DE2515524C3 - Einrichtung zum elektronischen Erzeugen von Klangsignalen - Google Patents

Description

gleich der Hälfte der Periodendauer des höchsten Grundtones des zu erfassenden Grundtonbereiches sein darf.

Durch die bereichsweise Änderung der Impulsdauer wird außerdem eine gewisse Änderung der Klangfarbe erreicht, die derjenigen sehr ähnlich ist, die bei konventionellen Musikinstrumenten auftritt, wenn ein Obertonintensitätsmaximum bei steigendem Grundton von einem niedrigen Formantbereich in den nächsthöheren Formantbereich übergeht Man kann dadurch die Klänge gewisser konventioneller Musikinstrumente besonders wirklichkeitsgetreu nachbilden.

Da in der Akustik die positive und die negative Impulsphase gleichwertig sind, kann die Bedingung τ = konst auch durch konst = Τ— τ < τ ersetzt werden.

Die effektive Impulsdauer τ ist beim Rechteckimpuls gleich der Breite b des Impulses, beim Dreieck- und Cosinusimpuls gleich b/2.

Die Lage und die Höhe der Maxima (Formanten) der Spektralverteilung werden (bei festem τ) zudem durch die Form der Impulse bestimmt. Besondere Formen der spektralen Hüllkurven mit festen Formanten lassen sich durch die Kombination mehrerer Impulsfolgen realisieren, wie noch näher erläutert werden wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Einrichtung gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. IA und Fig. IB komplementäre Impulsfolgen, wie sie bei der vorliegenden Einrichtung zum Erzeugen von Klängen mit vorgegebener Klangfarbe und unterschiedlichen Tonhöhen verwendet werden können;

F i g. 2 eine graphische Darstellung einer Doppelimpulsfolge;

F i g. 3 eine graphische Darstellung einer Hüllkurve einer Spektralverteilung, die sich durch eine sogenannte »Doppelimpulsfolge« erzeugen läßt;

Fig.4 ein Blockschaltbild einer elektronischen Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines elektronischen Blasinstrumentes, bei dem die Klangerzeugung durch eine Einrichtung gemäß der Erfindung erfolgt.

In Fig. IA und Fig. IB zeigen die Kurven in der Zeile a) zwei komplementäre Impulsfolgen, welche, gleiche Impulsform vorausgesetzt. Klängen mit der gleichen Tonhöhe und Klangfarbe entsprechen, da die Periode T beider Impulsfolgen gleich Lt und die effektive Impulsdauer τ der Impulsfolge in Zeile a) der Fig. IA gleich der Impulspausendauer Τ-τ der Impulsfolge in Zeile a) der F i g. 1B ist

Mit zunehmender Tonhöhe bleiben sowohl bei dem Impulsfolgen gemäß Fig. IA als auch den gemäß Fig. IB Form und Dauer der die Klangfarbe bestimmenden Teile über einen vorgegebenen Tonhöhenbereich konstant: Wie aus den Kurven b) bis f) in F i g. 1A und 1B ersichtlich ist, bleibt bei den Kurven b) bis f) der Fig. IA also die Impulspausendauer Τ-τ und bei den Kurven b) bis f) der F i g. 1B die Impulsdauer r konstant, während die Periodendauer T mit zunehmender Tonhöhe abnimmt. Diese Regel gilt im allgemeinen für mindestens eine oder zwei Oktaven. Bei einem größeren Tonwertumfang wird jedoch beim Überschreiten einer vorgegebenen Tonhöhe die bisher konstante Impulsdauer (oder Impulspausendauer) entweder sprunghaft zwischen zwei Tönen oder (vorzugsweise bei Instrumenten mit kontinuierlichem Tonwertbereich) innerhalb eines relativ kleinen Toniniervalles (z.B. einer kleinen Sekunde bis e'ner kleinen Terz) auf einen Bruchteil, z.B. die Hälfte, des vorherigen Wertes verringert und dann wieder für ein größeres Tonwertintervall konstantgehalten. Auf d^cse Weise lassen sich auf einfache Weise die bei Musikinstrumenten auftretenden Minimaverschiebungen nachbilden. Man kann also beispielsweise von der Kurve f) oder gegebenenfalls schon von der Kurve e) auf die Kurve g) übergehen, in der das charakteristische Zeitintervall halb so groß ist wie vorher.

Einfache Impulsfolgen der in F i g. 1 dargestellten Art liefern Klänge_: deren Oberwellenspektren Minima oder Nullstellen mit einfacher Periode und dazwischenliegenden Formantenbereiche aufweisen. Lage und Höhe der Maxima (Formanten) werden bei fester Impulsdauer (Entsprechendes gilt hier und im folgenden selbstverständlich auch für den Fall der festen Impulspausendauer) zudem durch die Form der Impulse bestimmt In den Kurven b) bis g) sind beispielsweise Rechteckimpulse mit abgerundeten Ecken dargestellt Rechteckimpulse mit scharfen Ecken werden nur in Ausnahmefällen zweckmäßig sein, da sie sehr rauhe und künstlich klingende Klänge liefern. Zweckmäßigerweise wird man mit verschliffenen Rechteckimpulsen der dargestellten Art, mit Dreieckimpulsen und mit Impulsen in Form einer halben Cosinusschwingung arbeiten, die sich !eicht herstellen lassen und gegebenenfalls noch durch nachgeschaltete Filter verformt werden können.

Besondere Formen der Hüllenkurven der Oberwellenverteilung Tiit festen Formanten lassen sich durch Doppel- und Mehrfachimpulsfolgen realisieren.

Ein Beispiel einer Doppelimpulsfolge ist in Fig.2 dargestellt. Sie enthält zwei gegeneinander um eine halbe Periode verschobene Impulsfolgen gleicher Perioden- und Impulsdauer sowie Impulsform jedoch unterschiedlicher Impulsarnplitude. Die beiden Impulsfolgen können sich jedoch auch zusätzlich zur Amplitude oder anstatt der Amplitude auch in anderen Parametern unterscheiden. F i g. 3 zeigt die spektrale Verteilung (Frequenz-Amplituden-Funktion) eines Klanges, der durch eine Doppelimpulsfolge erzeugt wurde.

Mehrfachimpulsfolgen oder Impulsrhythmen können aus mehreren ineinandergeschachtelten Impulsfolgen bestehen, die verschiedene Perioden haben, gegebenenfalls von Impulsfolge zu Impulsfolge Impulse unterschiedlicher Breite und/oder Amplitude haben und sich zu einer Gesamtfolge zusammensetzen, deren Periode Tg durch das kleinste gemeinsame Vielfache der Einzelperioden T_p gegeben ist. Ein Impulsrhythmus besteht also z. B. aus einer sich periodisch wiederholenden Gruppe von zwei, drei oder mehr Impulsen, die unterschiedliche Form und/oder Breite und/oder Amplitude haben können. Wenn auf das menschliche Ohr mehrere Schwingungszüge mit in rationalem Verhältnis zueinander stehenden Schwingungsperioden einwirken, wird bekanntlich der Tonhöiieneindruck durch das kleinste gemeinsame Vielfache der Einzelperioden bestimmt.

Das Spektrum der durch die beschriebenen Impulsfolgen dargestellten Klänge kann gewünschtenfalls durch ein Filter weiter ausgeformt werden, das in besonderen Fällen als Formantfilter ausgebildet sein kann, bei der Nachbildung der Klänge eines Musikinstrumentes jedoch in der Regel zur Nachbildung der Übertragungsund Abstrahlfunktion des betreffenden Musikinstrumentes dient. Bei der Nachbildung der Klänge eines

Musikinstrumentes wird dieses Filter vorzugsweise auch zur Nachbildung der Einschwingvorgänge verwendet. Es wird entsprechend dem generellen Verlauf der Abstrahlfunktion u. a. eine Tiefenabsenkung und eine Höhenanhebung bewirken und wird hinsichtlich der Einschwingzeitkonstanten vorzugsweise so ausgelegt, daß das Ausgangssignal des Filters ein möglichst ähnliches Einschwingverhalten zeigt wie die natürlichen Klänge des betreffenden Musikinstruments. Hierauf wird bei der Beschreibung von Einrichtungen zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens noch näher eingegangen werden.

Die Änderung der Lautstärke erfolgt vorzugsweise nicht durch einfache lineare Amplitudenänderung, sondern unter Berücksichtigung des SCHUMANN-schen Verschiebungsgesetzes, wie es aus der Dt-OS 20 41 426 bekannt ist. Bei dem vorliegenden Verfahren wird also vorzugsweise mit zunehmender Lautstärke eine Versteilerung der Impulsflanken und/oder eine geringfügige Verkürzung der effektiven Impulsdauer (bzw. Pausendauer) bei gleichbleibender Periodendauer bewirkt. Anstelle dieser Maßnahmen oder zusätzlich zu ihnen kann es vorteilhaft sein, mit zunehmender Lautstärke eine breitbandige Höhenanhebung, z. B. im Bereich von ca. 1 bis 6 kHz, mit einem Maximum um etwa 3 kHz vorzunehmen.

Eine Klangfarbenmodulation und ein quasistationärer Klangablauf lassen sich durch statistische Variationen der Impulsbreiten, -perioden und -formen ohne diskontinuierliche Phasenbewegungen der Teiltöne bewirken. Die statistischen Variationen können durch Signale bewirkt werden, die aus einer statistischen Rauschspannung ausgefiltert worden sind.

Bei der vorliegenden Einrichtung zur Klangfarbensynthese, insbesondere zur Nachbildung von Instrumentenkiängen, werden also in bekannter Weise Impulsfolgen mit effektiver Impulsdauer r verwendet, deren τ im wesentlichen unabhängig von der Grundfrequenz /i = MT ist Die Lage der Formanten zwischen den Nullstreifen bzw. Minima des Oberwellenspektrums wird zusätzlich durch die Impulsform genau festgelegt. Besondere Formen der spektralen Hüllkurve mit festen Formanten werden durch Doppel- oder Mehrfachimpulsfolgen bzw. »Impulsrhythmen« verwirklicht Die Spektren der so erhaltenen Klänge können durch ein nachgeschaltetes Filter mit den Eigenschaften der Übertragungs- und Abstrahlfunktion des nachgebildeten Musikinstruments modifiziert werden.

Beim Übergang zu Klängen höherer und höchster Tonlage des jeweils nachgebildeten Instruments tritt in Abwandlung des Prinzips τ = konst, zunächst eine allmähliche, dann eine spruiigliäfic Verkürzung uer effektiven Impulsdauer (bzw. Impulspause) auf die halbe Breite ein, d. h. die Frequenzabstände der Minima im Spektrum vergrößern sich. Bei der Nachbildung von speziellen Instrumentenklängen kann eine Verkürzung der Impulsdauer um andere Faktoren als 2 zweckmäßig sein.

Die verschiedenen Lautstärkeeindrücke oder dynamischen Grade werden insbesondere durch eine kontinuierliche Impulsverformung mit unterschiedlich steilen Obergängen, möglicherweise in Verbindung mit einer Veränderung des Tastverhältnisses τ/Τ bei festem T und/oder eine breitbandige Höhenanhebung zwischen etwa 1 und 6 kHz bewirkt Der natürliche Klangcharakter wird durch statistische Änderung der Impulsbreiten, -pausen und -formen noch weiter nachgeahmt

Die oben beschriebenen Maßnahmen lassen sich in der verschiedensten Weise in die Praxis umsetzen, z. B. indem man die oben beschriebenen Funktionen durch entsprechende elektronische Einheiten realisiert. Man kann z. B. ein Tasteninstrument ähnlich einer Orgel aufbauen, das entsprechende Register hat.

Bei der in F i g. 4 schematisch dargestellten Einrichtung handelt es sich um ein elektronisches Zusatzgerät, welches durch ein herkömmliches Musikinstrument oder auch durch die menschliche Stimme ansteuerbar ist

ίο und andere Klänge, insbesondere die Klänge anderer Musikinstrumente oder auch Klänge ganz andersartiger Klangfarben zu erzeugen gestattet. Die vom Spieler durch das ansteuernde Instrument oder seine Stimme hervorgerufenen feinmodulatorischen Vorgänge (Einschwingvorgänge, Vibrator, Tremolo und dgl.) werden auf die elektronisch erzeugten Klänge übertragen. Man kann mit dem in F i g. 4 dargestellten elektronischen Zusatzgerät z. B. mittels eines herkömmlichen monofonen Instruments einen Instrumentalklang beliebiger Klangfarbe erzeugen. Es wird vorzugsweise dazu verwendet, durch Ansteuerung mit einem beliebigen Instrument andere Instrumente der gleichen Großgattung sowie auch künstliche Klänge nachzubilden, z. B. mit einem Blasinstrument jedes beliebige andere Blasinstrument, im speziellen z. B. mittels einer Blockflöte, einer Oboe oder einem Fagott.

Die vom Spieler mittels eines Instrumentes oder seiner Stimme primär erzeugten Klänge 10 werden durch ein Mikrofon 12 aufgenommen, in einem Verstärker 14 verstärkt und nach Verarbeitung in einer noch zu beschreibenden Schaltungsanordnung 16 mittels eines Lautsprechers 18 wiedergegeben und/oder aufgezeichnet.

Das ansteuernde Instrument oder die Stimme liefern Frequenz und Amplitude an die Schaltungsanordnung 16, die Klangfarbe der primär erzeugten Klänge bleibt unberücksichtigt Da die beiden Parameter Frequenz und Amplitude alle wichtigen Informationen, auch die feinmodulatorischer Art mit Ausnahme der Klangfarbe enthalten, können sie der neu erzeugten Klangfarbe in einer dem natürlichen Klang entsprechenden Weise wieder aufgeprägt werden.

Das durch den Verstärker 14 verstärkte Signal durchläuft ein Hochpaßfilter 20 zur Unterdrückung niederfrequenter Störgeräusche, wie Berührungsschall und dgL, sowie ferner vorzugsweise eine Schwellwertstufe (nicht dargestellt), die gewährleistet daß die Tongebung erst bei einer gewissen Blasstärke einsetzt, und wird dann hinsichtlich der Informationen Frequenz und Amplitude in zwei getrennten Kanälen verarbeitet Hinsichtlich der Frequenz wird das Signal durch eine Triggerschältung 22 ir. cine Rechtecksch-A'ir.gang gleicher Grundfrequenz verwandelt Die Rechteckschwingung vom Ausgang der Triggerschaltung 22 wird einem Frequenzdetektor 24 sowie einer Teilerschaltung 26 zugeführt Die Teilerschaltung 26 ist durch ein Register 28 auf verschiedene Teilungsfaktoren π (einschließlich 1) einstellbar und ermöglicht insbesondere das oktavweise Heruntersetzen der Grundfrequenz zur Imitierung eines »tiefen« Instruments durch ein »hohes«. Anstelle der Teilerschaltung 26 oder zusätzlich zu dieser kann gewünschtenfalls eine durch das Register 28 steuerbare Frequenzvervielfacherschaltung verwendet werden- Die Ausgangsfrequenz der Teüerschaltung 26 (oder der entsprechenden Vervielfacherschaltung) steuert einen Impulsgenerator 30, der auf seiner Ausgangsleitung 32 Impulse erzeugt, deren Breite von der Frequenz unabhängig ist, aber durch das Register 28

einstellbar und durch das Ausgangssignal einer Impulsbreitensteuerschaltung 34 steuerbar ist. Die Impulsbreitensteuerschaltung 34 wird ihrerseits durch das Ausgangssignal des Frequenzdetektors 24 so gesteuert, daß zur Nachbildung eines analogen Vorganges beim natürlichen Instrument die Breite der Impulse ab einer gewissen, von Instrument zu Instrument gegebenenfalls unterschiedlichen Höhe der Grundfrequenz, vorzugsweise kontinuierlich auf einen schmaleren Wert (z. B. die halbe Breite) übergeht. Unter Steuerung des auf die Frequenz der seinem Eingang zugeführten Impulse ansprechenden Frequenzdetektor 24 liefert die Impulsbreitensteuerschaltung 34 hierzu ab einer gewissen Schwellenfrequenz eine Steuerspannung an den Impulsgenerator 30, die die Breite der Impulse innerhalb eines vorgegebenen Tonhöhenintervalles herabsetzt. Die auf diese Weise auf der Ausgangsleitung 32 erhaltene Impulsfolge berücksichtigt alle in der Steuerfrequenz enthaltenen Informationen sowie das zur Erzielung des jeweils zu erzeugenden Klanges erforderliche Impulsverhalten.

Zur Gewinnung der Amplitudeninformation wird das vorverstärkte und gefilterte Signal vom Ausgang des Hochpaßfilters 20 in einer Gleichrichter- und Tiefpaßfilterschaltung gleichgerichtet und integriert. Die Integrationszeitkonstante kann durch das Register 28, z. B. durch Umschalten einer Parallelkapazität 38 verstellt werden. Mit der Gleichspannung auf der Ausgangsleitung 40 der Gleichrichter- und Tiefpaßfilterschaltung 36 wird die Amplitude der vom Impulsgenerator 30 erzeugten Impulsfolge in einem Amplitudenmodulator 42 amplitudenmoduliert. Hierbei wird vorzugsweise das Dynamikverhalten des zu imitierenden Instruments dem des ansteuernden angepaßt. Dies geschieht durch Komprimieren bzw. Expandieren des Modulationsgrades des Amplitudenmodulators 42, das mittels des Registers 28 einstellbar ist, sowie durch Anpassen der Integrationszeitkonstante der Gleichrichter- und Tiefpaßfüterschaltung 36. Die Schaltungsanordnung 42 kann ein Schwellwertglied enthalten, so daß die Amplitudenmodulation erst ab einer bestimmten Amplitudenschwelle wirksam wird und die Tongebung erst einsetzt, wenn der Klang 10 eine vorgegebene Stärke hat Das Ausgangssignal des Amplitudenmodulators 42 kann dann noch einer letzten Korrektur in einer Filterschaltung 44 unterworfen werden, die, wie oben erwähnt, das Abstrahlverhalten des nachzuahmenden Instruments nachzubilden oder andere Veränderungen zu bewirken gestattet

Das Amplitudensteuersignal von der Impulsbreitensteuerschaltung 34 kann dem Impulsgenerator 30 und/oder einem dem Amplitudenmodulator 42 nachgeschaltctcr. Netzwerk 43 zur Änderung der Impulsbreite und/oder Impulsform zugeführt werden.

Da die Änderung der Lautstärkecharakteristik der mittels eines natürlichen Instruments erzeugten Klänge nicht in erster linie auf einer frequenzlinearen Anhebung der Amplitude, sondern einer Änderung der Klangfarbe beruht (SCHUHMANNsches Verschiebungsgesetz) wird bei der Einrichtung gemäß F i g. 4 mit zunehmender »Lautstärke« ein bestimmter Bereich im Frequenzspektrum in Relation zu den übrigen Spektralkomponenten in der Amplitude angehoben. Dies kann mittels einer Filterschaltung 46 zur breitbandigen Höhenanhebung bewirkt werden, deren Frequenzgang durch das Register 28 einstellbar und deren Einfluß durch ein Steuersignal auf einer Leitung 48 steuerbar ist, das durch eine Schaltungsanordnung 50 mit logarithmischer Übertragungsfunktion aus dem Ausgangssignal der Gleichrichter- und Tiefpaßfüterschaltung 36 gewonnen wird. Die Schaltungsanordnung 50 kann selbstverständlich auch eine andere als logarithmische Übertragungsfunktion haben.

Das Steuersignal auf der Leitung 48 kann außer der Filterschaltung 46 oder anstelle dieser Filterschaltung auch der Impulsbreitensteuerschaltung 34 zugeführt werden, um die Impulsbreite und/oder Impulsform (z. B.

ίο Flankensteilheit) in Abhängigkeit von der Lautstärke geringfügig zu ändern, insbesondere die Impulsbreite mit zunehmender Lautstärke etwas zu verkürzen bzw. die Flanken zu versteuern.

Das Ausgangssignal der Filterschaltung 46 wird in

einem Endverstärker 52 verstärkt und dann dem Lautsprecher 18 und einer anderen elektroakustischer! Wiedergabeeinrichtung und/oder einer Aufzeichnungseinrichtung zugeführt.

Das Register 28 ist vorzugsweise so vorprogram-

miert, daß die gewünschten Instrumente oder Klangfarben durch einfache Schalterbetätigung oder dgl. gewählt werden können.

Bei der in F i g. 5 schematisch dargestellten Einrichtung handelt es sich um ein elektronisches Blasinstru- ment, bei dem die Grundfrequenz der zu erzeugenden Töne durch eine nichtdargestellte Tastatur gesteuert wird, deren Tasten zugehörige Schalter 54 steuern. Die Schalter 54 steuern ihrerseits einen Impulsgenerator 56, der ähnlich wie der Impulsgenerator 30 der Einrichtung gemäß F i g. 4 arbeitet und Impulse liefert deren Breite und Form durch ein Register 58 einstellbar ist. Die Änderung der Impulsbreite beim Überschreiten einer bestimmten Tonhöhe erfolgt gemäß den oben erläuterten Regeln und kann hier einfach mittels eines zusätzlichen Kontaktsatzes 58 bewirkt werden, der durch die Tasten für die höheren Töne betätigt wird.

Alle anderen Parameter der zu erzeugenden Klänge, wie Lautstärke, Einschwing- und Ausschwingverhalten sowie die feinmodulatorische Steuerung des Amplitu den-, Phasen- und Klangfarbenverhaltens werden bei der Einrichtung gemäß F i g. 5 wie bei einem normalen Blasinstrument vom Spieler durch Blasen in eine Röhre 62 gesteuert Durch den vom Spieler in der Röhre 62 erzeugten Luftstrom 64 wird ein Geräusch erzeugt, das durch ein Mikrofon 66 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Nach Verstärkung in einem Vorverstärker 68 werden die der Anblasapparatur eigenen ersten beiden Frequenzmaxima durch Bandfilter 70 bzw. 72 herausgefiltert und die Ausgangssignale

so der Filter werden in Schaltungen 74 bzw. 76 gleichgerichtet und integriert Die gewonnenen Gleichspannungen haben ein Amplitudenverhalten, wie es zur Steuerung der klsr-gfarbenmäßigep. Dynamik erforderlich ist Das dem ersten Frequenzmaximum entspre- chende Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 74 steuert einen dem Amplitudenmodulator 42 in F i g. 4 entsprechenden Amplitudenmodulator 78, während das Ausgangssignal von der Schaltungsanordnung 76 eine Filterschaltung 80 zur breitbandigen Höhenanhebung steuert, die der Filterschaltung 46 in Fig.4 entspricht Die Breite der Impulse wird im Impulsgenerator 56 zur Erzielung einer Phasenmodulation des zu erzeugenden Klangsignals mit dem Rauschsignal vom Ausgang des Vorverstärkers 68 moduliert, das hierzu entsprechend gleichgerichtet und gefiltert wird. Die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators 56 werden nach Amplitudenmodulation im Amplitudenmodulator 78 über ein Korrekturfilter 82 entsprechend der Filterschaltung 44 in

ίο

F i g. 4 der Filterschaltung 80 zugeführt. Dem Ausgangssignal der Filterschaltung 80 kann über ein Bandfilter 84, dessen Charakteristik durch das Register 58 verstellbar ist, ein Rauschanteil vom Ausgang des Vorverstärkers 68 zugeführt werden. Anschließend wird das erhaltene Signal durch einen Endverstärker 86 verstärkt und einer nichtdargestellten Klangwiedergabeeinrichtung oder Aufzeichnungseinrichtung zugeführt.

Das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 76 kann außerdem oder auch ausschließlich einer dem Amplitudenmodulator 78 nachgeschalteten Impulsformungsschaltung 79 zur Änderung der Impulsbreite und/oder Impulsform zugeführt werden.

Die Übertragungsfunktionen der verschiedenen Stufen sind durch das programmierte Register 58 steuerbar, wie in Fig.5 durch entsprechende Verbindungen angedeutet ist.

Bei der Amplitudenmodulation im Amplitudenmodulator 78 und bei der breitbandigen Höhenanhebung in der Filterschaltung 80 kann, abhängig vom nachzubildenden Instrument, eine Kompression der vom Rauschen gesteuerten Dynamik sowie eine Anpassung der Integrationszeit der Schaltungen 74 bzw. 76 von Vorteil sein.

Mit der Einrichtung gemäß F i g. 5 kann man die Klänge klassischer Instrumente sehr naturgetreu nachbilden, ohne daß man hierzu die spieltechnischen Schwierigkeiten der natürlichen Instrumente in Kauf nehmen muß.

Bei der Einrichtung gemäß Fig.5 ist vorzugsweise eine Sperre vorgesehen, die ein gleichzeitiges Wirksamwerden mehrerer Tasten der Tastatur verhindert. Andererseits kann die Einrichtung auch für zwei- oder mehrstimmiges Spielen weitergebildet werden. In diesem Falle ist eine entsprechende Anzahl von Impulsgeneratoren und gegebenenfalls von Amplitudenmodulatoren, Filtern, Registereinheiten usw. vorhanden, und zwischen die Schalter 54, 60 und die Impulsgeneratoren ist eine Schaltlogik geschaltet, die bestimmt, welche der mehreren gedrückten Tasten welchen Klanggeneratorteil steuert.

Mehrstimmiges Spiel ist auch durch Unterteilung der Tastatur und Anbringung mehrerer Tastaturen an einem Instrument denkbar. Das Register 28 soll im allgemeinen auch so ausgebildet sein, daß es eine entsprechende Einstellung der Dynamikbereiche bewirkt. So können z. B. die an den Amplitudenintegratorschaltungen 38 bzw. 74, 76 anliegenden Spannungen so komprimiert bzw. expandiert werden, daß sie an den Dynamikbereich (Spannweite von pianissimo bis fortissimo) des nachzubildenden Instruments angepaßt werden.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren nicht durch eine Einrichtung der anhand von Fig.4 und 5 erläuterten Art, sondern eine Einrichtung nach Art einer

ίο Orgel oder durch eine mittels eines Programmträgers, z. B. eines Lochbandes, gesteuerte Einrichtung realisiert wird, steht keine Information betreffend die Einschwing- und Ausschwingvorgänge zur Verfügung. Bei der Nachbildung von Klängen eines klassischen Musikinstruments, z.B. eines Blas-, Streich- oder Tasteninstruments, müssen jedoch auch die Einschwingvorgänge und gegebenenfalls auch die Ausklingvorgänge nachgebildet werden, wenn der nachgebildete Klang »natürlich« klingen soll. Dies kann erfindungsgemäß mit Hilfe eines Filters, insbesondere eines Formantfilters oder einer ähnlichen, mit Zeitkonstanten behafteten Schaltungsanordnung bewirkt werden, die im wesentlichen das gleiche Einschwingverhalten zeigt wie das nachzubildende Instrument. Im Gegensatz zu den üblichen Filterschaltungen, bei denen man ein möglichst rasches Einschwingen anstrebt, wird diese Filterschaltung bewußt so ausgelegt, daß sie ein längeres, spezifisches Einschwingen, gegebenenfalls mit Überschwingeffekten und dergleichen zeigt. Ein sprungartig einsetzendes Klangsignal wird durch eine solche Filterschaltung also derart verändert, daß es ein gewünschtes, einem nachzubildenden Instrument angeglichenes Einschwingverhalten zeigt
Ein solches »Einschwingfilter« ist selbstverständlich nicht auf Einrichtungen zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens zur elektronischen Klangerzeugung beschränkt, sondern kann mit Vorteil auch bei Einrichtungen zur Klangerzeugung verwendet werden, bei denen die Klangsignale auf andere Weise erzeugt oder verarbeitet werden.

Bei einem orgenartigen Gerät zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens kann z. B. das Korrekturfilter 44 oder 82 in einer entsprechend abgewandelten Schaltungsanordnung die Funktion des »Einschwingfilters« übernehmen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum elektronischen Erzeugen von KJangsignalen entsprechend Klängen unterschiedlicher Grundtonhöhen, jedoch gleicher Klangfarbe, die durch eine Minima aufweisende Oberwellenverteilung mit Formantcharakter bestimmt ist wobei die Klangsignale aus periodischen Impulsfolgen bestehen, deren Impulse eine der Grundtonhöhe entsprechende Frequenz haben, deren Dauer jedoch für alle Impulsfolgen, die Klänge mit Grundtonhöhen in einem vorgegebenen, mindestens eine Oktave umfassenden Grundtonhöhenbereiche entsprechen, ein und denselben vorgegebenen Wert hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für einen zweiten Grundtonhöhenbereich, der höhere Grundtöne als der vorgegebene Grundtonhchenbereich enthält, Impulsfolgen liefert, deren Impulse eine Dauer haben, die gleich einem vorgegebenen Bruchteil des Wertes der Dauer der Impulse des vorgegebenen Grundtonhöhenbereiches ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Impulsgenerator (30,56) zum Erzeugen einer Folge von Impulsen mit einer vorgegebenen Form und einer durch ein Tonhöhe-Steuersignal steuerbaren, die Grundtonhöhe bestimmenden Folgefrequenz, und eine Impulsbreitensteuerschaltung (34). die die Dauer der Impulse entsprechend dem Grundtonhöhenbereich bestimmt

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (12,14,22,26) zum Erzeugen des Tonhöhesteuersignals durch Extraktion von Frequenzinformation, insbesondere der Grundfrequenz, aus einer zugeleiteten Klangschwingung (10).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Schaltungsanordnung zum Erzeugen des Tonhöhesteuersignals eine Nulldurchgangsschaltung (22) und eine zwischen disse und den Impulsgenerator (30) geschaltete Frequenzumsetzerschaltung (26) zur Multiplikation der Frequenz des Ausgangssignals der Nulldurchgangsschaltung (22) mit einem Faktor π oder V_n (n ganzzahlig und ungleich 0) enthält

5. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der Impulsdauer durch ein Amplitudensteuersignal.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der Impulsdauer diese mit zunehmender Amplitude verkürzt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch eine Frequenzvibratoschaltung, die eine geringfügige periodische Änderung der Impulsperiodendauer (T) bewirkt.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Impulssignal einem Formantfilter (44,82) zuführbar ist.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsform von der Rechteckform abweicht.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß die Impulsform unsymmetrisch ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Einrichtung mit diesen Merkmalen ist aus der JP-OS 48 55 720 bekannt Bei dieser bekannten Einrichtung wird von der Tatsache Gebrauch gemacht daß sich alle Zeitfunktionen mit Hilfe des Fourier'schen Satzes in Spektralfunktionen umformen lassen. Für bestimmte periodische Zeitfunktionen mit impulsförmigen Charakter, wie sie beispielsweise für viele konventionelle

ίο Musikinstrumente typisch sind, ergeben sich im (harmonischen) Spektrum Nullstellen bzw. Minima. Zwischen diesen bilden sich Zonen erhöhter spektraler Energie mit Formantcharakter aus. Die Lage der Minima im Spektrum und damit zugleich die der

is Maxima (Formanten) wird durch das Verhältnis von effektiver Impulsdauer τ zur Dauer T der Gesamtperiode der Schwingung bestimmt

Die FOURIER-Entwicklung einer aus Rechteck-, Dreieck- oder Cosinusimpulsen bestehenden Impulsfolge enthält bekanntlich den Ausdruck (sin x)/x, wobei χ = (jrArpyr und it = 1,2,3,... die laufende Nummer der Spektrallinien bedeuten.

Ein Merkmal der Klänge vieler Musikinstrumente ist das Vorhandensein fester, d. h. von der Grundtonhöhe der Klänge im wesentlichen unabhängiger Formanten. Die Ausbildung von Formanten, deren Frequenz von der Tonhöhe, also der Periodendauer T, unabhängig ist, bedeutet offensichtlich, daß τ von der Periodendauer T unabhängig sein muß.

Nullstellen im Spektrum ergeben sich für x = rm. — nkf\T, dabei sind η = 1,2,3,... und /1 = l/T.

Nullstellen treten also bei den Frequenzen kf\ = η/τ auf.

Um einen Klang mit vorgegebenen, von der Grundtonhöhe unabhängigen Formanten entsprechend einer gewünschten Klangfarbe zu erzeugen, werden bei dem bekannten Verfahren also Impulse erzeugt deren Dauer τ entsprechend der Formantverteilung gewählt unabhängig von der Tonhöhe ist.

to Nachteilig an der oben erwähnten bekannten Einrichtung ist, daß die Impulsbreite verhältnismäßig klein gewählt werden muß, wenn ein größerer Höhenbereich erfaßt werden soll, da die Impulsbreite nicht kürzer als die halbe Periodendauer (die der Tonhöhe umgekehrt proportional ist) werden darf. Hinsichtlich der zu erzielenden Klangeffekte stellt dies eine erhebliche Einschränkung dar.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der oben

so erwähnten Art dahingehend weiterzubilden, daß Klangsignale bestimmter Klangfarbe, die durch eine Oberwellenverteilung mit Formantcharakter bestimmt ist, in einem großen Grundtonhöhenbereich erzeugt werden können und trotzdem eine sehr naturgetreue Nachbildung des Klanges von konventionellen Musikinstrumenten möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Dadurch, daß die Impulsdauer in den verschiedenen, ausgedehnten Grundtonhöhenbereichen jeweils konstant gehalten, von Grundtonhöhenbereich zu Grundtonhöhenbereich jedoch verschieden ist, entfällt die Einschränkung, daß die Impulsdauer nicht größer als