeige für das Vorhanden- so sein der Harmonischen und die Amplitudenanzeige für die Multiplizierschaltung 8. Es können mehrere Festspeicher nach Art des Speichers 177 programmiert und durch entsprechende Umschalter der Reihe nach ausgewählt werden, damit das Instrument zahlreiche verschiedene Klangfarben imitieren kann.

Dem Zugriegelsatz können auch ein oder mehrere Schreib-Lese-Speicher zugeordnet werden, damit eine bestimmte Registereinstellung gespeichert werden kann, die der Musiker entdeckt hat. Der Effekt der Zugriegel oder der voreingestellten oder gespeicherten Registrierungen kann durch die üblichen Additionsverfahren kumuliert werden. Zusätzlich zu der Wahl der Nummer und der Amplitude der Harmonischen, die zur spektralen Zusammensetzung der vom Instrument erzeugten Klänge beitragen, ist es möglich, dem Registrierungswähler 17 Steuereinrichtungen zuzuordnen, welche die Amplitude jeder Harmonischen in Abhängigkeit von der Zeit verändern.

Derartige Mittel erhöhen noch die klanglichen Möglichkeiten des Instruments, indem sie die Klangfarben durch Einschwingvorgänge ergänzen, die eine noch genauere Nachahmung wirklicher Instrumente erlauben.

Fig. 10 zeigt die Form der Amplitude jeder Harmonischen als Funktion der Zeit. Im Zeitpunkt 0 wird die Taste gedruckt. Zwischen den Zeitpunkten 0 und Z₁ steigt die Amplitude des Signals vom Pegel - 42 dB bis zum Pegel 0 dB an, selbst wenn die am Zugriegel eingestellte Amplitude einen dazwischenliegenden Pegel hat. Zwischen den Zeitpunkten r, und ?., fällt die Amplitude bis zu dem am Zugriegel eingestellten Pegel D ab. Zwischen den Zeitpunkten t, nud t₃ bleibt der Pegel konstant, wobei f₃ der Zeitpunkt ist, in dem die Taste losgelassen wird. Schließlich fällt zwischen den Zeitpunkten /₃ und i₄ das Signal bis zum völligen Verschwinden ab.

Durch Einwirkung auf die Zeitintervalle 0—J₁, I₁ —U₁ und r₃—r₄, und zwar in unabhängiger Weise für jede "Harmonische, ist es möglich, praktisch eine große Anzahl von Instrumenten zu imitieren. Um aber eine zu große Anzahl von Einstellknöpfen zu vermeiden, kann eine bestimmte Anzahl von Effekten in einem Speicher vorprogrammiert sein. Die verschiedenen Effekte werden dadurch erhalten, daß zwischen den Codierer 176 und die Multiplizierschaltung 8 eine Schaltung mit veränderlicher Verstärkung eingefügt wird, der eine Vei stärkungssteuerschaltung zugeordnet ist, die das in Fig. 10 gezeigte Zeitverhalten hat.

Die Verstärkungssteuerschaltung kann sogar einen Oszillator sehr niedriger Frequenz enthalten, damit eine Amplitudenmodulation der erzeugten Klänge erfolgt, die den »Tremolo«-Effekt ergibt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Polyphon spielbares elektronisches Musikinstrumenten mit

a) mindestens einer Manual/Pedalklaviatur, die mehrere Oktaven chromatischer Tonleitern umfaßt,

b) Frequenzgeberschaltkreisen zum Erzeugen von die spielbaren Töne repräsentierenden Frequenzen,

c) von einem Festtakt angesteuerte, zyklisch arbeitende, Ton- und Oktavenzähler aufweisende Zählschaltkreise zum Abtasten der Klaviatur und zum Zuordnen der Frequen- is zen,

d) Rechenschaltkreisen zum sequentiellen Berechnen von diskreten Amplitudenwerten als Abtastwerte einer periodischen Funktion bei Phasenwerten, die durch die Frequenzen bestimmt sind,

e) Speicherschaltkreisen für die berechneten ■ Werte und deren Zwischenwerte, und

f) einem den Speicherschaltkreisen nachgeschalteten Digital-Analog-Umsetzer,

dadurch gekennzeichnet, daß
el) die Zählschaltkreise (20, 30, 40) einander nach Ton, Oktave, gegebenenfalls Harmonischer untergeordnet geschaltet sind, indem der Tonzähler während der Abfragung der Oktaven und der Berechnung der entsprechenden Abtastwerte stillgesetzt ist, der Oktavenzähler während der Berechnung der Abtastwerte der Harmonischen stillgesetzt ist, der Oktavenzähler wieder in Gang gesetzt ist, wenn alle Abtastwerte der Harmonischen berechnet sind und der Tonzähler wieder in Gang gesetzt ist, wenn alle Abtastwerte der Oktaven eines Tones berechnet sind, und daß sie zugleich Steuersignale für ίο die Rechen- und Speicherschaltkreise erzeugen zum Berechnen von Abtastwerten nur vom Spieler angeschlagener Töne.

2. Musikinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Registrieranordnung (17) Einrichtungen zur Auswahl der Amplitude k jeder Harmonischen der Ordnungszahl h enthält, und daß Einrichtungen zur Multiplikation jedes von den Rechenschaltkreisen gelieferten Abtastwertes mit dem Faktor k synchron mit einem Harmonischen-Zähler (40) vorgesehen sind.

3. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Addierregister (9), das die im Verlauf eines Zählzyklus des Tonzählers berechneten Abtastwerte zueinander addiert.

4. Musikinstrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Steuerung der Zähler auch die Übertragung des Inhalts des Addierregisters (9) in ein Endregister (10) auslösen und dann die Löschung des Inhalts des Addierregisters (9) am Ende jedes Zählzyklus des Tonzählers (20) und vor jedem neuen Zyklus auslösen.

5. Musikinstrument nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen für die Zähler enthalten: einen Taktsignalgenerator (H), eine erste NOR-Schaltung (42), die das Taktsignal (H) sowie ein Signal T_(iJI) empfängt, das zu einem Signal T_iUl) komplementär ist, das von der Manual- und Pedalanordnung (15, 16) geliefert wird, wobei der Ausgang der ersten NOR-Schaltung (42) mit dem Zähleingang des Harmonischen-Zählers (40) verbunden ist, eine zweite NOR-Schaltung (33), die das Taktsignal (H), das Signal T₀- _n) und ein gleichfalls von der Manual- und Pedalanordnung (15, 16) abgegebenes Signal Γ_(ί) empfängt, eine erste ODER-Schaltung (32), die das von dem Harmonischen-Zähler (40) abgegebene Überlaufsignal sowie das Ausgangssignal der zweiten NOR-Schaltung (33) empfängt und deren Ausgang mit dem Zähleingang des Oktavenzählers (30) verbunden ist, eine dritte NOR-Schaltung (23), die das Taktsigna! (H) und das Signal T_(n empfängt, und eine zweite ODER-Schaltung (22), die das Ausgangssignal der dritten NOR-Schaltung (23) und das vom Oktavenzähler (30) abgegebene Überlaufsignal empfängt und deren Ausgang mit dem Zähleingang des Tonzählers (20) verbunden ist, wobei das Signal T_(!) den Wert »1« hat, wenn ein Ton mit der Bezeichnung i gewählt ist, während es im anderen Fall den Wert »0« hat, und das Signal T_(; „, den Wert »1« hat, wenn ein Ton der Bezeichnung 1 in der Oktave η gewählt ist, während es im entgegengesetzten Fall den Wert »0« hat.

6. Musikinstrument nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Manual-/Pedalklaviatur eine Decodierschaltung (150) mit 13 Ausgängen aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang des Tonzählers (20) verbunden ist, sowie eine Oktavenwählschaltung (16), die an den Ausgang des Oktavenzählers (30) angeschlossen ist, daß dreizehn Tonleitungen (153) an die Ausgänge des Decodierers (150) angeschlossen sind, daß eine bestimmte Anzahl von Oktaven-Leitungen (152) mit dem Oktavenwähler (16) verbunden sind und die dreizehn Ton-Leitungen (151) kreuzen, und daß an jedem Kreuzungspunkt zwischen einer Ton-Leitung (151) und einer Oktaven-Leitung (152) ein Schalter (154), der mit einer Manual- oder Pedaltaste verbunden ist, in Serie mit einer Diode (153) zwischen den beiden sich kreuzenden Leitungen (151, 152, Fig 4b) angeschlossen ist.

7. Musikinstrument nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Oktavenwähler (16) Detektoreinrichtungen zugeordnet sind, die ein Signal T_(i) = 1 abgeben, wenn ein Schalter (154) der /-ten Ton-Leitung geschlossen ist, und die ein Signal T_Vll) = 1 abgeben, wenn ein Schalter (154) am Kreuzungspunkt zwischen der /-ten Ton-Leitung (154) und der /i-ten Oktaven-Leitung (152) geschlossen ist.

8. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 2—7, dadurch gekennzeichnet, daß die Registrieranordnung (17) eine Decodierschaltung (170) enthält, die an den Harmonischen-Zähler (40) angeschlossen ist, sowie eine Gruppe von Zugriegeln (175), die (bei 171) mit dem Decodierer (170) verbunden sind, eine Codierschaltung (176) zur Lieferung der Anzeige des Vorhandenseins oder NichtVorhandenseins einer Harmonischen und der Amplitude (k) jeder vorhandenen Harmonischen, eine Gruppe von Leitun-

gen (172), welche die Zugriegel (175) kreuzen und mit der Codierschaltung (170) verbunden sind, und Kontakte (174), die mit den Zugriegeln (Ϊ75) verbunden sind, um jede.·? Zugriegel mit einer der Leitungen (172) zu verbinden.

9. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 2—8, dadurch gekennzeichnet, daß die Registrieranordnung (17) einen Festspeicher (177) enthält, der mit dem Harmonischen-Zähler (40) verbunden ist, um für jeden Wert von h eine Anzeige für das Vorhandensein oder das Fehlen der Harmonischen und die entsprechende Amplitude k der vorhandenen Harmonischen zu liefern.