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Elektronische Orgel Die vorliegende Erfindung betrifft eine Orgel
mit elektronischer Tonerzeugung. Nach dem zur Zeit bekannten Stand der Technik ist
die Tonerzeugung mit rotierenden Generatoren oder schwingenden Zungen, die elektromagnetisch
oder elektrostatisch (kapazitiv) abgegriffen werden, nicht mehr neu. Es sind sowohl
rotierende Anordnungen mit magnetischer als auch Zungenanordnungen mit elektrostatischer
Tonabnahme realisiert worden, während rotierende Anordnungen mit elektrostatischer
Tonabnahme als Idee bekannt sind. Die vorliegende Erfindung betrifft die Realisierung
dieser zuletzt genannten Art. Die bisher in der Literatur angegebenen Anordnungen
sind nicht ausführbar, da sie einen zu hohen Störpegel aufweisen, so daß eine praktische
Anwendung für musikalische Zwecke nicht möglich ist. Dieser Störpegel läßt sich
durch an sich bekannte technische Hilfsmittel nicht genügend weit herunterdrücken.
Die neuere akustische Forschung hat ergeben, daß die Einschwingvorgänge in den Pfeifen
der akustischen Orgel wesentlich für den Klangcharakter sind. Die elektrische Nachbildung
von Zeitkonstanten in der Größenordnung o,i Sekunden, wie sie bei Orgelpfeifen etwa
einen Durchschnittswert darstellen, ist aber nur mittels elektrostatischer Anordnungen
rationell möglich. Daher liegt es nahe, den früher nicht gangbaren Weg der elektrostatischen
Tonerzeugung mit rotierenden Anordnungen nunmehr mit modernen Hilfsmitteln zu beschreiten.
Die im folgenden in den Grundelementen beschriebene elektronische Orgel besitzt
kapazitive Tonerzeugung; eine Anzahl Generatoren rotiert mit Drehzahlen, die den
Frequenzen der temperierten Stimmung entsprechen. Um den mechanischen Aufwand möglichst
gering zu halten, ist es zweckmäßig, in ein und demselben Generator nicht nur den
Grundton, sondern auch möglichst
viele Oktaven desselben herzustellen;
also z. B. im ersten Generator Cl, C, cl, c2, c3, c4, c5. Eine mögliche Anordnung
dafür zeigt die Abb. z.
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Ein walzenförmiger Rotor i aus einem mindestens oberflächlich leitenden
Material ist auf der Achse 2 isoliert befestigt und dreht sich mit gleichbleibender
Drehzahl. Auf seinem Umfange sind schmale Stege 3 'in gleichbleibendem Abstand befestigt.
In geringem Abstand von den Stegen 3 des Rotors i befindet sich ein zylindrischer
Mantel aus Isoliermaterial, der auf der Innenseite einen durchgehenden leitenden
Belag aufweist. Dieser Belag ist längs bestimmter Kurvenzüge, die sich wieder in
sich selbst schließen, entfernt, so daß isolierte Inseln 4 entstehen, die von außen
her durch elektrische Zuleitung aufgeladen werden können. Beispiele solcher Inseln
sind in Abb. 2 gegeben. Auf die Formen wird weiter unten eingegangen. Schließlich
steht der einen Stirnseite des Rotors i noch in geringem Abstand eine ringförmige
feststehende Abnahmeelektrode 5 gegenüber.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist nun folgende (s. Ersatzschaltbild,
Abb. 3) : Die Kapazität cl zwischen den Stegen 3- und den isolierten Inseln 4.,
im folgenden Geberelektroden genannt, ändert sich zeitlich periodisch. Die Kapazität
des Rotors gegen Erde c2 ist größer als c, und zeitlich praktisch konstant. Der
Isolationswiderstand R2 des Rotors gegen die Achse sei zunächst als unendlich groß
angenommen.
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Zwischen Rotor i und Abnahmeelektrode 5 besteht die Teilkapazität
c3. Die Abnahmeelektrode 5 ist direkt mit dem Gitter einer Verstärkerröhre 25 verbunden.
Die Gitterkapazität einschließlich der Leitungskapazität und der Kapazität der Abnahmeelektroden
5 gegen Masse habe die Größe c..
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Der Gitterableitewiderstand ist R, Wie oben ausgeführt, verläuft nun
die Kapazität c, wegen der gleichmäßigen Teilung des Rotors i nach einer periodischen
Funktion
Unter der Voraussetzung c2 » c, und bei einer erzeugenden Spannung an den Geberelektroden
4 von der Größe U ergibt sich eine Spannung des Rotors von der Größe
Der Rotor wirkt wie eine Wechselspannungsquelle von Innenwiderstand i,ly co c2 über
die Kapazität c3 auf das Gitter der Verstärkerröhre 25. Die entstehende Gitterwechselspannung
berechnet sie zu
Der Kapazitätsverlauf cl (t) wird .also differenziert. Um eine bestimmte Kurvenform
u8 (t) zu erhalten, ist also zunächst das Integral f u (t)
dt zu bilden und als Cl (t) in einem geeigneten Maßstab als Form der
Geberelektrode herzustellen. Zum Beispiel erfordern Sin-Töne einen Verlauf .cl
(t), der Cos-Gestalt hat. In Abb. 2 ist die Figur 4" ein Beispiel für eine
solche Elektrodenform. Ein sehr obertonreiches Gemisch entsteht bekanntlich bei
sehr kurzen Impulsen, wie sie durch Geberelektroden der Form 4b hervorgerufen werden.
Einen Klang, der nur ungeradzahlige Harmonische enthält, erhält man durch eine Geberelektrodenform
¢,. Diese Töne sind musikalisch brauchbar als Flöten, bzw. Posaunen, bzw. Hörner,
wenn man sie mit einer dem Instrument entsprechenden Zeitkonstante erklingen läßt
und evtl. noch im Verstärkerkanal in an sich bekannter Weise Formanten beimischt.
Die übrigen Figuren der Abb. 2 zeigen noch einige Elektrodenformen, die besonders
geeignet sind für Orgelstimmen, nämlich Gedackt (4a), Prinzipal (4e), - Oktav (4f),
Quinte (4g), Terz (4h), wobei die beiden letzteren nur als Aliquotstimmen oder Mixturen
gedacht sind. Bei allen Figuren ist als Maßstab die Teilung t des Rotors angegeben.
Die Figuren werden also um so kürzer, in um so höheren Lagen sie verwendet werden.
Selbstverständlich können in besonderen Fällen ebenso wie Terzen und Quinten auch
Oktaven erzeugt werden. Dies ist z. B. zweckmäßig für besonders hohe Frequenzen,
um eine zu enge Teilung des Rotors zu vermeiden.
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Um diese Anordnung zur Tonerzeugung verwEnden zu können, muß nun eine
Reihe von Maßnahmen ergriffen werden, die einen wesentlichen Inhalt der vorliegenden
Erfindung darstellt. Insbesondere ist es erforderlich, Isoliermaterial mit hohem
Oberflächen-und Durchgangswiderstand zu vermeiden oder, wenn aus konstruktiven Gründen,
z. B. aus dem der mechanischen Festigkeit, hochwertiges Isoliermaterial verwendet
werden muß, die Oberfläche durch leitfähige Beläge oder durch elektrostatische Schirme
vor Rufladung zu schützen. Die Geberelektroden dürfen nicht aus der Fläche oder
der Ebene herausragen, damit die Kapazitätsänderungen des Rotors gegen Erde klein
gehalten werden. Es ist ferner erforderlich, als Träger der Geberelektroden 4 nicht
ein Isoliermaterial, sondern einen Halbleiter, z. B. eine Preßmasse, die Kolloidgraphit
oder Ruß enthält, zu verwenden. Ferner sind die Geberelektroden 4 und der Rotor
i aus möglichst demselben Material herzustellen oder bei verschiedenem Material
mit einem gleichen metallischen Oberflächenüberzug zu versehen, um die Kontaktspannungen
zu vermeiden. Wenn eine solche Lösung aus konstruktiven Gründen ausscheidet, ist
es möglich, durch ein zwischen Rotor und Erde, also z. B. zwischen den isolierten
Lagern des Rotors und der Erde, eine Kompensationsspannung uk geeigneter Größe und
geeigneten Vorzeichens einzuführen, wie dies in Abb. 3 schaltungsmäßig angedeutet
ist. Diese Kompensationsspannung bringt erfindungsgemäß die von der Kontaktspannung
herrührende Feldstärke zwischen Geberelektrode und Rotor wieder auf Null.
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Die Töne entstehen nunmehr in einer Stärke, die der Spannung ü der
Geberelektrode proportional ist. Daher kann man die Spannung der Geberelektrode
erfindungsgemäß direkt durch die Tasten steuern und
mit einer Anordnung
nach Abb. i zahlreiche Töne unabhängig voneinander und gleichzeitig erklingen lassen.
Durch Zwischenschalten von Widerstandskondensatorgliedern können An- und Abklingen
der Töne beliebig variiert werden. Ein Beispiel für die möglichen Schaltungen zeigt
Abb. 4. Die Taste 6 betätigt über die Stange 7 einen Doppelkontakt B. Der obere
Kontakt ist ein Ruhekontakt und liegt an einer Erdschiene 9, während der untere
an einer Spannungsschiene io angeschlossen ist. Die Spannung ulo der Schiene io
wird über einen Trennwiderstand ii an einem Spannungsteiler 12 eingestellt. Der
Spannungsteiler i2 kann z. B. durch einen Pedalschweller betätigt werden. Gespeist
wird der Spannungsteiler 12 aus einer genügend geglätteten Gleichspannungsquelle
der Spannung U, Wird nun die Taste 6 gedrückt, so schließt sich der untere Kontakt
von 8 ; der Kondensator 14 und damit die parallel geschaltete Geberelektrode 4 werden
über den Widerstand 15 aufgeladen. Läßt man die Taste aus, so entlädt sich der Kondensator
14 über den Widerstand 15 und den Wechselkontakt 8 nach Erde, und der Ton verschwindet.
Durch eine mechanische Vorrichtung ist es leicht möglich, das Entladen vorübergehend
zu verhindern, indem man z. B. die Erdschiene 9 ein wenig anhebt. Eine solche Vorrichtung
kann durch einen besonderen Pedaltritt in Tätigkeit gesetzt werden und ergibt Nachklingen
aller betätigten Töne bis zum Loslassen des Pedaltrittes, also eine ähnliche Wirkung
wie beim Aufheben der Dämpfung eines Klaviers. Es ist nun möglich, ein und dieselbe
Geberelektrode nicht nur von einer einzelnen Taste aus aufzuladen, sondern auch
von mehreren, die z. B. um je eine Oktave auseinanderliegen. Der Widerstand 16 deutet
eine Verbindung zu einer solchen Taste an, die eine Oktave höher liegt. Wird diese
gedrückt, so erscheint der Ton in der gleichen Stärke, wie wenn nur die Taste 6
gedrückt wäre. Wird aber sowohl die Taste 6 wie die um eine Oktave höher liegende
Taste gedrückt, so erklingt der Ton doppelt so stark.
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Um über einen erzeugten Ton ein Vibrato zu legen, wird gegebenenfalls
durch den Kondensator 13 eine langsame Wechselspannung u zugeführt. Da die Spannungsschiene
io allen Tastenkontakten des betreffenden Registers Strom zuführt, kann somit ein
Register oder eine Registergruppe durch Vibrato belebt werden.
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Eine weitere Schaltungsmöglichkeit zeigt Abb.5. An Stelle der durchlaufenden
Schiene 9 wird jetzt nur ein Kontaktstück 17, und zwar je eines für jede Taste,
verwendet. Diese Kontaktstücke 17 liegen jeweils über einen Widerstand i9 an einem
Kondensator 2o und der Geberelektrode 4. Ein großer Kondensator 18 wird im Ruhezustand
aus der Schiene io mit der Spannung isio aufgeladen, wobei ein Widerstand 21 verhindert,
daß zu große Stromstöße auftreten. Sobald die Taste 6 gedrückt wird, bewegt sich
die Kontaktfeder des Doppelkontaktes 8 und schließt den unteren Kontakt. Dann kann
sich die Ladung des Kondensators 18 über den Kontakt 17 und den Widerstand i9 auf
den Kondensator 2o ausgleichen und einen Ton ergeben. Dieser würde sich von den
bisherigen nicht unterscheiden. Schaltet man jedoch einen Widerstand 22 ein, so
erhält man abklingende Töne, wie bei Schlag- und Zupfinstrumenten, z. B. Cembalo.
Ein Widerstand 23 verhindert, daß die Töne ganz abklingen, so daß einmal angeschlagene
Akkorde auch nach längerer Zeit noch leise hörbar sind. Öffnet man den Schalter
24, so klingen die Töne in der zuletzt gehörten Lautstärke weiter. Auch dieser Schalter
kann wie oben durch Fußtritt in Tätigkeit gesetzt werden. Seine Wirkung entspricht
wieder dem Aufheben der Dämpfung beim Klavier.
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An Stelle der in Abb. x dargestellten zylindrischen Bauweise ist auch
eine scheibenförmige Konstruktion möglich. Die Anordnung zeigt Abb. 6. 1 ist der
Rotor, der jetzt aus zwei mit dem Rücken gegeneinandergestellten Teilscheiben besteht.
Die Abnahme der Spannungen erfolgt durch einen Ring 5 kapazitiv vom Umfange des
Rotors. Die Stege 3 sind jetzt radial eingeordnet und auf die beiden Stirnflächen
verteilt. Zum Beispiel auf einer Seite die erste bis vierte Oktave, auf der anderen
Seite die fünfte bis achte Oktave. Die Geberelektroden 4 sind in die leitenden Flächen
des Gehäuses eingraviert und mittels dünner Drähte angeschlossen. Der Rotor sitzt
isoliert auf der Welle 2. Der Oberflächenwiderstand des Isolators bildet den Widerstand
R2 in der Abb. 3. Die Lager sind isoliert, es kann daher über sie die Kompensationsspannung
uk zugeführt werden.
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Bei dieser Anordnung (Abb. 6) ist ebenso wie bei Abb. i die gesamte
Rotoroberfläche leitfähig, der Umfang des Rotors weist überall die gleiche Wechselspannung
auf. Es ist daher nicht möglich, aus dem entstandenen Tongemisch einzelne Töne für
sich in der Klangfarbe nachträglich zu ändern. Gelegentlich ist es aber erwünscht,
mehrere voneinander unabhängige Verstärkerkanäle anwenden zu können. Dies ist möglich
durch Vervielfachung der Zahl der Generatorensätze nach Abb. i oder 6 mit der Zahl
der gewünschten unabhängigen Verstärkerkanäle.
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Einen einfacheren Weg zeigt die Abb. 7. Der Rotor besteht aus Metall
oder metallisiertem Isolierstoff und hat die Form einer Doppelscheibe. Die Stege
3 sind jetzt vom Rotorkörper isoliert, und zwar mit einem solchen Isolationswiderstand,
daß einerseits störende Aufladungen nicht entstehen, andererseits eine doppelte
Differenzierung der Kurvenform vermieden wird. Der Isolationswiderstand der einzelnen
Stege soll gleich sein. Ein Ausführungsbeispiel für die Isolation zeigt Abb. B.
Die Geberelektroden 4 sind unverändert wie in Abb. 6. Es entstehen nunmehr in den
einzelnen Stegen 3 Wechselladungen, die eine Funktion des Ortes sind. Daher können
die Abnahmeelektroden 5 für die einzelnen Geberelektroden jetzt geteilt und die
entstehende Spannung einzelnen Verstärkerkanälen zugeführt werden. Dann ist eine
Färbung einzelner Register mit Hilfe von Formanten oder eine getrennte Verstärkung
einzelner Registergruppen, z. B. des -Pedals; möglich. Es ist jedoch zu beachten,
daß die Voraussetzungen der oben angegebenen Theorie nicht mehr genau zutreffen.
Ein Beispiel für eine Teilung zeigt die Abb. 9. 5a,, 5b und 5" sind voneinander
isolierte Segmente der mittleren .Abnahmeelektrode 5 der Abb. 7, die nun an je einen
Verstärker geführt werden. Beispielsweise
werden über 5b die Zungenstimmen,
über 5, die abklingenden Stimmen und über 5, die gewöhnlichen Labialstimmen
abgenommen.
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Eine andere Möglichkeit, aus einem einzigen Satz von elektrostatischen
Generatoren mehrere Verstärkerkanäle zu speisen, besteht in der Anwendung des Trägerfrequenzverfahrens.
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Ersetzt man in einer Anordnung nach Abb. i oder Abb. 6 für einen Teil
der Geberelektroden q. die erzeugende Gleichspannung U, in Schaltung nach Abb. q.
durch eine Hochfrequenzstromquelle und läßt dafür die Kondensatoren 1q. weg, so
erhält man durch die Rotation eine Modulation der Hochfrequenz mit der Tonfrequenz
der betreffenden Oktave in der Kurvenform der Geberelektrode. Eine Differentiation
findet nicht statt.
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Mittels bekannter Siebmittel ist es nun leicht möglich, aus dem- Gemisch
von Spannungen, das auf der Abnahmeelektrode 5 entsteht, die Tonfrequenz von der
modulierten Hochfrequenz zu trennen; letztere wird in bekannter Weise demoduliert
und einem getrennten Verstärker zugeführt.
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Da die Hochfrequenz im wesentlichen unverzögert in der Geberelektrode
entsteht, die Klänge also ohne Einschwingvorgang einsetzen, ist diese Art von Tonerzeugung
besonders für obertonreiche Register geeignet, also z. B. Posaunen.
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Da sich Hochfrequenzströme durch Filter gut voneinander trennen lassen,
ist auch eine wiederholte Anwendung dieses Verfahrens mit mehreren voneinander verschiedenen
Frequenzen, z. B. 2o, 25 und 3o kHz, auf ein und dieselbe Geberelektrode möglich.
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Die Tonstärke der mit Hilfe vorstehend beschriebener Anordnungen erzeugten
Töne kann, wie oben ausgeführt, durch Verändern der im Spannungsteiler i2 abgegriffenen
Spannung eingestellt werden. Um nun wie bei Musikinstrumenten im allgemeinen und
der Orgel im besonderen mit zunehmender Tonstärke auch einen höheren Relativgehalt
an Obertönen zu bekommen, wird erfindungsgemäß gleichzeitig mit der Tonstärke ein
an sich bekannter Tonregler, z. B. ein veränderlicher Kondensator, in Reihe mit
einem Widerstand so verstellt, daß bei der Einstellung Leise die höheren Frequenzen
unterdrückt werden, während bei Einstellung Laut alle Töne mit ihren Obertönen voll
zur Wirkung kommen. Dieser Tonregler befindet sich an einer geeigneten Stelle des
betreffenden Verstärkerkanals.
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Erfindungsgemäß wird ferner die Stärke der Wirkung dieses Tonreglers,
z. B. durch stufenweise Zuschaltung von Widerständen, so modifiziert, daß je nach
dem Wunsche des Spielers die Obertöne 'in stärkerer oder schwächerer Weise mit zunehmender
Tonstärke zur Wirkung kommen. Mit Hilfe einer solchen Regeleinrichtung, die z. B.
vom Schwellerpedal aus bedient wird, lassen sich erfindungsgemäß Klangkombinationen
erzeugen, die der Pfeifenorgel mit steiler oder flacher Disposition entsprechen.
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Erfindungsgemäß wird ferner die Tonstärkeregelung im Bedarfsfalle
nicht nur durch Verändern der erzeugenden Spannung U, sondern auch gleichzeitig
durch einen Verstärkerregler am Ausgange des Verstärkerkanals vorgenommen. Für die
Wiedergabe wird in besonderen Fällen für kleine Räume eine besondere Lautsprecheranordnung
verwendet. Ein oder mehrere Lautsprecher befinden sich in einem geschlossenen flachen
Kasten, der beispielsweise folgende Ausführung hat Bei einer Höhe von 3o cm, einer
Tiefe von 50 cm, einer Breite von i2o cm und vier flachen Füßen hat er auf
seiner Oberseite zwei Reihen im Durchmesser von links nach rechts abnehmende Bohrungen.
In diesen Bohrungen stecken Röhren, deren Länge, von i,5o m ausgehend, auch von
links nach rechts abnimmt, so daß das Ganze wie eine kleine Orgel mit Pfeifen aussieht.
Diese Röhren sind mit ihrer Länge auf die einzelnen Halbtöne abgestimmt und ergeben
so Resonanzkörper für die einzelnen in der Orgel vorkommenden Frequenzen. Durch
eine solche Anordnung wird eine musikalisch sehr wertvolle Wirkung erzeugt, da die
Einschwingvorgänge dieser Röhren einen gewissen Nachhall geben. Durch entsprechende
Wahl des Durchmessers dieser Röhren können diese Wirkungen verstärkt oder geschwächt
werden.