EP1285431B1

EP1285431B1 - Instrument und verfahren zum erzeugen von klängen

Info

Publication number: EP1285431B1
Application number: EP01931307A
Authority: EP
Inventors: Rolf Krieger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2021-05-23
Also published as: AU2001258134A1; US20030136248A1; WO2001091103A3; ATE445213T1; EP1285431A2; US7087828B2; DE50115159D1; WO2001091103A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Musikinstrument, eine Anregungsvorrichtung zum berührungslosen Anregen mindestens einer gespannten Saite mit magnetisierbarem Material, sowie auf ein Verfahren zum Erzeugen von Klängen.
Die bekannten Musikinstrumente können grundsätzlich in zwei Gruppen aufgeteilt werden, nämlich in akustische und in elektrische, insbesondere elektronische, Instrumente. Die akustischen Instrumente strahlen die Töne bzw. den Klang in einer genügend hohen Lautstärke ab, so dass ein mit einem akustischen Instrument vorgetragenes Stück von den Zuhörenden gehört wird. Die akustischen Saiteninstrumente umfassen zum Erzeugen und Abstrahlen eines Klanges Saiten, eine Spanneinrichtung für die Saite und einen Klangkörper, wobei die Saiten mechanisch in Schwingung versetzt werden, die Saitenschwingungen auf den Klangkörper übertragen und von diesem abgestrahlt werden. Die verschiedenen Saiteninstrumente haben je ihre charakteristischen Klangeigenschaften, die von den Saiten, der Spanneinrichtung, vom Klangkörper und von der mechanischen Anregung abhängen. Die elektrischen oder elektronischen Instrumente erzeugen ein elektrisches bzw. elektronisches Signal, das über einen Verstärker einem Lautsprecher zugeführt und vom Lautsprecher als Schallsignal abgestrahlt wird. Zum Spielen eines elektrischen Instrumentes ist beispielsweise ein Tastenfeld, bzw. ein Keyboard vorgesehen. Die Tasten können direkt ein elektrisches Signal auslösen und/oder ein physikalisches System anregen, von dem zumindest ein Parameter abgegriffen und in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Ein solches physikalisches System kann zum Erfassen einer Anschlagscharakteristik verwendet werden. Bei Synthesizern bestehen vielfältige Möglichkeiten der Signalveränderung. Bei Elektrogitarren und Elektrobässen wird die physikalische Saitenschwingung mechanisch angeregt und von einem Tonabnehmer (pickup) aufgenommen sowie über eine elektrische bzw. elektronische Schaltung einem Lautsprecher zugeführt. Zur Erzeugung von elektronischen Klangsignalen können auch Midigeräte, wie etwa ein Midisax verwendet werden. Ein Midisax erfasst nebst dem Griff auch den Luftdurchsatz und gegebenenfalls eine Kraft, die von den Lippen auf das Mundstück, insbesondere auf ein Blättchen, wirkt. Die erfassten Parameter ermöglichen die Erzeugung eines Signales, das nebst der Tonhöhe und der Länge des Tones auch die Dynamik der Lautstärke und gegebenenfalls weitere Klangeigenschaften umfasst Die Klangqualität eines elektrischen Instrumentes hängt immer von der verwendeten Schaltung und vom angeschlossenen Lautsprecher ab.
Aus der Schrift FR 2 315 740 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der mehrere spannbare, gleich lange Saiten je von einem elektromagnetischen Anregungselement berührungslos angeregt werden. Um die Saiten mit wechselnden Magnetfeldern in Schwingung versetzen zu können, werden die Saiten aus magnetischem Material gebildet. Die Saiten sind zwischen zwei Tellern angeordnet, wobei die Teller durch einen zylindrischen Sockel in einer vorgegebenen Distanz zueinander gehalten werden. Jedes Anregungselement wird mit einer Frequenz gespiesen, so dass jede Saite angeregt wird und mit Ihrer, der jeweiligen Saitenspannung entsprechenden, Grundfrequenz schwingt. Zur Speisung der Anregungselemente wird ein Multivibrator mit einstellbarer Frequenz verwendet. Um die Schwingung einer Saite hörbar zu machen, wird diese mit einem Tonabnehmer abgenommen und das dabei entstehende elektrische Signal wird Ober einen Verstärker einem Lautsprecher zugeführt. Der von einer solchen Vorrichtung erzeugte Klang, ergibt sich als Überlagerung der Grundschwingungen der eingespannten Saiten. Es handelt sich somit lediglich um eine Klangquelle und nicht um ein spielbares Instrument. Zudem ist die Klangqualität durch den Lautsprecher beschränkt.
Die WO 98/28732 beschreibt eine automatisch stimmbare Elektrogitarre, bei der die zu stimmenden Saiten elektromagnetisch angeregt und die Saitenspannungen mit einer automatischen Spannvorrichtung justiert werden. Die Anregung jeder Saite erfolgt mit der Frequenz der gewünschten Grundschwingung und die effektiv auftretende Saitenschwingung wird mit einem Pickup abgegriffen, so dass das Signal für die Justierung aus der Differenz zwischen der gewünschten und der abgegriffenen Frequenz bestimmt werden kann. Die zum Stimmen benötigten Amplituden sind sehr klein. Die verwendete elektromagnetische Anregungsvorrichtung setzt die Saiten mit einem einfachen Elektromagneten in kaum hörbare Schwingungen.
Die EP 0 539 232 beschreibt eine Lösung zum Verlängern der Schwingungsdauer einer mechanisch angeregten Saite eines elektrischen Saiteninstrumentes. Dazu wird die Frequenz der angeregten Schwingung mit einem Pickup abgegriffen. Das Signal des Pickups wird verstärkt und einer elektromagnetischen Anregungsvorrichtung zugeführt, welche die Saite weiterhin in Schwingung hält. Die US 5 070 759 beschreibt ebenfalls eine Lösung zum Verlängern der Schwingungsdauer einer mechanisch angeregten Saite. Dabei wird vorgeschlagen die Anregungsvorrichtung auch als Pickup zu verwenden. Bei beiden Lösungen stammt das für die Anregung benützte Signal von der Saite selbst und zum Erzeugen des hörbaren Tones wird das abgegriffene Signal über einen Verstärker einem Lautsprecher zugeführt. Die beschriebenen Anregungsvorrichtungen liegen jeweils auf einer Seite der, bzw. unter den, Gitarrensaiten, so dass die Saiten von der anderen Seite her, bzw. von oben, frei zugänglich sind. Die Anregungsvorrichtungen umfassen jeweils zumindest eine Spule und Teile aus magnetisierbarem und/oder Teile aus magnetischem Material. Jede Spule erstreckt sich über den gesamten Bereich mit Saiten. Um die Saiten genügend anregen zu können, werden im Vergleich zu den Pickups, Spulen mit dickeren Drähten und höheren Wicklungszahlen verwendet. Zudem sind Beispiele beschrieben, bei denen die Magnetfelddichte bei den unterschiedlich dicken und verschieden stark gespannten Saiten je verschieden ist. Dazu wird das in der Spule angeordnete magnetisierbare Material mit Schlitzen in unterschiedliche, den jeweiligen Saiten zugeordnete, Bereiche aufgeteilt, oder es werden den Saiten verschiedene Permanentmagnete zugeordnet. Bei den bekannten Anregungsvorrichtungen erstreckt sich das zur Anregung verwendete elektromagnetische Feld immer über den gesamten Bereich mit allen Saiten. Wenn das Signal von lediglich einer Saite stammt, so wird lediglich ein kleiner Bereich des anregenden Feldes zur Anregung dieser Saite genutzt. Der Wirkungsgrad dieser Anregungsvorrichtung ist äusserst klein und es können nur schwache Anregungen erzielt werden, welche über einen Verstärker und einen Lautsprecher akustisch abgestrahlt werden.
In Audio Frequency measured by the electrically excited monochord; Emrys Williams; University of Liverpool; June 1934 ist ein Monochord mit einer Stahlseite, einem Klangbrett und einem Magnetsystem mit Magnetspulen beschrieben, wobei die Spulen mit einem Wechselstrom variabler Frequenz die Saite anregen. Es werden effektive Resonanzfrequenzen durch das Abgleichen der Anregungsfrequenz und die dabei auftretenden Schwingungsmoden durch das Zählen der Schwingungsknoten bestimmt. Auch US 5 874 685 beschreibt ein Monochord für Messzwecke. Mit der Messanordnung sollen longitudinale Schwingungen erfasst werden. Ein effizientes Anregen und Abstrahlen von Tönen, wie es für ein akustisches Instrument nötig ist, wird nicht geoffenbart.
Sowohl die akustischen als auch die elektrischen Musikinstrumente haben ihre jeweiligen Beschränkungen. Bei den akustischen Instrumenten ist das Erzeugen der Töne auf die entsprechende Bedienung des Instrumentes durch eine spielende Person beschränkt. Bei den elektrischen Instrumenten ist die Beschränkung durch die Verwendung eines benötigten Lautsprechers gegeben. Die bekannten Anregungsvorrichtungen zum Anregen von Saitenschwingungen mit elektromagnetischen Feldern machen nur Schwingungen mit kleinen Amplituden erzielbar.
Der Erfindung liegt aufgrund der Beschränkungen der bekannten Instrumente die Aufgabe zugrunde, ein Instrument zu finden, das weniger Beschränkungen aufweist und dadurch neue Möglichkeiten eröffnet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 12 und 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben alternative bzw. bevorzugte Ausführungsformen.
Bei der Lösung der Aufgabe wurde erkannt, dass ein erfinderisches Saiteninstrument die Klangqualität eines akustischen Saiteninstrumentes mit der vielfältigen Ansteuerung durch ein Ausgangssignal eines elektrischen, bzw. elektronischen Instrumentes oder Gerätes, insbesondere eines Synthesizers, Keyboards, Computers, Midi-Gerätes, eines Mikrophones oder auch eines beliebigen Lautsprecherausganges, verbinden soll. Bei den bekannten akustischen Saiteninstrumenten werden die Saiten durch Anschlagen, Zupfen oder Streichen angeregt, wobei die Saiten aufgrund der mechanischen Anregung von Eigenschwingungen bzw. Resonanzen mit den entsprechenden Obertonanteilen, in Schwingung versetzt werden. Das Obertonspektrum spielt für die Klangfarbe eine wichtige Rolle, kann aber durch die mechanische Anregung nicht, oder nur beschränkt, kontrolliert eingesetzt werden. Wenn nun beim erfinderischen Saiteninstrument anstelle der mechanischen Anregung der Saiten eine vorteilhafte, berührungslose Anregung, insbesondere mit Anregungsfrequenzen im gesamten hörbaren Frequenzbereich, eingesetzt wird, so kann das Obertonspektrum der Saiten kontrolliert angeregt werden. Es können also zur Ansteuerung des erfinderischen Saiteninstrumentes Signale verwendet werden, welche direkt Obertöne mit wählbaren Intensitäten anregen, was mit einer mechanischen Anregung nicht möglich ist. Bei akustischen Instrumenten wird beim Spielen von Tönen mit Flageolett-Griffen nach der Anregung des Grundtones der Grundton gedämpft, so dass die Obertöne hörbar werden. Dabei kann ein Oberton nie in der gleichen Qualität bzw. als Sinuston klingen, wie wenn er mit dem erfindungsgemässen Instrument direkt angeregt wird. Die Anzahl der Obertöne nimmt gegen hohe Töne hin stark zu, so sind über dem Grundton in der zweiten Oktave 2, in der dritten Oktave 4, in der vierten Oktave 8 und in der fünften Oktave 16 Obertöne spielbar. Dabei entspricht nur ein Teil dieser Obertöne einem Ton der temperierten Stimmung, nämlich in der zweiten Oktave 2, in der dritten Oktave 3, in der vierten Oktave 5 und in der fünften Oktave 7. Bei einem akustischen Musikinstrument spielt das Phänomen der Eigendynamik der Klangentfaltung eine wichtige Rolle, was bei einem Lautsprecher nicht der Fall sein darf.
Ein efindungsgemässes Instrument umfasst mindestens eine stimmbare Saite, eine Haltevorrichtung zum Halten der mindestens einen Saite, eine elektrisch oder elektronisch betriebene Anregungsvorrichtung zum berührungslosen Anregen der mindestens einen Saite, einen Klangkörper zum akustischen Abstrahlen der Saitenschwingung und ein Interface zum Zuführen eines Signales für die Anregungsvorrichtung, wobei das Signal unabhängig von der mindestens einen Saite erzeugt wird. Die Anregungsvorrichtung ermöglicht das Anregen von Saitenschwingungen mit genügend grossen Amplituden, so dass der Klangkörper Töne mit Lautstärken abstrahlen kann, die zumindest im Bereich von bekannten akustischen Saiteninstrumenten liegen, wobei sich die Lautstärkenbereiche für grosse Lautstärken vorzugsweise Ober die maximalen Lautstärken bekannter akustischer Saiteninstrumente hinaus erstrecken. Zur Übertragung von Saitenschwingungen auf den Klangkörpers ist zumindest ein Übertragungselement, vorzugsweise ein Steg, zwischen dem Klangkörper und der mindestens einen Saite angeordnet.
Das erfinderische elektro-akustische Musikinstrument besitzt die Qualität der Resonanzfähigkeit, bzw. der diskreten Obertöne, und ermöglicht eine Synthese der akustischen Klangschönheit mit der elektronischen Flexibilität. Mit der berührungslosen Anregung der Saiten eines akustischen Instrumentes wird ein Effekt erzielt, der weit über die elektrische Ansteuerung einer mechanischen Anregungsvorrichtung hinausgeht. Es wird nicht die bekannte Spielweise eines akustischen angestrebt, sondern ein neues Instrument bereitgestellt, das die Beschränkungen der bekannten Instrumente und Geräte überwindet.
Zum Halten der mindestens einen Saite ist eine Haltevorrichtung vorgesehen, die vorzugsweise zwei Seitenteile und zumindest eine Tragsäule umfasst, wobei die Tragsäule zwischen den beiden Seitenteilen angeordnet ist. Die mindestens eine Saite erstreckt sich vom einen zum anderen Seitenteil und ist am einen Ende spannbar mit dem Seitenteil verbunden. Um laute Töne erzielen zu können, ist es zweckmässig jede eingesetzte Metallsaite mit einer Spannkraft im Bereich von 200 bis 1000, insbesondere 300 bis 700, vorzugsweise im wesentlichen 500N zu spannen. Wenn nun beispielsweise 24 Saiten vorgesehen werden so muss die Haftevorrichtung Spannkräfte von bis zu 12'000N ertragen. Damit nicht eine äusserst massive Tragsäule eingesetzt werden muss, werden gegebenenfalls mehrere Rohre und/oder Profile im wesentlichen nebeneinander angeordnet. Um zu verhindern, dass die Haltevorrichtung aufgrund der schwingenden Saiten auch in Schwingung gelangt und unerwünschte Geräusche erzeugt, werden der Haltevorrichtung Dämpfungselemente zugeordnet. Beispielsweise können hohle Tragsäulen zumindest abschnittweise mit Gummi, insbesondere Hartgummi, ausgestopft oder gefüllt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Entstehung von Geräuschen stark von den zwei Seitenteilen abhängt. Wenn an den Seitenteilen gegen innen vorstehende Stabilitätsrippen vorgesehen sind, so sollten diese paarweise ausgebildet werden und der Zwischenraum sollte mit Gummi, insbesondere Hartgummi, ausgestopft oder gefüllt werden.
Damit das Abstrahlen der Töne nicht von der Tragsäule beeinträchtigt wird, ist der Klangkörper zwischen den Saiten und der mindestens einen Tragsäule angeordnet. Die den Saiten zugewandte Oberfläche des Klangkörpers wird von einer Membrane gebildet. Um die Saitenschwingungen auf die Membrane zu übertragen, wird auf der Membrane ein Steg vorgesehen, über den die Saite gespannt ist. Der Klangkörper ist getrennt von der Haltevorrichtung ausgebildet und wird so an dieser befestigt, dass die Schwingmöglichkeit des Klangkörpers und insbesondere seiner Membran von der Haltevorrichtung im wesentlichen nicht beeinträchtigt wird. Der Klangkörper kann von einer flächigen Membran, die gegebenenfalls eine von einer ebenen Fläche abweichende Form hat, gebildet werden. Bevorzugt wird ein hohler Klangkörper eingesetzt, der ringförmig geschlossen angeordnete Zargen umfasst, wobei an der einen Stirnseite der Zargen die Membran und an der anderen Stimseite ein Boden befestigt ist. Gegebenenfalls werden anstelle von Zargen lediglich Rippen an der Membran befestigt. Es versteht sich von selbst, dass gegebenenfalls die Haftevorrichtung auch vom Klangkörper, insbesondere dessen Zargen gebildet werden kann. Die Haltevorrichtung muss aber bei mehreren, insbesondere mit hohen Spannkräften gespannten Saiten, eine hohe Stabilität aufweisen, was vorzugsweise mit einer vom Klangkörper getrennten Haltevorrichtung erzielt wird.
Damit die Membrane besonders gute Schwingungseigenschaften hat, wird sie aus Klangholz mit engen Jahrringen hergestellt und in einem vorgespannten Zustand mit den Zargen verbunden. Im Klangholz stehen die Jahrringe senkrecht zur Oberfläche der Holzfläche, wobei sich die Faserrichtung des Klangholzes in einer ersten Richtung der embran-Oberfläche erstreckt und in einer dazu senkrechten zweiten Richtung der Membran-Oberfläche Jahrring auf Jahrring folgt. In der ersten Richtung ist die Membrane weniger biegsam als in der zweiten. Eine ebene Membran kann als biegsame Fläche im ungespannten Zustand die Schwingungen, die über den Steg auf sie übertragen werden, nicht optimal aufnehmen. Daher wird sie zumindest in der zweiten, vorzugsweise aber auch in der ersten, Richtung etwas gebogen und somit vorgespannt an den Zargen befestigt. Die Zargen sind an der, der Membrane zugewandte Stirnseite entsprechend der gewünschten Krümmung der Membran gekrümmt. Vorzugsweise werden vier Zargen vorgesehen, die zusammen ein Rechteck bilden. Die erste Richtung der Membrane erstreckt sich in Richtung der längeren Seite des Rechtecks. Die zweite Richtung der Membrane erstreckt sich in Richtung der kürzeren Seite des Rechtecks. Entsprechend sind die Stirnseiten der kürzeren Zargen stärker gekrümmt als die Stirnseiten der längeren Zargen. Die Membrane erhält dadurch die Form einer Teilfläche eines Torus oder eines Tonnenkörpers, wobei diese toroide Fläche vorzugsweise gegen die Saite vorsteht und daher in einen grösseren Raumwinkel abstrahlt als eine gegen das Innere des Klangkörpers gebogene Fläche. Ein Klangkörper mit der beschriebenen vorgespannten Membran gewährleistet ein besonders effizientes Aufnehmen und akustisches Abstrahlen der über den Steg übertragenen Saitenschwingungen.
Es versteht sich von selbst, dass die Zargen auch zu einem anderen Mehreck, beispielsweise zu einem Viereck ohne rechte Winkel oder zu einem Sechseck, zusammengestellt werden können. Die Membran erhält dabei eine entsprechende Form. Anders geformte Klangkörper können aufgrund einer besseren Abstrahlungscharakteristik oder aufgrund eines anderen Erscheinungsbildes gewünscht werden.
Um die Schwingung der Membran nicht zu behindern, ist zumindest eine Öffnung im Klangkörper ausgebildet, durch die ein Luftaustausch vom Inneren des Klangkörpers zur Umgebung ermöglicht wird. Um die Spannungsverteilung in der Membran nicht durch eine Öffnung negativ zu verändern, wird gemäss einer bevorzugten Lösung die mindestens eine Öffnung im Bereich einer Zarge ausgebildet, so dass der durch die Öffnung austretende Schallanteil auch in den an die Membran angrenzenden Halbraum, bzw. nach vorne, austritt.
Bei der Verwendung lediglich einer Saite können nur die Töne des Obertonspektrums dieser Saite abgestrahlt werden, welche besonders im Bereich zwischen dem Grundton und dessen zweiter Oktave ein sehr eingeschränktes Tonspektrum bilden. Um mit dem erfindungsgemässen Instrument Stücke, die für bekannte Saiteninstrumente geschrieben sind, spielen zu können, wird vorzugsweise ein chromatisch gestimmter Saitensatz verwendet. Dazu kann beispielsweise ein Einzelinstrument mit einer chromatischen Besaitung über zwei Oktaven bereitgestellt werden. Ein Einzelinstrument mit einer Alt- und einer Bass-Oktave würde beispielsweise Saiten in der Stimmung g - fis' und Kontra G bis FIS umfassen. Vorzugsweise werden aber Registerinstrumente mit jeweils 12 Saiten, die chromatisch gestimmt sind und eine Oktave umfassen, gebaut. Die Registerinstrumente könnten als Sopran, Alt, Tenor, Bass und Kontra-Bass Instrument vorgesehen werden. Weil mit der berührungslosen Anregung die Obertöne jeder Saite bis in hohe Lagen gut angeregt werden können, kann man bereits mit einem einzigen Registerinstrument ausgehend vom tiefsten Ton bis in sehr hohe Lagen in allen 12 Tonarten musizieren. Nebst den chromatischen Tönen der temperierten Stimmung steht eine Vielzahl von Obertöne zur Vertagung, wodurch vielfältigste und spezielle Klangfarben erzeugt werden können. Um eine möglichst hohe maximal anregbare Lautstärke erzielbar zu machen, werden gegebenenfalls zumindest in einzelnen Saiten-Stimmlagen zumindest zwei Saiten eingesetzt. Es hat sich beispielsweise für Bass-Saiten gezeigt, dass sich die erzielbare Lautstärke bei der Verwendung von zwei direkt nebeneinander geführten und von der gleichen Anregungsvorrichtung angeregten Saiten die Lautstärke verdoppelt. Bei höheren Lagen, insbesondere Alt- und Sopranlagen, kann es zweckmässig sein, jeder Anregungsvorrichtung drei gleich gestimmte Saiten zuzuordnen.
Ein erfindungsgemässes Registeerinstrument umfasst aufgrund der gezielt spielbaren Obertöne 5 bis 6 Oktaven Tonumfang. Ein Bass- und ein Altinstrument zusammen ergibt daher schon annähernd den Umfang eines Flügels. Im Gegensatz zum Flügel, wird mit dem erfindungsgemässen Instrument von Gewicht und Grösse her Mobilität gewährleistet Die Registerinstrumente können im Raum verteilt angeordnet werden, wodurch ein multifunktionales, offenes System zur Verfügung steht, bei dem auch der flexiblen Raumgestaltung Gewicht zu kommt.
Eine elektronisch betriebene Anregungsvorrichtung zum berührungslosen Anregen der mindestens einen Saite umfasst vorzugsweise auf beiden Seiten der mindestens einen Saite einen Elektromagneten. Die aus dem Stande der Technik bekannten Anregungsvorrichtungen mit dem lediglich auf einer Seite der Saite angeordneten Elektromagneten können die bevorzugten starken Anregungskräfte, bzw. hohen Beschleunigungen der Saite, nicht gewährleisten, zumindest nicht mit einer vertretbaren Mregungsleistung. Bei einer einseitigen Anregungsvorrichtung kann die magnetische Feldenergie zuwenig effizient zur Auslenkung bzw. Beschleunigung der Saite eingesetzt werden. Um die magnetische Feldenergie effizient zur Beschleunigung einer Saite einzusetzen, wird ein System mit zwei Spulen verwendet, wobei sich die anzuregende Saite durch einen Luftspalt zwischen den beiden Spulen erstreckt.
Damit das Magnetfeld der Spulen eine Kraftwirkung auf die Saite erzielen kann, muss die Saite entweder von Strom durchflossen werden, oder aber sie muss magnetisierbares Material umfassen. Auf eine stromdurchflossene Saite wirkt in einem Magnetfeld die Biot-Savart Kraft senkrecht zum Magnetfeld und zur Saite, so dass eine Auslenkung der Saite quer zur Achse der Spulen und somit in Längsrichtung des Luftspaltes erwartet wird. Wenn die Saite magnetisches oder magnetisierbares, insbesondere ferromagnetisches, Material umfasst, so kann über eine magnetische Wirkung vom Magnetfeld eine Auslenkungskraft auf die Saite übertragen werden. Aus der Energiedichte des Magnetfeldes mit der Saite, bzw. aus einer Maxwell-Spannung dieses Systems, ergibt sich im inhomogenen Feld eine resultierende Kraft, die mit dem variablen Magnetfeld alternierend in entgegengesetzte Richtungen wirkt. Die Auslenkung der Saite erfolgt in der Richtung der Achse der Spulen und somit alternierend gegen je eine der Spulen, bzw. quer zum Luftspalt.
Mit einer stromdurchflossenen leitenden Saite kann nur eine schwache Anregung erzielt werden. Die vom Magnetfeld auf die durchströmte Saite wirkende Kraft lässt sich folgendermassen formulieren: $F = i (\vec{l} \times \vec{B})$

wobei

F: Kraft auf die Saite [N]
i: Strom durch die Saite [A]
I: Länge des dem Magnetfeld ausgesetzten Leiterabschnittes [m]
B: magnetische Flussdichte [T]

Wenn die Saite und die Magnetfeldvektoren bei der Saite rechtwinklig zueinander stehen, so ergibt sich die folgende Auslenkungskraft: $F = ilB$
Das erforderliche Magnetfeld wird durch zwei gleichsinnig gekoppelte Spulen erzeugt. Es wird kein Dauermagnet benötigt. Die Saite befindet sich in der Mitte des Luftspaltes, in welchem näherungsweise ein homogenes Feld mit Feldlinien in Richtung der gemeinsamen Spulenachse besteht. Eine sich ändernde Kraftwirkung wird durch ein sich änderndes Magnetfeld B oder einen sich ändernden Strom i durch die Saite herbeigeführt. Bei diesem Prinzip ist darauf zu achten, dass durch den Stromfluss durch die Saite keine Erwärmung derselben auftritt. Dies hätte eine Ausdehnung der Saite zur Folge und das Instrument würde verstimmt. Bei einem maximal tolerierbaren Stromfluss durch die Saite von i = 1A, einer Länge des magnetischen Gebers von 10mm und einer gewünschten Kraftwirkung auf die Saite von F = 0.1N ist eine magnetische Flussdichte im Luftspalt von 10T nötig. Dies ist, insbesondere bei einem erforderlichen Luftspalt von ca. 5 bis 6mm realistischerweise kaum erreichbar.
Mit einem Experiment und einer Simulation wurde die Rechnung bestätigt. Die Kraftwirkung zwischen einer stromdurchflossene Saite und einem Magnetfeld kann mit vertretbarem Aufwand keine genügende Anregung der Saite ermöglichen. Die erzielbare Magnetfeld-Flussdichte reicht nicht aus, um die Saite seitlich auszulenken. Wenn sich die Saite nicht vollkommen zentriert im Luftspalt befindet, tritt zudem eine unkontrollierte Kraft in Richtung der Achse der Spulen auf. Diese Kraft hat im oszillierenden Magnetfeld einen oszillierenden Anteil, so dass die Saite in Schwingung versetzt wird. Die Saite wird aber auch gegen die nähere Spule gezogen und gelang bei einem zu kleinen Abstand mit dieser in Kontakt. Dies liegt daran, dass die Saite aus magnetisierbarem Material gebildet ist. Wenn das magnetisierbare Material der Saite eine kleine Remanenz hat, bzw. weichmagnetisch ist, wird die beschriebene Anziehungskraft unabhängig von der momentanen Richtung des Magnetfeldes auftreten.
Um eine genügend grosse Anregungskraft mit vertretbarem Aufwand erzeugen zu können, wird eine Saite verwendet, die magnetisierbares, insbesondere ferromagnetisches, Material umfasst, vorzugsweise aber aus diesem gebildet ist. Mit mindestens einem Dauermagneten und zwei beidseits der Saite angeordneten Spulen wird ein im Bereich der Saite inhomogenes Magnetfeld und daher, wie oben bereits erwähnt eine Auslenkungskraft erzielbar. Zur Veranschaulichung kann angenommen werden, dass der mindestens eine Permanentmagnet im Luftspalt und somit im Bereich der Saite ein starkes Magnetfeld erzeugt, das eine Art Potentialfunktion übernimmt. Um die Saite in diesem permanenten Magnetfeld in Oszillation zu versetzen, werden von den Spulen gemäss dem Anregungssignal Inhomogenitäten im Magnetfeld erzeugt. Die Spulen sind gegensinnig gewickelt und erzeugen somit bei einer Durchströmung Magnetfelder, die jeweils mit gleichen Polen gegeneinander gerichtet sind. In der einen bzw. anderen Stromrichtung wird die gesamte, durch die Spulen und das permanente Feld gegebene, Magnetfelddichte gegen die eine bzw. andere Spule hin erhöht. Die entsprechend der Stromrichtung alternierenden inhomogenen Magnetfelder im Luftspalt wirken mit entsprechenden Kräften auf das magnetisierbare Material der Saite. Fliesst ein Strom durch die Spulen, so verändert sich das Magnetfeld im Luftspalt. Dort, wo das durch eine Spule erzeugte Feld die gleiche Richtung aufweist wie das statische Feld, wird die Flussdichte grösser, auf der anderen Seite der Saite wirken sich die Felder entgegen, was zu einem schwächeren Magnetfeld fuhrt. Aufgrund dieser Asymmetrie wirkt auf die Saite eine resultierende Kraft.
Um ein möglichst starkes Dauermagnetfeld bereitzustellen, werden vorzugsweise zwei Permanentmagnete eingesetzt. In einer ersten Ausführungsform sind die beiden Permanentmagnete je in einer der Spulen und somit beidseits des Luftspaltes angeordnet. Diese Anordnung hat aber den Nachteil, dass die Permanentmagnete dort angeordnet sind, wo die Elektromagnete die höchste Flussdichte haben, was bei starken Wechselfeldem der Elektromagnete zu einer Entmagnetisierung der Dauermagnete führen kann. Die Elektromagnete und die Dauermagnete erzeugen geschlossene Magnetfeldlinien, die im Luftspalt und um die Elektromagnete in der Luft einen grossen Widerstand erfahren. Durch die Verwendung von magnetisierbaren Kernen, insbesondere von Eisenkernen, die bis auf den Luftspalt mit der Saite einen geschlossenen Weg für die Magnetfeldlinien anbieten, kann der Widerstand der magnetischen Felder, bzw. der Luftanteil in dem sich die Magnetfeldlinien ausbilden und damit der Widerstand gegen das Magnetfeld, reduziert werden. Dadurch kann die Felddichte im Bereich des Luftspaltes erhöht werden. Zudem können die Permanentmagnete ausserhalb der Spulen in den geschlossenen Weg des Kernteiles eingesetzte werden, wodurch sie einer kleineren Felddichte des von den Spulen erzeugten Magnetfeldes ausgesetzt sind. Bei der Auslegung muss darauf geachtet werden, dass die von den Elektromagneten erzeugte Feldstärke bei den Permanentmagneten kleiner ist als die Koerzitivfeldstärke der Dauermagneten, so dass deren Magnetisierung nicht beeinträchtigt wird. Der Widerstand zum Erzielen der magnetischen Wechselfeldern kann noch weiter verkleinert werden, indem der Kernteil durch aneinander anliegende Kernbleche mit elektrischer Isolation gebildet wird, wodurch das Auftreten von Wirbelströmen relevant verkleinert wird.
Durch die Überlagerung der Felder der Dauer- und Elektromagneten entsteht im Luftspalt mit der Saite ein inhomogenes Feld. Die Kraftwirkung des inhomogenen Feldes auf die Saite kann ausgehend von der Maxwell-Spannung folgendermassen beschrieben werden: $F = 1 / 2 \oint \vec{B} \vec{H} ⅆ \vec{A}$
Mit einer Integration über eine die Saite umschliessende Systemgrenze G kann die Kraftwirkung der Magnetfelder der Spulen und der Permanentmagnete auf die Saite bestimmt werden. Eine Abschätzung der resultierenden Kraft zeigt, dass diese von der Feldstärke der Dauermagneten und von den Feldstärken der Spulen abhängt. Durch die Verwendung von Dauermagneten mit hohen magnetischen Flussdichten kann der Wirkungsgrad der Anregungvorrichtung wesentlich erhöht werden. Wenn mit einer kleinen durch die Elektromagneten zugeführten Wirkleistung eine möglichst grosse Amplitude der Saite erzielt werden soll, so müssen möglichst hochwertige Dauermagnete, beispielsweise Samarium-Kobalt (SmCo) oder Neodymium-Eisen-Bor (NdFeB) Magnete verwendet werden. Der Wirkungsgrad kann dadurch gegenüber von Lösungen mit Ferrit-Magneten zumindest verdoppelt werden. Ein vorteilhaft einsetzbarer Dauermagnet muss möglichst hohe magnetische Flussdichten erzielbar machen und darf gegenüber Fremdfeldem nicht empfindlich sein, bzw. sollte eine genügend grosse Koerzitivfeldstärke aufweisen.
Zur Erzeugung der Inhomogenität im Magnetfeld wäre es auch denkbar, lediglich eine Spule zu verwenden, wobei dann aber die auf die Saite wirkende Kraft bei gleichbleibendem Spulenstrom kleiner wäre. Bei einem höheren Spulenstrom würde eine grössere lokale Wärmeentwicklung entstehen. Zudem könnte mit nur einer Spule auf der von dieser abgelegenen Seite der Saite keine analoge Inhomogenität erzielt werden, wie bei der Spule. Entsprechend wäre die Anregung gegen die Spule hin und die Anregung von der Spule weg bei gleicher Stromstärke unterschiedlich stark, was bei der Anregung mit einem sinusförmigen Signal eine asymmetrische Anregung bewirken würde. Daher wird eine Anregungsvorrichtung mit einem bezüglich einer Mittelebene symmetrischen Aufbau bevorzugt, wobei die Mittelebene durch die Achse der Saite senkrecht zu einer gemeinsamen Achse der Spulen verlaüft.
Eine Anregungsvorrichtung mit zwei E-förmigen Kernteilen, die bei den äusseren beiden Vorsprüngen über je einen Dauermagneten miteinander verbunden sind und am mittleren Vorsprung je eine Spule umfassen, ermöglicht eine äusserst effiziente Saitenanregung. Durch eine Verengung oder Verbreiterung des mittleren Vorsprunges kann die Feldstärke im Luftspalt und die Ausdehnung des Feldes in Richtung der Saite verändert werden. Wenn etwa Schwingungen mit kleinen Wellenlängen angeregt werden sollen, so muss gewährleistet sein, dass die Ausdehnung des Magnetfeldes in der Richtung der Saite im wesentlichen nicht grösser ist, als die halbe Wellenlänge des Tones mit der kürzesten Wellenlänge, die noch anregbar sein soll. Wenn diese gewünschte Magnetfeldausdehnung kleiner ist als der Durchmesser der einzusetzenden Magnete, so kann das von den Permanentmagneten ausgehende Magnetfeld durch eine Verengung des Kernteiles beim Mittleren Vorsprung auf die gewünschte Ausdehnung verengt werden. Weil E-förmige Kembleche handelsüblich sind und auch hochwertige Dauermagnete, beispielsweise Samarium-Kobalt (SmCo) oder Neodymium-Eisen-Bor (NdFeB) Magnete, günstig erhältlich sind, können die vorteilhaften Anregungsvorrichtungen günstig hergestellt werden. Es versteht sich von selbst, dass anstelle der zusammengestellten E-förmigen Kerne auch je zwei C-förmige Kerne zusammengestellt werden können, wobei zwei einander zugeordnete Vorsprünge über einen Permanentmagneten miteinander verbunden werden und die anderen beiden einander zugeordneten Vorsprünge je mit einer Spule versehen werden. Gegebenenfalls werden auch Kerne mit mehr als drei, beispielsweise mit 13 oder 14 Vorsprüngen, zusammengestellt, wobei zumindest zwischen zwei einander zugeordneten Vorsprüngen ein Permanentmagnet eingesetzt ist, zwischen den anderen Vorsprungpaaren jeweils ein Luftspalt mit einer Saite angeordnet ist und an den Vorsprüngen dieser Vorsprungpaare jeweils im Gegensinn gewickelte Spulen angeordnet sind. Dadurch geht das permanente Magnetfeld für alle Luftspalte von mindestens einem gemeinsamen Magneten aus, wobei das Zuführen des Magnetfeldes zu den luftspalten durch die Kernteile erfolgt. Es versteht sich von selbst, dass der mindestens eine gemeinsame Magnet auch als Elektromagnet ausgebildet werden kann. Anordnungen mit 13 oder 14 Vorsprungspaaren können bei chromatisch gestimmten Saitensätzen mit 12 einfach oder mehrfach besetzten Saiten verwendet werden, wenn die Freiräume zwischen den Saiten zu klein sind, um den Verbindungsbereich eines Kernteiles oder einen Permanentmagneten darin einzusetzen. Gegebenenfalls sind solche Anordnungen auch vorteilhaft einsetzbar an bekannten Instrumenten mit Metallsaiten, wie beispielsweise einem Klavier.
Um bei einem Instrument mit mehreren Saiten, die einzelnen Saiten schnell und stark anregen zu können, ist vorzugsweise jeder Saite, gegebenenfalls aber auch jeweils zwei oder mehr gleichgestimmten Saiten, eine Anregungsvorrichtung mit zwei Spulen, mindestens einem Permanentmagneten und zwei über den mindestens einen Permanentmagneten miteinander verbundenen Kernteilen zugeordnet. Es versteht sich von selbst, dass das permanente Magnetfeld, dessen Feldlinien vor allem durch die Kernteile geführt werden, auch von einer stromdurchflossenen Spule, die um zumindest einen der Kernteile angeordnet ist, erzeugt werden kann. Wenn aufgrund des elektrisch erzeugten permanenten Magnetfeldes kein Permanentmagnet zwischen die Kernteile eingesetzt wird, so genügt gegebenenfalls ein Kernteil. Modellrechnungen und Versuche haben gezeigt, dass die Saite empfindlich auf Frequenzänderungen reagiert. Schon bei geringen Abweichungen der Anregungsfrequenz von der Schwingfrequenz der Saite verschlechtert sich die Ankoppelung stark. Dadurch können auch nahe beieinander liegende Obertöne gezielt, bzw. je einzeln, angeregt werden.
Auch bei dauerndem Betrieb des Instrumentes mit grosser Amplitude der Saitenschwingung steigt die Temperatur an der Aussenseite der Spulen nicht über 50°C an. Diese gute thermische Eigenschaft ergibt sich dadurch, dass bereits bei kleiner zugeführter Leistung genügend grosse Anregungskräfte erzielt werden. Durch die Kernteile besitzt das System zudem gute thermische Leiter, welche die bei den Spulen entstehende Wärme nach aussen abführen.
Durch die Verwendung von geschlossenen Anordnungen mit Kernteilen und eingesetzten hochwertigen Dauermagneten kann der Wirkungsgrad gegenüber Lösungen mit Ferrit-Magneten in den Spulen um den Faktor 10 bis 15 erhöht werden. Ein möglichst hoher Wirkungsgrad erlaubt es, die Saiten mit einem vertretbaren Energieaufwand schnell in äusserst starke Schwingungen zu versetzen. Dies ist nötig, wenn der Klang der Saitenschwingung akustisch abgestrahlt werden soll und insbesondere, wenn das erfinderische Instrument beispielsweise den Klang einer gezupften Bassaite bereitstellen soll. Ein hoher Wirkungsgrad ermöglicht eine gute Kopplung der Saitenschwingung an das Anregungssignal. Dadurch kann sowohl der Frequenz- als auch der Amplituden-Verlauf kontrolliert werden.
Die Anregungsvorrichtung ermöglicht nicht nur das initiale Anregen der Saitenschwingung, sondern auch das Kontrollieren des Verlaufs der Schwingung, insbesondere auch ein Dämpfen der Saitenschwingung. Zum Erzielen einer selektiven Dämpfung wird vorzugsweise die effektive Schwingung erfasst, ein gegenphasiges Anregungssignal bereitgestellt und die Saite damit angeregt. Das Erfassen der effektiven Schwingung kann über ein separates Pickup, über eine optische Auslenkungserfassung bei der zum Dämpfen eingesetzten Anregungsvorrichtung oder über ein von der Anregungsvorrichtung erfasstes Signal erfolgen. Wenn Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen auch verschieden gedämpft werden sollen, so muss die Amplitudenmessung frequenzabhängig durchgeführt werden.
Es versteht sich von selbst, dass anstelle der aktiven Dämpfung durch eine Anregungsvorrichtung, auch eine mechanische Dämpfung vorgesehen werden kann. Die mechanische Dämpfung erfolgt mit Hilfe von Dämpferelementen, die an die Saite herangeführt werden können. Vorzugsweise umfasst eine mechanische Dämpfung für jede Saite zwei Dämpferelemente die je von einander gegenüberliegenden Seiten gegen die Saite bewegbar sind. Als Antrieb der Dämpfer dient beispielsweise ein elektromechanisches System, mit welchem sowohl jede Saite einzeln als auch alle Saiten zusammen gedämpft werden können. Das elektromechanische System umfasst Elektromotoren und/oder elektromagnetische Hubvorrichtungen, insbesondere positionierbare Hubmagnete.
Jede Anregungsvorrichtung wird über das Interface betrieben, wobei dem interface über zumindest einen Eingang ein Signal von aussen zuführbar ist. Das Interface ist vorzugsweise so ausgebildet, dass im wesentlichen beliebige elektrische oder elektronische Signale, analog, digital oder auch im MIDI-Format insbesondere Signale von Synthesizern, Keyboards, Computern und Signale von Mikrophonen oder Lautsprecherausgängen eingespiesen werden können. Um MIDI-Signale bereitzustellen, stehen für verschiedene instrumentaltechniken Geräte, wie Masterkeyboards, MIDI-Sax, MIDI-Gitarre oder andere MIDI-Controller zur Verfügung. Um eine vielseitige Umsetzung verschiedener elektrischer Signale zu ermöglichen, umfasst das Interface vorzugsweise nebst zumindest einem MIDI-Eingang mehrere parallele Sound-Eingänge, die insbesondere von analog auf digital und umgekehrt umschaltbar sind. Um auch Signale, die von einem Mikrophon stammen, zur Steuerung des erfingungsgemässen Instrumentes benützen zu können, ist zumindest ein Mikrophon-Eingang vorgesehen. Ober einen Mikrophon-Eingang kann beispielsweise der Klang einer Geige zur Steuerung verwendet werden. Wenn nun für ein Instrument mit einem chromatischen Saitensatz ein Signal zum Ansteuern der einzelnen Saiten vorliegt, so ist es zweckmässig ein Interface mit einem Chromatic-Eingangeinzusetzen, Weil bei Saiten mit langen Schwingungsdauern auch das Dämpfen der Saiten für eine gute Klangqualität wichtig ist, umfasst das Interface vorzugsweise einen Dämpfungs-Eingang bzw. Pedal-Eingang, der beispielsweise mit mindestens einem Dämpfungspedal verbunden ist. Über den Dämpfungs-Eingang wird das Dämpfungsverhalten der mechanischen Dämpfer und gegebenenfalls der berührungslosen Dämpfung mittels der Anregungsvorrichtungen beeinflusst, beispielsweise indem bei gedrücktem Pedal die Dämpfung weggelassen bzw. geschwächt wird.
Das Interface erzeugt ausgehend von den Eingangssignalen Steuersignale für die Anregungsvorrichtungen, bzw. für Verstärker der Anregungsvorrichtungen. Im einfachsten Fall wird direkt ein Eingangssignal an die Anregungsvorrichtungen weitergeleitet, so dass das Interface lediglich als Signaleingang zu betrachten ist. Wenn die Signale, die über Mikrophon- oder Sound-Eingänge zur Steuerung des Instrumentes eingesetzt werden, nicht auf die Eigenschaften des Instrumentes ausgerichtet sind, so kann die Klangqualität durch die Verwendung von Filtern und zwei verschiedenen Anregungsweisen optimiert werden. Eine erste, Resonanzmodus genannte, Anregungsweise benützt ein gemeinsames Anregungssignal zur gleichzeitigen Ansteuerung aller Anregungsvorrichtungen, wobei die Saiten entsprechend ihrer Eigenfrequenzen bzw. Obertonspektren nur auf die Signalanteile mit den Eigenfrequenzen der jeweiligen Saite ansprechen. Eine zweite, Tonaufteilungsmodus genannte, Anregungsweise ordnet die Töne des Signales den Saiten zu, auf denen diese Töne klingen. Entsprechend werden Signalanteile jeweils entsprechenden Anregungsvorrichtungen, bzw. deren Verstärkern, zugeführt.
Der Verstärker einer Anregungsvorrichtung sollte einen hohen Wirkungsgrad haben, so das ein möglichst grosser Leistungs-Anteil in die Anregung der Saite und ein kleiner Leistungs-Anteil in Wärme übergeht. Um die durch die Verlustleistung entstehende Wärme abzuführen, ist in der Regel eine Kühlung nötig, was zu grossen Dimensionen des Verstärkers führt. Um die Wirkleistung zu verbessem, soll vorzugsweise ein Klasse D Verstärker vorgesehen werden. Klasse D Verstärker basieren auf dem Prinzip der Pulsweiten-Modulation und sind in B. Schweber, Class D IC Amps: Ready for audio prime time, EDN Magazine 1.7.1999 beschrieben. Das Eingangssignal schaltet den Ausgang entweder ein oder aus. Die Höhe des Ausgangssignals wird durch die Pulsbreite gesteuert. Der Grund für den hohen erreichbaren Wirkungsgrad liegt in der binären Wirkungsweise der Schaltung: Die Verluste werden hauptsächlich durch die Leistungsschalter erzeugt. Im Gegensatz dazu entsteht bei AB-Verstärkem die Verlustleistung u.a. bereits durch die Einstellung des Arbeitspunktes. Der erreichbare Wirkungsgrad von Klasse D Verstärkern liegt im Bereich 80 bis 90%. Bei Anwendungen im Audio-Bereich sind für den Einsatz solcher Verstärker spezielle Ausgangsfilter notwendig, um den Klirrfaktor zu minimieren. Da die Anregungsvorrichtung selbst bereits eine recht grosse Induktivität aufweist, ist dies beim vorliegenden Instrument nicht notwendig.
Damit ein Verstärker zur Ansteuerung der Anregungsvorrichtung entworfen werden kann, muss der benötigte Frequenzgang bekannt sein. Aus diesem Grund soll der Frequenzgang des Systems aus Anregungsvorrichtung und Saite bestimmt werden. Weil die Leistungs-Ansprüche an einen Verstärker zum Anregen einer Basssaite besonders hoch sind, wurde die Anregung einer Basssaite genau analysiert. Der gemessene relative Schalldruck zeigt, dass oberhalb einer Frequenz von ca. 6kHz kein Schwingen der Basssaite mehr festgestellt wird. Auch durch eine Erhöhung der eingespeisten Leistung kann die Basssaite nicht mehr angeregt werden. Ab einer Frequenz von ungefähr 5kHz wird die Schwingung der Basssaite von einem Singen der Geberspulen überlagert. Bei höheren Frequenzen ist der Abstand zwischen den Resonanzen nicht mehr exakt λ/2, was durch die physikalische Eigenschaften der Basssaite, insbesondere die Tatsache dass die Knotenpunkte nicht unendlich klein sind, zu erklären ist. Der Tiefpasscharakter des Systems ist im Frequenzgang deutlich zu erkennen. Dies ist durch die induktive Last der Anregungsvorrichtung zu erklären. Wenn die anzuregende Saite nicht genügend stark gespannt ist, so wird insbesondere auch bei tiefen Frequenzen eine schlechte Übertragung der Saitenschwingung auf den Klangkörper beobachtet. Um mit der berührungslosen Anregungsvorrichtung im unteren Frequenzbereich einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, müssen die Saiten genügend gut gespannt werden.
Um auch hochfrequente Signalanteile in einen genügend starken Schall umzuwandeln, wird dem Verstärker vorzugsweise ein Equalizer vorgeschaltet, welcher die hohen Frequenzen anhebt. Die Begrenzung des Frequenzganges wird durch die Trägheit der Saite hervorgerufen. Zudem liegt bei hohen Frequenzen die halbe Wellenlänge im Bereich oder unterhalb der Ausdehnung der Anregungsvorrichtung bzw. Geberlänge. Bei einer mit 6kHz schwingenden Versuchssaite beträgt λ/2=12.5mm. Mit einer Geberlänge von 10mm ist somit die Grenze einer sinnvollen Anregung der Saite erreicht. Wenn nun also keine Töne oberhalb von 6kHz erzeugt werden können, so muss auch der Verstärker nur unterhalb von 6kHz ein lineares Verhalten aufweisen. Solche Klasse D bzw. Pulsweiten-Modulations Verstärker sind im Handel erhältlich. Daher kann eine berührungslose Anregungsvorrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad Saitenschwingungen erzielen, die genügend grosse Frequenz- und Lautstärkenbereiche abdecken.
Bis anhin stand den Kompositions- und Improvisationstechniken, welche sich des Computers bedienten, lediglich der elektronisch erzeugte und durch Lautsprecher abgestrahlte Klang zur Verfügung. Durch das erfindungsgemässe Instrument kommen diese Kompositionen über den natürlichen Saitenklang und dessen Abstrahlung durch den aus Holz gefertigten Klangkörper zu einer neuartigen, hervorragenden Klangwirkung.
Um das Instrument zu schützen und/oder die Klangabstrahlung zu beeinflussen, ist vorzugsweise eine Hülle vorgesehen. Die Hülle ist mit der Haltevorrichtung verbunden und umfasst zumindest ein flächiges, vorzugsweise gewölbtes, Richtungselement, das zur Beschränkung des Raumbereiches, in den der Klang des Klangkörpers abgestrahlt wird, einsetzbar ist. Damit die Hülle auch eine Schutzfunktion übernehmen kann, umfasst diese auf der von den Saiten abgewandten Rückseite des Klangkörpers einen Bodenbereich und daran anschliessend einen um den Klangkörper führenden Wandbereich. Das mindestens eine Richtungselement ist vorzugsweise als Deckel an den Wandbereich anlegbar, so dass die Hülle den Klangkörper vollständig umschliesst. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind lamellenförmige Richtungselemente an einer Führungsvorrichtung geführt. Die Richtungselemente können beispielsweise im wesentlichen in Richtung einer dominanten Abstrahlungsrichtung ausgerichtet werden. Gegebenenfalls können die Richtungselemente Umlenkflächen bilden, die beispielsweise bei einem horizontal ausgerichteten Klangkörper unter einem Winkel von im wesentlichen 45° zur Horizontalen über dem Klangkörper verlaufen und den dominant vertikal nach oben austretenden Schall des Klangkörpers im wesentlichen in eine horizontale Richtung umlenken.
Bei Instrumenten mit Metallsaiten, die genügend stark gespannt sind, kann eine Anregungsvorrichtung zum berührungslosen Anregen mindestens einer Saite vorteilhaft eingesetzt werden. Das heisst, dass zumindest eine Saite des bekannten Instrumentes durch den Einbau der Anregungsvorrichtung über ein Interface mit einem zugeführten elektrischen oder elektronischen Signal steuerbar ist Dabei muss, die anzuregende Saite magnetisierbares Material umfassen. Die einsetzbare Anregungsvorrichtung umfasst zwei, beidseits eines Luftspaltes zur Aufnahme der Saite, im wesentlichen um eine gemeinsame Spulenachse angeordnete Spulen und eine Magnetvorrichtung zum Erzeugen eines permanenten Magnetfeldes, vorzugsweise mindestens einen Permanentmagnet. Das permanente Magnetfeld im Bereich des Luftspaltes steht im wesentlichen parallel zur Spulenachse und die Spulen sind so gewickelt und angeschlossen, dass sie im stromdurchflossenen Zustand Magnetfelder mit gegeneinander gerichteten gleichen Polen erzeugen, so dass im Luftspalt ein inhomogenes Magnetfeld erzielbar ist, das die Saite mit einer Auslenkungskraft beaufschlagbar macht.
Es wäre insbesondere auch möglich ein elektrisches Instrument mit einem chromatischen Saitensatz und berührungslosen Anregungsvorrichtungen zu bauen, wobei der Klang über Pickups, Verstärker und Lautsprecher abgestrahlt würde. Die Klangqualität würde zwar verschlechtert, aber die von der Anregungsvorrichtung ausgehenden Anregungsmöglichkeiten und insbesondere auch die beschriebenen Dämpfungsmöglichkeiten könnten vorteilhaft für die Erzeugung des Klanges eingesetzt werden.
Die Erfindung wird in den Figuren anhand von Beispielen weiter beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Saiteninstrumentes mit einer berührungslosen Anregungsvorrichtung,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Klangkörpers,
Fig. 2a, 2b Schnitte gemäss A bzw. B in Fig. 2
Fig. 2c ein Detail aus Fig. 2a
Fig. 3, 4 eine schematische Darstellungen von Anregungsvorrichtungen
Fig. 5a eine schematische Darstellung der auftretenden Kräfte
Fig. 5b eine funktionale Darstellung der Kraftwirkung als Funktion der Auslenkung bei verschiedenen Magnetfeldstärken
Fig. 6 eine funktionale Darstellung der Anregungswirkung in Funktion der Lage der Anregungsvorrichtung
Fig. 7a, 7b, 7c schematische Darstellungen der mechanischen Dämpfung
Fig. 8 eine schematische Darstellung der berührungslosen Dämpfung
Fig. 9 eine schematische Darstellung des Interface
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung der Anwendungsmöglichkeiten des Instrumentes
Fig. 11, 12, 13, 14 schematische Darstellungen von berührungslosen Anregungsvorrichtungen
Fig. 15a eine Seitenansicht eines Instrumentes
Fig. 15b, 15c, 15d schematische Frontansichten des Instrumentes und
Fig. 16a-d schematische Darstellungen der Instrumentenhülle

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemässes Instrument 101 mit 12 chromatisch gestimmten Saiten 102, die von einer Haftevorrichtung 103 spannbar gehalten werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden jedem Ton zumindest zwei direkt nebeneinander liegende Saiten, bzw. ein Mehrfach-Saitenstrang zugeordnet. Um die einzelnen Saiten, bzw. die Mehrfach-Saitenstränge in Schwingung zu bringen, ist jeder Saite 102 bzw. jedem Mehrfach-Saitenstrang eine elektrisch oder elektronisch betriebene Anregungsvorrichtung zugeordnet. Zum Halten der Anregungsvorrichtungen ist zumindest ein Träger 104 mit Durchtrittsöffnungen 104a für die Saiten 102 vorgesehen. Gegebenenfalls sind zwei Träger 104 mit Anregungsvorrichtungen an verschiedenen Positionen entlang der Saiten 102 angeordnet. Weil die Eigenschwingungen in den Bereichen ihrer Knoten nicht anregbar sind, sind an den verschiedenen Positionen verschiedene Eigenschwingungen der Saiten 102 unterschiedlich gut anregbar. Zudem können die Anregungsvorrichtungen des einen Trägers 104 so ausgestaltet werden, dass sie im Vergleich zu den Anregungsvorrichtungen des anderen Trägers 104 über eine grössere Länge mit Anregungskräften auf die Saiten 102 wirken und somit mehr geeignet sind Schwingungen mit grösseren Wellenlängen anzuregen.
Die Haltevorrichtung 103 umfasst zwei Seitenteile 105 und zumindest eine, vorzugsweise zwei, insbesondere aber drei oder mehr, mit beiden Seitenteilen 105 verbundene Tragsäulen 106. Die Saiten 102 werden zwischen den beiden Seitenteilen 105 angeordnet, wobei zur spannbaren Befestigung am einen Seitenteil 105 jeweils eine Spanneinrichtung vorgesehen ist. Das eine Seitenteil 105 umfasst eine Mensurplatte 107, so dass die Saitenlänge von einer kürzesten zu einer längsten Saite schrittweise zunimmt. Um die hohe Spannkraft aller Saiten aufnehmen zu können, sind an den Seitenteilen 105 nach innen stehende Rippen 105a ausgebildet, die mit den Tragsäulen 106 verbunden sind. Um das Entstehen unerwünschter Geräusche zu verhindern, sind die Rippen 105a vorzugsweise als Doppelrippen mit einer Hartgummi-Zwischenlage ausgebildet und die Tragsäulen 106 sind zumindest abschnittweise mit Hartgummi gefüllt. Die Träger 104 mit den Anregungsvorrichtungen sind an den Tragsäulen 106 befestigt und können etwas verstellt werden, so dass die Saiten 102 im wesentlichen zentriert durch die Durchtrittsöffnungen 104a geführt sind.
Zum akustischen Abstrahlen der Saitenschwingungen ist ein Klangkörper 108 vorgesehen. Der Klangkörper 108 ist als Hohlkörper ausgebildet und umfasst eine Membran 109, ringförmig geschlossen angeordnete Zargen 110 und insbesondere einen Boden 111. An der einen Stirnseite der Zargen 110 ist die Membran 109 und an der anderen Stirnseite der Boden 111 angeordnet. Die Membran 109 ist den Saiten 102 zugewandt, wobei die Saiten 102 an einem Steg 112 anliegen, der seinerseits mit der Membran 109 in Kontakt ist. Der Klangkörper 108 ist über eine nicht dargestellte Abstands-Verstelleinrichtung mit dämpfenden Gummielementen an der Haltevorrichtung 103, insbesondere an den Tragsäulen 106, befestigt. Mittels der Abstands-Verstelleinrichtung kann die Spannung mit der die Saiten 102 am Steg 112 anliegen optimal eingestellt werden.
Zum Zuführen von Signalen an die Anregungsvorrichtungen in den Trägem 104, ist zumindest ein Interface 113 vorgesehen, dem Steuersignale über zumindest einen Eingang 113a zuführbar ist. Vom Interface führen Kabel 113b zu den Anregungsvorrichtungen.
Um eine hohe Klangqualität des Instrumentes 101 zu gewährleisten, wurde ein neuer, einfach aufgebauter Klangkörper 108 mit einer vorgespannten Membran 109 entwickelt. Gemäss Fig. 2, 2a, 2b und 2c sind vier Zargen 110 zu einem Rechteck zusammengestellt und an einer Stirnseite mit dem Boden 111 verbunden. Die langen seitlichen Zargen 110 stehen gegen die Membran 109 hin etwas nach aussen. Um die Stabilität der langen Zargen 110 bei der Membran 109 zu erhöhen, sind an den Zargen 110 bei der Membran 109 nach innen stehende, im wesentlichen parallel zur Membran 109 verlaufende, von dieser aber etwas beabstandete Längsrippen 114 befestigt. Damit die Membrane 109 besonders gute Schwingungseigenschaften hat, wird sie aus Klangholz mit engen Jahrringen hergestellt und in einem vorgespannten Zustand mit den Zargen verbunden. Im Klangholz stehen die Jahrringe senkrecht zur Oberfläche, die Faserrichtung erstreckt sich vorzugsweise in Richtung der grossen Recheckseite und in Richtung der kleinen Recheckseite folgt Jahrring auf Jahrring. Die Membran 109 wird zumindest senkrecht zur Faserrichtung, vorzugsweise aber auch entlang der Faserrichtung etwas gebogen und somit vorgespannt an den Zargen 110 befestigt, insbesondere damit verleimt. Die Zargen 110 sind an der Stirnseite, die der Membran 109 zugewandt ist, gekrümmt, wobei die Stirnseiten der kürzeren Zargen stärker gekrümmt sind als die Stirnseiten der längeren Zargen. Die bevorzugten Krümmungsradien hängen von der Holzqualität ab und liegen für die kurze Seite unterhalb von 1.2m, insbesondere unterhalb von 1m, vorzugsweise bei im wesentlichen 0.95m. Für die lange Seite liegen die bevorzugten Krümmungsradien oberhalb von 10m, insbesondere oberhalb von 12m, vorzugsweise bei im wesentlichen 14m. Die Membran 109 erhält dadurch die Form einer Teilfläche eines Torus oder eines Tonnenkörpers, wobei diese toroide Fläche vorzugsweise gegen die Saite vorsteht und daher in einen grösseren Raumwinkel abstrahlt als eine gegen das Innere des Klangkörpers gebogene Fläche. Die Längsrippen 114 verhindern, dass die Spannung der Membran 109 zu einer Verformung der langen Zargen 110 führt.
Um die Spannungsverteilung in der Membran 109 nicht durch eine Öffnung negativ zu verändern, wird gemäss einer bevorzugten Lösung die mindestens eine Öffnung 115 für den Luftaustausch und das Abstrahlen von Schall aus dem Innern des Klangkörpers 108 im mittleren Bereich der langen Zargen 110 ausgebildet. Die Öffnung 115 erstreckt sich schlitzförmig durch die Zargen 110 und die Längsrippen 114. Um auch im Bereich der Öffnungen 115 die Membran 109 zu halten, ist an den Längsrippen 114 ein bis zur Membran 109 vorstehender Haltebereich 114a ausgebildet.
Fig. 3 zeigt eine Annegungsvorrichtung 116, mit der auf eine Saite 117 mit magnetisierbarem Material eine oszillierende Kraft F senkrecht zur Längsrichtung der Saite 117 ausgeübt werden kann. Beidseits der Saite 117 sind Spulen 118 und in den Spulen 118 Permanentmagnete 119 angeordnet. Die beiden Permanentmagnete sind gleich ausgerichtet und erzeugen in einem Luftspaft 120 mit der Saite 117 ein starkes Magnetfeld. Um die Saite in diesem permanenten Magnetfeld in Oszillation zu versetzen, werden von den Spulen 118 gemäss einem Anregungssignal Inhomogenitäten im Magnetfeld erzeugt. Die Spulen 118 sind gegensinnig gewickelt und so angeschlossen, dass Magnetfelder, die jeweils mit gleichen Polen gegeneinander gerichtet sind, entstehen. In der einen bzw. anderen Stromrichtung wird die gesamte, durch die Spulen und das permanente Feld gegebene, Magnetfelddichte gegen die eine bzw. andere Spule hin erhöht Die entsprechend der Stromrichtung alternierenden inhomogenen Magnetfelder im Luftspalt wirken mit entsprechenden Kräften auf das magnetisierbare Material der Saite 117.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Anregungsvorrichtung 116', bei der magnetisierbare Kernteile 121, insbesondere aus Elektroblechen aufgebaute Eisenkerne, eingesetzt sind. Diese Kernteile 121 sind E-förmig, wobei die äusseren beiden Vorsprüngen 121 a über je einen Dauermagneten 119 miteinander verbunden sind und um den mittleren Vorsprung 121 b je eine Spule 118 angeordnet ist. Die Spulen 118 sind wie gemäss Fig. 3 gegensinnig gewickelt bzw. angeschlossen. Durch eine Verengung oder Verbreiterung des mittleren Vorsprunges 121b kann die Feldstärke im Luftspalt 120 und die Ausdehnung des Feldes in Richtung der Saite 117 verändert werden. Durch die Kernteile 121 kann der Luftanteil in dem sich die Magnetfeldlinien ausbilden und damit der Widerstand gegen das Magnetfeld, reduziert werden. Dadurch kann die Felddichte im Bereich des luftspaltes 120 erhöht werden. Die Überlagerung der Felder der Dauer-und Elektromagneten 119, 118 führt im Luftspalt 120 zum eingezeichneten inhomogenen Magnetfeld. Die Kraftwirkung des inhomogenen Feldes auf die Saite 117 kann ausgehen von der Maxwell-Spannung durch eine Integration über eine, die Saite umschliessende Systemgrenze G, bestimmt werden. Gemäss Fig. 5a wird für eine Abschätzung der Kräfte in Richtung der gemeinsamen Achse der Spulen 118 die Systemgrenze G in vier Teilflächen A1, A2, A3 und A4 aufgeteilt und davon ausgegangen, dass das Magnetfeld senkrecht zu den Fläche A1 bzw. A2 den im wesentlichen konstanten Wert B1 bzw. B2 hat Senkrecht zu den Flächen A3 und A4 ist das Magnetfeld verschwindend klein. In einer ersten Näherung lassen sich die auf die Teilflächen A1 bzw. A2 wirkenden Kräfte F1 bzw. F2 folgendermassen berechnen: $F_{1} = \frac{A_{L}}{2 μ_{0}} {(B_{d 1} + B_{E})}^{2}$
$F_{2} = \frac{A_{L}}{2 μ_{0}} {(B_{d 2} - B_{E})}^{2}$

wobei B_d1, B_d2 von den Permanentmagneten erzeugte Flussdichten bei den Flächen A1 bzw. A2,
B_E von einem Elektromagneten erzeugte Flussdichte bei A1 bzw. A2,
A_L eine Fläche und
µ₀ eine magnetische Feldkonstante darstellt

Die resultierende Kraft berechnet sich für B_d1 = B_d2= B_d folgendermassen: $F = F_{1} - F_{2} = k (B_{d} B_{E})$
Die Anregungskraft nimmt also sowohl mit der Feldstärke der Permanentmagneten als auch mit der Feldstärke der Elektromagneten zu. Weil B_E in F₁ vom einen und in F₂ vom anderen Elektromagneten 118 herrührt, würde eine Anordnung mit nur einer Spule eine deutlich kleinere Kraft erzielbar machen.
Fig. 5b zeigt die Kraftwirkung auf die Saite 117 in Funktion ihrer Auslenkung in Richtung der Achse der Elektromagneten 118 für drei verschiedene Sorten von Permanentmagneten 119, die im Luftspalt Magnetfelder von 0.25, 0.5 und 1T erzeugen. Im Zentrum des Luftspaltes, bzw. bei der Auslenkung 0 ist die Kraft im wesentlichen proportional zum Magnetfeld des Dauermagnete.
Fig. 6 zeigt, dass die Positionierung der Anregungsvorrichtung 116, 116' bzw. des Trägers 104 längs der Saite 102,117 eine entscheidende Rolle spielt Vor allem für die Anregung der tieffrequenten Schwingungen ist es wichtig, genügend Abstand vom nächsten Knoten zu haben, weil mit zunehmender Distanz von einem Knotenpunkt, der zu Verfügung stehende Hebel grösser wird, so dass bei gleicher Kraftwirkung eine grössere Auslenkungerzielt wird. Für die in y-Richtung dargestellte Anregungsfähigkeit in Abhängigkeit von der relativen Lage der Anregungsvorrichtung entlang der frei schwingenden Saite, also zwischen dem einen Seitenteil 105 und dem Steg 112, wurden die untersten vier Teilschwingungen berücksichtigt. Die Anregungsfähigkeit hat bei einer Position x/l=0.83 ein absolutes Maximum. Das bedeutet, dass an dieser Stelle eine optimale Anregung der untersten vier Teilfrequenzen möglich ist Werden höhere Eigenfrequenzen der Saite in die Berechnung einbezogen, so verschiebt sich das Maximum gegen eine Position x/l=0.87. Die Saiten können also optimal in der Nähe des Steges oder aber auch in der Nähe des gegenüberliegenden Seitenteiles angeregt werden.
Weil die Saiten 102 aufgrund der hohen Spannkräfte lange nachklingen, müssen sie gedämpft werden können. Fig. 7a und 7b zeigen schematisch zwei Lösungen für das mechanische Dämpfen einer Saite 102. Die mechanische Dämpfung erfolgt mit Hilfe von Dämpfern 122, die von zwei Seiten an die Saite herangeführt werden. Gemäss Fig. 7a werden die Dämpfer 122 um einen Drehpunkt 123 je auf einer Seite dieses Drehpunktes zur Saite 102 hin und weg bewegt. Gemäss Fig. 7b werden die Dämpfer gegeneinander bewegt, wobei die Saite zwischen den Dämpfern festgeklemmt werden kann.
Als Antrieb für die Bewegung der Dämpfer dient ein elektromechanisches System, mit welchem sowohl jede Saite einzeln als auch alle Saiten zusammen gedämpft werden können. Die Dämpfungsart, insbesondere der minimale Abstand der Dämpfer 122 von der Saite 102, wird beispielsweise über ein Pedal, oder auch eine andere Steuerungseinrichtung eingestellt. Gemäss Fg. 7c kann jeder Dämpfer eine Position einnehmen, bzw. eine Positionsbewegung durchführen, im Bereich zwischen dem maximalen Dämpfdruck auf die Saite + und der vollständigen Freigabe der Saite -. Die effektive Position und/oder eine beim Dämpfen durchgeführte Hubbewegung kann durch das Pedal verstellt werden. Es ist möglich, den durch das Pedal gegebenen Nullpunkt, flexibel zu überschreiten, insbesondere bis zum maximalen Dämpfdruck. Dadurch können stark schwingende Saiten auch bei einer aufgrund der Pedallage schwachen Dämpfung ideal gedämpft werden.
Die mechanischen Dämpfer umfassen jeweils pro Saite eine Dämpfersohle mit einem Dämpferschuh sowie eine Justiervorrichtung zum Ausrichten des Dämpferschuhs längs und quer zur Saite. Die Betätigung der Dämpfer erfolgt über mechanische Hubvorrichtungen mit Elektromotoren oder Elektromagneten. Um eine reproduzierbare Dämpfung zu erreichen, müssen die Antriebssysteme eine Positionsregelung aufweisen. Die Nullpunkteinstellung erfolgt entweder durch eine synchrone Positionierung der Magnetsysteme oder zentral durch ein separates Antriebssystem.
Fig. 8 zeigt eine Dämpfungs-Lösung, bei der die Schwingung der Saiten 102 einzeln erfasst wird und entsprechend der erfassten Saitenschwingung mit einer Anregungsvorrichtung 116' die Saiten 102 in Gegenphase angeregt werden. Dazu wird über eine Positionsmesseinrichtung 124, beispielsweise eine optische Distanzmessung, gegebenenfalls aber über eine Messung an der Anregungsvorrichtung, beispielsweise eine Induktionsmessung, die Bewegung der Saite 102 erfasst. Aus der Positionsmessung kann ein Geschwindigkeitssignal abgeleitet werden, das zum Erzeugen einer Dämpfungskraft einsetzbar ist. Die Lage bzw. Bewegung der Saite wird möglichst in der Nähe der Anregungs- bzw. Dämpfungsvorrichtung gemessen.
Zur Steuerung der berührungslosen Dämpfung wird vorzugsweise ein Regelkreis verwendet, der Ober eine Sollfunktion den Amplitudenverlauf der Saitenschwingung während des Dämpfungsvorganges vorgibt. Mit einer Amplitudenmessung kann der Abklingvorgang überwacht und gegebenenfalls aufgrund von Abweichungen beeinflusst werden. Die Amplitudenmessung muss bezüglich seitlicher Schwingungen unempfindlich sein, damit durch die Dämpfung nicht ungewollte Bewegungen angeregt werden können. Wenn die Amplitudenmessung frequenzselektive erfolgt, so kann auch die Dämpfung frequenzselektiv durchbeführt werden. Durch die berührungslose Dämpfung ist ein gezieltes Löschen von Signalspektren in einem Signal möglich. Diese Funktionalität ist mit einem mechanischen Dämpfer nicht möglich. Für eine optimale Dämpfung sollte die übertragene Kraft in einem Schwingungsbauch angreifen.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform eines Interface 113 mit verschiedenen Eingängen. Nebst zumindest einem MIDI-Eingang 125 gibt es mehrere parallele Sound-Eingänge 126, die insbesondere von analog 126a auf digital 126b und umgekehrt umschaltbar sind. Vorzugsweise ist zumindest ein Mikrophon-Eingang 127 vorgesehen. Ober einen Mikrophon-Eingang kann beispielsweise der Klang einer Geige zur Steuerung verwendete werden. Wenn nun für ein Instrument mit einem chromatischen Saitensatz ein chromatisches Signal zum Ansteuern der einzelnen Saiten vorliegt, so ist es zweckmässig ein Interface mit einem Chromatic-Eingang 128 einzusetzen, was ein ideales Zuordnen der Töne und insbesondere keine Tonverklumpung ergibt. Weil bei Saiten 102 mit langen Schwingungsdauem auch das Dämpfen der Saiten für eine gute Klangqualität wichtig ist, umfasst das Interface 113 insbesondere einen Dämpfungs-Eingang 129, der beispielsweise mit mindestens einem Dämpfungspedal verbunden ist. Ober den Dämpfungs-Eingang wird das Dämpfungsverhalten der mechanischen Dämpfer und/oder der Dämpfung mittels der Anregungsvorrichtungen beeinflusst, beispielsweise indem bei gedrücktem Pedal die Dämpfung weggelassen bzw. geschwächt wird.
Das Interface erzeugt ausgehend von den Eingangssignalen Steuersignale für die Anregungsvorrichtungen 116, 116', bzw. für Verstärker 130 der Anregungsvorrichtungen. Bei einem Instrument mit 12 Saiten werden 12 Anregungsvorrichtungen 116' und 12 Verstärker 130 eingesetzt. Die Verstärker 130 können als Teile der Anregungsvorrichtungen 116' oder als Teile des Interface 113 betrachtet werden. Die Signale, die über einen MIDI-Eingang 125 ins Interface 113 gelangen, können die verschiedenartigsten Informationen umfassen, wobei das Interface 113 zur Umsetzung dieser Informationen verschiedene Elemente umfasst. Zum Bereitstellen von Steuersignalen für die mechanische Dämpfung 131 ist eine erste Dämpfungssteuerung 132 vorgesehen, der Signale vom Dämpfungs-Eingang 129 und vom MIDI-Eingang 125 zuführbar sind. Zur Steuerung der berührungslosen Dämpfung ist eine zweite Dämpfungssteuerung 133 vorgesehen, die Signale von Positionsmesseinrichtung 124, vom Dämpfungs-Eingang 129 und vom MIDI-Eingang 125 verarbeitet und den Verstärkern 130 Steuersignale zuführbar macht.
Weil die Signale, die Ober Mikrophon- oder Sound-Eingänge 127, 126 zur Steuerung des Instrumentes eingesetzt werden, nicht auf die Eigenschaften des Instrumentes ausgerichtet sind, so kann die Klangqualität durch die Verwendung eines ersten und eines zweiten Filters 134 bzw. 135 zwei verschieden Anregungsweisen ermöglichen. Eine erste, Resonanzmodus genannte, Anregungsweise benützt ein gemeinsames Anregungssignal des ersten Filters 134 zur gleichzeitigen Ansteuerung aller Verstärker 130, wobei die Saiten 102 entsprechend ihrer Eigenfrequenzen bzw. Obertonspektren nur auf die Signalanteile mit den Eigenfrequenzen der jeweiligen Saite 102 ansprechen. Eine zweite, Tonaufteilungsmodus genannte, Anregungsweise ordnet die Töne des eines Signales den Saiten 102 zu auf denen diese Töne klingen. Entsprechend werden Signalanteile ausgehend vom zweiten Filter 135 über ein Tonaufteilungselement 136 jeweils entsprechenden Verstärkern 130 zugeführt. Wenn das Ursprungssignal vom Mikrophon-Eingang stammt, so wird es vor dem zweiten Filter 135 verändert, vorzugsweise durch ein Tonanalyseelement 137 verarbeitet, insbesondere werden Signale für die Dämpfungssteuerungen .132, 133 aus dem Signal abgeleitet und diesen zuführbar gemacht Es sind auch Verbindungen vorgesehen, die es erlauben, die Filter 134, 135 und das Tonaufteilungselement 136 über den MIDI-Eingang zu beeinflussen bzw. zu steuern. Die Signale des Chromatic-Eingangs 128 werden im wesentlichen direkt den entsprechenden Verstärkern 130 zugeführt.
Fig. 10 zeigt die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten des efindungsgemässen Instrumentes 101, das in hochgestellter Lage oder gegebenenfalls in horizontaler Lage einsetzbar ist. Das Instrument steht jeweils auf Füssen 146. Um das Instrument 101 zu schützen und/oder die Marigabstrahlung zu beeinflussen, ist vorzugsweise eine Hülle 138 vorgesehen. Die Hülle. 138 ist mit der Haltevorrichtung 106 verbunden und umfasst mindestens drei, flächige, vorzugsweise gewölbte lamellenförmige, Richtungselemente 139, die zur Beschränkung des Raumbereiches, in den der Klang des Klangkörpers 109 abgestrahlt wird, einsetzbar ist. Damit die Hülle 138 auch eine Schutzfunktion übernehmen kann, umfasst diese auf der von den Saiten abgewandten Rückseite des Klangkörpers einen Bodenbereich 140 und daran anschliessend einen um den Klangkörper führenden Wandbereich 141: Die Richtungselemente 139 sind als Deckel an den Wandbereich 141 anlegbar, so dass die Hülle 138 den Klangkörper 109 vollständig umschliesst. Die Richtungselemente 139 sind an einer nicht dargestellten Führungsvorrichtung mit Scharnieren für die radiale Bewegung und mit Parallelogrammen zur proportionalen Längsverstellung geführt. Die Richtungselemente können beispielsweise Umlenkflächen bilden, die beispielsweise bei einem horizontal ausgerichteten Klangkörper unter einem Winkel von im wesentlichen 45° zur Horizontalen über dem Klangkörper verlaufen und den dominant vertikal nach oben austretenden Schall des Klangkörpers im wesentlichen in eine horizontale Richtung umlenken.
Zum Spielen des Instrumentes, bzw. zum Bereitstellen von Steuersignalen für das Instrument, können Geräte wie ein Keyboard 142, ein Mikrophon 143, ein Synthesizer mit Keyboard 144 oder auch ein beliebiges Audio-Endgerät 145 mit einem Signalausgang, beispielsweise einem Lautsprecherausgang, verwendet werden. Das Instrument kann wie ein Tasteninstrument gespielt werden. Es kann aber auch die Mikrophon-Aufnahme eines herkömmlichen Instrumentes zum Ansteuern verwendet werden. Wenn das Instrument die Signale eines Audio-Endgerätes oder eines Sequenzers erhält, so kann es als automatisches Hausinstrument verwendet werden.
Beim erfindungsgemässen Saiteninstrument können durch verschiedene berührunslose Anregungsvorrichtungen Saiten zum Schwingen gebracht werden. Fig. 11. zeigt eine elektromagnetische Anregungsvorrichtung mit zwei Hartmagneten 11 und 12, die einige Millimetern von einander beabstandet angeordnet und von je einem Elektromagnet 13 und 14 umgeben sind. Durch den Abstand zwischen den Magneten 11 und 12 wird ein Ein- oder Mehrfachsaitenstrang geführt 15. Die beiden Hartmagnete 11, 12 müssen so angeordnet sein, dass Nordpol auf Südpol zeigt. Der Wickelsinn der Elektromagnete 13, 14 hingegen muss gegeneinander laufen (z.B. Nord- auf Nordpol).
Fig. 12 zeigt eine Anregungsvorrichtung mit zwei Weichmagneten 21 und 22, die in einigen Mittimetem Abstand zueinander angeordnet und von je einem Elektromagnet 23 und 24 umgeben sind. Die beiden Elektromagnete 23, 24. sollen durch einen Anker 25 magnetischen Schluss bekommen. Durch den Abstand zwischen den Magneten 21, 22 wird ein Einoder Mehrfachsaitenstrang 26 geführt Die Saite 26 wird durch einen konstanten Strom durchflossen. Der Strom ist so zu wählen, dass in der Saite noch keine thermischen Effekte zum Tragen kommen. Der Strom bewirkt ein magnetisches Feld um die Saite 26. Die magnetischen Felder der Elektromagnete 23, 24 und das magnetisches Feld der Saite führen zu einer Kraftwirkung auf die Saite 26, die eine Schwingung zur Folge hat
Fig. 13 beschreibt eine Anregungsvorrichtung, welche die Kraftwirkung durch ein moduliertes elektrostastisches Feld bzw. mittels einer Platte, die längs zur Saite angeordnet ist, erzielt. An der Saite oder der Platte liegt zusätzlich eine Modulierspannung an.
Fig. 14 zeigt eine Anregungsvorrichtung mit einer Zweifach-Plattenanordnung, welche die Kraftwirkung durch ein moduliertes elektrostastisches Feld mittels zweier Platten (+U=/+1000V und -U=/ -1000V), die parallel und längs zur Saite angeordnet sind, erreicht. An der Saite liegt zusätzlich die Modulierspannung an.
Das geometrische Maß der Magnete 11, 12, 21 und 22 gemäss Fig. 11 und Fig. 12, bzw. der Platten gemäss Fig. 13 und 14, in Längsrichtung zur Saite, soll im Verhältnis zur Saitenlänge möglichst klein sein. Die kürzeste Wellenlänge auf der Saite (Grenzfrequenz), die angeregt werden kann, entspricht diesem Maß des Magneten oder der Platten. Bei einer Lösung gemäss Fig. 11 darf dieses geometrische Maß nur so klein ausfallen, dass die Magnetisierung des Elektromagneten die Remanenz des Hartmagneten nicht übersteigt.
Bei den Anregungsvorrichtungen gemäss den Fig. 11 bis 14 kann durch ein Zweiwegsystem bestehend aus einer Tiefton-Anregungsvorrichtung (mit vergrößertem geometrischem Maß zur Saitenlänge) und einer Mittelton-Anregungsvorrichtung (mit kleinerem geometrischem Maß zur Saitenlänge) ein erhöhter Leistungsfluss erreicht werden. Bei der Anordnung dieses Zweiwegsystems müssen die Positionen der beiden Anregungsvorrichtungen auf der Saitenlänge gezielt gewählt werden, damit möglichst wenige Kontenpunkte von Teiltönen der Saite überlagert werden, bzw. keine Phasenverkehrungen von der Tiefton-Anregungsvor richtung zur Mittelton-Anregungsvorrichtung und umgekehrt stattfinden.
Das erfindungsgemässe Saiteninstrument regelt die Zufuhr von digitalen oder elektrosynthetisch generierten Sounds auf die Saiten über zwei Kanäle: a) die Klänge werden den Saiten einzeln nach Frequenz/Tonhöhe zugeordnet, und b) jede Klangfarbe kann der gesamten Oktave (12 Saitenstränge), global reguliert, eingespiesen werden (Volume). Damit wird das Obertonspektrum über eine Saite hinaus erweitert Viele Klangfarben beinhalten auch irreguläre Obertöne, die sich dadurch auf Nachbarsaiten bilden.
Das erfindungsgemässe Saiteninstrument speist, um die schwingenden Saiten dämpfen zu können, die den Saiten über ein Tonabnehmer (z.B. Optokoppler) abgenommenen Schwingungen den Saiten über die berührungslosen Anregungsvorrichtungen phasenverkehrt wieder ein.
Gemäss Fig. 15a hat das Interface und der Verstärker 59 des erfindungsgemässen Saiteninstruments im Rücken hinter dem Kiangkorpus ihren Platz.
Das erfindungsgemässe Saiteninstrument setzt für die 12 chromatischen Töne je einen Ein- oder Mehrfachsaitenstrang und ein Tongebersystem bzw. eine Anregungsvorrichtung ein. Dadurch kann in allen 12 Tonarten musiziert werden; auf dem 2. Teilton eines Saitenstrangs kann die erste Oktave gebildet werden, bzw. auf dem 4. Teilton die Doppeloktave, usw.
Das erfindungsgemässe Saiteninstrument kann aus einem Einzelinstrument bestehen oder aus mehreren Registerinstrumenten. Ein Einzelinstrument benötigt eine Besaitung von zwei chromatischen Oktaven (Alt-Oktave, z.B. g - fis und Bass-Oktave, Kontra G bis FIS), um den standardgemässen Tonumfang zu erreichen (zuzüglich der 2., 4., usw. Teiltöne). Ein Registerinstrument muss mit einer chromatischen Oktave Besaitung ausgestattet sein (12 Saitenstränge). Zwei Registerinstrumente (Alt und Bass) erreichen den standardgemässen Tonumfang ebenfalls zuzüglich der 2., 4., usw. Teiltöne. Ein Quartett von vier, bzw. ein Quintett von fünf Registerinstrumenten (Sopran, Alt, Tenor, Bass und Kontra-Bass) lässt sich mittels Tonumfang-Splitting vernehrt durch Grundtöne spielen.
Die Konstruktion des erfindungsgemässen Registerinstruments (Fig. 15a) trennt die klanglichen, die statischen und die schützenden Teile. Ober dem Klangkorpus 51; der von Übergangsteilen 52 in der Aussenkonstruktion gehalten wird, werden die Saiten 53 über den Steg 54 gespannt Der Saitenzug wird von einem Hüllrahmen gehalten, welcher zwei Seitenteile 55 umfasst, die von der zentralen Tragsäule 57 gestützt und von zwei Gegenzügen 56 mit einer Gegenkraft beaufschlagt werden. Die Hülle 58 findet sowohl als Schutz, wie auch als Schallrichter Verwendung oder kann vom eigentlichen Instrument (Klangkorpus mit Hüllrahmen) getrennt werden.
Die Konstruktion des erfindungsgemässen Registerinstrumentes ermöglicht das Spielen in horizontaler (liegend wie ein Flügel) wie auch in vertikaler Position (stehend wie ein Kirchenorgelregister). Das Instrument lässt sich in beiden Positionen auf der Hauptachse verdrehen (Fig. 15c, 15d). Dies ist in der horizontalen Position sehr nützlich, damit der Abstrahlungswinkel zur spielenden Person oder zum Publikum hin wählbar ist.
Die erfindungsgemässe Schutz-Hülle (Fig. 16a; horizontaler Schnitt des stehenden Instruments) besteht aus einem Rückenelement R und aus zwei beweglichen Flügeln F1 und F2. Die beiden Flügel sind mit Scharnieren hinten Sh und in der Mitte Sm versehen und dadurch beweglich. Durch eine Anzahl Lamellen, die sich übereinander schieben lassen, können die Flügel F1, F2 verkürzt, bzw. verlängert werden (Fig. 16c). Diese. Lamellen lassen sich auch ausdrehen und öffnen, damit die Klangabstrahlung durch die Schutzhülle hindurch möglich ist (Fig. 16b).
Die beiden Flügel F1 und F2 des erfindungsgemässen Registerinstruments lassen sich wie folgt anordnen und umbauen:

Instrument stehend: geschlossener Zustand (Fig. 16a; horizontaler Schnitt).
Instrument stehend: Lamellen ausgedreht, geöffnet (Fig. 16b; horizontaler Schnitt). Instrument stehend: beide Flügel sind als Schallrichter zum Konzertsaal hin geöffnet (Fig. 16c; horizontaler Schnitt).

Instrument liegend: der erste Flügel F1 ist in Teil H und V zerlegt und seitlich (als Zargen) montiert und der zweite ganze Flügel F2 wird als Deckel und Schallrichter H und V verwendet, das mittlere Scharnier wird arretiert (Fig. 16d).

Claims

Instrument mit mindestens einer stimmbaren Saite (102), einer Haltevorrichtung (103) zum Halten der mindestens einen Saite (102), mindestens einer elektrisch oder elektronisch betriebenen Anregungsvorrichtung (116, 116') zum berührungslosen Anregen der mindestens einen Saite (102), einem Klangkörper (108) zum akustischen Abstrahlen der Saitenschwingung und einem Interface (113) zum Zuführen eines Signales für die Ansteuerung der mindestens einen Anregungsvorrichtung (116, 116'), dadurch gekennzeichnet, dass ein Steg (112) die Saitenschwingungen auf den Klangkörper (108) übertragbar macht, die mindestens eine Saite (102) magnetisierbares, insbesondere ferromagnetisches, Material umfasst, die mindestens eine Anregungsvorrichtung (116, 116') zwei, beidseits eines Luftspaltes (120) mit der Saite (102, 117), im Wesentlichen um eine gemeinsame Spulenachse angeordnete Spulen (118) und eine Magnetvorrichtung zum Erzeugen eines permanenten Magnetfeldes umfasst, wobei das permanente Magnetfeld im Bereich des Luftspaltes (120) im wesentlichen parallel zur Spulenachse steht und die Spulen (118) so gewickelt und angeschlossen sind, dass sie im stromdurchflossenen Zustand Magnetfelder mit gegeneinander gerichteten gleichen Polen erzeugen, so dass im Luftspalt (120) ein inhomogenes Magnetfeld erzielbar ist, das die Saite mit einer Auslenkungskraft beaufschlagbar macht.
Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (103) zwei Seitenteile (105) und zumindest eine, mit beiden Seitenteilen (105) verbundene Tragsäule (106) umfasst, wobei die mindestens eine Saite (102) an beiden Seitenteilen (105), oder damit verbundenen Teilen, befestigt und dabei zum Stimmen spannbar ist.
Instrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klangkörper (108) zwischen den Saiten (102) und der mindestens einen Tragsäule (106) angeordnet ist und vorzugsweise eine Abstands-Verstelleinrichtung zwischen dem Klangkörper (108) und der Haltevorrichtung (103), insbesondere der mindestens einen Tragsäule (106), eingesetzt ist, welche den Klangkörper (108) mitsamt dem Steg (112) gegen die mindestens eine Saite (102) pressbar macht.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Klangkörper (108) eine Membran (109), ringförmig geschlossen angeordnete Zargen (110) und insbesondere einen Boden (111) umfasst, wobei an der einen Stirnseite der Zargen (110) die Membran (109) und an der anderen Stirnseite der Boden (111) angeordnet ist und die Membran (109) der mindestens einen Saite (102) zugewandt, sowie vorzugsweise aus Klangholz gebildet und insbesondere in einem durch Biegen vorgespannten Zustand mit der Form einer Teilfläche eines Torus oder eines Tonnenkörpers mit den Zargen (110) verbunden ist.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Klangkörper (108) zumindest eine Öffnung (115) ausgebildet ist, durch die ein Luftaustausch vom Inneren des Klangkörpers (108) zur Umgebung ermöglicht wird, wobei die mindestens eine Öffnung (115) vorzugsweise im Bereich einer Zarge (110) ausgebildet ist.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein chromatisch stimmbarer Saitensatz, bei dem gegebenenfalls zumindest einzelne Saiten (102) mindestens zweifach vertreten sind, eingespannt ist, wobei insbesondere eine chromatische Besaitung von zwei Oktaven mit mindestens 24 Saiten, beispielsweise in der Lage g - fis' und Kontra G bis FIS, vorzugsweise aber lediglich von einer Oktave mit mindestens 12 Saiten, beispielsweise in einer Sopran-, Alt-, Tenor-, Bass- oder Kontra-Bass-Lage, bereitgestellt wird.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetvorrichtung zum Erzeugen eines permanenten Magnetfeldes mindestens einen Permanentmagneten (119) mit hoher magnetischen Flussdichte umfasst, vorzugsweise einen Samarium-Kobalt (SmCo) oder ein Neodymium-Eisen-Bor (NdFeB) Magneten.
Instrument nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein, vorzugsweise aber zwei, Kernteile (121) aus magnetisierbarem Material vorgesehen sind, der bzw. die ausgehend von den beiden Seiten des Luftspaltes (120) zusammen mit dem mindestens einen eingesetzten Permanentmagneten (119) einen bis auf den Luftspalt (120) im wesentlichen geschlossenen Magnetfeldleiter bilden, wobei insbesondere zwei E-förmige Kernteile (121) eingesetzt sind, die bei den äusseren beiden Vorsprüngen (121 a) über je einen Dauermagneten (119) miteinander verbunden sind und um deren mittleren Vorsprung (121b) je eine der beiden Spulen (118) angeordnet ist.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Interface (113) zumindest einen MIDI-Eingang (125), vorzugsweise mehrere parallele Sound-Eingänge (126), die insbesondere von analog auf digital und umgekehrt umschaltbar sind, insbesondere zumindest einen Mikrophon-Eingang (127), gegebenenfalls einen Chromatic-Eingang (128) und einen Dämpfungs-Eingang (129) umfasst, wobei das Interface Signalbearbeitungselemente, wie Filter (135, 134), Analyseelemente (137) und Aufteilungselemente (136) umfasst, die ausgehend von den Eingangssignalen Steuersignale für Verstärker (130) der Anregungsvorrichtungen (116, 116') erzielbar machen.
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dämpfungsvorrichtung ausgebildet ist, die vorzugsweise zum Erzielen einer selektiven Dämpfung mit einem Sensor (124) die effektive Schwingung, insbesondere deren Phasenlage, erfassbar und ein gegenphasiges Anregungssignal der Anregungsvorrichtung (116, 116') der Saite (102) zuführbar macht und/oder dass eine mechanische Dämpfungsvorrichtung ausgebildet ist, die elektromechanisch betätigte Dämpfungselemente (122) gegen die Saite (102) drückbar macht, wobei die Bewegung der Dämpfungselemente (122) vorzugsweise von der effektiven Saitenschwingung abhängig und/oder über eine vorgegebene Bewegungsfunktion steuerbar ist
Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrument sowohl horizontal als auch vertikal aufstellbar ist und/oder eine Hülle (138) an der Haltevorrichtung (103) befestigt ist, die auf der von den Saiten (102) abgewandten Rückseite des Klangkörpers (108) einen Bodenbereich (140) und daran anschliessend einen um den Klangkörper führenden Wandbereich (141), sowie einen an den Wandbereich (141) anlegbaren Deckel, vorzugsweise mit zumindest einem verstellbaren Richtungselement (139) umfasst.
Anregungsvorrichtung zum berührungslosen Anregen mindestens einer gespannten Saite (102) mit magnetisierbarem Material, gekennzeichnet durch, zwei, beidseits eines Luftspaltes (120) zur Aufnahme der Saite (102), im wesentlichen um eine gemeinsame Spulenachse angeordnete Spulen (118) und eine Magnetvorrichtung zum Erzeugen eines permanenten Magnetfeldes, vorzugsweise mindestens einen Permanentmagnet (119), wobei das permanente Magnetfeld im Bereich des Luftspaltes (120) im wesentlichen parallel zur Spulenachse steht und die Spulen (119) so gewickelt und angeschlossen sind, dass sie im stromdurchflossenen Zustand Magnetfelder mit gegeneinander gerichteten gleichen Polen erzeugen, so dass im Luftspalt (120) ein inhomogenes Magnetfeld erzielbar ist, das die Saite (102) mit einer Auslenkungskraft beaufschlagbar macht.
Ein Verfahren zum Erzeugen von Klängen bei dem ein externes Signal zu einem Steuersignal für zumindest einen Verstärker (130) verarbeitet wird, eine eingespannte Saite (102) durch eine vom Verstärker (130) elektrisch oder elektronisch betriebene Anregungsvorrichtung (116, 116') berührungslos angeregt wird und die auf einen Klangkörper (108) übertragenen Schwingungen akustisch abgestrahlt werden dadurch gekennzeichnet, dass die Saitenschwingung über einen Steg (112) auf den Klangkörper (108) übertragen wird, zum berührungslosen Anregen der Saite (102) die Saite (102) magnetisierbares Material umfasst und zwei gegensinnig um eine gemeinsame Spulenachse gewickelte Spulen (118), die beidseits eines Luftspaltes (120) mit der mindestens einen Saite (102) angeordnet sind, gleichzeitig vom Verstärker (130) gespeist werden, wobei die Spulen (118) im Bereich des Luftspaltes (120) mit der mindestens einen eingespannten Saite (102) in einem permanenten Magnetfeld in Richtung der Spulenachse wechselnde Inhomogenitäten erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das permanente Magnetfeld von mindestens einem Permanentmagneten (119) mit hoher magnetischer Flussdichte, vorzugsweise von einem Samarium-Kobalt (SmCo) oder einem Neodymium-Eisen-Bor (NdFeB) Magneten, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein chromatischer Saitensatz mit zumindest 12 Saiten (102) sowie für jede Saite (102) eine Anregungsvorrichtung (116, 116') vorgesehen ist und die Klangqualität durch die Verwendung von Filtern (134, 135) und zwei verschiedenen Anregungsweisen optimiert wird, wobei eine erste, Resonanzmodus genannte, Anregungsweise ein gemeinsames Anregungssignal zur gleichzeitigen Ansteuerung aller Anregungsvorrichtungen und eine zweite, Tonaufteilungsmodus genannte, Anregungsweise jeder Anregungsvorrichtung entsprechend der Stimmung der damit anregbaren Saite (102) ein spezielles Anregungssignal zuführt.