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Musiktonerzeuger, bei dem die Töne durch Frequenzteilung gewonnen
werden Die Erfindung betrifft einen Musiktonerzeuger, bei welchem die Töne durch
Frequenzteilung gewonnen werden.
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Da bei diesen Instrumenten aus bau- und spieltechnischen Gründen nur
ein begrenzter Tonvorrat gespeichert und mit einer den Erfordernissen der musikalischen
Spielpraxis vereinbaren Zugriffszeit ausgestattet werden kann, wird eine Vorschrift
benötigt, nach der einzelne Töne auszuwählen sind. Es sind mehrere solcher Auswahlvorschriften
bekannt. Sie finden ihren Niederschlag in den verschiedenen Tonsystemen oder Stimmungen,
im wesentlichen der pythagoräischen Stimmung, der natürlich harmonischen Stimmung,
der mitteltönigen Stimmung und der gleichteilig temperierten Stimmung.
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Das auch »wohltemperiert« genannte gleichteilig temperierte Tonsystem
ist heute bei praktisch allen Tasteninstrumenten eingeführt. Es weist Zirkelschluß
bei zwölf untereinander gleichen temperierten Quinten auf. Die Temperierung besteht
in der gleichmäßigen Verteilung des als pythagoräisches Komma bezeichneten Verhältnisses
(531441: 524 288), das den Überschuß von zwölf reinen Quintenschritten über
die Oktave darstellt, auf diese zwölf Quinten. Das heißt, die gleichteilig temperierte
Quinte ist nur um ein Zwölftel pythagoräisches Komma (-- 1,001) gegenüber der reinen
Quinte zu klein. Erkauft wird der Vorteil des Zirkelschlusses (unbegrenzt fortlaufende
Modulationsmöglichkeit) durch ziemlich scharfe große und entsprechend zu weiche
kleine Terzen.
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Das Abstimmen (Stimmen) der Oszillatoren (Saiten, Pfeifen, Zungen,
elektronische Generatoren) der Instrumente mit gespeicherten Tönen, das aus bekannten
Gründen von Zeit zu Zeit wiederholt werden muß, geschieht bei wohltemperierter Stimmung
meistens in Quintengängen. Es ist die Kunst des jeweiligen Sthnmers, dabei die richtige
Temperierung zu finden, bei der allein sich nach zwölf Schritten der Zirkel schließt.
Grundsätzlich sind außer der Quinte auch noch die Quarte, die große Septime und
die kleine Sekunde (Halbton) zum Stimmen geeignet. Beim Stimmen in Halbtonschritten
würde sogar das sonst stets erforderliche Rückversetzen in die Ausgangsoktave entfallen.
Temperieren einer Dissonanz ist aber gehörmäßig fast unmöglich, so daß man die konsonanten
Intervalle Quinte und Quarte bevorzugt.
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Richtiges Stimmen nach Gehör erfordert auch dann noch Konzentration,
Zeit und ein geschultes musikalisches Gehör. Es wird von einer heute immer geringer
werdenden Zahl von Spezialisten ausgeführt. Die Erfindung will diesem das Stimmverfahren
vereinfachen. Erfindungsgemäß werden aus einer einzigen HF-Schwingung durch umschaltbare
digitale Frequenzteiler mit vorbestimmten ganzen Teilverhältnissen alle hörbaren
Frequenzen mit musikalisch brauchbaren Intervallen gewonnen.
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Es ist bekannt, daß die bekannte Baldwin Orgel für jeden Ton der Oktave
einen Niederfrequenzoszillator hat, aus dem durch Frequenzteilung Oktavtöne abgeleitet
werden. Dies hat den Nachteil, daß mindestens elf getrennte Oszillatoren frequenzstabil
gehalten werden müssen. Im Gegensatz dazu werden bei der Erfindung aus einer einzigen
Hochfrequenzschwingung durch digitale Frequenzauszählung in vorbestimmten Teilverhältnissen
die musikalisch interessierenden Tonintervalle erhalten. Es sind demnach nur eine
einzige Frequenz zu stabilisieren und sozusagen nur Schalter zu betätigen, um jedes
musikalisch brauchbare Intervall zu erhalten. Die Teilverhältnisse von digitalen
Frequenzteilern lassen sich besonders einfach handhaben, so daß selbst ein Gehörloser
durch reine Schaltereinstellungen z. B. die Tonfolge des Musiktonerzeugers nach
dem bekannten Bildungsgesetz mit
mit n als ganze Zahl exakt einstellen könnte.
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Mit Hilfe des neuen Musiktonerzeugers läßt sich z. B. ein Stimmgerät
aufbauen, das in kürzester Zeit eine exakte gleichteilig temperierte Stimmung ermöglichst.
Der Abgleich auf die richtige Tonhöhe geschieht. optisch - z. B. mit einem Zeigerinstrument
- und erfordert keinerlei Gehörschulung des Stimmenden-Die Bedienung ist so einfach,
daß bestimmten Tasteninstrumenten von vornherein ein solches elektronisches Stimmgerät
mitgegeben und das gelegentliche Stimmen dem Benutzer überlassen werden kann. -Eine
wichtige Anwendung kann ein Stimmgerät mit dem neuen Musiktonerzeuger auch bei Kirchenorgeln
finden, die wegen. der jahreszeitlich bedingten Temperaturschwan-, kungen ein, häufiges
Nachstimmen erfordern. Besönders bei größeren Werken ist dies bis jetzt wegen der
Vielzahl
verschiedener Register und Pfeifen immer aufwendig und
zeitraubend..,, . , , -, Mit dem neuen Musiktönerzeuger' Iassen sich aber auch ein-
oder mehrstimmige Instrumente herstellen. Für beide Arten ist der Aufbau ähnlich
dem des Stimmgerätes. Als wesentlichsten Unterschied gibt es in der einstimmigen
- Version, einen umschaltbaren Frequenzteiler, ' aii'"aem -zwölf -verschiedene Teüerzahlen
eingestellt'-werden können, während in, der mehrstimmigen Version maximal zwölf
Teiler vorgesehen sind, die sich j6 Teiler auf verschiedene, minimal eine
Teilerzahl einstellen lassen.
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Allen Instrumenten ist gemeinsam, daß sie sich grundsätzlich nicht
verstimmen können, da alle Töne durch numerische' Teilung aus einer gemeinsamen
Mutterfrequenz f, hervorgegangen sind, und daß sich sämtliche- Töne durch `einfaches
Verändern von f, beliebig transponieren lassen. -Für die Auswahl der Teilerzahlen
ist die Art der gewünschten Stimmung und gegebenenfalls- die Genauigkeit, mit der
einzelne Intervalle realisiert werden sollen, maßgebend.
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Die Zeichnung ,stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar; es zeigt
= -F i g.-.1 eine Anordnung-für das Stimmgerät,- - -F i g. 2 eine Schaltungsmöglichkeit
für Oktavteiler, F i g. 3 eine der möglichen Schaltungen für den Prequenzbereich,
F i g. 4a und 4b Diagramme und F i g. 5 eine Anordnung für ein einstimmiges Musikinstrument,
F i g. 6 eine - Anordnung für ein mehrstimmiges Musikinstrument.
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Bekanntlich läßt sich mit Mitteln. der Digitaltechnik eine vorgegebene
Frequenz f, durch jede beliebige ganze Zahl z teilen. Bei größerem z wird f,: meistens
in einen Zähler eingezählt, der die vorgewählte Zahl z erkennt, einen Rückstellimpuls
abgibt und dann von neuem zu zählen beginnt. Die Wiederholungsfrequenz der Rückstellimpulse
ist
Es lassen sich leicht solche Tellerzahlen z vorwählen, daß die zugehörigen Frequenzen
musikalisch brauchbare Intervalle bilden.
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Werden z. B. z1 = 2 und z2 = 3 gewählt, so gilt
und es ergibt sich eine reine Quinte. In ähnlicher Weise sind- alle übrigen Intervalle
realisierbar. Wesentlicher Vorteil dieser digitalen Methode ist die Unabhängigkeit
des Intervalls von f.. Durch Variation von fo wird die absolute Lage verändert,
was mit Vorteil zur Trans= Position verwendet werden kann. Mit diesen Mitteln könnten
musikästhetische Untersuchungen angestellt werden und schnell und einfach verschieden
temperierte und reine Akkorde untereinander und in Abhängigkeit von der Absoluthöhe
verglichen werden.
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Bei der gleichteilig temperierten Stimmung sind die Intervalle durch
das Bildungsgesetz
gegeben. Es handelt sich bei positiv ganzzahligem v Ausnahme -v = 12 (Oktave) -
um irrationale Zghlenwerte, die sich exakt nicht in digitaler Intervallerzeugüng
herstellen lassen. Es ist jedoch gefunden worden, daß der gleichteilig temperierte
Halbton
durch den Quotienten -196 : 185 mit einem Fehler von nur 5--10-B angenähert wird.
Diese -Tatsache und die Möglichkeit, durch Fiequenzteilüng erzeugte Intervalle beliebig
in der Absoluthöhe zu verschieben, erlauben den Bau eines in F i g. 1 schematisch
dargestellten Stimmgerätes.
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Das Ausgangssignal eines Frequenzgenerators 1 mit der Frequenz
fa, z. B. zwischen 40 und 90 kHz in einem Bereich etwas größer als eine Oktave kontinuierlich
veränderbar, wird einer Teilerstufe 2 zugeführt, die wahlweise durch z, = 196 oder
z2 = 185 teilen kann. Am Ausgang A des Teilers 2 stehen daher mit
nacheinander zwei Frequenzen zur Verfügung, die bei konstantem fo praktisch genau
einen gleichteilig temperierten Halbton vpneinander-entfernt sind.
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. Die Frequenz des, z. B. zu stimmenden Tones wird, je nach'Gerät
über einen entsprechenden Aufnehmer 3 - nach Verstärkung und Impulsformung als f"eß
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mit fi oder f2 als fvergl. in einer anzeigenden Frequenzvergleichsschaltung
5 verglichen.
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Die Anzeige 6 ist phasenempfindlich; sie geschieht vorzugsweise optisch.
Beim Abgleich beobachtet man eine immer langsamer werdende Schwebung (schwankender
Ausschlag eines Instrumentes, langsam flackerndes Glühbirnchen usw:), die bei exakter
Frequenzgleichheit verschwindet (konstanter Ausschlag, konstante Helligkeit). .
Der Stimmvorgang verläuft wie folgt: a) Einstellen des -Frequenzgenerators
1 auf -die interne - gegebenenfalls quarzgesteuerte - Normalfrequenz von
81,4000 kHz: In Stellung z2 =185 wird fverel. = 440 Hz; damit ist der Ton a' des
betreffenden- Instrumentes zu stimmen. Selbst-' verständlich kann a' auch auf jede"
andere gewünschte Höhe, z. B. 435 Hz, gelegt werden.
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b) Umschalten auf z,, = 196. Die Vergleichsfrequenz ist nun um einen
Halbton gesunken; nach ihr wird as' gestimmt.
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c) Zurückschalten auf z2 = 185 und Vermindern von fo, bis fvergi.
dem zuvor gestimmten as' entspricht.
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d) Umschalten auf z, = 196; Stimmen des Tones g'. e) Zurückschalten
auf z2 = 185 und Vermindern von f., bis f"ergl. dem zuvor gestimmten g' entspricht.
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f) Umschalten auf z,. = 196; Stimmen des- Tones fis' usw. Durch zwölfmaliges
Untereinanderlagem oder auch Übereinanderla:gerri von Halbtönen werden so alle erforderlichen
Intervalle gefunden und schließlich die Oktave wieder erreicht. Diese Oktave findet
man mit einer Genauigkeit von etwa 6 - 10-Ii, unter Berücksichtigung des systematischen
Fehlers eines Halbtonschrittes von 5 - 10-B. Zum Vergleich sei angegeben, -daß die
kleinste Abweichung von der Prime, die das Ohr im empfindlichsten Tonhöhenbereich
um 1 kHz noch gerade erkennt, bei 4 -10-3 - also zwei Größenordnungen höher
- liegt.
Besteht das Bedürfnis, neben den zwölf Tönen in der Mittellage
gleichzeitig die parallelen Oktaven im Baß oder Diskant zu stimmen, so kann in einfacher
Weise eine Kette von Oktavteilern 7 in den Vergleichszweig bei A (Baß) bzw.
in den Meßzweig bei B (Diskant) geschaltet werden. Die Oktavteiler sind einfache
bistabile Kippstufen, die eine Frequenzteilung durch Zwei bewirken.
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Eine der möglichen Frequenzvergleichsschaltungen ist in F i g. 3 gezeigt;
die Wirkungsweise ist in den F i g. 4 a und 4 b erläutert.
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Es wird vorausgesetzt, daß Meß- und Vergleichsspannung U.eß bzw. Uverei,
nur zwei Werte, nämlich Null und den negativen Maximalwert annehmen können. Außerdem
sei das Verhältnis Impulsdauer zu Impulspause konstant.
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Die Schaltung ist als NOR-Baustein mit einem Transistor 8 dimensioniert:
zum völligen Einschalten des Transistors 8 genügt das Vorhandensein einer der beiden
Eingangsspannungen. Zum Sperren müssen beide Nullpotential aufweisen.
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Sind Meß- und Vergleichsfrequenz voneinander verschieden (F i g. 4a),
so entsteht am Kollektor des Transistors 8 eine Impulsreihe U, mit periodisch schwankender
Impulsbreite. Dem entspricht ein ebenfalls schwankender Gleichstrommittelwert Ue,
den das Instrument 9 anzeigt.
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Sind f""ß und fv"ga. gleich, so weist Ue eine - von der zufälligen
Phasenlage abhängig - konstante Pulsbreite auf. Entsprechend bleibt das Instrument
9 in Reihe.
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Durch die beschriebene optische Methode lassen sich auch sehr langsame
Schwebungen von z. B. 0,01 Hz, die vom Ohr nicht mehr wahrzunehmen sind, gut nachweisen.
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Die verwendeten Aufnehmer hängen von der Art des Instrumentes ab.
Bei Orgeln wird man mit Vorteil ein Mikrophon verwenden, während beim Klavier ein
spezieller magnetischer Pick-up vorgeschlagen wird, den man z. B. mit Dauermagnetpolschuhen
auf die der zu stimmenden Saite benachbarten Saiten heftet und damit diese Nachbarsaiten
gleichzeitig dämpft. Der Pick-up enthält weiterhin einen kleinen Transistorverstärker,
der einen Rückkopplungskreis schließt, mit dem die zu stimmende Saite zu Dauerschwingungen
angeregt wird.
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Dauerschwingungen des Meßobjektes sind notwendig, um den exakten Frequenzvergleich
zu ermöglichen.
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Den geringsten Aufwand erfordert das Stimmen eines elektronischen
Musikinstrumentes. Hier wird kein elektroakustischer Wandler benötigt, da bereits
Wechselspannungen der benötigten Frequenzen im Instrument zur Verfügung stehen.
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Es gelang mit Hilfe des beschriebenen digitalen Stimmgerätes, ausgehend
von einem beliebig verstimmten Anfangszustand, bei einem elektronischen Musikinstrument
innerhalb von wenigen Minuten eine einwandfreie gleichteilige Temperierung herzustellen.
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Den schematischen Aufbau eines einstimmigen bzw. mehrstimmigen Musikinstrumentes
zeigen F i g. 5 bzw. 6. Der Schwingungserzeuger 10 liefert die Oszillatorfrequenz
fo, die in dem Teilergerät 11 mittels der an die einzelnen Teiler angeschlossenen
Tasten z1 bis z12 z. B. als Tonfolge innerhalb einer Oktave erhalten wird. Durch
die Oktavteiler 0T und Schalter S bis S"' können die einzelnen Töne gemäß der gewünschten
Oktavlage dem Wiedergabegerät 12 zugeführt werden.
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Für mehrstimmige Musikinstrumente ist nach F i g. 6 an jeden der parallelgeschalteten
Teiler 1: Z1, 1: Z2 usw. eine Oktavteilerkette OTl ... 0T3 usw. angeschlossen,
während Schaltergruppen Sl bis S12, S1' bis S12 usw. vorgesehen sind, so daß beliebige
Tonkombinationen dem Wiedergabegerät 12 zuleitbar sind.