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Musikinstrument mit auf elektrischem Wege hervorgerufener Klangfärbung
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Musikinstrument, das mit Kippschwingungsgeneratoren
ausgerüstet ist und bei dem auf elektrischem Weg mittels Formantkreisen eine Klangfärbung
hervorgerufen wird.
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Die meisten elektrischen Musikinstrumente mit rein elektrischer oder
mechanisch-elektrischer Tonerzeugung liefern eine Spannung, die stets einen bestimmten
Oberwellengehalt hat. Die Aufgabe der elektrischen Klangfärbungsmittel ist, diesen
Oberwellengehalt zu verändern. Daneben können diese Mittel gelegentlich noch andere
Aufgaben, wie z. B. die Beeinflussung der Frequenzkurve des Musikinstrumentes, erfüllen.
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Insbesondere haben die Klangfärbungsmittel die Aufgaben: i. Hervorhebung
eines bestimmten festen Obertonreiches, des sogenannten festen Formanten, 2. Hervorhebung
bzw. Unterdrückung der Obertöne aller Töne unabhängig von der Frequenz von Grund-
und Obertöneni (bewegliche Formanten bzw. elektrische Entzerrer für hohe oder tiefe
Töne), 3. Abschneiden aller Obertöne oberhalb einer bestimmten Frequenz (Drosselketten).
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Alle diese Forderungen können nur in seltenen Fällen durch ,dieselben
Schaltmittel befriedigt werden. Jedoch lassen sich die Schaltmittel häufig zur Lösung
mehrerer Einzelaufgaben heranziehen. Zur Erläuterung des Erfindungsgegenstandes
werden im nachstehenden die Bedingungen für die Formantkreise in der Anwendung für
Kippschwingungsgeneratoren beschrieben, wenn auch die Formanten selbst-ebenfalls
für andere Instrumente verwendbar sind, unter der Voraussetzung, daß die erzeugte
Schwingung einen gewissen Oberwellengehalt besitzt.
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In der Abb. i ist schematisch ein Glimmlampenkippschwingungs:generator
dargestellt. Von einer Spannungsquelle E wird über einen Widerstand R ein Kondensator
C aufgeladen. Die Spannung an diesem Kondensator steigt dann nach folgendem Gesetz
an:
Sobald die Zündspannung der Röhre G erreicht ist, fließt zunächst ein kleiner Röhrenstrom
durch G, der die Strombahn öffnet, auf der die Kondensatorentladung vor sich gehen
kann, bis der Kondensator C entladen ist. Dann erlischt ,die Entladung durch das
Rohr G wieder und G bleibt gesperrt, bis die Spannung an dem Kondensator C wieder
bis zur Zündspannung angestiegen ist. Die Frequenzsteuerung des Generators geschieht
bei Glimmlampengeneratoren durch Steuerung
des Widerstandes R, der
in der Regel aus einer Dreielektrodenröhre in Widerstandsschaltung-besteht; bei
ionengesteuerten bzw*. Kallirotronkippschwinb ngsgeneratorendur@h' Steuerung der
Zündspannung des Generators.
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Bei allen diesen Schaltungen ergibt sich eiri Schwingungsbild nach
Abb, z, eine Expönentialkurve, die immer wieder bei der Zündspannung abbricht und
genau ansetzt. In der Abb. 2 ist auf :der Abszisse die Zeit t, auf der Ordinate
die Zündspannung e aufgetragen. Der Zusammenbruch erfolgt nicht immer bis zur Spannung
Null, sondern bis zur Löschspannung; die z. B. beim Glimmlampengerät 'Acht unter
der Zündspannung liegen kann. Tür die folgenden Betrachtungen kann ohne .wesentlichen
Fehler die Exponentialkurve gemaß ,Abb. -9 durch eine gerade Linie ersetzt werden,
so daß sich ein Spannungsbild nach Abb.3 ergibt. Ein solches Spannungsbild läßt
sich analytisch darstellen durch die Gleichung
Die Wechselspannung enthält also außer dem Grundton noch alle harmonischen Obertöne
mit einer Amplitude, die der Ordnungszahl umgekehrt proportional ist.
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Das Frequenzgemisch, da;s der Generator liefert, wird durch eine.
Doppelleitung auf die Formantnetzwerke übertragen, wobei dafür Sorge zu tragen ist,
.daß die Formantkreise den Generator nicht-beeinflussen. Erfolgt z. B. der Anschluß
des Vierpols parallel zum Kondensator, so wird eine Eigenschwingung der Formantkreise,
die über. der Kippschwingungsfrequenz liegt, den geradlinigen Spannungsanstieg-gemäß
Abb. 3a mit einer Sinusschwingung überlagern und eine vorzeitige oder verspätete
Zündung bewirken, wie dies in Abb. 3b veranschaulicht ist. Um ein solches Mitnehmen
des Generators durch den Formanten, musikalisch Wolf,. zu verhindern, sind gemäß
der Erfindung zwischen den Klangfärbungsmitteln eine derart weitgehende vorzugsweise
frequenzunabhängige Entkopplung herbeiführende Mittel- angeordnet, daß die rückwirkende
Spannung gleich oder kleiner als etwa
der vom Generator erzeugten Spannung ist. Ebenso müssen Entkopplungsglieder zwischen
Lautstärkeregelung und Klangfärbung vorgesehen werden, weil die Lautstärkenregelungsmittel
die Klangfarbe unzulässig" beeinflussen. Ein - elektrisches Musikinstrument wird
also stets schematisch der Abb. 4 -entsprechen, in der lediglich der oder die Verstärker
fortgelassen sind, die irgendwöeingeschaltetwerdenkönnen. Klangfärbungs- und Lautstärkeregelungsmittel
können -ihre Reihenfolge unter Umständen vertauschen, was aber, wie später nachgewiesen
wird, unzweckmäßig ist. Als Entkopplungsglieder können auch Dreielektrodenröhren
dienen. In der Abb. ¢ bedeuten G den Generator, E" Entkopplungsglieder, K die Klangfärbungsmittel,
L die Lautstärkenregelungsmittel und L-spr den Lautsprecher.
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Mit Rücksicht auf die Vermeidixng von Störungen durch rückwirkende
Spannungen ist es also wichtig, die aufeinanderfolgenden Glieder zu entkoppeln,
und zwar insbesondere die Klangfärbungselemente von dem vorhergehenden Generator
weitgehend zu entkoppeln, da sich sonst Frequenzänderungen bemerkbar machen, die
das Ohr als außerordentlich unangenehm und musikalisch störend empfindet. Praktische
Versuche haben ergeben, daß mit Rücksicht auf die Reizschwelle des Ohres gegenüber
Frequenzänderungen die rückwirkende Spannung gleich oder kleiner als etwa der vom'
Generator erzeugten Spannung
sein muß, was nachstehend noch näher erläutert werden soll. Die Entkopplung soll
vorzugsweise frequenzunabhängig vorgenommen werden.
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Bei ausgeführten Instrumenten hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt,
Klangfärbungsmittel und Lautstärkeregelungsmittel durch eine Verstärkerröhre, Generator
und Klangfärbungsmittel dagegen durch- Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten
zu entkoppeln.
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Die Abb. 5 veranschaulicht die Entkopplung zwischen Generator und
Klangfärbungsmitteln. Ist Ri der Innenwiderstand des Generators, RE der Widerstand
der Entkopplungsglieder, RK der Widerstand des Klangfarbenkreises, wobei alle Widerstände
für die Formantfrequenz betrachtet sind, so ist die an dem Schwingungskreis liegende
Spannung der Formantfrequenz
wo egl die erzeugte Generatorspannung ist. Betrachtet man jetzt umgekehrt
die vom Schwingungskreis auf den Generator rückübertragene Spannung, so findet man,
daß
ist, unter der Voraussetzung, daß RK<< RK und Ri<< RE ist. Durch
Versuche hat sich
herausgestellt, daß alle musikalischen Anforderungen
an Tonreinheit erfüllt werden, wenn
ist. Der als Schwungradkreis ausgebildete Klangfarbenkreis darf also selbst bei
der Resonanzfrequenz keinen Widerstand haben, der wesentlich mehr als etwa 5 °/o
des Entkopplungswiderstandes beträgt. Bei anderen Frequenzen als der Resonanzfrequenz
liegt der Widerstand des Schwingungskreises noch wesentlich tiefer, d. h. die Entkopplung
bewirkt notwendig einen schlechten Wirkungsgrad. Die vom Generator gelieferte Spannung
wird nur zu einem geringen Bruchteil ausgenutzt.
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Wesentlich ist hierbei noch, daß der Entkopplungsfaktor
annähernd frequenzunabhängig gemacht wird, indem der Frequenzgang von RE annähernd
dem Frequenzgang von Ri # RK angepaßt wird. Da der Ohmsche Widerstand des Schwingungskreises
mit der Frequenz wächst, so bleibt der maximale Entkopplungsfaktor, der auftritt
bei der Resonanzfrequenz des Formanten, auch bei einer Änderung der Einstellung
der Formantresonanzfrequenz annähernd konstant. Ist also das Gerät so eingestellt,
daß bei irgendeiner Formantfrequenz keine Mitnahme des Generators (kein Wolf) auftritt,
so wird auch bei einer Umstellung auf irgendeine andere Formantfrequenz keine Mitnahme
auftreten.
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Um die Klangfarbe stetig regeln zu können, werden im allgemeinen die
Geräte mit Drehkondensatoren ausgerüstet. Da die Drehkondensatoren praktisch nur
bis zu Werten von höchstens to ooo cm ausgeführt werden, sind Spulen mit einer Induktivität
von 6o Henry und, mehr erforderlich, um dieFormantf requenz tief genug legen zu
können. Bei der Ankopplung der Formantkreise an den Generator sind also die Bedingungen
zu erfüllen, daß einmal die für die Schwingungserzeugung notwendige große Induktivität,
andererseits aber auch die für ,die lose Ankopplung notwendige kleine Induktivität
vorhanden ist. Dies wird gemäß weiterer Erfindung am einfachsten durch die Verwendung
eines Transformators erzielt, der sekundär die für die Schwingungserzeugung notwendige
große Induktivität und primär die für die lose Ankopplung notwendige kleine Induktivität
besitzt. Hierbei wird noch der weitere Vorteil erzielt, daß der nachgeschaltete
Verstärker mit verhältnismäßig hohen Sekundärspannungen betrieben werden kann.
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Die eben als notwendig erwiesene lose Ankopplung des Formantkreises
an den Generator ergibt einen von der Linearität stark abweichenden Frequenzgang.
Zunächst sei angenommen, daß der Formanttransformator nicht kapazitiv belastet sei,
d. h. die Formantfrequenz sehr hoch gewählt sei. Nimmt man an, daß der Generator,
wie es tatsächlich immer der Fall ist, einen im Vergleich zum Entkopplungswiderstand
kleinen Innenwiderstand hat, so ergibt sich als Spannungsabfall am Schwingungskreis
für LK = 0,45 Hy die Frequenzkurve a-d .der Abb. 6, wenn. der Generator eine frequenzunabhängige
Klemmenspannung abgibt. Wie man aus Abb. a und Gleichung (r) sieht, gibt aber der
Generator eine um so kleinere Spannung ab, je höher die Frequenz ist, und zwar ergibt
sich für ein ausgeführtes Beispiel (vgl. auch Abb. 5) die Frequenzkurve b-b der
Abb. 6 für die Kippschwingungsamplitude in Abhängigkeit von der Frequenz. Nimmt
man an, daß die Frequenzkurve auch für die in den Kippschwingungen enthaltenen Grundwellen
richtig ist, so erhält man als Frequenzkurve des Gerätes mit kapazitiv nicht belastetem
Formanttransformator die Kurve c-c der Abb. 6. Durch einen besonderen Umschaltknopf
ist in den ausgeführten Instrumenten dafür gesorgt, daß auch die Frequenzkurve b-b
unter Umgehung des Formanttransformators erhalten werden kann. Man kann also ohne
Formanten Kurven steigenden und fallenden Frequenzganges herstellen.
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Wie Gleichung (2) zeigt, enthält die Kippschwingung alle Obertöne
mit einer etwa nach der harmonischen Reihe fallenden Intensität. Da nach Abb. 6a
eine Oberschwingung allein durch die Anpassung proportional ihrer Ordnungszahl verstärkt
übertragen wird, so sind in einem bestimmten Ton hinter dem kapazitiv nicht belasteten
Transformator alle Obertöne ebenso stark wie der Grundton enthaften. Die einmalige
Differentiation, die durch die schlecht angepaßte Spule bewirkt wird, hat also,
wie Abb. 7 noch einmal zeigt, eine Verstärkung des Oberschwingungsgehaltes mit sich
gebucht. Ein Ende findet das Frequenzspektrum bei hohen Obertönen bei idealem, völlig
kapazitätsfreiem Transformator erst bei Schwingungszeiten, die etwa gleich der Entladungszeit
,der Kippschwingung sind.
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Sobald derFormanttransformator kapazitiv belastet wird, wird ein einzelnes
Frequenzgebiet erheblich bevorzugt. Eine derartige Frequenzkurve ist in Abb. 8 dargestellt.
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Wie man sieht, wäre die Einfügung eines solchen Formantkreises in
ein obertonarmes
elektrisches Musikinstrument nicht nur zwecklos,
sondern sogar schädlich, da die Frequenzkurve die Erzielung einigermaßen frequenzunabhänggiger
Lautstärke sehr erschweren @vürde. Brauchbar ist ein solcher linear stark verzerrender
Kreis nur in Verbindung mit einem obertonreichen Generator, bei dem durch ihn nicht
nur eine bestimmte Klangfarbe erzeugt, sondern auch eine annähernd gleichmäßige
Frequenzkurve erreicht wird. Das gilt in gleicher "Weise für elektrische wie für
mechanische Musikinstrumente.
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Nimmt man an, wie bereits vorhin' daß ein bestimmter Anteil jeder
Kippschwingung als Grundton auftritt, so stelft Abb.6b die Kurve der Grundtöne dar.
In Abb.9 ist die dann aes der Verbindung von Abb.6b und Abb. 8 folgende Kurve für
die Übertragung der Grundtöne als Kurve a .dargestellt. Wie man sieht, ist der Grundton
einigermaßen rein und mit annähernd gleichmäßiger Lautstärke nur in einem sehr engen
Frequenzintervall von etwa 40o bis 700 IIz zu hören.
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Schlägt man dagegen den Ton 275 Hz an, so ist zwar der -Grundton nur
verhältnismäßig schwach zu hören (etwa 1o°/"). Der zweite Oberton fällt aber mit
der Resonanzfrequenz des Formantkreises zusammen. Der Ton 275 Hz hat nach
Abb. 6 b eine relative Stärke von o,78 (verglichen mit der Amplitude tiefer Töne),
der zweite Oberton hat nach Formel (2) die halbe relative Stärke, also
0,39. Er wird nach Abb.8 optimal übertragen. Trägt man die durch ihn, also
durch den im 275-I-Tz-Ton enthaltenen 550-Hz-Ton über 275 Hz in Abb. 9 ein, so findet
man dieSpitze,derKurve(Abb,.gb),die jeweils über dem Grundton aufgetragen die Intensität
des zweiten Obertones darstellt. Die Kurve (Abb. 9) ist also eine Frequenzkurve,
die ohne Rücksicht auf die Frequenz des Teiltones die Ausgangsspannung beim Drücken
eines bestimmten Grundtones darstellt. Die Rechnung ist für die Obertöne niedriger
Ordnungszahl ausgeführt und in Abb.9 darge-, stellt. Wie man sieht, erzeugt man
praktisch fast nur den Resonanzton des Schwingungskreises, welchen Grundton man
auch drückt. Der betreffende gedrückte Grundton ist nur zu einem häufig geringen
Prozentsatz in dem Tongemisch enthalten. Trotzdem ist der Gehöreindruck der des
klanggefärbten Grundtones.
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Wie bereits oben gesagt, liegen bei den musikalischen Klängen mechanischer
Instrumente mit ausgesprochener Klangfarbe durchaus ähnliche Verhältnisse vor. Die
Obertöne überwiegen an Intensität besonders bei tiefen Tönen die Grundtöne häufig
um ein mehrfuches (vg 1. C. V. R a m an , Handbuch der Physik, Berlin 1927, Bd.8,
S.354 ff. E. Meyer, ZS f. techn. Physik 1:2. 6o6. 1931).
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Für die Klänge bei Einschaltung nur eines Formamen lassen sich aus
Abb. g die Intensitäten der Teiltöne im Verhältnis zur Gesamtintensität leicht entnehmen.
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Aus der Frequenzkurve des Instrumentes kann man auf den Obertongehalt
der Generatorschwingung schließen, da praktisch bei jedem Ton nur die Verstärkung
des Formantbereiches für die Gesamtverstärkung wichtig ist. Wie sich aus der Frequenzkurve
nach Abb.9 ergibt, treten beträchtliche Schwankungen in der Lautstärke infolge der
Eigenschaften der eingeschalteten Resonanzkreise in Abhängigkeit von der Frequenz
auf. Die Abb. 1o veranschaulicht eine derartige Frequenzkurve. Bei der Bedienung
des Spielorgans im Sinne einer stetigen Frequenzänderung treten die aus der Abb.
1o ersichtlichen Schwankungen der Lautstärke ein, ohne daß der Lautstärkeregeler
betätigt wird. Zur Vermeidung dieser Schwankungen müssen besondere Maßnahmen getroffen
werden, die jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.