DE4432694A1 - Tonabnahmeverfahren, welches bei Blechblasinstrumenten eine schnelle Grundfrequenzbestimmung der gespielten Töne ermöglicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kopplung von Blechblasinstru­ menten mit elektronischen Musikinstrumenten.

• 1. Es sind Kopplungsverfahren bekannt, welche die am Schalltrichter auftretende Luftschallschwingung auswerten. Wegen des großen Ober­ tonanteils der vom Schalltrichter abgestrahlten Schallanteile haben diese Verfahren jedoch große Schwierigkeiten bei der Berechnung der Grundtonhöhe aus kleinen Signalabschnitten. Gerade im Tonbereich unter 220 Hz (Ton a) treten hierbei zu große Verzögerungszeiten zwischen dem Originalklang und dem nachgesteuerten elektronischen Klang auf.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Tonabnahme bei Blechblasinstrumenten zu ermöglichen, welche eine Auswertung der Grundtonhöhe in ausreichernd kurzer Zeit gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die vom Spieler im Mundstück erzeugten Druckimpulse mit Hilfe eines piezoresistiven Relativdruckaufnehmers detektiert werden. Die Messung kann auch mit einem Mikrofon erfolgen.

Um den Zeitvorteil, der aus dieser Art der Messung resultiert, abschätzen zu können, ist es erforderlich, den sich beim Anblasen des Instrumentes ergebenden Einschwingvorgang zu betrachten. Einem geübten Spieler eines Blechblasinstrumentes ist es wegen seiner trainierten Lippenmus­ kulatur auch ohne Instrument möglich, seine Lippen mit einer relativ konstanten Frequenz zum Schwingen zu bringen. Für ihn stellt die Trompete nur ein Filter dar, welches die mit den Lippen erzeugten Klänge mehr oder weniger verstärkt. Spielt er mit dem Instrument, können sich die im Resonanzfall auftretenden stehenden Wellen frühes­ tens dann ausbilden, wenn es zu einer Rückkopplung der am Schall­ becherrand reflektierten Wellen mit der Schallquelle, also den Lippen des Bläsers, kommt. Der erste durch die Lippen des Bläsers erzeugte Druckimpuls wandert als näherungsweise ebene Welle durch das Instrument und wird am Schallbecherende reflektiert. Trifft die durch das Instrument zurücklaufende Welle gerade zu dem Zeitpunkt ein, in dem durch die Lippen des Bläsers der nächste Druckimpuls erzeugt wird, dann vergrößert sich die Amplitude des Schalldruckes erheblich und es tritt der Resonanzfall ein. Dieser, jetzt verstärkte Druckimpuls, durchläuft wieder das Instrument. Entsprechend den Transmissions­ eigenschaften des Schallstückes durchdringt ein Teil des Klanges das Schallstück und gelangt zum Ohr des Zuhörers. Ist es möglich, den im Trompetenmundstück auftretenden Druckverlauf auszuwerten, gewinnt man dadurch gegenüber einem Zuhörer im Fall der Grundmode einen Zeitvorteil vom dreifachen der vom Mundstück bis zum Schallstück auftretenden Impulslaufzeit (1½ Periodendauern). Wird ein höherer Teilton angeregt, vergrößert sich der Zeitvorteil entsprechend der Teiltonnummer. Weil jedoch mit größer werdender Tonhöhe die Reflexion am Schallstück abnimmt, vergrößert sich die Amplitude der nach einem Resonatordurchlauf transmittierten Klanganteile. Deshalb ist bei hohen Tönen der Zeitvorteil auf die einfache Impulslaufzeit durch den Resona­ tor beschränkt. Dies ist für die schnelle Grundtongewinnung nicht nachteilig, weil die Periodendauer bei hohen Tönen klein ist, und folglich der Modenzahl entsprechend viele Periodendauern innerhalb der einfachen Impulslaufzeit liegen.

Weil der im Mundstück auftretende Druckverlauf sehr grundtonhaltig ist, kann der zeitliche Abstand der erzeugten Druckimpulse z. B. über eine Bestimmung der lokalen Maxima im Signalverlauf ermittelt werden. Besonders bei den höheren Schwingungsmoden ist folglich die Tonhöhe bekannt, bevor der Zuhörer den Schall registrieren kann.

Dieses Kopplungsverfahren erlaubt dem Spieler sein eigenes und damit bekanntes Instrument zu verwenden. Die Originalinstrumente benötigen nur geringe Modifikationen in Form der mit den Druckauf­ nehmern versehenen Mundstücke. Diese könnten dann als Zubehör im Handel angeboten werden.

Anwendungsbeispiel Trompete

Der im Trompetenmundstück maximal auftretende Schalldruck von ca. 183 dB entspricht einer relativen Druckänderung von 300 mbar. Weil nur der Grundton des Schalldruckverlaufes interessiert, und somit der erforderliche Übertragungsbereich klein ist (bis etwa 1,6 kHz), kann zur Messung ein piezoresistiver Relativdruckaufnehmer mit gerade diesem Meßbereich verwendet werden. Diese Druckaufnehmer sind Meßwandler, welche die Meßgröße "Druck" in ein proportionales elektrisches Signal umwandeln. Die Umwandlung erfolgt über die elastische Biegung einer Membran aus einkristallinem Silizium unter einseitiger Druckeinwirkung. Eine in die Membran eindiffundierte Wheatstone′sche Brücke aus halb­ leitenden Widerstandselementen wird proportional zum einwirkenden Druck verstimmt.

Abb. 1 zeigt eine schematische Darstellung des in ein Trompeten­ mundstück eingebauten Relativdruckaufnehmers vom Typ TO8-13-005 der Firma Delta-Regeltechnik, München. Der Chip hat eine Größe von ca. 2,5 × 4 mm² und befindet sich in einem Gehäuse mit einem Durch­ messer von 12 mm. Die Ankopplung an das Mundstück erfolgt über einen Schallkanal mit einem Durchmesser von 0,5 mm und etwa 1 mm Länge. Um die akustischen Eigenschaften des Mundstückes möglichst wenig zu verändern, ist es erforderlich das durch den Meßaufbau zusätzlich angekoppelte Luftvolumen zu minimieren. Hierzu wurde das Gehäuse des Druckaufnehmers fast vollständig entfernt und das verbleibende Rest­ volumen mit einem Acrylkleber bis knapp unterhalb der Chipoberfläche aufgefüllt. Die Chipoberfläche wurde schließlich einige 1/10 mm hinter dem Schallkanal plaziert und mit einem Zweikomponentenkleber befestigt.

Abb. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf des Druckaufnehmersignales beim Anspielen des Tones b′′. Parallel dazu wurde mit einem wenige cm hinter dem Schallstück angebrachten Mikrofon der von der Trompete abgestrahlte Schall gemessen. Der Signalverlauf ist in Abb. 2b aufgetragen. Bei dieser Tonhöhe ist die Transmission durch das Schall­ stück groß. Deshalb setzt das Mikrofonsignal genau nach der einfachen Impulslaufzeit von 4,4 ms durch den Resonator ein. Weil es sich bei dem Ton b′′ um die vierte angeregte Mode handelt, werden bis zu diesem Zeitpunkt genau vier Druckimpulse erzeugt. Eine Grundtonbestimmung kann jetzt aus dem zeitlichen Abstand der Druckimpulse erfolgen. Die zur Analyse herangezogene effektive Signallänge von einer Perioden­ dauer der Grundschwingung ist dann vollkommen ausreichend.

Das Druckaufnehmersignal wird zur Auswertung über eine A/D-Schnitt­ stelle beispielsweise in den Speicher eines 486er PC′s abschnittsweise eingelesen. Mit Hilfe eines Assembler-Programms wird die genaue zeitliche Position der Druckimpulse bestimmt. Die sich hieraus ergeben­ den Frequenzwerte können dann in Steuersignale umgewandelt und einem elektronischen Musikinstrument zugeleitet werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur schnellen Grundfrequenzbestimmung von Blechblas­ instrumenten, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Messung der vom Spieler im Mundstück erzeugten Druck­ impulse mittels Relativdruckaufnehmern ein elektrisches Signal erhalten wird, welches zur Bestimmung der Grundfrequenz herangezogen werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Druckimpulse durch piezoresistive Druckaufnehmer erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Druckimpulse durch ein Mikrophon erfolgt.