DE4432695A1 - Tonabnahmeverfahren für Streich- und Zupfinstrumente, welches eine schnelle Grundfrequenzbestimmung der gespielten Töne ermöglicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kopplung von Streich- oder Zupfinstrumenten mit elektronischen Musikinstrumenten.

• 1. Es sind Kopplungsverfahren bekannt, welche hauptsächlich den trans­ versalen Anteil der mechanischen Saitenschwingung mit Hilfe induktiver Tonabnehmer in ein elektrisches Signal umwandeln. Sie bestehen aus einer oder mehrerer Spulen pro abzunehmender Saite mit einem Permanentmag­ neten in der Mitte der Spulen. Eine Schwingung der Saite ändert den magnetischen Fluß durch die Spule und induziert eine elektrische Spannung.
• 2. Es sind Kopplungsverfahren bekannt, welche den am Instrument bei der Tonerzeugung auftretenden Körperschall mit Hilfe von piezoelek­ trischen Tonabnehmern in ein elektrisches Signal umwandeln. Sie beste­ hen aus einem oder mehreren Elementen eines piezoelektrischen Stoffes welche auf dem Korpus des Instrumentes angebracht oder in den Steg integriert werden. Auch bei diesen Verfahren werden hauptsächlich die transversalen Schwingungskomponenten umgewandelt.
• 3. Es sind Kopplungsverfahren bekannt, welche den vom Instrument erzeugten Schall mit Hilfe eines Mikrofones in ein elektrisches Signal umwandeln. Diese Mikrofone werden entweder auf den Korpus angebracht oder in der Nähe des Korpus positioniert. Auch in diesem Fall werden bevorzugt die transversalen Schwingungskomponenten übertragen.
• 4. Es sind weiterhin Kopplungsverfahren bekannt, bei denen die vom Spieler gespielte Tonhöhe ermittelt wird, indem der für das Anpressen der Saite auf den Hals der Instrumente erforderliche Druck einen mecha­ nischen Kontakt schließt. Die Kontakte können aus in den Hals der Instrumente integrierten Mikroschaltern bestehen. Eine andere Möglich­ keit besteht darin abzufragen, ob ein Schalter geschlossen ist, der durch die gedrückte Saite und - falls vorhanden - einem Bund gegeben ist.
• 5. Es sind außerdem Kopplungsverfahren bekannt, bei denen mit Hilfe von Ultraschall-Sendern Impulse in die Saiten eingekoppelt werden. Die Pulse laufen die Saite entlang und werden an der Stelle, an der die Saite auf das Griffbrett gedrückt ist reflektiert. Aus dem Zeitabstand zwischen dem Originalimpuls und dem reflektiertem Impuls kann auf die Tonhöhe geschlossen werden.

Bei den unter 1.-3. beschriebenen Verfahren wird das vom Instrument erzeugte akustische Signal ausgewertet. Zur Frequenzauswertung wird jeweils die transversale Komponente der Grundschwingung der schwin­ genden Saite herangezogen. Bei Tonhöhen unterhalb von a entsprechend 220 Hz werden hierbei häufig zu lange Signalproben benötigt. Gerade bei schnell gespielten Passagen von tiefen Tönen kann sich die zur Toner­ kennung unvermeidliche Verzögerungszeit zwischen dem Originalklang und dem nachgesteuerten elektronischen Klang sowohl für den Spieler, als auch für den Zuhörer störend bemerkbar machen.

Die unter 4. und 5. genannten Verfahren kommen im Prinzip ohne eine merkliche Verzögerungszeit aus. Sie haben jedoch den Nachteil, daß sie erhebliche Modifikationen der traditionellen Streich- oder Zupf­ instrumente erfordern, welche aufwendig und teuer sind, oder daß zur Realisierung der Verfahren sogar ganz neue Spezialinstrumente entwickelt werden müssen. Das dem Spieler eigene und bekannte Instrument läßt sich dann nicht zur Ansteuerung der elektronischen Instrumente verwenden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Tonabnahme bei Streich- und Zupfinstrumenten zu ermöglichen, die eine Frequenzbe­ stimmung aus sehr kurzen Signalproben erlaubt. Weiterhin soll den Spielern ermöglicht werden, eigene Instrumente mit wenig Aufwand umzurüsten, um sie an die elektronischen Instrumente anschließen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine der lon­ gitudinalen Saitenschwingung folgende Größe mit Hilfe einer der im folgenden beschriebenen Sensorelemente in ein elektrisches Signal umgewandelt und ausgewertet wird.

Die Umwandlung kann z. B. dadurch erfolgen, daß der longitudinale Anteil der mechanischen Saitenspannung mit Hilfe eines Kraftaufnehmers gemessen wird.

Die Umwandlung kann auch erfolgen, indem ein Piezoelement in den Saitenverlauf eingebaut wird.

Die Umwandlung kann auch erfolgen, indem die longitudinale Schwin­ gungskomponente induktiv erfaßt wird.

Die Umwandlung kann auch durch eine optische Wegverfolgung der longitudinalen Saitenbewegung erreicht werden.

Die Positionierung der Sensorelemente kann im Prinzip an jeder beliebigen Stelle im Bereich zwischen den beiden Befestigungspunkten der Saite vorgenommen werden.

Wird wie oben beschrieben die longitudinale Saitenschwingung detektiert, verdoppeln sich die gegenüber der Messung der transversalen Saiten­ schwingung auftretenden Signalfrequenzen. Dieser frequenzverdoppelnde Effekt soll mit der Abb. 1 veranschaulicht werden. In Abb. 1a ist die Grundmode der Saitenschwingung über den Zeitraum einer Periodendauer zu fünf aufeinanderfolgenden, äquidistant liegenden Zeitpunkten abgebildet. In Abb. 1b ist der Zeitverlauf einer Größe, welche der longitudinalen Saitenschwingung folgt - hier als Beispiel die mechanische Saitenspannung - jeweils bis zu diesen fünf Zeitpunkten eingetragen. Ist die Saite in Ruhe, so besitzt sie eine statische Saiten­ spannung, welche durch die Saitenlänge, das Material der Saite und die geforderte Tonhöhe festgelegt ist. Wird die Saite ausgelenkt, vergrößert sich die Saitenspannung entsprechend ihrer Längenzunahme. Diese Zu­ nahme der Saitenspannung findet jedoch pro Periodendauer der betrach­ teten Schwingungsmode zwei mal statt, weshalb die Modulation der Saitenspannung gerade die doppelte Frequenz besitzt.

Der entscheidende Fortschritt der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik liegt in der Verwertung dieser frequenzverdoppelnden Wirkung bei der Bestimmung der gespielten Grundfrequenz. Kein Verfahren der Tonhöhenerkennung kann vollständig ohne Verzögerungszeit auskommen, wenn ausschließlich das akustische Signal ausgewertet wird. Maßgebend für die Länge der zur Frequenzbestimmung erforderlichen Signalproben ist die Anzahl der innerhalb der Probenlänge liegenden Wellenzüge. Unab­ hängig davon, welche analoge oder digitale Auswertelogik zur Frequenz­ bestimmung dann auch verwendet wird, folgt aus einer verdoppelten Signalfrequenz eine Halbierung der erforderlichen Probenlänge und damit eine erhebliche Verringerung der auftretenden Verzögerungszeiten.

Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß der Spieler sein eigenes Instrument verwenden kann. Die Originalinstrumente be­ nötigen nur geringe Modifikationen in Form der einzusetzenden Kraft­ aufnehmer. Es wäre denkbar, das sie - bei den Streichinstrumenten - in den Saitenhalter eingebaut werden. Diese speziellen Saitenhalter könnten dann als Zubehör zu den ansonsten unveränderten Instrumenten angeboten werden.

Anwendungsbeispiel Kontrabaß

Soll eine schnelle Tonerkennung beim Kontrabaß realisiert werden, bietet es sich an, Kraftaufnehmer zwischen dem Saitenhalter und den Saiten­ enden der Saiten einzubauen. In Abb. 2 ist eine schematische Dar­ stellung der Vorrichtung gezeigt. Die verwendeten Kraftaufnehmer vom Typ 713-1 kN der Firma Erichsen GmbH, Wuppertal, enthalten eine Meß­ brücke mit Dehnungsmeßstreifen, welche sowohl eine dynamische Kraftmessung bis ca. 1 kHz, als auch eine statische Kraftmessung erlauben. Wie in Abb. 2 zu sehen ist, wurde auf der Untersaite des Kraft­ aufnehmers in das dafür vorgesehene Gewinde eine ca. 40 mm lange Schraube geschraubt (Durchmesser 5 mm). Um das aus dem Gehäuse ragende Schraubenende wurde ein ca. 2 mm dicker Eisendraht gewickelt (ca. 3 Umwicklungen). An das andere Ende des ca. 80 mm langen Drahtes wurde wieder durch Umwicklung ein Halteknopf befestigt. Es handelt sich hierbei um einen Metallzylinder von ca. 10 mm Länge und 7 mm Durchmesser wie er auch am unteren Ende der Kontrabaßsaiten zu finden ist. Dieser Halteknopf wird in die dafür vorgesehene Öffnung im Saiten­ halter anstelle des an der Saite befindlichen Halteknopfes eingeführt.

Am oberen Ende des Kraftaufnehmers wird ein ca. 10 mm langes Stück eines 4 Kant-Profilrohres mit einem Durchmesser von 20 mm und 1,5 mm Wandstärke angeschraubt. In der Mitte der oberen Fläche ist eine Öffnung mit einem Durchmesser von 3 mm gebohrt. Die Kontrabaßsaite wird dann solange durch die Öffnung gezogen, bis der Halteknopf die Saite festhält. Jetzt kann die Saite gestimmt werden und das Instrument ist spielbereit.

Abb. 3 zeigt das Fourierspektrum des mit dem Kraftaufnehmer gewonnenen Signales für den pizzicato gespielten Ton A₁. Die Grund­ frequenz des Tones beträgt 55 Hz. Wie aus der Abbildung zu entnehmen ist, liegt wie erwartet die Teiltonkomponente der doppelten Frequenz (110 Hz) um mehr als 20 dB über den übrigen Teiltonkomponenten. Sie kann deshalb zur Frequenzbestimmung herangezogen werden. (Der ver­ bleibende Grundtonanteil bei 55 Hz resultiert aus Unsymmetrien der Saitenschwingung.)

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Kraftaufnehmers ist durch die Möglichkeit der Auswertung des statischen Spannungsanteiles gegeben. Insbesondere bei den Streichinstrumenten hängt der statische Anteil der mechanischen Saitenspannung davon ab, an welcher Stelle der Spieler die Saite auf das Griffbrett drückt. Umgekehrt läßt sich folglich über die Brückenspannung auf die gegriffene Tonhöhe schließen. Mit dieser Vor­ abschätzung der Frequenz können z. B. Filtergrenzfrequenzen einer nach­ folgenden Bandpaßfilterung des Wechselanteils des Kraftaufnehmer­ signales erfolgen. Abb. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Zunahme des Gleichanteils der Brückenspannung und der Grundfrequenz der auf der A-Saite des Kontrabasses gespielten Töne. Die geschlossenen Rauten repräsentieren Meßpunkte; die durchgezogene Linie ist eine Parabelinterpolation.

Die Frequenzbestimmung erfolgt folgendermaßen: Durch eine Messung des Gleichanteils des Kraftaufnehmersignales läßt sich eine grobe Abschätzung der Tonfrequenz erreichen. Um Filtereinschwingzeit zu vermeiden, werden diese Kraftaufnehmersignale über eine A/D-Schnitt­ stelle beispielsweise in den Speicher eines 486er PC′s abschnittsweise eingelesen und mit Hilfe eines Assembler-Programms die Position der Minima des ungefilterten Signales bestimmt. Die Minima repräsentieren gerade die Nulldurchgänge der transversalen Saitenschwingung und damit den gesuchten Gleichanteil. Mit der auf diese Weise abgeschätzten Ton­ frequenz können die Grenzfrequenzen eines digitalen, programmierbaren Bandpaßfilters mit Hilfe des Rechners automatisch eingestellt werden. Nach erfolgter Bandpaßfilterung wird das Signal einem Frequenzzähler zugeführt. Dieser kann aufgrund der im Signalverlauf vorhandenen Nullstellen die Frequenz mit ausreichend großer Genauigkeit ermitteln. Diese Frequenzinformation kann anschließend in elektronische Steuer­ signale umgewandelt und einem elektronischen Musikinstrument zugeleitet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur schnellen Grundfrequenzbestimmung von Streich- und Zupfinstrumenten, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Messung einer der longitudinalen Saitenschwingung folgenden Größe ein elektrisches Signal der doppelten Grundfrequenz des gespielten Tones erhalten und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des longitudinalen Anteils der Saitenschwingung mit Hilfe von Kraftaufnehmern im Saitenverlauf erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des longitudinalen Anteils der Saitenschwingung mit Hilfe von Piezoelementen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des longitudinalen Anteils der Saitenschwingung induktiv erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des longitudinalen Anteils der Saitenschwingung durch optische Wegverfolgung erfolgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der statische Anteil der mechanischen Saitenspannung zur Vorab­ schätzung der Grundfrequenz herangezogen wird.