DE635479C - Musikinstrument mit auf elektrischem Wege hervorgerufener Klangfaerbung - Google Patents

Musikinstrument mit auf elektrischem Wege hervorgerufener Klangfaerbung

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DE635479C
DE635479C DET41939D DET0041939D DE635479C DE 635479 C DE635479 C DE 635479C DE T41939 D DET41939 D DE T41939D DE T0041939 D DET0041939 D DE T0041939D DE 635479 C DE635479 C DE 635479C
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Germany
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formant
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decoupling
sound
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DET41939D
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Inventor
Dr Paul Kotowski
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Telefunken AG
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Telefunken AG
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10HELECTROPHONIC MUSICAL INSTRUMENTS; INSTRUMENTS IN WHICH THE TONES ARE GENERATED BY ELECTROMECHANICAL MEANS OR ELECTRONIC GENERATORS, OR IN WHICH THE TONES ARE SYNTHESISED FROM A DATA STORE
    • G10H5/00Instruments in which the tones are generated by means of electronic generators
    • G10H5/10Instruments in which the tones are generated by means of electronic generators using generation of non-sinusoidal basic tones, e.g. saw-tooth

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Electrophonic Musical Instruments (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Sobald derFormanttransformator kapazitiv belastet wird, wird ein einzelnes Frequenzgebiet erheblich bevorzugt. Eine derartige Frequenzkurve ist in Abb. 8 dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Für die Klänge bei Einschaltung nur eines Formamen lassen sich aus Abb. g die Intensitäten der Teiltöne im Verhältnis zur Gesamtintensität leicht entnehmen.
  • 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.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrisches Musikinstrument mit Kippschwingungsgenerator und mit auf elektrischem Wege mittels Formantkreisen hervorgerufener Klangfärbung, dadurch gekennzeichnet, daß z-,v ecks Vermeidung von Störungen durch rückwirkende Spannungen von im Zuge des elektrischenAufbaues nachgeschaltetenKlangfärbungselementen auf vorhergehende zwischen den einzelnen Elementen eine derart weitgehende vorzugsweise frequenzunabhängige Entkopplung herbeiführende Mittel angeordnet sind, daß die rückwirkende Spannung gleich oder kleiner als- etwa der vom Generator erzeugten Spannung ist.
  2. 2. Instrument' nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Entkopplungsmittel Schaltelemente mit Ventilwirkung z. B. Dreielektrodenröhren, vorzugsweise in Verstärkerschaltung verwendet sind.
  3. 3. Instrument nach Anspruch i, bei dem ein Transformator zur. Ankopplung der Formantkreise dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärinduktivität des Transformators zum Zwecke der Entkopplung so klein ist, daß ihr Blindwiderstand klein gegen den Ankopplungswiderstand wird und daß die Sekundärinduktivität so groß ist, daß sie in Ver- Bindung mit Drehkondensatoren üblicher Abmessung (bis io ooo cm) gleichzeitig als Formantkreis dient. q.. Instrument nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungs-und Klangfärbungsmittel derart gewählt sind, daß durch sie gleichzeitig die durch Generator und nachgeschaltete -Entkopplungsmittel bedingte Übertragungskurve ausgeglichen ist.
DET41939D 1933-01-10 1933-01-10 Musikinstrument mit auf elektrischem Wege hervorgerufener Klangfaerbung Expired DE635479C (de)

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