DE2855344A1 - Musikinstrument mit elektronischer klangerzeugung - Google Patents

Description

• Musikinstrument mit elektronischer Klangerzeugung.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Musikinstrument mit elektronischer Klangerzeugung, beispielsweise eine elektronische Orgel.
• Elektronische Klänge, also Mischungen aus Grundton und mehreren Obertönen werden in der Unterhaltungsmusik laufend verwendet. In der ernsten Musik dagegen ist ihr Einsatz relativ sehr gering. Der Grund liegt in den erheblichen ästhetischen Bedenken der meisten Musiker gegen die zur Zeit wirtschaftlich realisierbaren Klänge. Dies gilt insbesondere für elektronische Orgeln.
• Die wichtigsten Unterschiede zwischen mechanisch, d. h.
• mittels Pfeifen und elektronisch erzeugten Klängen sind folgende: Während bei Pfeifenorgeln individuelle Teiltonspektren mit kleinen Verschiedenheiten von Pfeife zu Pfeife und systematische Variationen über die Klaviere durch Mensurregeln vorhanden sind, haben elektronische Orgeln mehr oder weniger gleichbleibende vereinheitlichte Spektren und Teiltonzusammensetzungen.
• Bei Pfeifenorgeln sind individuelle Einschwingvorgänge, also zeitliche Veränderungen von Teiltonamplituden und evtl. Grundfrequenzen beim Anblasen einer Pfeife vorhanden, während elektronische Orgeln oft einen harten Toneinsatz ohne jeden Einklang, seltener schematische Einklänge durch RC-Glieder oder Filter haben.
• Bei Pfeifenorgeln bedeutet eine individuelle "Vorsprache" physikalisch unharmonische Töne als Vorläufer und Luftgeräusche, die bei elektronischen Orgeln elektronis.ch bisher nicht realisierbar sind.
• Bei Pfeifenorgeln sind die stationären Obertöne rein, de h., sie haben ein festes Frequenzverhältnis zum Grundton, während bei elektronischen Orgeln die Teiltöne von Labialstimmen aus der temperierten Skala entnommen werden (sogenannte Zugriegel). Dadurch sind die Terzen grob unrein.
• Bei Pfeifenorgeln werden Mixturen und Aliquoten möglichst rein gestimmt. Sowohl die Amplituden, als auch die Zusammensetzung der Frequenzen variieren bei Pfeifenorgeln nach erprobten Regeln (sogenannte repetierende Mixturen). Repetierende Mixturen sind zwar auch elektronisch über eine Verharfung möglich, doch muß auf die reine Stimmung und die Amplitudenvariation verzichtet werden.
• Bei Pfeifenorgeln sind die einzelnen Pfeifen prinzipiell freischwingende Generatoren. Nur bei Anordnung über einer Tonkanzelle (Schleifladenorgel) entsteht eine gewisse Synchronisation. Bei elektronischen Orgeln sind die Frequenzverhältnisse unveränderbar.
• Durch das Zusammenklingen von freischwingenden Pfeifen entsteht eine große Anzahl von unregelmäßigen Schwingungen wie bei einem Chor. Bei elektronischen Orgeln wird der "chöriget' Eindruck durch Vibrationseffekte und ähnliches imitiert.
• Insgesamt ergibt sich für die meisten derzeitigen elektronischen Musikinstrumente ein vergleichsweise starrer akustischer Gesamteindruck, der sich sehr stark von dem guter Pfeifeninstrumente unterscheidet.
• Experimente haben aber gezeigt, daß schon durch eine Kombination zweier nicht starr synchronisierter elektronischer Instrumente, die etwas gegeneinander verstimmt sind, sowie durch Nachhall, rotierende Lautsprecher und dergleichen, einige hörbare Verbesserungen erzielt werden.
• Die derzeitigen Beschränkungen des elektronischen Systems sind also in der Hauptsache durch ökonomische tiberlegungen im Zusammenhang mit der derzeitigen Technik bedingt. Bis auf die Tongeneratoren, die schon heute meist mit Frequenzteilung von hochliegenden Frequenzen die temperierte Skala erreichen, sind alle verwendeten elektronischen Mittel der Analogtechnik entnommen.
• Die vorliegende Erfindung geht nun von der Überlegung aus, daß die Art der Erzeugung dieser Schwingungen an sich gleichgültig ist, weil das menschliche Ohr nur auf Schallschwingungen reagiert. Es kommt nur darauf an, Klänge, die als schön empfunden wurden und werden, mit einem nicht zu großen Aufwand an Platz, Material und handwerklichem Können und damit natürlich nicht zu hohem Preis herzustellen.
• Wenn die technischen Mittel zur Synthese von Klängen mit genügender Vielfalt frei von allzugroßen Einschränkungen zur Verfügung stehen, ist es eine wissenschaftlich-technische und damit objektivierbare Aufgabe die Ergebnisse von Rlanganalysen, wie sie z. B. für guten Pfeifenorgeln schon seit langer Zeit vorliegen,in elektronische Speicher zu übertragen.
• Die Erfindung sieht daher bei einem Mus kinstrument der eingangs genannten Art folgende Merkmale vor: Digitalspeicher zur Speicherung von analytischen Komponenten ausgewählter Teiltonzusammensetzungen (Rlänge), eine Rechnereinheit zur Berechnung des zeitlichen Verlaufs des Schalldrucks aus den gespeicherten Informationen und einen Digital-Analogwandler zur Umwandlung des Rechenwertes in ein Analogsignal zur akustischen Wiedergabe.
• Das vorstehend definierte erfindungsgemäße Musikinstrument bedient sich bis zum Tonausgang der Mittel der Digitaltechnik.
• Spezielle Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels, welches ein erfindungsgemäßes Musikinstrument als Blockschaltbild zeigt, näher erläutert.
• Als Ausführungsbeispiel sei eine relativ große Orgel für Kirche und Konzert betrachtet. Die erläuterten Prinzipien sind Jedoch sinngemäß auch auf andere Instrumente anwendbar. Eine Orgel der genannten Art enthält 3 Manuale mit Je 14 klingenden Stimmen, 60 Tasten Je Manual, 2 Mixturen 4fach und 4 Aliquoten, 1 Pedal mit 10 klingenden Stimmen, 32 Tasten, 1 Mixtur vierfach. Für Hilfsregister, wie Koppeln, freie und feste Kombinationen, Schweller, Vibrato, Tremolo und Sondereffekte sind Zuschläge vorgesehen.
• Andere Verteilungen der Register sind ebenfalls möglich.
• Die Genauigkeit der Grundfrequenz (Kammerton) sei etwa 1/4000-Halbton oder 0.015 96 oder 16 bit. Dies dürfte für alle Fälle genügen und legt 16 bit-Worte nahe.
• Das stationäre Teiltonspektrum der Klänge soll im Mittel aus 12 Teiltönen (tiefe Register und Zungestimmen mehr, hohe Stimmen weniger) in Je 32 Stufen (5 bit) bestehen.
• Je Ton soll ein An- und/oder Abklingen durch 3 Zeitkonstanten (Festwerte von 3 bis 30 msec) in 8 Stufen (3 bit), für Vibrato und Tremolo in 2 Frequenzen (feste Werte 5 - 7 Hz) in 3e 8 Amplituden (3 bit) zur Verfügung stehen. Ein solches Instrument wird also in Jedem Manual 60 x 24 Pfeifen und im Pedal 32 x 12 Pfeifen insgesamt also 4704 Pfeifen enthalten.Jede Pfeife wird ausreichend beschrieben durch ihre Teiltöne 12 x 5 = 60 bit Zeitkonstanten 3 x 3 = 9 bit Vibratokonstanten 3 x 3 = 6 bit Sondereffekte 2 x 3 = 6 bit 80 bit Dazu käme an sich noch für Jede Pfeife eine Information über die Grundfrequenz im eingeschwungenen Zustand von 16 bit, sofern man nicht die unten noch zu erläuternde Lösung mit starrem Frequenzverhältnis der Oktaven im eingeschwungenen Zustand vorzieht. Ohne diese Vereinfachung und damit Informationsersparnis ergäbe sich ein Speicherbedarf von 96 bit je Pfeife oder 6 Worte zu 16 bit und insgesamt 4704 x 6 = 28 224 Worte zu 16 bit.
• Derartige Informationsmengen sind heute in räumlich relativ kleinen Speichern unterzubringen und schnell abrufbar.
• Nimmt man konstante Frequenzverhältnisse in allen Oktaven, wobei die Stimmung nicht notwendig temperiert zu sein braucht, so kann man die Grundfrequenz für Jede Pfeife auch aus der Beziehung fo - s x Fo x 2N x ZT (1) errechnen. Darin bedeutet: f0 die zu bestimmende Grundfrequenz, s einen Faktor von der Größenordnung 1, der die absolute Tonhöhe, also z. B. den Kammerton bestimmt, der aber wahlweise, z. B.
• für das Zusammenspiel mit anderen Instrumenten auch etwas veränderlich sein kann, Fo die tiefste zu erzeugende Frequenz von 16,000 000 Hz, N die Nummer der Oktave, ZT eine Zahl, die von der Lage der Tasten in der Oktave und von der Stimmung abhängt.
• Die folgende Tabelle enthält die Zahlenwerte für die temperierte und die reine Stimmung.
• Frequenzverhältnisse ZT Taste T Temperierte Stimmung Reine Stimmung C 1.000 000 000 1.000 000 000 Cis 1.059 463 094 1.057 371 263 D 1.122 462 048 1.118 033 989 Dis 1.189 207 115 1.182 177 011 E 1.259 921 050 1.250 000 000 F 1.334 839 854 1.328 823 211 Fis 1.414 213 562 1.411 554 043 G 1.498 307 077 1.500 000 000 Gis 1.587 401 052 1.579 089 899 A 1.681 792 830 1.662 349 940 Ais (B) 1.781 797 436 1.750 000 000 H 1.887 748 625 1.870 828 693 Außer diesen beiden Stimmungen können ohne Schwierigkeit andere Variationen wahlweise eingeschaltet werden.
• Allerdings sollte man zweckmäßigerweise automatisch immer zunächst die temperierte Stimmung vorsehen und nur auf besonderen Wunsch - und ausdrücklich angezeigt -andere Stimmungen, da bekanntlich nur in der temperierten Stimmung alle Tonarten ohne Reibungen spielbar sind.
• Für vier verschiedene Stimmungen - zwei sind in der vorstehenden Tabelle enthalten - benötigt man einen Fest-Speicher von 4 x 12 , 48 Worten zu 16 bit.
• Dafür erniedrigt sich die Information in einem löschbaren Lesespeicher für die Pfeifenklänge um 4704 Worte zu 16 bit.
• Mit einigen zulässigen Vereinfachungen, die sich bei der Programmierung des Lesespeichers ergeben, genügt also ein Speicher mit 32 768 Worten zu 16 bit.
• Für die Datenspeicherung, Datenverarbeitung und Daten- umsetzung in musikalische Töne werden an sich bekannte Mittel der Digitaltechnik verwendet. Dies wird im folgenden näher erläutert.
• Anhand von Fig. 1 wird nachfolgend ein Blockschaltbild einer Orgel nach dem oben beschriebenen Prinzip erläutert. An einem Spieltisch 1 gibt der Spieler durch Betätigen von Tasten, Schaltern usw., evtl. auch von berührungslosen Kommando elementen seine musikalischen Wünsche in das Instrument ein. Diese Befehle lösen analoge und digitale Signale aus, die - schematisch durch Pfeile gekennzeichnet - in einem Adapter und Selektor 2 so umgeformt werden, daß sie von einem Mikroprozessor 3 verarbeitet werden können. Der Adapter und Selektor 2 hat daneben auch die Aufgabe, auf die nächsten jeweils freien Rechenelemente des Mikroprozessors 3 weiterzuschalten. Ein Taktgenerator 4 gibt den Takt für die Rechenprozesse und damit auch die Grundfrequenz an. Die Taktfrequenz muß natürlich genügend weit über der Hörgrenze, z. B. bei 10 MHz liegen.
• Im einzelnen spielt sich die Tonentstehung wie folgt ab: Zunächst wird eine Registrierung gewählt. Damit kann der Mikroprozessor 3 bereits alle Informationen zu den gewünschten Registern aus einem Lesespeicher 5 abrufen und bereit halten. Wird nun eine Taste gedrückt, so liefert der Spieltisch 1 über den Adapter und Selektor 2 die Informationen N und T nach der vorstehenden Tabelle.
• Die Information s ist bereits beim Einschalten gewählt und liegt digital vor. Das gleiche gilt für die Grundfrequenz F0. Der Mikroprozessor 3 holt sich nun von einem Hilfsspeicher 6 die zur gedrückten Taste gehörende Zahl ZT und Multiplikatoren n für die Oberwellen, also im Normalfall n = 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15 ......
• und errechnet nach Formel (1) die Grundfrequenz und die Frequenzen aller Oberwellen. Soll die Grundfrequenz in den Anklingvorgang einbezogen werden, so werden mit den Daten fiir die Zeitkonstanten ri aus dem Hilfsspeicher und den zum Register gehörenden Daten ai für die Größe der Frequenzänderung beim Anklingen die korrigierten Frequenzen errechnet. Ein Beispiel für eine mögliche Frequenzvariation ist: f - f0 (1 - aiet/Ti) (2) worin t die Zeit bedeutet.
• Dieser Vorgang dürfte relativ selten sein. Häufiger ist wahrscheinlich ein Frequenzvibrato f' = fo (1 - ß j sin #t) (3) Auch hier wird die Modulationsfrequenz # aus einem festen Speicherplatz und die Modulationstiefe ßj aus den Registerinformationen geholt. Zur selben Zeit werden die Amplituden aller Teiltöne eines gewählten Tones Ano aus Gleichung (5) abgerufen und zusammen mit den Zeitkonstanten Tn der Anklingvorgänge aus dem Hilfsspeicher und den Amplituden für die Variation an beim Anklingen zu der Jeweiligen dynamischen Amplitude verarbeitet: An = Anof(t, Tn, an) (4) Im Falle einer Undulation (tremolo) lautet der entsprechende Rechenvorgang An' = Ano (1 - bnsin#'t) (5) Schließlich errechnet der Mikroprozessor 3 auch noch den zeitlichen Verlauf des Schalldrucks bzw. einer ihm proportionalen Größe U U = ß Ansin (2e nft) (6) wobei n über alle interessierenden Teiltöne zu summieren ist. Die Phase der Teiltöne ist bekanntlich für den akustischen Eindruck ohne Belang.
• Die Größe U liegt in digitaler Form an einem bestimmten Ausgang des Mikroprozessors 3 vor. Ein Selektor 7 wählt den nächsten freien Digital-Analog-Wandler von Analog-Digital-Wandlern aus der Reihe 11 bis 22 aus und sorgt damit dafür, daß aus dem digitalen zeitabhängigen Wert U eine proportionale elektrische Größe wird, die einem oder mehreren Verstärkern 30 und Lautsprechern 31 zugeführt wird.
• Natürlich müssen die durchzuführenden Rechenprozesse so schnell ablaufen, daß sie innerhalb der Anklingzeiten nicht hörbar werden. Vereinfachungen dieses Systems ergeben sich zwangsläufig für Registrierungen mit vielen Registern. In diesem Falle kann eine gewisse Schematisierung und Zusammenlegung von Teiltönen ohne Einbuße an Klangschönheit vorgenommen werden. Diese Aufgabe kann im Selektor 2 untergebracht werden.
• Der Lesespeicher enthält alle wesentlichen klangästhetischen Komponenten in Form von Digitalinformationen. Er sollte daher entweder austauschbar oder löschbar und wiederprogrammierbar sein.
• 1 Figur 7 Patentansprüche

Claims (7)

1. Patentansprüche 1. Musikinstrument mit elektronischer Klangerzeugung, beispielsweise elektronische Orgel, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h Digitalspeicher zur Speicherung von analytischen Komponenten ausgewählter Teiltonzusammensetzungen (Klänge), durch eine Rechnereinheit zur Berechnung des zeitlichen Verlaufs des Schalldrucks aus den gespeicherten Informationen und durch einen Digital-Analogwandler zur Umwandlung des Rechenwertes in ein Analogsignal zur akustischen Wiedergabe.
2. 2. Musikinstrument nach Anspruch 1, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h eine Berechnung der zeitlichen Veränderungen von Frequenz und Teilamplituden während des An- und Abklingens eines Tons aus digital gespefcherten Daten.
3. 3. Musikinstrument nach Anspruch 1 und 2, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h eine multiplikative Berechnung der stationären Grundfrequenz aller Klänge aus einer wählbaren Grundfrequenz (absolute Tonhöhe), einem Faktor für die Oktave und einem Faktor für die Lage einer Taste in der Oktave, der auch die Stimmung ergibt.
4. 4. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine digitale Addition der errechneten zeitabhängigen Verläufe des Schalldrucks der Teiltöne und durch eine Umwandlung der Summe im Digital-Analogwandler zur Wiedergabe in analoge Spannungs-Zeitkurven.
5. 5. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Festwertspeicher für die Faktoren für die Lage der Taste in der Oktave.
6. 6. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Faktoren für die Lage der Taste austauschbar sind.
7. 7. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 6, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Einschaltautomatik für eine Ansteuerung von Faktoren für die temperierte Stimmung, mittels der weiterhin andere Stimmungen ansteuerbar sind.