DE3110759A1 - "mehrstimmiges elektrisches piano und verfahren zur erzeugung von dessen toenen" - Google Patents

Description

Mehrstimmiges elektrisches Piano und Verfahren zur Erzeugung

von dessen Tönen

Orgelartige und klavierartige elektrische Musikinstrumente sind analog in der Verwendung der Tastenbetätigung, unterscheiden sich jedoch weitgehend hinsichtlich Anschlagdynamik und Gehalt von Harmonischen. Bei einem elektrischen orgelartigen Instrument ruft ein tastenbetätigter Schalter eine oder mehr Stimmen hervor, die elektronisch durch einen elektronischen Oszillator und elektrische Teilerschaltungen erzeugt werden oder durch digitale Anordnungen, bei denen man aufgezeichnete Wellenformen und ein wiederholtes digitales Auslesen verwenden kann. Ausgewählte Noten und/oder Stimmen werden durch die vom Spieler vorgenommene Betätigung der Tastatur erzeugt, die elektrische Schalter steuert, die eine oder mehrere elektronisch erzeugte Stimmen zu einem Lautsprecher senden.

Bei den populärsten elektrischen Klavieren ist eine Tastatur vorgesehen, bei der die Betätigung einer jeden Taste auf mechanischem Weg die Schwingung einer Zunge oder Zinke hervorruft, deren Schwingung durch eine geeignete Abnehmervorrichtung in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann verstärkt und in einen Ton umgesetzt wird.

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Die elektronisch erzeugte Stimme und die Klavierstimme haben je eindeutige Eigenschaften/ die bei Spielern und Zuhörern Anklang finden. Die elektromechanische Erzeugung der Klavierstimme/ durch physisches in Schwingungen versetzen einer Zunge oder Zinke, schafft eine Anschlagdynamik im resultierenden Klang, die eine Amplitudenumhüllende erzeugt mit Ansprech- und Abklingeigenschaften, die eindeutig definiert sind, und zwar teilweise durch die mechanische und magnetische Konfiguration der Tastatur und des Wandlers, und teilweise durch den Musiker. Eine solche Anschlagdynamik gibt es bei den gewöhnlichen elektronisch erzeugten Stimmen des orgelartigen Instrumentes nicht. Um die rein elektronischen Stimmen des orgelartigen Instrumentes mit einem klavierartigen Klang zu versehen, sind verschiedene Versuche gemacht worden, um der elektronisch erzeugten Stimme eine synthetisierte Amplitudenumhüllende aufzuprägen. Solche Amplitudenumhüllenden sind teilweise durch verschiedene elektrische Schaltungen simuliert worden. Andere haben eine der Tontaste zugeordnete Schwingungszunge und elektrische Schaltungen vorgesehen, um die Amplitudencharakteristika der Zunge der elektronischen Tonquelle einer elektrischen Orgel aufzuprägen. Dabei handelt es sich lediglich um modulierte Orgelstimmen, die nicht den wirklichen Klang eines elektrischen Klaviers aufweisen, und es wird keine zufriedenstellende Anschlagdynamik erzeugt.

Bei früheren elektrischen Instrumenten, bei denen einer elektronisch erzeugten Stimme eine ausgewählte Amplitudenumhüllende aufgeprägt worden ist, wurden modulierende Schaltungen geringerer Genauigkeit, Präzision und Linearität verwendet. Solche Modulatoren verwenden Diodenschaltungen, deren Linearität bei niedrigen Amplituden durch die Leitschwellenwerte der Dioden begrenzt ist. Obwohl die Amplitudenumhüllende eines solchen Modulators derart sein kann, daß ein sehr weicher Ton oder ein Ton niedriger Amplitude erzeugt wird, rufen die typischen Dioden aufgrund ihres Leitschwellenwertes oft ein

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scharfes Abschneiden bei niedriger Amplitude hervor. Somit muß man in einschneidender Weise einen Kompromiß zwischen der Linearität eines solchen Modulators und dem erforderlichen weiten Bereich der Lautstärke schließen und einen Klang erzeugen, der in vielen Situationen unerwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Tasteninstrument zu schaffen, bei dem beides, Stimmen eines elektrischen Klaviers und elektronische Stimmen zusammen gespielt werden können und gewöhnlich zusammen gespielt werden, mit erweiterter Linearität der Modulation. Ferner soll es möglich sein, die Klavierstimme, wenn gewünscht, getrennt zu erzeugen, ohne irgendein Brummen oder einen anderen beeinträchtigenden Effekt.

Eine die erfindungsgemäßen Prinzipien verwirklichende bevorzugte Ausfuhrungsform besteht in einem mehrstimmigen Elektroklavier und einer Tonerzeugungsmethode, bei denen eine spielerbetätigte Tastatur zum schlagartigen Erzeugen einer Elektroklavierstimme verwendet wird, wobei eine elektronische Anordnung zur Erzeugung einer elektronischen Stimme vorgesehen ist. Die elektronische Stimme wird durch die Klavierstimme über einen weiten linearen Amplitudenbereich amplitudenmoduliert, und die modulierte elektronische Stimme wird mit der Klavierstimme kombiniert, so daß beide durch das Drücken einer einzigen Taste gleichzeitig gehört werden können. Gemäß einem Merkmal der Erfindung verwendet der Modulator einen Operationsverstärker zur Steuerung einer differenziellen bzw. differenzmäßigen Kombination von modulierenden und modulierten Signalen und der Arbeitsweise der Modulatordioden. Sehr wichtig ist es, daß die Schaltungen solchermaßen sind, daß die reine elektromagnetisch erzeugte Klavierstimme ohne Rauschen, Brummen usw. durchkommt, wenn es nicht erwünscht ist, die elektronische Stimme zu benutzen.

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Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden nun anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Blockschaltbild, in dem auch mechanische Teile eines erfindungsgemäßen mehrstimmigen Klaviers gezeigt werden;

Fig. 2 ein Schaltbild eines derzeit bevorzugten Detektors und eines Tor/Modulators, die bei dem Klavier nach Fig. 1 verwendet werden; und

Fig. 3 eine Schaltung einer alternativen Form eines Tor/Modulators .

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung eines einzigen Tons oder einer einzigen Note eines mehrstimmigen Klaviers, das den erfindungsgemäßen Prinzipien entspricht. Die Erzeugung dieser einzigen Note ruft entweder eine reine elektromechanisch erzeugte Klavierstimme mit eindeutiger Anschlagdynamik oder eine elektronisch erzeugte elektronische Stimme mit der selben Änschlagdynamik hervor, oder, gemäß dessen hauptsächlicher Arbeitsweise, den gleichzeitigen Klang der Klavierstimme und der elektronischen Stimme, beide mit derselben Anschlagdynamik. Mit Ausnahme des in Fig. 1 gezeigten Lautsprechers sind die in dieser Figur gezeigten Komponenten, sowohl mechanische als auch elektrische, für jede Taste des Instrumentes dupliziert. Für ein Klavier mit 88 Tasten sind somit 88 Anordnungen vorgesehen, die mit Ausnahme der Frequenz mit der in Fig. 1 geseigten Anordnung identisch sind. Es können aber für den Generator für die elektronischen Stimmen Teile gemeinschaftlich für die Erzeugung verschiedener Oktaven verwendet v/erden (beispielsweise durch einen Haupttongenerator und Teilerschaltungen) , so daß eine vollständige Duplizierung des

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Generators für die elektronische Stimmung in allen Punkten nicht erforderlich ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung umfaßt eine spielerbetätigte Tastatur und einen mechanischen oder Schwingungstongenerator, der allgemein mit 10 bezeichnet ist und auf einer Ausgangsleitung 12 eine Klavierstimme in Form eines elektrischen Signals hervorruft, das über einen Schalter 14 auf einen Mischer 16 geführt wird. Eine Klavierstimme auf Leitung 12 wird außerdem auf einen Gleichrichter 18 gegeben, der ein Signal erzeugt, das direkt der Amplitudenumhüllenden .der Klavierstimme auf Leitung 12 entspricht. Diese Umhüllende wird dann in einem Filter 2 0 gefiltert und auf einen Tor/Modulator 22 geliefert, der als zweites Eingangsignal eine elektronische Stimme erhält, die über einen Schalter 2 4 von einem Generator 26 für elektronische Stimme erzeugt wird. Das Ausgangssignal des Modulators wird auf zusätzliche Filterschaltungen 28 gegeben und von dort als ein zweites Eingangssignal auf den Mischer 16, der mit zusätzlichen Filter-, Wellenformungs- und Dämpfungsschaltungen versehen sein kann, die schematisch durch veränderbare Dämpfungswiderstände 30 und 32 dargestellt sind. Die dem Mischer 16 zugeführten Signale werden nach wahlweisem Formen, Filtern und Dämpfen von einem Lautsprecher 34 in einen Ton umgesetzt.

Bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung können verschiedene Typen von Tastaturen und klavierartigen Anordnungen eines elektrischen Klaviers verwendet werden. Jede hat ihre eigenen eindeutigen Anschlageigenschaften gänzlich anders als bei einer Orgel. Ton und Anschlagdynamik einer Elektroklaviertastaturanordnung, wie sie in der US-PS 3 644 65 6, und insbesondere derart, wie sie in der US-Patentanmeldung Nr. 859 918 ("Keyboard Construction For Pianos" von L. Absmann, eingereicht am 12. Dezember 1977) gezeigt ist, werden derzeit für die Verwendung beim erfindungsgemäßen mehrstimmigen Klavier bevorzugt. Ein Mechanismus gemäß US-PS 3 644 656 ist in Fig. gezeigt, hauptsächlich zu Erläuterungszwecken. Der in Fig. 1

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in Seitenansicht gezeigte einzige Klaviermechanismus bringt eine einzige elektromagnetisch erzeugte Klaviernote hervor, und zwar durch eine Anordnung, die eine Klaviertaste 40 umfaßt, die bei einem Drehpunkt 41 auf einem unteren Tragelement 42 schwenkbar montiert ist und zum Betätigen eines Hammers angeordnet ist, der bei 46 an einem Querträger 48 schwenkbar gelagert ist und außerdem vorübergehend einen Dämpfer 50 zurückzieht. Der Hammer schlägt gegen eine ein Schwingelement bildende und relativ geringe Masse aufweisende Zunge oder Zinke 52 einer asymmetrischen Stimmgabel, die außerdem einen verdrehten Tonstab 5 4 relativ großer Masse umfaßt. Beide, die Zinke 52 kleiner Masse und der verdrehte Stab 54 großer Masse sind fest aneinander befestigt dadurch, daß sie freitragend von einem gemeinsamen Basisteil 56 gehalten werden, das auf einem Querträger 57 federnd montiert ist.

Ein mechanische Werte in elektrische Werte umsetzender Wandler 58 ist einstellbar dem freien Ende der Zinke 52 benachbart montiert und spricht dadurch elektromagnetisch auf die Schwingung der Zinke an, daß er auf Leitungen 60 ein elektrisches Signal erzeugt, das über einen Klinkenstecker 62 auf eine Klavierstimmenausgangsleitung 12 gegeben wird. Das Anschlagen der Taste 40 bewirkt somit ein Schwingen der Stimmgabel und die Erzeugung eines elektrischen Signals mit einer Frequenz und einem Karmonischengehalt, die durch die asymmetrische Stimmgabel 52, 54, 56 bestimmt sind. Weitere Einzelheiten dieser Klaviertastatur sind in der US-PS 3 644 656 gezeigt. Nur als Beispiel ist eine besondere Art einer Elektroklaviertastatur und einer Elektrostimmentonerzeugung beschrieben worden. Andere Arten von Schwingzinken-Tongeneratoren können verwendet werden, um auf Leitung 12 eine Klavierstimme zu erzeugen, die, mit geeigneter Verstärkung, geliefert werden kann, um über den Lautsprecher 34 einen Klavierklang zu erzeugen.

Die dargestellte Anordnung erzeugt eine erste und echte elektromechanisch erzeugte Klavierstimme für das dargestellte Instrument.

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Eine zweite Stimme für dieses Instrument wird unabhängig von der Erzeugung der Klavierstimme hervorgebracht, jedoch unter Steuerung der Klavierstimme und in genauer, hinsichtlich des linearen Bereichs ausgedehnter Synchronisation hiermit zum Lautsprecher gegeben. Die Anordnung ist solchermaßen, daß, wenn beide Schalter 14 und 24 geschlossen sind, um die Klavierstimme und die elektronische Stimme zum Mischer 16 gelangen zu lassen, durch das Anschlagen der einzigen Taste 40 beide Stimmen auf den Mischer 16 geliefert werden, wodurch der Lautsprecher 34 die Kombination von Klavierstimme und elektronischer Stimme in einen Ton umwandelt, wie es ausführlicher in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben ist. Die kontinuierlich erzeugte elektronische Stimme wird von der Klavierstimme sowohl durchgeschaltet als auch amplitudenmoduliert. Sie wird von der Klavierstimme durchgeschaltet, so daß die elektronische Stimme nur dann zum Mischer gelangt, wenn auf Leitung 12 ein Klavierstimmensignal vorhanden ist. Die elektronische Stimme wird dadurch moduliert, daß man dafür sorgt, daß die Amplitudenumhüllende der elektronischen Stimme genau der Amplitudenumhüllenden der Klavierstimme folgt. Diese Modulation erhält die Klavieranschlagdynamik für die elektronische Stimme.

Bei dieser Anordnung, bei der das Anschlagen einer einzigen Klaviertaste zwei wechselseitig synchronisierte Stimmen erzeugen kann, die Klavierstimme und die elektronische Stimme, ist es erwünscht, eine direkte oder Eins- zu Eins-Beziehung zwischen der Lautheit des vom Wandler 58 gelieferten Klaviersignals und der Lautheit des Mischerausgangssignals zu schaffen. Besondere Probleme treten auf beim linearen Anpassen der Amplitude der elektronischen Stimme und der Amplitude der Klavierstimme bei niedrigen Schwingungsamplituden der Stimmgabel, bei Amplituden, die so niedrig sind, daß das Klavierstimmensignal auf Leitung 12 in der Größenordnung von 0,001 V oder weniger liegen kann. Ferner muß die gewünschte

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Genauigkeit der Linearität über einen Bereich erzeugt werden, der im Bereich 10.000 zu 1 oder bei etwa 80 dB liegt.

Bei der beschriebenen Anordnung, bei welcher das Anschlagen einer einzigen Taste zwei gesonderte Stimmen zum Mischen und zum gleichzeitigen Spielen durch den Lautsprecher hervorruft, ist es für einen guten Klang wesentlich, daß die beiden Stimmen genau synchronisiert sind und daß deren Amplitudenumhüllenden die gleichen sind. Bei bisherigen Diodenmodulatoren, die eine Leitschwellenwertspannung bis zu 0,5 V haben können, wird dieser Schwellenwert ein beträchtlicher Teil der maximalen Amplitude des Signals, wobei eine solche Amplitude beispielsweise im Größenbereich von 14V liegt. Die Verwendung einer solchen früheren Diodenmodulatoranordnung in dem beschriebenen mehrstimmigen Tasteninstrument würde bewirken, daß die elektronische Stimme bei niedrigen Amplituden der Pianostimme plötzlich abfällt, und daher würde die elektronische Stimme vor der Klavierstimme aufhören. Ferner würde dieser Unterschied in der Dauer, hervorgerufen bei der Verwendung eines solchen bisherigen Modulators, sich gemäß der Lautheit der gespielten Note verändern.

Bei Verwendung des nachfolgend beschriebenen Tormodulators werden die Wirkungen des Diodenleitschwellenwertes so klein gemacht, daß sie vernachläßigbar sind, und daher ist die elektronische Stimme sehr viel genauer und sehr viel linearer mit der Klavierstimme synchronisiert. Wenn demnach eine Taste angeschlagen wird, werden die beiden Stimmen über den Lautsprecher in einen Ton umgewandelt, wobei die Umhüllende der elektronischen Stimme eine identische Kopie der Umhüllenden der Klavierstimme ist, wodurch der durch das Drücken einer einzigen Taste erzeugte Klang durch die gleichzeitige Erzeugung zweier Noten hervorgerufen zu sein scheint. Die elektronische Stimme kann somit ihren einzigartigen und reichen

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Harmonischengehalt zur Klavierstimme hinzufügen.

Die Grundfrequenz des Generators 26 für die elektronische Stimme braucht nicht diesselbe zu sein wie die Grundfrequenz der Stimmgabel der Klaviernote, der die elektronische Stimme zugeordnet ist, sondern sie kann irgendeine beliebig gewählte Frequenz sein. Wenn der Generator für die elektronische Stimme jedoch so gewählt ist, daß er eine Grundschwingung hat, die zur Grundschwingung der Klavierstimme, der sie zugeordnet ist, in einem herkömmlichen Musikintervallverhältnis steht, wie im Verhältnis einer Terz oder einer Quint, erzeugt das Anschlagen der einzigen Taste den Klang eines Akkordes oder eines Paares von gleichzeitig auf dem Klavier gespielten Noten. Der Generator für die elektronische Stimme ist mittels eines Abstimmsteuerknopfes 64 gesondert abstimmbar, um dessen Grundfrequenz nach Wunsch zu verändern. Der Harmonischengehalt kann ebenfalls verändert werden, wie nachfolgend beschrieben ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird das von der Stimmgabel und dem Wandler oder Aufnehmer 58 erzeugte elektromechanische Tonsignal über die Leitung 12 auf eine Gleichrichterfilterschaltung gegeben, die einen Operationsverstärker 70 aufweist, dessen nicht-invertierender Eingang (mit einem + bezeichnet) geerdet ist und dessen invertierendem Eingang (mit einem - bezeichnet) das Tonsignal zugeführt wird. Die Rückkopplung vom Verstärkerausgang wird in zwei Wegen erzeugt, und zwar über eine Diode 7 2 und über eine Diode 74, die in Reihe zu einer Parallelschaltung aus einem Widerstand 76 und einem Kondensator 7 8 angeordnet ist. Im positiven Bereich liegende Teile des Klavierstimmensignals auf Leitung 12, die dem invertierenden Eingang des Verstärkers zugeführt werden, werden invertiert und gelangen über die Ausgangsdiode 74 auf einen Gleichrichterausgangsanschluß 80, an den ein Filterkondensator 84 angeschlossen ist. Im negativen Bereich liegende Teile des Klavierstimmensignals werden von- der Diode 74 blockiert. Somit erscheint am Gleichrichterausgangsanschluß 80 ein Steuersignal 82 in Form

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der Umhüllenden der negativen Amplitude der Klavierstimme, welche die eindeutige bzw. einzigartige Amplitudenumhüllende des Klaviers mit dem Ansprech- bzw. Einschwingeigenschaften und mit den Ausklingeigenschaften aufweist.

Der Generator 26 für die elektronische Stimme kann irgendeiner einer Anzahl verschiedener Arten bekannter Generatoren für elektronische Stimmen sein. Derzeit bevorzugt wird eine im wesentlichen herkömmliche treppenstufenartige Tonerzeugung, bei der drei Rechteckwellen, und zwar eine Grundwelle, eine zweite Harmonische und eine vierte Harmonische, kombiniert werden, um.ein elektronisches Signal mit einem gewählten Harmonischeninhalt zu erzeugen, wie es durch die Stromwellenform 88 in Fig. 2 gezeigt ist.

Das Signal 88 und das Steuersignal 82 werden dem Tor/Modulator 22 zugeführt. Für den Modulator wird ein Operationsverstärker sehr hoher Verstärkung benutzt, um die differenzmäßige Kombination der Signale 82 und 88 und die Funktion von dessen Dioden zu steuern.

Drei positive Rechteckwellen_; die gemeinschaftlich diese elektronisch erzeugte Treppenspannungsstimme bilden, werden über einzeln und unabhängig betätigte Schalter 2 4a, 2 4b und 24c und Widerstände 90, 92 bzw. 94 auf den invertierenden Eingang 96 des Modulatoroperationsverstärkers 98 gegeben, dessen nicht-invertierender Eingang 100 mit einer Quelle VB einer relativ kleinen negativen Spannung, wie beispielsweise -8,4 mV, verbunden ist. Das Steuersignal 82 am Gleichrichterausgangsanschluß 80 wird über einen Widerstand 104 ebenfalls auf den invertierenden Eingang 96 des Verstärkers gegeben. Der invertierende Eingang 96 des Verstärkers empfängt somit das positive Signal 88 der elektronischen Stimme und außerdem das negative Steuersignal, nämlich das Amplitudenumhüllungssignal 82, das sich zwischen Erde und einem negativen Wert, wie beispielsweise-15 V ändert. Die erzeugten Treppenstufensignalkomponenten würden sich, wenn sie

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kombiniert würden, zwischen Erde und +15 V ändern, obwohl die Wirkung des Verstärkers das Signal am Eingang 96 im wesentlichen auf Null hält oder gleich der sehr kleinen festen Spannung am Eingang 100.

Der Ausgangsanschluß 106 des Verstärkers 98 ist über drei verschiedene Rückkopplungswege mit dessen invertierendem Eingang 96 verbunden. Ein erster Rückkopplungsweg umfaßt eine Diode 108/ die an einem Punkt 112 in Reihe zu einem Widerstand 110 geschaltet ist, der anderen Endes mit dem Verstärkereingang 96 verbunden ist. Der Serienverbindungspunkt 112 zwischen der Diode 108 und dem Widerstand 110 bildet den Ausgang des Tor/ Modulators 22.

Ein zweiter Rückkopplungsweg wird durch eine zweite Diode gebildet, die entgegengesetzt zur Diode 108 gepolt ist und in einem niederohmigen Weg direkt zwischen den Ausgang des Verstärkers und dessen invertierenden Eingang geschaltet ist. Ein dritter Rückkopplungsweg, über einen kleinen Kondensator 116, ist vorgesehen, um einen Nebenschluß für die sehr hohen Frequenzkomponenten des elektronischen Treppenstufensignals zu bilden, so daß diese nicht als übergangsspitzen am Ausgang des Modulators erscheinen, wo sie eine unerwünschte Signalkomponente verursachen könnten.

Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei beiden Operationsverstärkern'70 und 98 um integrierte Schaltungen des Typs LF 353 von National Semi-Conductor oder des TL082 Dual J-FET Input Operational Amplifier von Texas Instruments. Es sind aber auch andere Operationsverstärker verwendbar.

Es wird nun die Arbeitsweise des Modulators beschrieben.

Wenn keine Note gespielt wird und keine Taste angeschlagen worden ist, tritt am Punkt 80 eine Steuerspannung Null auf.

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Die kontinuierlich erzeugte elektronische Stimme führt zu einem positiven Signal am Verstärkereingang 96, das wiederum ein negatives Signal am Ausgang 106 hervorruft. Dieses negative Signal spannt die Diode 108 in Sperrichtung vor, so daß kein Signal auf den Modulatorausgangsanschluß 112 gegeben wird. Das negative Signal am Verstärkerausgang 106 wird stattdessen über den entsprechend (negativ) gepolten Rückkopplungsweg mit der negativ gepolten Diode 114 geführt. Dieser Rückkopplungsweg weist keinen anderen Widerstand als denjenigen des Spannungsabfalls über der in Vorwärtsrichtung leitenden Diode auf. Wegen der extrem hohen Verstärkung dieses hochverstärkenden Verstärkers gilt: Wenn der Rückkopplungsweg für die elektronische Stimme, nämlich der die Diode 114 aufweisende Weg, einen größeren Widerstand aufwiese, würde diese Signalkomponente am Verstärkerausgang 106, die von der elektronischen Stimme hervorgerufen wird, einen beträchtlich höheren Betrag haben, einen Betrag, der ausreicht, um ein ungewünschtes Signal über die Kapazität der Diode 108 auf den Modulatorausgang 112 zu übertragen. Da jedoch im die Diode 114 umfassenden Rückkopplungsweg nur ein sehr kleiner Widerstand vorhanden ist, erzeugt das diesem sehr hoch verstärkenden Verstärker zugeführte Treppenstufeneingangssignal in Abwesenheit eines Steuersignals am Punkt 106 ein Signal vernachläßigbarer Amplitude, und somit gelangt zum Modulatorausgang kein Signal mit hörbarem Pegel.

Wenn eine Taste angeschlagen worden ist, wird die Klavierstimme über den Schalter 14 (Fig. 1) direkt auf den Mischer 16 gegeben und außerdem über die Leitung 12 zum Gleichrichterfilter 18, 2 0, an dessen Ausgang 80 die negative Steuersignalumhüllende 82 erscheint. Während des relativ kleinen Prozentsatzes der Periode der elektronischen Stimme, in weichem die Amplitude der elektronischen Stimme Null ist, erzeugt das Steuersignal, das dem invertierenden Verstärkereingang über den Widerstand 104 zugeführt wird, ein positives Signal am Verstärkerausgang 106,

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so daß die Ausgangsdiode 108 in Durchlaßrichtung vorgespannt und dadurch ein Signal am Modulatorausgang 112 erzeugt wird. Das verstärkte Steuersignal wird vom Verstärkerausgang am Punkt 106 über den positiv gepolten Rückkopplungsweg geführt, der die positiv gepolte Diode 108 und den dazu in Reihe geschalteten Widerstand 110 aufweist, wobei letzterer vorzugsweise einen Wert aufweist, der gleich demjenigen des Widerstandes 104 ist, über den das Steuersignal dem Verstärker zugeführt worden ist. Sind die Widerstände 104 und 110 einander gleich und liegt das Signal der elektronischen Stimme bei 0 V, liegt der Modulatorausgang am Punkt 112 auf einem positiven Wert, der gleich dem negativen Wert des Steuersignals 82 ist.

Wenn das Signal der elektronischen Stimme von seinem kurzzeitigen Nullwert aus in positiver Richtung geht und seine Amplitude gleich wird oder größer als die negative Amplitude des Steuersignals, wobei angenommen wird, daß beide dem invertierenden Eingang 96 gleichzeitig zugeführt werden, geht der Verstärkerausgang 106 auf Null oder auf einen Wert unter Null, da die beiden Signale am Punkt 96 differenzmäßig kombiniert werden. Jedoch kann kein negatives Signal durch die Diode 108 hindurchgelangen, und daher werden positive Werte der elektronischen Stimme, die amplitudenmäßig größer sind als die negativen Werte des gleichzeitig vorhandenen Steuersignals, durch die die Diode 108 enthaltende Schaltung gekappt .

Wenn nun das Signal der elektronischen Stimme beginnt, von seinem hohen positiven Wert auf einen positiven Betrag abzunehmen, der kleiner ist als der gleichzeitig auftretende negative Betrag des Steuersignals, beginnt der Betrag des Ausgangssignals am Verstärker 106 mehr positiv zu werden, und dieses positive Signal wird über die Diode 108 zum Modulatorausgang 112 übertragen. Somit wird am Modulatorausgang 112 das modulierte Signal 120 der elektronischen Stimme erzeugt, bei dem es sich um eine gekappte bzw. beschnittene

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Version des Treppenstufensignals 88 der elektronischen Stimme handelt (die abgeschnittenen oder blockierten Teile des Signals 88 sind gestrichelt unter der horizontalen Linie in der heuristischen Darstellung des modulierten Signals 120 gezeigt). Das modulierte Signal weist eine Amplitudenumhüllende auf (ebenfalls gestrichelt gezeigt), die sich entsprechend der Amplitudenumhüllenden des modulierenden Steuersignals 82 ändert. Um zu verhindern, daß Streusignale durch die Diode 108 gelangen, die beim Niclt-Vorhandensein eines Steuersignals 82 auftreten können, ist die Diode 108 mit einer kleinen Sperrvorspannung beaufschlagt, und zwar mittels eines negativen Signals, das dem nicht-invertierenden Eingang 100 des Verstärkers zugeführt wird. Dieses kleine negative Signal erzeugt ein negatives Signal am Verstärkerausgang 106, das die Diode 108 in Sperrichtung vorspannt. Die Sperrvorspannung an der Diode 108 ist klein aufgrund des sehr niedrigen (nahezu vernachläßigbaren) Widerstandwertes in dem die Diode 114 enthaltenden Rückkopplungsweg, da der Operationsverstärker versucht, das Signal an seinem invertierenden Eingang (bezüglich des Betrages) näherungsweise gleich dem Signal an seinem nicht-invertierendem Eingang zu halten. Die Verstärkung des Operationsverstärkers ist jedoch so hoch,daß dieses Vorspannungssignal und auch die Leitschwellenwerte der modulierenden Dioden eine im wesentliche vernachläßigbare Wirkung auf die Linearität des Modulators haben. Demgemäß wird selbst bei einer überaus kleinen Amplitude des Steuersignals eine entsprechend kleine Amplitude der elektronischen Stimme am Modulatorausgang erzeugt. Es ist die gewünschte Eins- zu Eins-Beziehung zwischen der Steuersignalamplitude und dem Modulatorausgang geschaffen (mittels der Gleichheit der Widerstände 104 und 110), und die Wirkung der Durchlaßspannungsabfälle der durchsteuernden und modulierenden Dioden sind unwesentlich aufgrund der Steuerung, die vom hochverstärkenden Operationsverstärker ausgeübt wird. Dadurch, daß der die Diode 114 enthaltende Rückkopplungsweg mit dem sehr niedrigen Widerstandswert vorgesehen ist, kann

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man ferner wirksam verhindern, daß die elektronische Stimme beim NichtVorhandensein eines Steuersignals durch den Modulator gelangt .

Eine modifizierte Version des Tormodulators 22 ist in Fig. 3 gezeigt, wobei das Umhüllendensteuersignal der Klavierstimme vom Gleichrichterfilterausgang am Punkt 80 über einen Widerstand 2 00 auf den nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 2 02 geführt wird, auf dessen invertierendem Eingang das kontinuierlich erzeugte elektronische Treppenstufenstimmensignal gegeben wird und zwar über Schalter 204a, 204b, 204c und Widerstände 206, 2 08 bzw. 210. Es sind wieder drei Rückkopplungswege zwischen dem Verstärkerausgang 212 und dem invertierenden Eingang des Verstärkers vorgesehen. Der erste ist durch eine seriengeschaltete Diode 214 und einen Widerstand 216 gebildet, der zweite durch eine seriengeschaltete, jedoch entgegengesetzt gepolte Diode 218 und einen Widerstand 220 und die dritte über einen Kondensator 222.

Bei dieser Anordnung werden sowohl das Steuersignal als auch das Treppenstufensignal den Verstärkereingängen als negative Signale zugeführt, die je zwischen 0 und etwa 15V variieren. Die differenzmäßige Kombination der beiden Verstärkereingangssignale wird in diesem Fall dadurch erzeugt, daß die beiden Eingangssignale mit derselben Polarität verschiedenen Eingängen zugeführt werden, während die differenzmäßige Kombination bei der Schaltung nach Fig. 2 dadurch erzeugt wird, daß die beiden Signale mit entgegengesetzten Polaritäten demselben Eingang zugeführt werden. Demgemäß sind die Dioden 214 und 218 anders gepolt als im Fall des zuvor beschriebenen Modulators, aber wieder sind die die beiden Dioden enthaltenden Rückkopplungswege entgegengesetzt zueinander gepolt. Das negative Steuersignal am nicht-invertierenden Eingang wird über den die Diode 214 und den Widerstand 216 enthaltenden ersten Rückkopplungsweg gegeben und erscheint am Modulatorausgang 226. Beim

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Fehlen eines Steuersignals spannt das dem invertierenden Eingang des Verstärkers zugeführte negative Treppenstufensignal die Diode 214 des ersten Rückkopplungsweges in Sperrichtung vor und erzeugt eine Rückkopplung über dem zweiten Rückkopplungsweg, der die entgegengesetzt gepolte Diode 218 und den Widerstand 22 0 enthält. Die Arbeitsweise ist derjenigen ähnlich/ die in Verbindung mit dem Tormodulator 22 der in Fig. 2 beschrieben worden ist, wobei jedoch einige Unterschiede im Ergebnis auftreten. Das Modulatorausgangssignal am Punkt 226 ist ein negativ gehendes Signal anstatt eines positiv gehenden Signals und wegen des Widerstandes 220 in dem die Diode 218 enthaltenden Rückkopplungsweg sind die Signalamplitudenschwingungen am Punkt 212, dem Ausgang des Verstärkers, die durch das negative Treppenstufensignal am invertierenden Eingang verursacht werden, von beträchtlich größerem Betrag als bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform, und daher neigen sie zum Lecken durch die inhärente Kapazität der Diode 214, die durch das invertierte Treppenstufensignal am Verstärkerausgang 212 in Sperrichtung vorgespannt ist. Teilweise aus diesem Grund wird die Schaltung nach Fig. 2 bevorzugt.

Wenn sowohl das Steuersignal als auch das Treppenstufensignal erzeugt werden, arbeitet der Modulator nach Fig. 3 so, daß die am Verstärkerausgang 212 erscheinende negative Steuersignalkomponente durch die am selben Punkt auftretende positive Treppenstufensignalkomponente verringert wird. Demgemäß wird das Modulatorausgangssignal am Punkt 226 von dem Betrag aus, der durch die Amplitude des einhüllenden Steuersignals erzeugt wird, um einen Betrag verringert, der vom Betrag des Treppenspannungssignals abhängt, und dadurch wird am Ausgang 226 eine modulierte und durchgesteuerte Stufentreppe negativer Amplitude erzeugt.

Man sieht, daß die beschriebenen Modulatoren Klemmdioden in den Rückkopplungsschleifen eines überaus hoch verstärkenden Operationsverstärkers benutzen, wodurch es möglich wird, daß die Klemm- oder Abschneidwirkung unabhängig von den Eigenschaften

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der Diode wird. In Modulatoren, bei denen Dioden oder als Dioden arbeitende Transistoren verwendet werden oder die im Sinn eines Abschneidens arbeiten wird der Abschneidevorgang überaus nichtlinear, wenn der Betrag der Steuerspannung sich dem Betrag der Durchlaßeinschaltspannung nähert. Die beschriebenen Modulatoren sind Präzisionsabschneideinrichtungen, bei denen die Schwellenwertspannungen der Dioden durch die überaus hohe Verstärkung des Operationsverstärkers ausgeschaltet oder überwunden werden. Ohne die Verwendung des Operationsverstärkers ist mit den Klemmdioden im erfindungsgemäßen mehrstimmigen Klavier die Klangqualtität inkorrekt bei einer weichgespielten Klaviernote, da die Harmonischen des Klanges, die von der elektronisch erzeugten Stimme beigesteuert werden, im Verhältnis zur Klavierstimme plötzlich wegsterben. Wenn ferner die Note mit größerer Kraft angeschlagen worden ist, dauert die elektronische Stimme relativ zur Klavierstimme eine längere Zeit an.

Ein bedeutsames Merkmal dieser Anordnung ist daher die Fähigkeit, die mechanische Anschlagdynamik des ursprünglichen Klaviermechanismus und die Klavierstimme zu bewahren und genau dieselbe Anschlagdynamik auf die elektronische Stimme aufzubringen. Anstatt einen Klang zweier verschiedener Instrumente in einem Gehäuse zu erzeugen, ist daher der Klang derjenige der Klavierstimme mit zusätzlichen Harmonischen, zu denen die elektronische Stimme beiträgt, und mit solchen Harmonischen, die exakt mit der ursprünglichen Klavierstimme ansteigen und abfallen, und zwar aufgrund des Präzisionstormodulators. Die beschriebene Anordnung erzeugt eine Linearität des Steuerbereichs, die im Größenbereich von 75 bis 80 dB liegt, und zwar abhängig von der Qualität des Operationsverstärkers. Der Linearbereich der Steuerung reicht von voller Lautstärke bis zu einem Pegel, der mindestens 60 dB unter der vollen Lautstärke liegt und ist typischerweise innerhalb eines Bereichs

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von 75 bis 80 dB. Mit anderen Worten, dem Klaviersignal wird genau gefolgt, bis es 80 dB schwächer ist als bei seiner maximalen Lautstärke.

Beispielsweise erzeugt das Anschlagen einer Klaviertaste mit einer großen Kraft typischerweise ein Abnehmersignal von etwa 100 bis 200 mV, und die Klavierstimme folgt der Amplitude der schwingenden Zinke genau bis das Ausgangssignal der Abnehmerspule 80 dB kleiner ist. An diesem Punkt ist die Klavierstimme kaum hörbar. Müßte man eine herkömmliche Diodenklemmung ohne die beschriebene Schaltung oder eine äquivalente Schaltung verwenden, erhielte man ein brauchbares Signal lediglich über einen Bereich von etwa 30 dB. In einem solchen Fall der Verwendung einer herkömmlichen Klemmung würden,wenn man die Klaviertaste mit großer Kraft anschlägt und nachdem die Klavierstimme um etwa 30 dB abgeklungen ist, die Lautstärke des Klaviers und die Lautstärke der durch die elektronische Stufentreppe hinzugefügten Harmonischen plötzlich zu divergieren beginnen. Wenn die Klaviertaste sehr weich angeschlagen worden ist, kann es ferner möglich sein, daß die Amplitudenumhüllende der Klavierstirame niemals einen Betrag erreichen würde, der ausreicht, um irgendeine der elektronisch erzeugten Harmonischen des Modulatorausgangs hervorzubringen.

Es wird auch in Betracht gezogen, daß jede Klaviernote mehr als einer elektronisch erzeugten Note zugeordnet sein kann, so daß die Klavierstimme mit einer oder irgendeiner gewählten Kombination verschiedener elektronischer Stimmen kombiniert sein kann. Zur Verwendung zweier oder mehrerer elektronischer Stimmen mit der Klavierstimme sind zwei oder mehr Modulatoren vorgesehen, von denen jeder dem Modulator 22 gleicht und jeder das Klavier—Umhüllendensteuersignal und eine der elektronischen Stimmen empfängt, wobei die Ausgangssignale aller Modulatoren in geeigneter Weise gemischt und auf den Lautsprecher gegeben werden.

130087/0640

Claims (6)

Mehrstimmiges elektrisches Piano und Verfahren zur Erzeugung von dessen Tönen Beanspruchte Priorität: "24. Juni 1980, V.St.A., Nr. 162 Patentansprüche

1. / Elektrisches Klavier mit
eimer von einem Spieler betätigbaren Tastatur / einer Schwingzinke, die so angebracht ist, daß sie durch Drücken einer Taste der Tastatur angeschlagen und in Schwingung versetzt wird,

einer Wandlereinrichtung zur Abtastung der Schwingung der Zinke und zur Erzeugung des Signals des mechanischen Tons, einer Einrichtung zum Umwandeln des Tonsignals in einen Klang,

und mit einer Vorrichtung zum Modifizieren des Signals des mechanischen Tons vor dessen Umwandlung in einen Klang, gekennzeichnet durch eine auf die Schwingung der Zinke (52) ansprechende Einrichtung (18, 2 0) zur Erzeugung eines Steuersignals (82)

POSTSCHECKKONTO: MÖNCHEN 50175-809

13006*7/0840

BANKKONTO: DEUTSCHE BANK A.Q. MÖNCHEN. LEOPOLDSTRASSE 71, KONTO-NR. 60/35794

311Q75S

mit einer Amplitude, die der Amplitude des Signals des mechanischen Tons entspricht,

einen Hilfstongenerator (27) zur Erzeugung eines Signals eines elektronischen Tons,

eine auf die Steuersignalgeneratoreinrichtung (18, 20) und den Hilfstongenerator (26) ansprechende Modulatoreinrichtung (22), mit der die Amplitude des Steuersignals (82) dem Signal (88) des elektronischen Tons aufgeprägt wird, um ein amplitudenmoduliertes Signal (120) des elektronischen Tons zu erzeugen, und mit einer Einrichtung (16) zum Kombinieren des modulierten Signals (120) des elektronischen Tons mit dem Signal des mechanischen vor der Umwandlung des Signals des mechanischen Tons in den Klang.

2. Klavier nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (24a, 24b, 24c; 204a, 204b, 204c) zum selektiven Variieren der Frequenz des Hilfstongenerators (26).

3. Klavier nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinke (52) eine relativ kleine Masse aufweist und daß eine längliche Metallstange (54) mit einer Masse, die viel größer ist als die der Zinke (52) , vorgesehen ist sowie ein gemeinschaftliches Basisteil (56) und eine Verbindungsvorrichtung zum Verbinden des Basisteils (5 6) mit einem Ende der Zinke (52) und einem Ende der Metallstange (54), wodurch eine Stimmgabel gebildet ist, bei der die Stange (54) zusammen mit der Zinke (52) schwingt.

4. Klavier nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulatoreinrichtung (22) eine auf das Steuersignal (82) und das Signal (88) des elektronischen Tons ansprechende Klemmdiodeneinrichtung (108; 214) zur Amplitudenmodulation des Signals (88) des elektronischen Tons in Abhängigkeit von dem Steuersignal (82) aufweist, ferner einen auf das Steuersignal (82) ansprechenden Operationsverstärker (98; 202) zur Überwindung des Leitschwellenwertes der Diodenanordnung (108; 214).

130067/O6A0

5. Verfahren zur Erzeugung von Musik, dadurch gekennzeichnet, daß schlagartig eine Schwingung einer Schwingzinke bei einer Grundfrequenz und deren Obertönen ausgelöst wird, die Schwingung der Schwingzinke in ein elektrisches Hauptsignal der Grundfrequenz und der Obertonfrequenzen umgewandelt wird, das eine Amplitudenumhüllende aufweist, die der Amplitudenumhüllenden der Schwingung der Schwingzinke entspricht, das Signal in Klang umgesetzt wird,

elektronisch ein elektrisches Hilfssignal erzeugt wird, dessen Amplitudenumhüllende der Amplitudenumhüllenden des elektrischen Hauptsignals entspricht und dessen Dauer der Dauer der Schwingung der Schwingzinke entspricht,

und das Hilfssignal mit dem Hauptsignal kombiniert wird, bevor letzteres in den Klang umgewandelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen der elektronischen Erzeugung des elektrischen Hilfssignals ein Steuersignal mit einer Amplitudenumhüllenden entsprechend derjenigen des Hauptsignals erzeugt wird, ein elektronisch erzeugtes Signal und das Steuersignal differenz- · mäßig einem Verstärkereingang zur Erzeugung eines Ausgangssignals an diesem Verstärker zugeführt wird, das Ausgangssignal über einen ersten und einen zweiten Einwegrückkopplungspfad, deren Polarität einander entgegengesetzt ist, zum Eingang zurückgekoppelt wird, und das Hilfssignal an einem Punkt in einem der Rückkopplungspfade erzeugt wird.

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