DE2816106A1

DE2816106A1 - Tonerzeugungsvorrichtung zur verbindung mit einem musikinstrument

Info

Publication number: DE2816106A1
Application number: DE19782816106
Authority: DE
Inventors: Bjarna Claes-Uno Hakansson
Original assignee: LINDEN AND LINDER AB
Current assignee: LINDEN AND LINDER AB
Priority date: 1977-04-14
Filing date: 1978-04-13
Publication date: 1979-01-11
Also published as: GB1579114A; US4202237A; JPS53128325A; NO144943B; NO144943C; DK110978A; NO780828L; SE409520B; FR2387487A1; SE7704290L; FR2387487B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit einem Musikinstrument verkoppelbare Anordnung, die das erzeugte Tonsignal in bezug auf seine "melodiebestimmende" Frequenz analysiert und ein einstellbares "synthetisches" Tonsignal mit der gleichen Grundfrequenz erzeugt. Durch Verändern der Einetellung des Tonsignals oder in anderen V/orten seiner Oberton-Zusammensetzung kann eine Vielzahl von Effekten erreicht werden, die sowohl neue Toneffekte nls auch Nachahmungen von vorhandenen Musikinstrumenten erfassen.

Seit Helmholtz ist bekannt, daß verschiedene Musikinstrumente unterschiedliche charakteristische Wellenformen besitzen und das kann durch oszillografische Verfahren nachgewiesen werden. Eine Analyse solcher Wellenformen hat den Ausdruck "Obertöne" hervorgebracht, der mit harmonischer Analyse (Fourier-Analyse) zu tun hat. Später wurden,basierend auf dieser harmonischen Analyse _t Instrumente hergestellt, bei denen ein Grundton und eine geeignete Beihe von Obertönen erzeugt wird. Das Oberton-Spektrum bestimmt dann den subjektiven Toneindruck,

Eine Vielzahl elektrischer Musikinstrumente wird nach diesen Prinzipien entworfen, z.B. elektromechanische Orgeln, bei denen die Töne durch Erfassen von rotierenden Nockenscheiben herrühren. In der Folgezeit entwickelte sich eine Anzahl von Zwischenformen bis hin zu heutigen elektronischen Musikinstrumenten.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Tonerzeugung zu schaffen, die mit einem gewöhnlichen Musikinstrument verbindbar ist. Damit soll erreicht werden, daß der Spieler verschiedene, auf die zu spielende Musik abgestimmte Klangeffekte erzielen kann und daß er die Möglichkeit zum künstlerischen Ausdruck besitzt.

Diese und andere Ziele werden durch eine Anordnung zur Tonerzeugung erreicht, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Grundsätzlich wird dabei ein repräsentatives elektrisches Signal von einem gespielten Instrument abgenommen. Falls es sich um eine elektrische Gitarre handelt, wird das Ausgangssignal dieses Instruments dazu verwendet und in anderen Fällen kann das Ausgangssignal eines Mikrophons verwendet werden. Auch die menschliche Stimme kann dabei als Instrument dienen.

Von diesem vom Musikinstrument erzeugten Ausgangssignal"wird die Grundfrequenz abgeleitet, d.h. die niedrigste in dem erzeugten Ton unter Mißachtung von Takt- oder Begleitungsfrequenzen aufzufindende Frequenz. Bei Benutzung eines polyphonen Instruments wird als Regel die Grundfrequenz für die höchste gespielte Note ausgewählt, die normalerweise die melodietragende Note ist. Diese abgeleitete Grundfrequenz ist die Basis für die in der Anordnung zu erzeugende Welle. Es wird eine 7/ellenform mit einer Frequenz erzeugt, die der abgeleiteten Grund frequenz entspricht und der "Charakter" der Grund frequenz kann dann innerhalb extrem breiter Grenzen durch Verändern der "V/ellenform" verändert werden.

Um eine V/ellenform von irgendeiner erforderlichen Gestalt zu schaffen, die die durch die abgeleitete Grundfrequenz bestimmte Frequenz besitzt, wird eine Anzahl paralleler Ausgänge benutzt, die der Beine nach Impulse aussenden. Die Impulse von den einzelnen Ausgängen haben jeweils die gleiche Frequenz v;ie die Grund frequenz und die Impulslängen sind gleich dor der Grundfrequenz entsprechenden Periode geteilt durch die Anzahl der Ausgänge. Bei jedem Ausgang be-

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findet sich ein Stromteiler odgl., der individuell oder gruppenweise einstellbar ist und die Ausgangssignale der Stromteiler werden dann zur Bildung der endgültigen Wellenform zusammengesetzt.

TJm eine geeignete Klangfarbe zu erhalten, kann die entstandene Welle auch mit dem originalen Instrumentensignal gemischt werden. Da manche instrumentale Effekte auf sogenanntenⁿUbergängen" beruhen, ist gleichfalls vorgesehen, das Kischungsverhältnis zwischen der synthetischen Wellenform und dem Signal von dem Instrument zu steuern und das Mischungsverhältnis zeitabhängig zu gestalten. Es ist gleichfalls möglich, verschiedene Sätze oder Reihen von Stromteilern zur Erzeugung von synthetischen Wellen vorzusehen, so daß ein Umschalten zwischen diesen Reihen oder Sätzen auch unterschiedliche Schalleindrücke erzeugt. Wenn dieser Wellenformwechsel zeitabhängig vorgenommen wird, kann im Grunde jeder denkbare musikalische Effekt erzielt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Figur 1 ein Schaltschema für ein erfindungsgemäßes Tonerzeugungsgerät,

Figur 2 die Einzelschaltung einer Multiplex-Einheit und eines Hüllkurvengenerators in Verbindung mit einer Lautstärkensteuerung für die Schalleffekt-Einrichtung und

Figur 3 eine Schaltung für Lautstärken-Steuerung, bei

der der tlbergangsaufbau eines synthetischen Tons oder Klangs beeinflußbar ist.

Das gezeigte Beispiel ist größtenteils aus standardmäßigen integrierten Schaltungen aufgebaut und die Datenblätter zeigen

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Informationen für den Fachmann über die jeweiligen Schaltungen, die Strom-Bedürfnisse udgl. Deshalb wird in der folgenden funktionellen Beschreibung derartige leicht erhältliche Information nicht mitgeliefert.

Fig. 1 zeigt eine Schemaschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Block 1 zeigt ein Instrument, beispielsweise eine Sologitarre. Wenn verschiedene Saiten zur gleichen Zeit angeschlagen werden, wird, wie in der Einführung erwähnt, eine Einrichtung erforderlich, um nur das Signal der repräsentativen Saite abzunehmen. Für den Fachmann ist klar, daß das auf verschiedene V/eise geschehen kann. Beispielsweise können die Signale von allen Saiten einzeln erfaßt werden und nur das Signal mit der höchsten Frequenz durchgekoppelt werden.

In Block 2 wird in bekannter Weise durch das Signal durch Verstärkung und Amplitudenbegrenzung eine Rechteckwelle erzeugt. Die erhaltene Rochteckwello wird dann in Block 3 in eine Sinuswclle umgewandelt. Eine geeignete Methode, um dies zu erreichen, besteht darin, die Rechteckwelle durch zwei in Reihe geschaltete integrierende Verstärker durchzuleiten. Es sind auch verschiedene andere Verfahren bekannt. Das mehr odor yjonir-er rein sinusförmige erhaltene Signal wird dann vervielfacht, um eine Frequenz zu erhalten, die II mal so hoch ist. In dem Beispiel ist N gleich 16 und die multiplizierte Frequenz wird in vier Frequenzvcrdoppelungsschritten erhalten.

Auf diese V/eise steht nun ein Sinuswellensignal mit einer 16-fachen Frequenz des durch das Instrument beigestellten Grundtons zur Verfügung. V/enn beispielsweise das Instrument den Kammerton "A" von Vi-O Hz erzeugt, gibt Block l\ eine Frequenz von 7,0/f kHz ab.

Dieses Signal wird an Block 5 weitergeleitet, der aus einem binären /(.-Schritt-Untersetzer besteht. Jede der vier Flip-

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Flop-Schaltungen in diesem Gerät besitzt einen Ausgang und diese Ausgänge liefern der Reihe nach in paralleler Form die Binärzahlen O bis 15 während jeder Periode der analysierten Grund frequenz.

In der Multiplexeinheit 6 werden diese Binärsignale durch vier parallele Eingänge wieder in Ausgangssignale von 16 Ausgängen umkodiert. Diese Ausgangssignale sind so beschaffen, daß jedesmal, wenn die durch die Signale der vier Eingänge dargestellte Zahl einen bestimmten Wert annimmt,einer der 16 Ausgänge, dem dieser Wert zugeteilt wird, ein Signal 1 ergibt, während die übrigen Ausgänge O-Signale abgeben. Das bedeutet, daß während einer Periode der Grundfrequenz die verschiedenen Ausgänge der Reihe nach durchlaufen werden und während der nächsten Periode der gleiche Durchlauf wieder beginnt usw.. Gemäß dem obigen Beispiel gibt jeder Ausgang ZjifO χ pro Sekunde einen Impuls ab.

Diese 16 Ausgänge der Multiplex-Einheit sind nun mit einem Hüllkurvengenerator 7 verbunden. Dieser Generator umfaßt einen einstellbaren Spannungsteiler für jeden der 16 Eingänge. Man kann sehen, daß bei gleicher Einstellung der Spannungsteiler ein konstantes Signal erzeugt wird, das keine Wellenform darstellt. Wenn stattdessen die Spannungsteiler entsprechend der Amplitudenverteilung über die Periode beispielsweise einer Sinuswelle eingestellt sind, wird eine fast reine Sinuswelle erzeugt. Wie genau diese Sinuswellen sein können, d.h. wie weit sie einem wahren Sinusverlauf entsprechen, ist in der US-PS 3 215 860 beschrieben, bei der allerdings die Periode in 18 gleiche Teile geteilt ist. In dieser Patentschrift wird ein Verfahren zur Erzeugung von Sinuswellen mit möglichst genauer Kurvenform dargestellt.

Bei der vorliegenden Erfindung werden die verschiedenen Spannungsteiler in Übereinstimmung mit der erwünschten Wellenform

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eingestellt. Das kann entweder experimentell geschehen, oder dadurch, daß man bekannte Wellen formkurven für bestimmte Instrumente verwendet. Diese sind in der Literatur über physikalische Akustik enthalten.

Es ist unerwünscht, daß das Gerät ein Ausgangssignal abgibt, wenn nur Hintergrundrauschen und kein Ton vorhanden ist. Deshalb wird vorteilhafterweise eine Diskrirainatorschaltung 8 angeordnet, die bestimmt, ob ein Signal vom Instrument oder vom Block 2 einen vorbestimmten eingestellten Minimalwert überschreitet.

V/enn das Signal von dem Instrument unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, wird die Vorrichtung unwirksam gemacht. Das geschieht in geeigneter V/eise dadurch, daß einjlogisches Signal von dem Diskriminator den Betrieb der Untersetzerstufe 5 beeinflußt, so daß diese bei nicht vorhandenem Signal einfach abgeschaltet wird.

V/i ο bereits erwähnt sind viele integrierte Schaltungen (IC) in dein Blockdiagramm der Fig. 1 enthalten. Um die Beschreibung kurzzuhalten, ist nur eine allgemeine und nur an manchen Stellen detaillierte Funktionsbeschreibung gegeben.

Vorteilhafterweise wird vor dem Rechteckwellengenerator in Block 2 der Höhen- oder Diskantbereich beispielsweise durch ein Tiefpaßfilter begrenzt. Die durch Ubermodulieren und Abschneiden erzeugte Rechteckwelle wird dann durch zwei in Reihe geschaltete integrierende Verstärker geschickt, die beispielsweise Funktionsverstärker des Typs 7 M sein können. Obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt, kann es von Vorteil sein, wenn die so erzeugte Sinuswelle eine Schaltung durchläuft, die die Signalamplitude auf einen bestimmten Wert normalisiert. Eine derartige Schaltung ist in "Elektronics" vom 16.August 1973, Seite 100 dargestellt.

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Zur Erzeugung der Frequenzvervielfachung kann eine Schaltung MC 1496 der Firma Motorola (ein abgeglichener Modulator-Demodulator) verwendet werden5 wenn das gleiche Sinussignal an beide Eingänge dieses Geräts angelegt wird, wird ein Ausgangssignal mit doppelter Frequenz erzeugt. Das kann dadurch erklärt werden, daß beim Multiplizieren zweier identischer Sinussignale die folgende Gleichung gilt:

sin² (wt) = ~ (1-cos(2wt)).

Wenn nur die Wechselstromkomponente beachtet wird, ist tatsächlich eine Frequenzverdoppelung erreicht. Wenn dies viermal hintereinander geschieht, tritt das erwünschte Ergebnis ein. Die Frequenzvervielfachung kann auch dadurch erreicht werden, daß man die Rechteckwelle direkt an eine phasenstarre Schaltung anlegt, die für diesen Zweck geeignet ist; siehe beispielsweise das RCA-Handbuch über digitale CMOS-Schaltungen.

Eine geeignete Untersetzerschaltung wird als Typ 7493 von Texas Instruments vertrieben und eine geeignete Multiplex-Schaltung wird von der gleichen Firma als Typ 74154 vertrieben.

Die Multeplex-Einheit besitzt 16 parallele Ausgänge und durch Verarbeiten dieser Ausgangssignale können die erfindungsgemäßen Klangeffekte erzielt werden. Es können die 16 Einzelsignale in einem individuellen Widerstandsnetz abgeschwächt werden. Durch Einstellen dieses Netzes ist es möglich, jede erwünschte Wellenform innerhalb der Grenzen zu erreichen, die dadurch gesetzt sind, daß nur 16 Freiheitsgrade vorhanden sind.

Statt dieses allgemeinen Schaltkreisschemas wird in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung eine Verkuppelung benutzt, bei der die Einstellungen paarweise voneinander abhängen. In Fig. 2 ist gezeigt, wie die Ausgangskanale 1 und

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mit einzelnen Potentiometern 25 verbunden sind, die σο miteinander verbunden sind, daß, wenn ein Potentiometer seinen Hiniinalwert besitzt, das andere auf seinen Maximalwert eingestellt ist und umgekehrt. Die Kanäle 2+15, 3+1*!·, ... 8+9, sind paarweise in der gleichen Art verbunden. Eine solche Anordnung kann vorzugsweise für "ungerade" Obertöne eingestellt werden.

In 1''In· ?- ist ''U sehen, daß die Ausgänge der Multiplex-Einheit mit Schaltkreisen verbunden sind. Wenn die Schaltungen 20 und 20' ein Logik-Ansteuerungssignal empfangen, findet eine solche Umschaltung statt, daß der Ausgang 15 der Multiplex-Einheit 6 mit Ausgang 9 gekoppelt wird usw., so daß die Sequenz für die Signale 1 bis 16 zu den Potentiometern wie folgt verläuft: 1,2, ..., 7,8,16,15,1*1-, ... 10,9. Um einen falschen und asymmetrischen Verzögerungseffekt zu verhindern, müssen entsprechende Schaltungen mit den Ausgängen 0 bis 7 der MuI-tiplox-Einheit verbunden werden; diese sind jedoch immer mit denselben Impulswegen gekoppelt.

Diese Schaltung, die, wie aus Fig. 2 zu ersehen, über einen von Hand einstellbaren Schaltkreis 30 eingeleitet werden kann, wechselt die Obertöne zwischen "Ungerade. " und"Gerade. ", so daß der Toncharakter geändert wird. Die Bezeichnungen der EinstellungC"Trompete" und "Gitarre") sind in vielen Fällen für die subjektiven Eindrücke kennzeichnend.

In Fi-::. 2 ist gleichfalls zu sehen, daß eine "Lautstärke-Regelung" für die sich ergebende Hüllkurve vorhanden ist. Diese Schaltung besteht im Grunde aus einem Feldeffekt-Transistor 35»und die Lautstärke wird durch den Strom an dessen Steuerelektrode beeinflußt.

Nach Fig. 1 wird die Lautstärken-Regelung durch eine Schaltung 9 "Hüllkurvensteuerung" beeinflußt. Ein Schaltungsentwurf der

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Schaltung 9 ist in Fig. 3 zu sehen. Die Eingangssignale, logische Signale, werden vom Diskriminator 8 in Fig. 1 abgeleitet. Diese die Lautstärken-Regelung beeinflussende Steuerspannung VCA beginnt ein logarithmisch ansteigendes Signal, dessen Zeitkonstante kontinuierlich zwischen zwei verschiedenen Intervallen mit Hilfe von logarithmischen Potentiometern entweder auf 20 bis 200 ms oder auf 0,2 bis 2 s einstellbar ist. Diese Einstellung ist für den "Einschwing-tfbergang" der Töne sehr wichtig, da der Feldeffekt-Transistor 35 in Block 10 (Fig. 2) eine Modulationswirkung erzeugt. Damit ist eine zusätzliche sehr wirksame Möglichkeit zur Änderung den suh-. . . . _Tr_, . . . . _. ., „ __ oder .das Ausklingen jektiven Klangeindrucks gegeben. Die Abfallfolge/kann gleichfalls, beispielsweise nach Fig. 3, geändert werden.

Eine ganze Anzahl verschiedener Änderungen ist innerhalb der Erfindungsidee möglich. Beispielsweise kann die Hüllkurvenschaltung so aufgebaut werden, daß sie schnell änderbar ist. Man kann auch eine Auswahl von Einstellungen vorsehen, die zugeschaltet werden können, so daß der Spieler schnell zwischen verschiedenen Effekten schalten kann, beispielsweise von "Trompetenklang" auf "Streicherklang" oder von Oberton-Strukturen in "Fünfteln" zu "Oktaven", was beispielsweise konischen bzw. zylindrischen Formen von angeblasenen Instrumenten entspricht.

Die beschriebene Anordnung besitzt fast unbegrenzte Klangmöglichkeiten. In der beschriebenen Ausführung ist es möglich, eine Wellenform bei 16 äquidistanten Punkten einzustellen, aber offensichtlich kann man auch weitergehen, wenn genauere Einstellungen oder höhere Obertöne erwünscht sind. Eine einfache Analyse zeigt, daß es möglich ist, über die 16 Zeitkanäle der beschriebenen Ausführung unabhängig alle harmonische Obertöne bis zum achten Oberton in bezug auf Größe und Phasenlage festzulegen. Wenn auch in bestimmten Fällen

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noch höhere Obertöne als wichtig für den subjektiven Klaneeindruck betrachtet werden, so ist jedenfalls eine sehr hohe Freiheit beim Einstellen der Töne gegeben. V/enn beachtet wird, daß der Originalton des Instrumentes zu dem synthetischen Ton hinsugesischt werden kann, ist zu sehen, daß ein mit dem erfindungsgemäßen Gerät ausgerüstetes Instrument dem Spieler eine große Freiheit erlaubt.

Das Ausgangssignal der Schallerzeugungsvorrichtung kann entweder direkt oder über Verstärker einem Lautsprechersystem zugeführt werden, oder es kann zusätzlich durch verschiedene Einrichtungen verarbeitet, registriert usw. werden, bevor dan Tonergebnis schließlich einem Lautsprecher zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße Gerät leitet also aus Signalen, die von einem gespielten Musikinstrument stammen,eine Grundfrequenz oder Fundamentalfrequenz ab. Aus dieser abgeleiteten Frequenz wird eine Wellenform mit der gleichen Grundfrequenz synthetisiert, der eine willkürliche Form verliehen werden kann, so daß der Höreindruck beispielsweise einer Violine, einer Trompete oder einer Gitarre durch diese Wellenform erzeugt werden kann. Die Wellenform wird dadurch erzeugt, daß eine Impulsfolge oder ein Impulszug mit einer Frequenz erzeugt wird, die η mal der Grundfrequenz entspricht,und daß der Impulszug einem Zähler zugeführt wird, der zyklisch der Reihe nach η verschiedene Ausgänge aktiviert. Die Ausgänge werden mit verschiedenen einstellbaren Gewichtungen summiert und die Wellenform wird durch Einstellung der η Gewichtungen bestimmt. Die Zahl η kann beliebig gewählt werden; in der gewählten Ausführung ist η gleich 16.

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Claims

Patentansprüche :

1. Tonerzeugungsvorrichtung zur Verbindung mit einem Musikinstrument, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (2, 3) vorgesehen ist, um eine Grundfrequenz von einem von dem Musikinstrument stammenden Signal abzuleiten, die die niedrigste darin vorhandene Tonfrequenz ist, daß eine Einrichtung 0+) vorgesehen ist, um die Grundfrequenz zu vervielfachen, um eine Frequenz zu erhalten, die η mal so hoch wie die Grundfrequenz ist, wobei η eine ganze Zahl ist, daß ein Zähler (5, 6) mit η Ausgängen vorgesehen ist, der mit der Frequenz verbunden ist, die η mal die Grundfrequenz ist, um Ausgangssignale mit der höheren Frequenz sequentiell und zyklisch von den η Ausgängen abzugeben, wobei jeder Ausgang ein Ausgangssignal mit der gleichen Frequenz wie die vom Instrumentensignal abgeleitete. Grundfrequenz abgibt und daß die η Ausgänge mit einer individuell einstellbaren Abschwächungsschaltung (25) verbunden sind und daß die Ausgangssignale der Abschwächungsschaltung miteinander zur Erzeugung eines zusammengesetzten Signals verbunden sind.

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ORiGiMAL INSPECTED

DR C MANITZ - DIPL.-INC. M. FINSTERWALD DIP L. -ING. W. GRAMKOW ZtNTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

-z-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Diskriminator (8) vorgesehen ist, der erfaßt, ob ein einen bestimmten Wert überschreitendes Tonsignal von dem Instrument kommt und der bei Abwesenheit eines solchen Signals ein Ausgangssignal erzeugt, das den Zähler (5, 6) anhälb.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerkreis (9) vorgesehen ist, der auf Erhalt eines Ausgangssignals von dem Diskriminator (8) ein zu einem Maximalwert ansteigendes Signal (VCA) erzeugt, daß das ansteigende Signal mit einer als Mischschaltung dienenden Lautstärke-Steuerschaltung (10) gekoppelt ist, daß das ansteigende Signal mit dem zusammengesetzten Signal von der Abschwächungsschaltung (25) gemischt ist, um dem von der Lautstärke-Steuerschaltung (10) kommenden Signal eine Einschwingübergangsform zu geben.

/f. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrumentensignal und das zusammengesetzte Signal an eine Mischschaltung (11) angelegt sind, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.

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