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Elektrisches Musikinstrument mit mechanisch- elektrischer Schwingungserzeugung
Es sind einstimmige elektrische Musikinstrumente bekannt, bei denen die Musikfrequenz
durch Überlagerung zweier über (lern Hörbereich liegender Frequenzen erzeugt werden,
E's sind ferner mehrstimmige elektrische Musikinstrumente mit Tonerzeugung nach
dem Überlager ungsprinzip bekannt, bei denen ein Röhrengenerator konstanter Frequenz
und so viel Röhrengeneratoren verschiedener Frequenz vorgesehen sind, wie Töne erzeugt
werden sollen. Diese mehrstimmigen Instrumente erfordern jedoch einen großen Aufwand
und besitzen keine absolute Tonkonstanz.iDie vorgenannten Nachteile werden erfindungsgemäß
dadurch vermieden, daß an Stelle der Röhrengeneratoren zur Erzeugung der verschiedenen
Frequenzen Stäbe aus Stahl oder einem piezoelektrischen - Material benutzt werden,
die durch eine impulsartig auf sie einwirkende mechanische Kraft in ihrer Eigenfrequenz
in Longitudinalschwingungen versetzt werden und durch sie ein elektrostatisches,
magnetisches oder elektromagnetisches Feld gesteuert wird. Es-ist jeweils je einer
dieser Stäbe einem Ton des Instruments zugeordnet. Diese Anordnung, mit Hilfe einer
mechanischen Erregung Hochfrequenzschwingungen auf diese Weise zu erzeugen, hat
auch noch den besonderen Vorteil, durch den Tastenanschlag die Amplitude dieser
Hochfrequenzen beeinflussen zu können.
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Die durch die Stäbe erzeugten Schwingungen werden dann mit einem Hochfrequenzgenerator
zur Überlagerung gebracht. Die Verwendung mechanischer Schwingungserzeuger ergibt
die für ein Musikinstrument notwendige Tonkonstanz. Das Überlagerungsprinzip erteilt
diesen tonkonstanten mechanischen Schwingungserzeugern eine. Beweglichkeit in der
Frequenz, so daß z. B. Tonhöhenverschiebungen vorgenommen werden können und auch
Vibrato gespielt werden kann. Die nachfolgende Beschreibung bringt Ausführungsformen
für den Erfindungsgedanken. Es zeigen: Abb. i einen Grundriß zugleich mit Schema
einer Ausführungsform der Erfindung, Abb.2 einen teilweisen Querschnitt nach 2-2
der Abb. i, ' Abb.3 einen Querschnitt zugleich mit Schema zur Veranschaulichung
einer Abänderung eines Teiles der Ausführungsforin nach Abb. i und 2.
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Bekanntlich' ist die Grundfrequenz der Längsschwingungen von Stäben
und Stangen, deren Querabmessungen im Verhältnis zur Länge gering sind, nur von
der Länge und
dem Werkstoff abhängig. Bei Stahlstäben ist beispielsweise
die Grundfrequenz in Perioden je Sekunde etwa 25o 000 geteilt durch die Länge
in Zentimetern. Es ist daher zu erkennen, daß in der Längsrichtung schwingende Stäbe
besonders zweckmäßig zur Erzielung von Schwingungen hoher Frequenz sind. Für jede
Note des Umfangs des Instruments wird ein Stab verwendet. Die wahlweise hervorzurufenden
mechanischen Schwingungen werden in elektrische Schwingungen unigewandelt. Diese
Schwingungen werden zum Zusammenwirken mit den Schwingungen eines auf eine konstante
Frequenz abgestimmten Schwingungserregers gebracht, während die Differenzfrequenzen
aus diesem Zusammenwirken in Töne umgewandelt werden.
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Als konstante Frequenz wird beispielsweise eine solche von 25 ooo
Per./Sek. verwendet. Der Stab für jede '#\?ote wird dann auf eine Länge abgeschliffen,
die sich zur Erzeugung einer Frequenz von -25 ooo plus oder minus der Frequenz der
betreffenden Note eignet. Wenn auch die Grundfrequenz jedes einzelnen Stabs höher
oder niedriger als diejenige des Schwingungserzeugers konstanter Frequenz sein kann,
so soll doch in der Folge angenommen werden, daß sie höher ist. Daher können Stahlstäbe
zur Erzeugung von Tönen mit 28 bis 5000 Perioden Längen aufweisen, die -zwischen
rund ioo und rund 85 mm liegen und Schwingungen von 25 028 bis do ooo Per./Sek.
liefern.
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Abb. i und 2 zeigen mehrere derartige Stäbe i. Sie sind als festgeklemmt
in ihrer Mitte an einer verhältnismäßig schweren Grundplatte 2 aus Metall dargestellt,
etwa durch eine Leiste 3, die an zahlreichen Stellen zwischen den Stäben auf einer
Rippe q. der Grundplatte 2 festgeschraubt ist. Es ist zweckmäßig, daß die Leiste
3- und die Rippe 4. die Stäbe mit einer möglichst geringen Fläche berühren. Das
Festklemmen der Stäbe in der Mitte bietet gewisse Vorteile hinsichtlich der- Schwingungscharakteristik
der Stäbe, da ein so festgeklemmter Stab immer symmetrisch um diesen Punkt schwingt
und daher die Beanspruchung der Unterstützung durch die Schwingungen vermeidet.
Die Anforderungen an die Steifigkeit der letzteren sind daher erheblich niedriger.
Es soll aber nicht die Erfindung auf derart unterstützte Stäbe beschränkt werden,
es soll vielmehr nur auf die Verwendung längs schwingender irgendwie unterstützter
Stäbe' ankommen.
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Zur wahlweisen Betätigung der Schwingungen des Stabs i ist ein Hammer
5 vorgesehen, der das Ende des betreffenden Stabes anschlägt, beispielsweise infolge
des \ iederdrückens einer Taste 6 und mittels einer üblichen, nicht dargestellten
Klavierineehanik. Ein Dämpfer 7 kann normalerweise auf jedem Stab i aufliegen und
von diesem beim Niederdrücken der Taste 6 in der gleichen Weise wie die Dämpfer
normaler Flügel abgehoben werden. Ein Stab 8 kann unter allen Dämpferarmen 9 vorbeigehen
und dazu eingerichtet sein, alle Dämpfer beim Treten des Pedals io wie bei den üblichen
Klavieren anzuheben. Wenn auch das Verfahren des Anschlags mittels Taste zur wahlweisen
Erregung gedämpfter Schwingungen der Stäbe zu bevorzugen ist, so soll doch auch
das Instrument durch unmittelbaren Anschlag an die Enden der Stäbe ohne Tastenbetätigung
gespielt werden können,- auch sollen verschiedene Verfahren ohne Anschlagen verwendbar
sein, die gedämpfte oder ungedämpfte Schwingungen erzeugen.
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Zur Umwandlung der mechanischen Schwingungen der Stäbe in die entsprechenden
elektrischen Schwingungen ist ein elektrostatisches Umwandlungssystem gezeigt, das
an einem freien Ende des Stabes angeordnet ist. An diesem Ende treten alle in den
Schwingungen des Stabes vorhandenen Teilfrequenzen auf. Gegenüber dem hinteren Ende
jedes Stabes zeigt Abb. i eine elektrisch leitende Schraube i i in einem leitenden
Glied 12 und darin drehbar zwecks Einstellung des Abstandes ihres Kopfes vom Ende
des Stabes. Das leitende Glied 12 kann isoliert auf der Grundplatte 2 unter Vermittlung
der Isolierung i3 befestigt und elektrisch mit dem Gitter einer Glühkathodenvakuumröhre
14. verbunden sein. Die Kathode der Röhre 14 kann in beliebiger geeigneter Weise
gespeist werden, ihr Anodenstrom kann etwa von einer Abzweigstelle 15 einer Batterie
oder sonstigen Quelle mit hoher Spannung 16 geliefert werden, während> ihr Gitter
eine Vorspannung über einen hohen Widerstand 17 etwa mehr negativ als die Anode
in der Weise erhält, daß der Anodenstrom durch den parallel zu einem Kondensator
liegenden Widerstand 18 fließt. Die Grundplatte 2 und damit auch die Stäbe i liegen
an der positiven Klemme der Batterie oder Quelle 16 an. Eine elektrostatische Abschirmung
5o in Verbindung mit der Grundplatte 2 kann zweckmäßigerweise um die hinteren Teile
der Stäbe i, um die Schrauben i i und um 1q. und die ihr unmittelbar benachbarte
Apparatur vorgesehen sein.
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Es ist zu erkennen, daß zwischen jedem Stab i und der zugehörigen
Schraube i i eine kleine elektrostatische Kapazität besteht. Die gesamte von diesen
parallelen Einzelkapazitäten gebildete Kapazität wird über den Widerstand 17 mit
dem Potential der Batterie 16 geladen, doch kann wegen des hohen Wertes des Widerstandes
17 diese ,Ladung nicht schnell wechseln. Daher werden schwingungsmäßige
Änderungen
dieser Kapazität infolge mechanischer Schwingungen eines der Stäbe i eine entsprechende
schwingungsmäßige Änderung der Spannung an der Kapazität hervorrufen. Die am Widerstand
17 auftretende schwingende Spannungskomponente geht somit in die Röhre 14 und erscheint
verstärkt an deren Austritt, wie ohne weiteres zu ersehen ist.
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Wenn auch eine elektrostatische Art der Umwandlung dargestellt ist,
so soll die Erfindung doch nicht hierauf beschränkt werden, da längs schwingende
Stäbe ohne weiteres mehrere Uiriwandlungsverfahren ermöglichen. Eine kennzeichnende
andere Form ist durch den Querschnitt eines Stabes in Abb. 3 veranschaulicht. Hier
erscheint ein Stab i und seine Unterstützung wie in Abb. z. Rings um das hintere
Ende des Stabes, aber ohne Berührung mit diesem, kann eine Spule i g mit vielen
feindrahtigen Windungen und auf der Grundplatte 2 befestigt angeordnet sein. Ein
stetiges Feld kann um diese Spule durch eine Batterie oder eine andere Stromquelle
2o erregt sein. Schwingungsmäßige Änderungen dieses Feldes infolge der mechanischen
Schwingungen des Stabes erzeugen entsprechende schwingungsmäßige Änderungen - des
Stromes in ihrem Stromkreis, die zur Verwendung durch den Transformator 21 verfügbar
gemacht werden können. Gegebenenfalls kann die Batterie 2o fortgelassen und das
Feld durch permanente Magnetisierung des Stabes i erzielt werden.
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Viele andere Formen der Ausbildung können erwähnt werden, wie magnetelektrische
Schalldosen gegenüber den Enden der Stäbe, piezoelektrische Schalldosen an den Enden
der Stäbe oder die Stäbe selbst aus piezoelektrischem Material usw., was bedeutet,
daß jede geeignete Umwandlungsar t anwendbar sein soll.
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Die elektrischen Schwingungen des Umwandlungssystems können einem
elektrischen Modulator 22 zugeführt werden, dem gleichzeitig die Schwingung des
Schwingungserzeugers fester Frequenz zugeführt werden kann. Dieser Schwingungserzeuger
ist in Abb. i mit 23 bezeichnet, er kann jede beliebige Ausbildung (mechanisch oder
elektrisch) <rufweisen, mit der Beschränkung, elaß er eine elektrische Schwingung
liefert, die die geeignete feste Frequenz und vorzugsweise eine reiche Anzahl höherem
Harmonischer aufweist. So kann beispielsweise ein einfacher Valcuumröltrenr üclclcopplungsoszillator
oder ein solcher mit Steuerquarz oder einem schwingenden Stahlstab verwendet werden;
auch kann gegebenenfalls eine übersteuerte Verstärkungsstufe zur reichlicheren Erzeugung
von Harmonischen durch das Oszillatorsystem vorgesehen sein.
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Der Ausgangskreis des Schwingungserzeugers 23 mit fester Frequenz
kann durch eine Reihe von Filtern geregelt bzw. auf die Grundschwingung, zweite,
dritte, vierte usw. Teilschwingung abgestimmt werden. Diese Filter sind beispielsweise
als in Reihe abgestimmte Kreise dargestellt, die je eine .Induktivitä t 2d., eine
Kapazität 2,5 und einen veränderlichen Widerstand 26 enthalten, wobei zu
bemerken ist, daß die Reaktanz jedes Filters -auf eine andere Teilfrequenz des Schwingungserzeugers
abgestimmt ist. Die Verminderung des Ohmschen Widerstands von Widerstand 26 in einem
-der Filter vermindert die Leistung des Schwingungserzeugers bei der Frequenz, auf
die der Filter abgestimmt ist und umgekehrt.
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Im Modulator treffen alle Teilschwingungen aus dem Schwingungserzeuger
23 mit fester Frequenz mit allen Teilschwingungen zusammen, die von einem der Stäbe
i übertragen werden; die im allgemeinen mit den in den mechanischen Schwingungen
des betreffenden Stabes vorhandenen Teilschwingungen übereinstimmen. Eine große
Anzahl verschiedener Frequenzen findet sich somit in den vom Modulator ausgehenden
Schwingungen, aber die meisten werden sehr hohe Frequenzen sein und durch den Filter
27 für niedrige Frequenz beseitigt werden, der die Erzeugung des Modulators aufnimmt
und wirksam nur Frequenzen unterhalb einer gewissen Grenze, etwa 5ooo bis 8ooo Perioden,
durchläßt. Die kennzeichnenden aus dem Modulator kommenden Schwingungen werden die
Differenzfrequenzen zwischen der Grundfrequenz-des Schwingungserzeugers 23 und des
mechanisch schwingenden Stabes, zwischen der zweiten Harmonischen des Schwingungserzeügers_23
und des mechanisch schwingenden Stabes bzw. dritten Harmonischen usf. sein: Diese
Differenzfrequenzen bilden natürlich eine harmonische Reihe, und ihre relative Stärke
zwischen verschiedenen Harmonischen kann durch Veränderung der Widerstände 26 in
den Filtern im Austrittskreis des Schwingungserzeugers geregelt werden. So kann
die Klangfarbe des erzeugten Tones eingestellt werden.
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.Nach Durchgang durch Filter 27 können die aus dem Modulator kommenden
Schwingungen dem Potentiometer oder Tonstärkenregler 28 zugeführt werden, der beispielsweise
durch ein Pedal 29 betätigt wird und dann durch einen weiteren Verstärker
30 zu einem Lautsprecher oder sonstigem elektroakustischen Umwandler 31 zur
-Umwandlung in Töne gehen.
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Im Modulator 22 werden auch Differenzfrequenzen durch Obertragung
durch Filter 27
zwischen den Schwingungen entstehen, die von mehreren
gleichzeitig mechanisch schwingenden Stäben ausgehen. Diese sind ähnlich und zusätzlich
wie die schwachen Schwebungstöne, die das Ohr selbst- beim Anhören von zwei Noten
gleichzeitig erzeugt. Damit diese verhältnismäßig schwach neben den gewünschten
vorgenannten Differenzfrequenzen erscheinen, ist es zweckmäßig, der dem Modulator
vom Schwingungserzeuger 23 zugeführten Schwingung eine sehr große Amplitude im Vergleich
zu derjenigen des Umwandlungssystems zu erteilen. Es ist jedoch hervorzuheben, daß
-bei der Erfindung andere Mittel und Systeme zur Vermeidung dieser unerwünschten
Differenzfrequenzen verwendet werden können, wie z. B. Zusammenfassung der einzelnen
Schwingungsquellen für alle Noten c, der einzelnen Schwingungsquellen für alle Noten
cis usw. und die Verwendung von zwölf einzelnen Modulatoren für j e eine derartige
Zusammenfassung.