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Beschreibung
der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Stimmvorrichtung zum
Stimmen von Saiteninstrumenten, eine Gitarre, die eine Stimmvorrichtung
umfaßt,
und ein Verfahren zum Stimmen von Saiteninstrumenten, insbesondere,
allerdings nicht ausschließlich,
elektrische Gitarren.
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Der von einem Musikinstrument erzeugte Klang
kann als aus zwei Elementen bestehend angesehen werden, nämlich eine
Tonhöhe
oder Note, und eine Qualität,
die für
den gespielten Instrumententyp kennzeichnend ist. Qualitätsunterschiede
sind für das
menschliche Ohr leicht wahrnehmbar, beispielsweise der Klang eines
Klaviers und einer Violine, die die gleiche Note spielen. Diese
Qualitätsunterschiede
ergeben sich aus Unterschieden der komplexen Mischung der Harmonischen,
die sich aus der Konstruktion des Instruments ergeben, während die
Tatsache, daß das
menschliche Ohr zwei Noten als die gleichen identifiziert, obwohl
diese auf unterschiedlichen Instrumenten gespielt werden, von der
Gleichheit der Grundfrequenz herrührt (wobei die Harmonischen
Vielfache der Grundfrequenz sind).
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Verbesserungen aufgrund von Entwicklungen
bezüglich
der Ausgestaltung haben Instrumente hervorgebracht, die zumindest über eine
kurze Zeitperiode, beispielsweise während einer Übungsstunde
oder eines Konzerts, die gleiche Tonhöhe und Klangqualität nach Maßgabe (und
manchmal Fähigkeiten)
des Musikers erzeugen. Jedoch erzeugt ein Instrument aufgrund von
Veränderungen
der Temperatur oder der Feuchtigkeit oder anderer physikalischer
Veränderungen,
die eventuell nur auf das Alter oder die Benutzung zurückzuführen sind,
nicht notwendigerweise die gleiche Tonhöhe über eine längere Zeitperiode, beispielsweise
von Tag zu Tag.
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In der westlichen Musiknotenschrift
wird der hörbare
Frequenzbereich in Oktaven unterteilt, wobei die Frequenz jeder
Note das Doppelte der Frequenz der Oktave darunter ist. Eine Oktave
wird bezüglich der
Frequenz in zwölf
Noten in gleichen logarithmi schen Schritten, sogenannten Halbtönen, unterteilt, und
diese zwölf
Noten werden in eine Gruppe aus sieben Naturtönen eingeteilt, die durch die
ersten sieben Buchstaben des Alphabets gekennzeichnet sind, sowie
in eine Gruppe aus fünf
Noten, die durch deren Lage in Bezug auf die anderen sieben gekennzeichnet
sind, und entweder der nächsthöhere Halbton (Kreuz)
oder der nächstniedrigere
Halbton (b) sind.
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Es ist wünschenswert, daß ein Instrument
so eingestellt werden kann, daß die
durch eine beliebige Eingabe des Spielers erzeugte Note auf eine
andere Stimmung geändert
werden kann, üblicherweise über einen
kleinen Bereich. Die Hauptgründe
hierfür liegen
darin, daß das
trainierte Ohr an eine vorgegebene identifizierte Note gewöhnt ist,
die eine vorgegebene Frequenz erzeugt; oder um sicherzustellen, daß unterschiedliche
Noten, die von dem gleichen Instrument erzeugt werden, in einem
korrekten Verhältnis
zueinander stehen; oder um zu gewährleisten, daß verschiedene
Instrumente genau die gleiche Frequenz bei den gleichen Noten erzeugen,
wenn diese zusammen spielen. Wenn dies nicht der Fall wäre, ergäbe sich
ein unangenehmer Klang, da Schwebungsfrequenzen erzeugt werden.
Dieses Verfahren zum Einstellen der Ausgangstonhöhe oder Frequenz des Instruments
ist als Stimmen bekannt.
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Viele Instrumente, wie die der Blech-
oder Holzbläserfamilie,
können
nur eine Note innerhalb des Tonumfangs des Instrumentes gleichzeitig
zu spielen, wobei das Verhältnis
zwischen den verfügbaren
Noten im wesentlichen durch die körperliche Herstellung des Instrumentes
bestimmt ist, und wobei die Möglichkeiten
zum Stimmen auf eine Feineinstellung des gesamten Tonumfangs in
einem begrenzt ist. Andere Instrumente, beispielsweise die der Saiten-
und Tasteninstrumentenfamilie, haben mehrere oder sogar eine Vielfalt
von individuell gestimmten Komponenten. Mit dem Stimmprozeß für diese
Instrumente ist das Einstellen der korrekten relativen Stimmung
jeder einzeln gestimmten Komponente des Instruments verbunden. Die
Tonhöhe
der von einer Saite erzeugte Note hängt von ihrer physikalischen
Materialqualität
und von der Konstruktion ab, sowie von ihrer Länge und ihrer Spannung; und da
in den meisten Fällen
die Saiten selbst und die gestimmte Länge während des Stimmverfahrens nicht verändert werden,
ist die Spannung die einzige veränderliche
Variable.
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Aufgrund des Gewichts, der äußeren Erscheinung
und des Wunsches, daß die
Struktur des Instrumentes selbst zu der Qualität des erzeugten Klangs beiträgt, weist
das Instru ment eine strukturelle Steilheit auf, so daß die Spannung
der Saiten eine merkliche Krümmung
der Struktur hervorruft. Daher ändert
die Einstellung der Spannung jeder einzelnen Saite die Belastung,
die auf der Struktur des Instruments wirkt, wodurch dessen Form
unter Belastung verändert
wird und dadurch die Stimmung der anderen Saiten beeinflußt. Mit
anderen Worten ist die Stimmung einer einzelnen Saite nicht unabhängig von
der Stimmung der anderen, und die Erhöhung der Spannung einer Saite,
um ihre Tonhöhe
zu erhöhen,
ruft eine verringerte Spannung in den anderen Saiten hervor, und
umgekehrt. Daher ist ein iteratives Stimmverfahren notwendig, wobei
der Spieler jede Saite der Reihe nach stimmt, eventuell einige Male, auch
wenn die Ursache nur darin bestand, daß nur eine einzige Saite verstimmt
war.
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Elektrische Gitarren, die mit einer
Vibratoeinheit ausgestattet sind, sind besonders von diesem Phänomen betroffen.
Bei diesen Instrumenten sind die unteren Enden der Saiten in einer
Brückenplatte verankert,
die um ihre vordere Kante frei drehbar ist. Der Spannung der Saiten,
die die Brückenplatte
in eine Richtung rotieren lassen würde, steht die Spannung einer
oder mehrerer in dem Gitarrenkörper
angeordneten Federn entgegen und daher verbleibt die Brückenplatte
in einer Gleichgewichtsposition, in der die resultierenden Kräfte ausgeglichen
sind. Die Bewegung des Vibratoarms durch den Spieler bewegt dadurch
die Brückenplatte
von ihrer Gleichgewichtsposition weg, wodurch sich im allgemeinen
die Spannung der Saiten verringert und sich ein charakteristischer
Klangeffekt ergibt. Wird der Hebel freigestellt, geht die Brückenplatte
zurück
zu ihrer Gleichgewichtsposition und die korrekte Stimmung wird,
abhängig
von dem Fehlen von Reibung, wiederhergestellt. Es ist offenkundig,
daß jede
Veränderung
der Spannung in jeder Saite die Gleichgewichtsposition der Brückenplatte
verändert
und daher die Stimmung der anderen Saiten verändert.
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Aus der Druckschrift GB-A-2202075
ist bekannt, ein tragbares Stimmittel zum Stimmen der einzelnen
Saiten vorzusehen. Die Druckschrift US-A-4 803 908 offenbart das
Vorsehen einer Stimmvorrichtung für eine Gitarre, um alle Saiten
der Gitarre gleichzeitig zu stimmen.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, eine neue oder verbesserte Stimmeinrichtung für ein Saiteninstrument
vorzusehen.
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Gemäß eines ersten Aspekts der
Erfindung wird eine Stimmvorrichtung für ein Saiteninstrument vorgesehen,
das eine oder mehrere Saiten umfaßt, wobei die Stimmvorrichtung
eine Betätigungseinrichtung
zum Verändern
der Spannung der oder jeder Saite, eine Erfassungseinrichtung zum
Vorsehen eines Signals abhängig
von der Vibration der oder jeder Saite, und eine Analyseeinrichtung
zum Steuern der Betätigungseinrichtung
abhängig
von dem Signal zur Veränderung
der Frequenz der Vibration der oder jeder Saite in Richtung einer
gewünschten
Frequenz für
diese Saite umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Saiteninstrument eine Vibratobrücke
aufweist, die bewegbar ist, um die Spannung der oder jeder Saite
zu verändern,
wobei die oder jede Saite an einem Ende mit der Betätigungseinrichtung
verbunden ist und die Betätigungseinrichtung
mit der Vibratobrücke
verbunden ist.
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Die Betätigungseinrichtung zur Stimmung kann
ein Getriebe aufweisen, das zwischen dem Motor und der Saite angeschlossen
ist.
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Die Betätigungseinrichtung kann ferner
eine Spindel zur Verbindung mit einer Saite aufweisen, wobei der
Motor, das Getriebe und die Spindel in einer Linie liegen.
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Das Getriebe kann ein Umlaufgetriebe
sein.
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Das Umlaufgetriebe kann ein mehrstufiges Umlaufgetriebe
mit mehreren Umlaufstufen, beispielsweise sechs, umfassen, die ein
Untersetzungsverhältnis
im Bereich zwischen 2000 : 1 und 20000 : 1 aufweisen.
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Die Betätigungseinrichtung kann einen Gleichstrommotor
umfassen.
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Die oder jede Saite kann mit einem
Ende mit einer Vibratobrücke
verbunden sein und die Vibratobrücke
kann drehbar mit dem Saiteninstrument verbunden sein und bewegbar
sein, um die Spannung der oder jeder Saite zu verändern.
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Die Vibratobrücke kann eine Brückenplatte und
einen Sattel für
eine Saite aufweisen, und das Betätigungsmittel kann von der
Vibratobrücke
getragen werden.
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Der Motor kann auf der Brückenplatte
angebracht sein.
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Das Getriebe kann auf der Brückenplatte
angebracht sein.
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Die Stimmvorrichtung kann für ein Saiteninstrument
geeignet sein, das mehrere Saiten aufweist, und die Analyseeinrichtung
kann ein Signal abhängig von
der Vibration der Saiten empfangen und ein Ausgangssignal erzeugen,
um eine Betätigungseinrichtung
zum Einstellen der Spannung der Saiten zu steuern, wobei die Analyseeinrichtung
einen Stimmzyklus durchführen
kann, der folgende Schritte umfaßt: Einstellen eines umkonfigurierbaren
Filters zum Auswählen
eines Signals, das der Frequenz der Vibration einer ausgewählten Saite
entspricht, Erzeugen eines Signals, das an die Betätigungseinrichtung übertragen
werden soll, um die Frequenz der Vibration der einen Saite zu verändern, und
Wiederholen dieses Vorgangs für
jede Saite.
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Der umkonfigurierbare Filter kann
ein umkonfigurierbares digitales Bandpaßfilter umfassen.
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Die Analyseeinrichtung kann einen
Analog-Digital-Wandler aufweisen, um das Signal in ein digitales
Signal umzuwandeln, bevor das Signal an die umkonfigurierbare Filtereinrichtung
weitergegeben wird.
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Die Analyseeinrichtung kann eine
zweite Filtereinrichtung umfassen, wobei die zweite Filtereinrichtung
ein analoges Bandpaßfilter
zum Filtern des Signals umfaßt,
bevor das Signal an das umkonfigurierbare Filter weitergegeben wird.
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Die Analyseeinrichtung kann wenigstens
einen Betriebsmodus aufweisen, in dem die Analyseeinrichtung die
Betätigungseinrichtung
abhängig
von dem Signal betreibt, sowie einen Betriebsmodus, in dem die Analyseeinrichtung
eine optische Anzeige betreibt, welche das Stimmen jeder Saite abhängig von
dem Signal darstellt.
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Die Betriebsmodi können von
einem Bediener wählbar
sein.
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Die optische Anzeigeeinrichtung kann
eine LED umfassen, wobei die LED eine erste Farbe zeigt, wenn die
Frequenz der Saite über
einem voreingestellten Frequenzbereich liegt, und eine zweite Farbe,
wenn die Frequenz der Saite unterhalb eines voreingestellten Frequenzbereichs
liegt.
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Die Analyseeinrichtung kann in der
Lage sein, die oder jede Saite innerhalb von 0,02 eines Halbtons
einer für
diese Saite gewünschten
Frequenz zu stimmen.
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Die Saiten können durch ein einzelnes Anschlagen
zum Schwingen gebracht werden, und die Analyseeinrichtung kann abhängig von
diesem Anschlagen mehrere Stimmzyklen durchführen.
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Die Analysevorrichtung kann eine
Vielzahl dieser Stimmzyklen durchfülren, wobei jeder Stimmzyklus
außer
des ersten Zyklus der Vielzahl von Stimmzyklen den weiteren Schritt
des Messens der Frequenzveränderung
der einen Saite abhängig
von dem Betrieb der Betätigungseinrichtung
in dem vorhergehenden Stimmzyklus und die entsprechende Veränderung
des Betriebs der Betätigungseinrichtung
in dem vorliegenden Zyklus umfaßt.
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Der Schritt des Einstellens des umkonfigurierbaren
Filters zum Auswählen
einer Saite kann das Einstellen des umkonfigurierbaren Filters auf
eine Mittenfrequenz umfassen, die einer gewünschten Frequenz einer der
Saiten entspricht.
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Das umkonfigurierbare Filter kann
so eingestellt werden, daß es
eine Breite aufweist, die einem voreingestellten Frequenzbereich
entspricht, und die Analyseeinrichtung kann den Stimmzyklus durchführen, falls
die Frequenz der Vibration jeder Saite innerhalb des voreingestellten
Frequenzbereichs liegt, wenn das umkonfigurierbare Filter so eingestellt
ist, daß es
eine Mittenfrequenz hat, die der gewünschten Frequenz der jeweiligen
Saite entspricht.
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Die Analyseeinrichtung kann ein Signal
abhängig
von der Vibration der Saite empfangen, das umkonfigurierbare Filter
auf eine Mittenfrequenz einstellen, die Mittenfrequenz erhöhen, um
die Frequenz der einen Saite zu identifizieren, und eine optische
Anzeige des Stimmzustands dieser Saite vorsehen, wenn eine ausgewählte Saite
ursprünglich außerhalb
des voreingestellten Frequenzbereichs liegt.
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Die Stimmvorrichtung kann eine Analyseeinrichtung
umfassen.
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Gemäß eines zweiten Aspekts der
Erfindung wird eine Gitarre mit einer Vielzahl von Saiten vorgesehen,
die eine Stimmvorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt.
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Die Erfassungseinrichtung kann einen
Abnehmer umfassen. Der Abnehmer kann eine Spule umfassen, die auf
alle Saiten anspricht.
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Die Erfindung wird nun anhand von
Beispielen beschrieben, wobei auf die folgenden Zeichnungen Bezug
genommen wird:
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1 ist
ein diagrammartiger Querschnitt durch eine übliche elektrische Gitarre.
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2 ist
ein diagrammartiger teilweiser Querschnitt mit einem vergrößerten Maßstab durch die
elektrische Gitarre von 1,
die gemäß einer Ausführung der
Erfindung verändert
wurde.
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3 ist
ein schematisches Diagramm der Analysevorrichtung und der Betätigungsvorrichtung gemäß einer
Ausführung
der Erfindung.
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4 ist
eine diagrammartige Aufsicht eines Umlaufgetriebes gemäß einer
Ausführung
der Erfindung.
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5 ist
eine diagrammartige Darstellung der Funktion eines Algorithmus zum
Stimmen von Gitarrensaiten.
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1 zeigt
einen Teilschnitt einer typischen sechssaitigen elektrischen Vollkörpergitarre,
die mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und mit einer Vibratobrücke 11 ausgestattet
ist. Die Gitarre 10 umfaßt einen Körper 12, an dem ein
Hals 13 fest angebracht ist. An dem Ende des Halses 13,
an welchem die Stimmwirbel 15 angeordnet sind, ist ein
Kopf 14 fest angebracht.
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Die Vibratobrücke 11 ist in einer Öffnung 16 in
dem Körper 10 angeordnet,
wobei die Vibratobrücke 11 eine
Brückenplatte 17 umfaßt, auf
deren Unterseite ein Block 18 befestigt ist, und auf deren Oberseite
ein Satz von sechs Satteln 19 befestigt ist. Die vorde re
Kante 17a der Brückenplatte 17 ist
in Gräben 20 aufgenommen,
die auf einem Steg 21 vorgesehen sind, wobei der Steg 21 üblicherweise
zwei Stützen
mit Rinnen umfaßt.
Ein elastisch verformbares Element 22, beispielsweise ein
oder mehr Schraubenfedern ist mit einem unteren Ende des Blocks 18 und
einer Wand 16a der Öffnung 16 zwischen
diesen verbunden und drückt
die Vibratobrücke 11 in
eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn, wie in 1 gezeigt ist.
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Die Gitarre umfaßt mehrere Saiten 23.
Jede Saite 23 ist mit einem verlängerten Ende 24 versehen,
das in einem Sockel 18a auf dem Block 18 gehalten
wird. Jede Saite 23 läuft
gewöhnlich
durch einen getrennten Durchgang in dem Block 18 und in der
Brückenplatte 17 über den
jeweiligen Sattel 19, entlang des Halses 13 in
einer entsprechenden Rinne, die in einem Grat ausgebildet ist, welche
im weiteren als „Nuß" 13a bezeichnet
wird, und führt
daraufhin zu dem entsprechenden Stimmwirbel 15. Der Stimmwirbel 15 ist
im allgemeinen mit einem Schneckengetriebesystem zur gewünschten
Drehung der Spindel ausgestattet, um die Saite zu spannen, wobei
gleichzeitig durch das Schneckengetriebe durch den Gegenzug der
Saitenspannung einem Nachlassen entgegengewirkt wird. Die resonante
Länge der Saite 23 ist
daher die Länge
zwischen der Nuß 13a und
dem Sattel 19, und die Tonhöhe der erzeugten Note hängt von
der Konstruktion der Saite 23, der gestimmten Länge und
der auf der Saite 23 durch die Wicklung des Stinunwirbels
erzeugten Spannung ab. Die kombinierte Spannung der Saiten drängt die
Vibratobrücke 11 zu
einer Drehung in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn, der
die Wirkung des Elementes 22 entgegensteht, wie in 1 dargestellt ist. Daher
befindet sich die Vibratobrücke 11 in
einem Gleichgewicht zwischen dem Drehmoment, das durch die Saiten 23 ausgeübt wird,
und demjenigen, das durch das Element 22 ausgeübt wird.
Ein Vibratohebel 25, der mit der Vibratobrücke 11 verbunden ist,
kann durch den Bediener bewegt werden, um die Vibratobrücke um ihre
vordere Kante 17a auf der Brückenplatte 17 zu drehen.
Die Bedienung des Vibratohebels 25 verändert daher die Spannung der
Saiten und erzeugt einen charakteristischen Klangeffekt. Ein oder
mehrere Abnehmer 26 eines üblichen Typs sind auf dem Gitarrenkörper angeordnet,
um die Vibration der Saiten abzunehmen und ein entsprechendes elektrisches
Signal vorzusehen.
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Gemäß einer Ausführung der
Erfindung wird die oben beschriebene Standard-Vibratobrücke 11 durch eine
Vibratobrücke 30 ausgetauscht,
die nun anhand von 2 beschrieben
wird. Für
die Elemente, die den in 1 gezeigten
Elementen entsprechen, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Eine Brückenplatte 31 ist
vorgesehen, deren vordere Kante 31a, wie oben, auf Rinnen 20 aufgenommen
wird, die auf einem Anschlag 21 vorgesehen sind, welcher üblicherweise
ein Paar Stützen
mit Rinnen umfaßt.
In der Brückenplatte 31 ist
für jede
Saite eine drehbare Spindel 32 aufgenommen und umfaßt einen
Sockel 32a, um die verlängerten
Saitenenden 24 aufzunehmen, so daß die Saite sicher verankert ist
und um die Spindel 32 gewickelt wird. Jede Spindel 32 wird
von einem Betätigungsmittel
durch ein elektronisches Steuermittel (nicht gezeigt) drehbar gesteuert,
das einen Gleichstrommotor 33 umfaßt, der die Spindel über ein
mehrstufiges Umlaufgetriebe 34 antreibt. Die Drehung der
Spindel 32 in eine Richtung wickelt die Saite auf und erhöht daher
die Spannung und damit die Tonhöhe.
Die Drehung der Spindel in die entgegengesetzte Richtung verringert
die Spannung und verringert daher auch die Tonhöhe. Die Drehrichtung der Spindel
kann einfach gewählt werden,
indem der Gleichstrommotor mit einem Steuersignal der entsprechenden
Polarität
angetrieben wird. Das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes muß hoch
sein, da ein Gleichstrommotor üblicherweise
bei sehr hohen Drehzahlen mit einem sehr geringen Ausgangsdrehmoment
arbeitet, wobei die Spindel 32, die die Saite 23 aufwickelt,
für eine
genaue Steuerung der Stimmung mit einer sehr geringen Geschwindigkeit
gedreht werden und ein sehr hohes Moment überwunden werden muß. Es werden
keine speziellen Spindelverriegelungsvorrichtungen benötigt, um
eine genaue Stimmung aufrecht zu erhalten, da die unvermeidbaren
kleinen Beträge
an Reibung in einem Getriebe mit einer solchen hohen Übersetzung
den Motor 33 daran hindern, durch die Saitenspannung zurückgezogen
zu werden. Ein Satz aus sechs solchen Motoren 33 und Getrieben 34,
d. h. ein Motor und Getriebe für
jede Saite, werden nebeneinander in einem Block 35 montiert,
der auf der Brückenplatte 31 angebracht
ist. Die inneren Getriebeformen für die Umlaufgetriebe werden
in Öffnungen in
dem Block 35 gebildet, in dem die Getriebe 34 aufgenommen
sind. Die Motoren 33 sind üblicherweise, aber nicht notwendiger
Weise identisch, trotz der Eigenschaften der unterschiedlichen Saiten 23;
beispielsweise unterscheidet sich der Grad der notwendigen Spannung
merklich. Ebenso sind die Getriebe 34 üblicherweise, aber nicht notwendiger
Weise identisch. Die Vibratobrücke 30 wird
wie üblich
in der Öffnung 16 montiert,
die in dem Gitarrenkörper 12 vorgesehen
ist und gegen die Spannung der Saiten 23 durch das Element 22 in
einer Gleichgewichtsposition gehalten. Der normale Betrieb des Vibrato
mit dem Hebel 25 wird bewahrt, da die Motoren und die Getriebe
insgesamt in dem Block 35 enthalten sind. Da her ist keine
Veränderung
des Gitarrenkörpers 32 notwendig,
um die Vibratobrücke 30 aufzunehmen.
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In 4 ist
ein Umlaufgetriebe 34 in Aufsicht dargestellt. Das Getriebe 34 ist
in einer in dem Block 35 vorgesehene Öffnung 35a untergebracht,
wobei der Block 35 hier im Teilanschnitt dargestellt ist.
Das Getriebe 34 umfaßt
einen Eingangsschaft 36, der von einem Gleichstrommotor
angetrieben wird, und einen Ausgangsschaft 37, der in Antriebs-Verbindung
mit einer Spindel 32 steht. Das Umlaufgetriebe umfaßt sechs
Stufen A. Jede Stufe umfaßt
ein Sonnenzahnrad 38, in das vorzugsweise drei Planetenzahnräder 38a eingreifen.
Die Planetenzahnräder 38a und
die inneren Zähne,
die auf der Oberfläche 35b der Öffnung 35a vorgesehen
sind, greifen vorzugsweise ineinander. Die Planetenzahnräder 38a werden
drehbar auf einem Träger 39 getragen,
der durch den Ausgangsschaft 39a in Antriebs-Verbindung
mit dem Sonnenzahnrad 38 der darauf folgenden Umlaufstufe A
ist. Jede Stufe A des Getriebes sieht eine Verringerung der Geschwindigkeit
und eine Erhöhung
des Momentes vor. Es können
nach Bedarf verschiedene Anzahlen von Umlaufstufen A einbezogen
werden.
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Die elektronische Steuervorrichtung
der Stimmvorrichtung ist schematisch in 3 gezeigt und im allgemeinen mit 40 bezeichnet.
Jeder Teil der elektronischen Steuervorrichtung 30 umfaßt übliche elektronische
Komponenten und es kann jede beliebige Anordnung von Komponenten
verwendet werden, um für
jeden Teil die gewünschte
Funktion vorzusehen.
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Eine Leitung 41 sieht ein
Signal von dem Abnehmer 26 für eine zweite Filtervorrichtung
vor, die ein analoges Bandpaßfilter 42 umfaßt, wobei
der Abnehmer 26 in den 1 und 2 gezeigt ist. Das analoge
Bandpaßfilter 42 läßt nur die
Frequenzbandbreite durch, die die Grundfrequenzen der Saiten umfaßt, während so
viele höhere
harmonische Frequenzen wie möglich
gesperrt werden. Das analoge Bandpaßfilter 42 verstärkt das
gefilterte Signal, welches dann über
eine Leitung 43 an einen digitalen signalverarbeiteten
(DSP-) Microcontroller 44 geliefert wird. Für jede Saite
wird ein Motor 33a, 33b, 33c, 33d, 33e, 33f vorgesehen,
wobei jeder Motor die Spannung der entsprechenden Saite in Abhängigkeit
von entsprechenden Motorsteuerungen 45a, 45b, 45c, 45d, 45e, 45f verändern kann.
Eine Anzeigevorrichtung, die mit 46 angegeben ist, umfaßt vorzugsweise
mehrere LEDs (nicht gezeigt), um eine visuelle Anzeige für den Stimmstatus
jeder Saite vorzusehen. Die elektronische Steuervorrichtung 40 wird
durch eine Batterie 47 mit elektrischer Energie versorgt.
Um es einem Bediener zu ermöglichen,
den Betriebsmodus des Microcontrollers 44 auszuwählen, ist
ein Modusumschalter 48 ist vorgesehen.
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Der Microcontroller 44 umfaßt einen
Analog-Digital-Wandler, der analoge Signale von dem analogen Bandpaßfilter 42 in
ein quantisiertes digitales Signal umwandelt. Die Analog-Digital-Wandlung sieht
vorzugsweise ein 8-Bit-Signal vor, wobei auch andere Wortbreiten,
falls gewünscht,
verwendet werden können.
Der Microcontroller 44 umfaßt ferner Mittel zum Detektieren
und zum Messen der Frequenzkomponenten des digitalisierten Signals,
die den jeweiligen Saiten entsprechen. Der Microcontroller steuert
daraufhin jeden der Motoren 33a, 33b, 33c, 33d, 33e, 33f in
Abhängigkeit
von dem Signal des Abnehmers 26, indem ein Steuersignal über die Leitungen 49a, 49b, 49c, 49d, 49e, 49f an
die Motorsteuerungen 45a, 45b, 45c, 45d, 45e, 45f,
die den jeweiligen Motoren entsprechen, gesendet wird.
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Der Microcontroller 44 kann
ein Bauteil mit 8 Bit oder mit 16 Bit sein, wobei jede gewünschte Anzahl
von Bits möglich
ist. Alternativ kann jede programmierbare Einheit verwendet werden.
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Der Modusumschalter 48 kann
in eine von drei Positionen gebracht werden, um eine der drei Modi
auszuwählen.
Wenn sich der Modusumschalter 48 in einer ersten Position
befindet, wird ein erster Modus, der im weiteren als AUS-Modus bezeichnet wird,
ausgewählt,
so daß die
Gitarre ohne arbeitende Stimmvorrichtung gespielt werden kann. Die
Gitarre kann auch ohne weitere Unterstützung durch die Stimmvorrichtung
manuell gestimmt werden. Wenn ein zweiter Modus gewählt wird,
der im weiteren als STIMM-Modus
bezeichnet wird, schlägt
der Bediener alle Saiten an und der Microcontroller 44 ist
in Betrieb, um alle Saiten mit beispielsweise ± 0,02 Halbtönen der
gewünschten
Tonhöhe
zu stimmen. Um es zu ermöglichen,
daß die
Saiten so gestimmt werden, daß der
STIMM-Modus erfolgreich gewählt
werden kann, kann ein dritter Modus gewählt werden, der im weiteren
als EINSTELL-Modus bezeichnet wird. In diesem Modus stimmt der Bediener
die einzelnen Saiten in einer üblichen
Weise, indem er mit Hilfe der Wirbel am Kopf der Gitarre die einzelnen
Saiten stimmt, wobei eine visuelle Anzeige vorgesehen ist, um anzugeben,
wenn die Saite durch Stimmen in den vorbestimmten Frequenzbereich
gebracht wurde, in welchem der STIMM-Modus gewählt werden kann.
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In dem vorliegenden Beispiel umfassen
die Mittel, die in dem Microcontroller 44 zum Detektieren und
Messen der Frequenzkomponenten des digitalisierten Signals vorgesehen
sind, vorzugsweise eine erste Filtervorrichtung, die einen umkonfigurierbaren digitalen
Bandpaßfilter
aufweist. Die Bandbreite des analogen Bandpaßfilters 42 wird vorzugsweise
so gewählt,
daß die
Abtastfrequenz des digitalen Bandpaßfilters ausgeschlossen ist.
In dem vorliegenden Beispiel wird die Abtastfrequenz des digitalen
Bandpaßfilters
auf 2 kHz gesetzt, wenn die unteren E-, A-, D- und G-Saiten getestet
werden, und das digitale Bandpaßfilter
wird auf 4 kHz gesetzt, wenn die B- und die Hohe-e-Saite getestet
wird. Die Mittenfrequenz des digitalen Bandpaßfilters und die Breite können eingestellt
werden, wodurch das digitale Bandpaßfilter so eingestellt werden
kann, daß es
eine Mittenfrequenz aufweist, die der gewünschten Frequenz der zu stimmenden
Saite entspricht, sowie eine Breite, die davon abhängt, ob
der EINSTELL-Modus oder der STIMM-Modus ausgewählt wurde. Nur die in dem Signal
enthaltene Frequenz, die in die Frequenzbreite des digitalen Bandpaßfilters
fällt,
wird von dem digitalen Bandpaßfilter
durchgelassen. Die durchgelassene Frequenz ist in der Form einer
digitalisierten sinusförmigen
Wellenform, und die Frequenz wird gemessen, indem die Zeit zwischen
zwei Nulldurchgängen
der Wellenform gemessen wird. Jede Nulldurchgangs-Zeit kann genauer
bestimmt werden, indem eine lineare Interpolation zwischen den Signalwerten,
die sich neben dem Nulldurchgang befinden, durchgeführt wird,
und daher kann die Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen genauer berechnet werden. Andere
Techniken oder Messungen der benötigten Frequenz,
beispielsweise Fourier-Analyse, können verwendet werden, wenn
dies gewünscht
ist.
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Wenn der EINSTELL-Modus gewählt wurde, beispielsweise
wenn die Gitarre neu besaitet wurde, schlägt der Bediener nur die Saite
an, welche er momentan stimmt. Die Mittenfrequenz des digitalen Bandpaßfilters
wird von einer minimalen Frequenz über ansteigende Frequenzen
durchlaufen, bis ein Signal von dem digitalen Bandpaßfilter
durchgelassen wird. Indem auf diese Weise die Mittenfrequenz gescannt
wird, wird die Grundfrequenz der Saite erfaßt und alle höheren Harmonischen
werden vermieden. Die Frequenz des durchgelassenen Signals wird
mit dem oben angegebenen Nulldurchgangs-Verfahren gemessen. Die
zu stimmende Saite wird durch den Frequenzbereich identifiziert,
in den das durchgelassene Signal fällt, und die Frequenz des durchgelassenen
Signals wird mit der erforderlichen Frequenz für diese Saite verglichen. Von
der Anzeigevorrichtung 46, die sechs LEDs umfaßt; wird dann
eine visuelle Anzeige des Stimmstatus der Saite vorgesehen, wobei
jede LED einer Saite entspricht. Die LEDs sind vorzugsweise dreifarbige LEDs,
so daß eine
erste Farbe, z.B. rot, angezeigt werden kann, wenn die Frequenz
der Saite zu hoch ist, eine zweite Farbe, z.B. orange, angezeigt
wird, wenn die Frequenz der Saite zu tief ist, und eine dritte Farbe
z.B. grün
angezeigt wird, wenn sich die Frequenz innerhalb des vorbestimmten
Frequenzbereichs befindet, in welchem der Microcontroller die Saite
in dem STIMM-Modus stimmen kann. Der Bediener kann daraufhin die
Saiten abhängig
von der durch die LEDs dargestellten Stimminformation manuell stimmen,
bis alle LEDs der Anzeige die dritte Farbe aufweisen, wodurch angezeigt
wird, daß der STIMM-Modus
gewählt
werden kann, um das Stimmen automatisch zu Ende zu führen. Die
gewünschte Frequenz
für jede
Saite und die Parameter für
den umkonfigurierbaren digitalen Bandpaßfilter können in einem Speicher abgelegt
sein, der in dem Microcontroller 44 vorgesehen ist. Eine
Anzahl von verschiedenen Stimmniodi kann in dem Microcontroller 44 abgelegt
sein und von dem Bediener auswählbar
sein. Mit geeigneten Erfassungs- und Analysevorrichtungen ist es
natürlich
möglich,
daß ein
EINSTELL-Modus vorgesehen werden kann, indem alle Saiten gleichzeitig
angeschlagen werden.
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Wenn der STIMM-Modus ausgewählt wird, führt der
Microcontroller 44 die Schritte von 5 durch. Der umkonfigurierbare digitale
Filter wird auf die Tiefe-E-Saite eingestellt, und das System wartet auf
ein Signal mit einer Amplitude, die über einem vorbestimmten Schwellwert
liegt, der als Limit 1 bezeichnet wird. Der Bediener schlägt alle
Saiten der Gitarre an, und das Signal wird von dem Abnehmer 26 an
den Microcontroller 44 weitergegeben. Sobald ein Signal
detektiert ist, wartet der Microcontroller während einer ersten Einstellperiode,
bevor er fortfährt,
um sämtliche Übergangssignale
zu eliminieren.
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Wenn eine Gitarrensaite angeschlagen
wird, vibriert diese bei einer Frequenz, die höher als ihre Grundfrequenz
ist. Die Dauer und der Betrag der höheren Frequenz hängt davon
ab, wie hart die Saite angeschlagen wird. Die Stärke des Anschlags kann natürlich anhand
der anfänglichen
Amplitude des Signals dieser Saite berechnet werden. Sobald die
erste Einstellperiode nach dem anfänglichen Signal der Tiefe-E-Saite
verstrichen ist, wird das Verstreichen einer weitere Zeitverzögerung ermöglicht,
um die anfängliche
höhere
Frequenzvibration verklingen zu lassen und die Saite auf deren Grundfrequenz
einschwingen zu lassen. Die weitere Zeitverzögerung kann fest eingestellt
sein, beispielsweise auf zwei Sekunden, oder sie kann abhängig von
der anfänglichen
erfaßten
Amplitude veränderlich
sein.
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Sobald die weitere Zeitverzögerung verstrichen
ist, beginnt die Messung der Frequenzkomponente für jede Saite
erst, sobald die Amplitude des Signals Tiefe-E-Saite unter einen
vorbestimmten maximalen Schwellwert gefallen ist, welcher als Limit 2 bezeichnet
wird. Jede Saite kann, falls gewünscht, getestet
werden, allerdings ist es vorzuziehen, die Amplitude des Signals
der Tiefe-E-Saite zu testen, da die Zeit zum Verklingen der anfänglichen
höheren Frequenzvibration
für diese
Saite diejenige ist, die am längsten
andauert.
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Als weitere Kontrolle kann die Frequenz
der Vibration der Tiefe-E-Saite nach Variationen überprüft werden,
um zu kontrollieren, ob die Saite auf ihrer Grundfrequenz eingeschwungen
ist.
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Sobald die Zeitverzögerung verstrichen
ist und/oder die Tiefe-E-Saite auf ihrer Grundfrequenz eingeschwungen
ist und die Amplitude des Signals der Tiefe-E-Saite unter Limit 2 gefallen
ist, führt
die Stimmvorrichtung mehrere Stimmzyklen durch. In jedem Stimmzyklus
wird die Mittenfrequenz des umkonfigurierbaren digitalen Bandpaßfilters
für alle
Saiten der Reihe nach auf die gewünschte Frequenz eingestellt,
wobei mit der Tiefe-E-Saite begonnen wird. Die Amplitude des Signals,
das von dem umkonfigurierbaren digitalen Bandpaßfilter durchgelassen wird, wird
gemessen. Wenn die Amplitude unterhalb eines vorbestimmten minimalen
Schwellwertes ist, der als Limit 3 bezeichnet wird, nimmt
die Stimmvorrichtung an, daß kein
Signal vorliegt, führt
keine Stimmung dieser Saite durch und geht zu der nächsten Saite über. Die
Höhe des
vorbestimmten minimalen Schwellwertes wird eingestellt, um sämtliche
Störsignale
auszuschließen,
die sich durch Instabilitäten
des digitalen Bandpaßfilters
ergeben.
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Die Frequenz des von dem umkonfigurierbaren
digitalen Bandpaßfilters
durchgelassenen Signals wird daraufhin gemessen, und ihre Entfernung von
der gewünschten
Frequenz für
diese Saite wird berechnet. Ein Signal mit einem einzigen Impuls
wird an die entsprechende Motorsteuerung gesendet, um den Motor
für diese
Saite zur entsprechenden Erhöhung
oder Verringerung der Spannung drehen zu lassen, wobei die Länge des
Impulses die Zeit festlegt, während
der der Motor arbeitet, und damit den Betrag der Spannungsänderung,
während
die Polarität des
Impulses die Richtung festlegt, in der der Motor dreht, und somit
festlegt, ob die Spannung erhöht oder
verringert wird. Dieser Prozeß wird
dann für
jede verbleibende Saite durchgeführt.
Da die Veränderung
der Spannung in einer Saite die Spannung der restlichen Saiten verändert, wird
der Stimmzyklus je nach Bedarf wiederholt, bis entweder alle Saiten
gestimmt wurden, oder das Signal unter Limit 3 fällt. Es kann
sein, daß das
Stimmen beendet wird, nachdem einige der Saiten korrekt gestimmt
worden sind und einige nicht vollständig gestimmt worden sind,
da die Amplitude des Signals für
diese Saite unter Limit 3 gefallen ist, wobei in diesem
Fall die Saiten nochmals angeschlagen werden können, um die verbleibenden Saiten
zu stimmen.
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Da alle Saiten angeschlagen wurden,
ist in dem Signal nicht nur die Grundfrequenz jeder Saite enthalten,
sondern auch die höher
harmonischen Frequenzen, die innerhalb der Bandbreite des analogen
Bandpaßfilters 42 liegen.
Einige der harmonischen Frequenzen liegen in der Nähe der Grundfrequenzen
der anderen Saiten, und die Bandbreite des digitalen Bandpaßfilters
wird in dem STIMM-Modus genügend
eng für
jede Grundfrequenz gewählt,
um sämtliche
nahegelegenen harmonischen Frequenzen auszuschließen, und
stellt damit eine Vorbedingung für
das Stimmen der Saiten in einen vorbestimmten Frequenzbereich durch
den EINSTELL-Modus dar. Für
die B- und Hohe-e-Saiten liegen die harmonischen Frequenzen der
unteren Saiten zu nahe an den Grundfrequenzen, wobei an deren Stelle
die ersten Harmonischen der B- und Hohe-e-Saiten gemessen werden.
Durch Veränderung der
Spannung der B- und Hohe-e-Saiten, um die erste Harmonische auf
ihren korrekten Wert zu bringen, wird die Grundfrequenzen jeder
Saite ebenfalls auf die gewünschte
Frequenz gestimmt. Wenn ein Stimmzyklus durchgeführt wird, wird die Abtastfrequenz
abhängig
von der zu testenden Saite entsprechend eingestellt.
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Vorzugsweise wird die Bandbreite
des digitalen Bandpaßfilters
auf ±6-8%
der Mittenfrequenz eingestellt, d.h. innerhalb ungefähr eines
Halbtons.
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Alternativ wäre es möglich, eine Vielzahl von Filtern,
die entweder feste oder umkonfigurierbare Parameter haben, anstatt
des einzelnen umkonfigurierbaren digitalen Bandpaßfilters
zu verwenden. Die Verwendung eines einzelnen umkonfigurierbaren
Filters verringert die Anforderungen an die Hardware und damit die
Kosten der Stimmvorrichtung.
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Während
des ersten Stimmzyklus wird die Länge des Impulses, der an die
Motorsteuerung gesendet wird, gemäß einer vorbestimmten Regel
gewählt.
Bei zweiten und weiteren Stimmzyklen wird die Frequenzänderung
in der Saite gemessen, die von dem Impuls verursacht wurde, der
in dem vorangegangenen Stimmzyklus erzeugt wurde, und die Frequenzänderung
für diese
Saite, welche durch eine gegebene Impulslänge erzeugt wurde, wird berechnet.
Die Länge
des Impulses, der im folgenden Stimmzyklus erzeugt wurde, kann unter
Verwendung dieser Kalibrationsinformation verwendet werden. Dieser
Lernprozeß macht
einen anfänglichen,
getrennten Kalibrationsprozeß vor
dem Stimmen überflüssig. Zudem
wird die elektronische Steuervorrichtung in die Lage versetzt, Saiten
mit leicht unterschiedlichen Charakteristika zu stimmen, beispielsweise
von unterschiedlichen Herstellern, oder wenn sich eine Saite wegen
Alterung oder Abnutzung verschlechtert hat. Falls gewünscht, können andere
Impulsverfahren verwendet werden, beispielsweise indem eine Anzahl
von Impulsen an die Motorsteuerung gerichtet wird, wobei die Strecke,
die sich der Motor bewegt, von der Breite der Impulse (Pulsbreitenmodulation)
oder von der Anzahl der Impulse abhängt.
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Jeder Stimmzyklus in dem vorliegenden
Beispiel beträgt
ungefähr
1,2 bis 1,5 Sekunden. Idealerweise sollten nicht mehr als drei Stimmzyklen
zum Stimmen der Saiten benötigt
werden. Ein einziger Anschlag der Gitarrensaiten dauert zumindest
ungefähr
5 Sekunden, die ausreichen, um mindestens zwei oder drei Stimmzyklen
durchzuführen.
Die Zeit; die benötigt
wird, um jede Saite in jedem Zyklus zu stimmen, ist invers abhängig von
der Frequenz der Saite, und daher wäre es möglich, den Stimmzyklus zu beschleunigen,
indem zusätzlich
zu den B- und Hohe-e-Saiten anstatt der Grundfrequenzen die ersten
Harmonischen einiger oder aller Saiten gemessen werden.
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Die dreifarbigen LEDs können in
dem STIMM-Modus genutzt werden, um den Status der Saiten anzuzeigen.
Beispielsweise kann eine nicht gestimmte Saite mit einer roten LED
angezeigt werden, eine gestimmte Saite mit einer grünen LED
angezeigt werden, und eine Saite, deren Signalamplitude unter Limit 3 gefallen
ist, durch eine orange LED angezeigt werden.
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Die Tiefe-E-Saite ist die erste Saite,
die in einem Stimmzyklus gestimmt wird, da die Veränderungen
der Spannung der Tiefe-E-Saite die größte Auswirkung auf die Spannung
der anderen Saiten hat. Die Saiten werden abhängig von ihrer Wirkung auf die
anderen Saiten nacheinander gestimmt, wobei die Hohe-e-Saite zuletzt
gestimmt wird.
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Wenn die Bedienung eines Motors keine Änderung
einer Saitenfrequenz hervorruft, kann der Microcontroller die mögliche Ursache
identifizieren. Der Microcontroller kann den Strom überwachen,
der zu jedem Motor fließt.
Wenn kein Strom zu dem Motor fließt, kann es sein, daß der Motor
nicht angeschlossen ist, oder wenn sich die Frequenz einer anderen Saite
verändert,
kann der Motor falsch angeschlossen sein. Wenn ein normaler Strom
in den Motor fließt
und sich die Frequenz einer anderen Saite ändert, ist dies ein Anzeichen
dafür,
daß die
Saite in dem gemessenen Frequenzbereich falsch gestimmt wurde. Wenn
ein ungewöhnlich
hoher Strom in den Motor fließt,
kann dies anzeigen, daß der
Motor mechanisch festgeklemmt ist. Es kann eine entsprechende visuelle
Anzeige vorgesehen werden, welche die Aufmerksamkeit des Bedieners
auf die Fehlerquelle zieht.
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Es ist ersichtlich, daß die Elektronik
entsprechend angepaßt
werden kann, beispielsweise werden mehrere Abnehmerspulen angebracht
werden, die jeweils einer oder mehreren Saiten entsprechen, beispielsweise
ein Sechser-Abnehmer, bei dem jeder Saite eine Spule zugeordnet
ist. In diesem Fall kann die Filtervorrichtung weggelassen werden,
da jede Saite ein getrenntes Signal erzeugt und daher kein Erfordernis
besteht, Frequenzen von einer Signalkette auszuwählen, die ein zusammengesetztes
Signal bildet. Die physikalische Größe der Elektronik ist vorzugsweise
so gewählt,
daß diese
in dem Gitarrenkörper
neben dem Abnehmerhalter aufgenommen werden kann und daher die Vibratobrücke 30 keine
körperliche
Veränderung
der Gitarre selbst erfordert.
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Obwohl das vorliegende Beispiel das
auf die E-Seite bezogene Stimmen einer Gitarre beschreibt, ist ersichtlich,
daß die
Stimmvorrichtung das Instrument in jede gewünschte übliche oder nicht übliche Stimmung
bringen kann. Die Stimmvorrichtung kann angepaßt werden, um eine Vielzahl
von Stimmungen zu speichern, und kann es gestatten, eine gewünschte Stimmung,
in der die Gitarre gestimmt werden soll, aus dieser Vielzahl auszuwählen. Die
Stimmvorrichtung kann ferner so angepaßt werden, daß eine bedienerspezifische
Stimmung gespeichert wird, die von dem Bediener vorgegeben und daraufhin
zum Stimmen der Gitarre mit dieser Stimmung verwendet wird.
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Es ist ersichtlich, daß die Erfindung
wie gewünscht
angepaßt
werden kann, um sie für
jedes passende Saiteninstrument zu verwenden.