DE3545986A1

DE3545986A1 - Elektronisch gesteuertes musikinstrument

Info

Publication number: DE3545986A1
Application number: DE19853545986
Authority: DE
Inventors: Franz Sauter; Joerg Teschner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-12-23
Filing date: 1985-12-23
Publication date: 1987-06-25
Also published as: EP0250500A1; WO1987003993A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Musikinstrument mit den Einzelmerkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Musikinstrumentes.

Als Stand der Technik sind Musikinstrumente bekannt, bei denen sich Tonquellen verschiedenster Art durch elektrische Signale oder Schaltzustände steuern lassen, welche entweder simultan auf Tastaturen erzeugt, oder mittels Datenträger reproduziert, oder durch Computerprogramme generiert werden (vgl. z. B. MIDI-NORM).

Weiterhin ist für die vorliegende Erfindung von Bedeutung, daß bei gängigen Tasteninstrumenten heute ausnahmslos die gleichschwebend temperierte Stimmung üblich ist. Mit dieser Technik der Intonation wurde ein Problem gelöst, das sich aus der Erkenntnis der harmonischen Tonverhältnisse (Zarlino 1517-1590) ergeben hatte: Reine Stimmung der Töne innerhalb der Tonarten und zwischen den Tonarten schien bei Tasteninstrumenten technisch unvereinbar. Mit der wachsenden Bedeutung des harmonischen Übergangs von einer Tonart zur anderen (Modulation) wurde die reine Stimmung in zunehmendem Maße dem Zweck der Modulation geopfert, und zwar durch verschiedene Temperaturen, in denen die bislang einander ausschließenden harmonischen Kriterien unterschiedlich gewichtet waren. Mit der gleichschwebenden Temperatur gelang der Durchbruch zu einem Tastenspiel, das von allen Fesseln der Modulation befreit war.

Es entstanden nunmehr Bemühungen um die reine Stimmung, die nicht mehr gegen die Vorteile der Temperatur geltend gemacht wurden, sondern darauf gerichtet waren, diese Vorteile auch ohne Temperatur zu realisieren. Diese Versuche waren zunächst deshalb erfolglos, weil sie auf einer Vermehrung der Tasten innerhalb einer Oktave beruhten, deren Bedienung nicht nur praktisch, sondern auch theoretisch kompliziert waren: Zur Bestimmung der richtigen Tasten mußte jedes Musikstück vorweg einer harmonischen Analyse unterzogen werden. Eine exemplarische Darstellung einer solchen Erfindung findet sich bei Shoh´ Tanaka, Studien im Gebiete der reinen Stimmung (in: Chrysander/Spitta/Adler (Hrg.), Vierteljahresschrift für Musikwiss., 6. Jg., Leipzig 1890, S. 1 f.). Das nachfolgende Urteil über eine ähnliche Erfindung Tanakas charakterisiert den Stand der Entwicklung bis in die 60er Jahre:

,6"Alles war erstaunt über den Wohlklang der akustisch reinen Stimmung, der man eine große Zukunft voraussagte . . . Der erhoffte praktische Nutzen freilich blieb aus; eine weitere Verbreitung hat dieses Instrument nicht gefunden, weil es letzten Endes zu kompliziert und zu teuer geworden wäre . . . Auch von anderen Erfindern wurde die Frage der akustisch reinen Stimmungen der Tasteninstrumente immer wieder aufgegriffen und wurden neue Systeme dafür erfunden. Ein durchschlagender Erfolg aber war keinem beschieden. Die Konstruktionen waren zu verwickelt und das Spiel ohne genaue Kenntnis des harmonikalen Klangbildes zu schwierig. Indessen bin ich heute noch der Überzeugung, daß akustisch rein gestimmte Orgelklänge von seltener Schönheit sind und sich insbesondere zu Übertragungen im Rundfunk eignen würden." (Oskar Walcker, 'Erinnerungen eines Orgelbauers', Kassel 1948, S. 17)

Ferner ist im Jahre 1968 ein sog. "Reinstimmungsautomat" bekannt geworden, bei dem die reine Stimmung nicht als Problem der Spielbarkeit aller Tonarten und tonalen Übergänge gefaßt ist, sondern als Anforderung an die Akkorde, Quinten und Terzen prinzipiell in den festen Verhältnissen 2 : 3, 4 : 5 und 5 : 6 erklingen zu lassen, was zu einem musikalisch völlig unrichtigen Resultat führt. Der Hauptmangel eines solchen Instrumentes besteht darin, daß es die Stimmung der Töne ganz unabhängig von der Feststellung der jeweils gespielten Tonart verändert oder beibehält. Die vorstehend bezeichneten Verhältnisse werden unabhängig von dem Zusammenhang, den sie in der Tonart haben (als Beziehung zwischen Tonika, Dominante und Subdominante) zum Ideal erhoben. Außerdem wird für die Umstimmung eines Tones vorausgesetzt, daß mindestens zwei Tasten gleichzeitig niedergedrückt werden - dies ist musikalisch überhaupt nicht zu vertreten. Die vorbezeichneten Mängel an diesem Gerät haben auch dazu geführt, daß es nicht weiterentwickelt wurde, sondern in Vergessenheit geriet.

Aus diesen und ähnlichen Gründen hat sich im Lauf der Jahre ein Vorurteil gebildet und weltweit durchgesetzt, welches musikalisch die Unvermeidbarkeit der Temperatur bei Tasteninstrumenten behauptet und eine Vermehrung der Tasten zum Sachzwang der reinen Stimmung erklärt:

,6"Temperatur (. . .), die Regelung der für die musikalische Praxis unvermeidlichen Abweichungen von der akustischen Reinheit der Intervalle." (Dahlhaus/Eggebrecht (Hrg.), Brockhaus Riemann Musiklexikon, Wiesbaden/Mainz 1979, 2. Band, S. 584)

Der gleichen Quelle zufolge

,6"zwingt die reine Stimmung zur Vervielfachung der Tonhöhenbestimmung der Stufen (also bei Tasteninstrumenten zur Aufspaltung der Tasten)".

So gesehen

,6"erweist sich eine solche Stimmung als Utopie". (Honegger/Massenkeil (Hrg.), 'Das große Lexikon der Musik', Breisgau 1982, 8. Band, S. 11)

Auch wurde in der Vergangenheit der Übergang vom technisch begründeten zum theoretischen Vorurteil vollzogen. Dabei wird aus der angeblichen technischen Unvermeidbarkeit und Endgültigkeit der Temperatur ihre musikalische Notwendigkeit und Angemessenheit begründet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Musikinstrument mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weiterzubilden, daß seine klangliche Transparenz und Brillianz gegenüber herkömmlichen Geräten dieser Art verbessert ist, ohne daß die Spielbarkeit in herkömmlicher Weise beeinträchtigt ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wobei zum Erzielen einer harmonisch reinen Stimmung des Instruments abhängig von der gerade gespielten Tonart eine Sensorvorrichtung vorgesehen ist, die den Inhalt der ersten Speichervorrichtung auf das Vorliegen einer eindeutig identifizierten Tonart durch Vergleich mit den abgespeicherten Tonbeständen der 24 Tonarten analysiert. Mit der Tonquelle ist eine Umstimmvorrichtung verbunden, die bei Vorliegen einer eindeutig identifizierbaren Tonart aktivierbar ist und die die infolge einer Betätigung der Toneingabevorrichtung erklingenden Töne innerhalb der aktuell ermittelten Tonart harmonisch rein stimmt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des elektronischen Musikinstrumentes nach der Erfindung sind den Ansprüchen 2-29 zu entnehmen, Ansprüche 30-38 betreffen ein Verfahren zur Steuerung eines elektronischen Musikinstrumentes, um dieses harmonisch rein zu stimmen.

Ausgangspunkt der Erfindung ist die harmonische Analyse des auf einer Eingabevorrichtung gespielten Musikstückes durch einen "tonalen Sensor". Dieser macht es auch möglich, das erfindungsgemäße Musikinstrument in herkömmlicher Weise auf einer herkömmlichen Tastatur in reiner Stimmung zu spielen. Ein Umdenken oder gar Umlernen auf neuartig gestalteten Tastaturen ist nicht notwendig. Die reine Stimmung wird unter Anwendung musikalisch richtiger Grundsätze vollautomatisch immer dann eingeschaltet (d. h. das Instrument abhängig von der gerade aktuell gespielten Tonart umgestimmt), wenn die entsprechende Tonart eindeutig identifiziert ist. Hierzu ist es nicht notwendig, Zwei- oder Mehrklänge (Akkorde) zu spielen, um die Tonart zu identifizieren. Vielmehr ist der tonale Sensor in der Lage, auch willkürlich gespielte Tonfolgen und Tonleitern solange einzuspeichern und zu analysieren, bis eine gespielte Tonart eindeutig festliegt.

Durch Anspruch 2 wird erreicht, daß das Musikinstrument bei atonalem Spiel oder tonaler Indifferenz (eine Tonart ist nicht eindeutig identifizierbar) nicht in der vorher ermittelten rein gestimmten Tonart weiterklingt, was musikalisch nicht vertretbar wäre, sondern gleichsam als Klangkompromiß in die temperierte Stimmung verfällt.

Vorteilhafte Ausbildungen der Sensorschaltung (im Folgenden auch als tonaler Sensor bezeichnet) sind in Patentansprüchen 5 und 7 enthalten.

Ansprüche 4 und 6 zielen darauf ab, möglichst einfach ausgebildete Speicher mit möglichst wenig Speicherplatz verwenden zu können.

Ansprüche 8-13 stellen sicher, daß durch den tonalen Sensor Tonartwechsel auch richtig erkannt werden und insbesondere das vorzeitige oder verspätete Auftreten des sog. Taktsignals nicht dazu führt, daß verzögert gespielte Töne einem falschen Harmoniebereich zugeordnet werden und damit zu einer Fehlanalyse führen. Besonders vorteilhaft wirkt sich dabei die Sychronisationsschaltung aus, die bei Vorliegen einer Ausgangstonart die Weiterleitung des Taktsignals an den Tonsammler sowie dessen Speisung um ca. 0,05 s verzögert. Solange keine Ausgangstonart als gegeben im dritten Speicher vorliegt, werden alle aktuell gespielten Töne vom Tonsammler erfaßt und abgespeichert und eine Löschung des Tonsammlers bei Auftreten des Taktsignals auch unterbunden.

Anspruch 14 bietet Vorteile beim Einsatz des Instrumentes im musikschulischen Bereich.

Durch Ansprüche 26-29 wird die gesamte Spannweite der Erfindung verdeutlicht, die von modernsten Sound-Samplern bis zu einer herkömmlichen Orgelpfeife mit einer elektromechanischen oder elektromagnetischen Schiebervorrichtung zur Veränderung der wirksamen Pfeifenlänge einsetzbar ist.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Darstellung der wesentlichen Komponenten des Erfindungsgegenstandes;

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Instrument kann z. B. folgendermaßen aufgebaut sein:

Die Toneingabevorrichtung 1 kann ein übliches Manual mit Tastenkontakten sein, die ebensovielen Kombinationen aus Zeilen und Spalten einer Diodenmatrix zugeordnet sind. Die nachgeschaltete Tonerkennung 3 fragt die Tastenkontakte kontinuierlich nacheinander ab und vergleicht jeden Tastenzustand geschlossen oder nicht) mit seinem Vorzustand. Dabei ordnet sie jeder Taste durch Fortzählung einen Tastencode zu, den sie bei jeder Änderung eines Tastenzustandes an den Intonator 8 und bei jedem Tonanfang an den Tonsammler 5) weiterleitet. Der Intonator 8 steuert auf dieser Basis eine Tonquelle 9. Der Tonsammler 5 benutzt den Tastencode zur Speisung einer diesem Code zugeordneten Speicherzelle, wobei alle gleichnamigen Töne einer einzigen Zelle zugewiesen werden können.

Der Inhalt des Tonsammlers 5 wird von einem tonalen Sensor 6 in einer weiter unten beschriebenen Weise analysiert. Als Ergebnis leitet dieser eine erkannte Tonart oder einen negativen tonalen Befund (indifferent oder atonal) als Binärcode an den Intonator 8, eine optische Anzeige (z. B. Leuchtdioden) und an einen Speicher 7 weiter. Letzterer übernimmt den tonalen Befund jedoch nur auf ein Taktsignal hin, welches von einem Taktsignalgeber 2 stammt, der durch eine vom Spieler betätigte Taste gesteuert werden kann. Mit der Übernahme eines positiven tonalen Befundes fixiert der Speicher 7 die Ausgangstonart, die bei ihrem Vorliegen vom tonalen Sensor 6 verarbeitet werden kann.

Die Wirksamkeit einer Ausgangstonart wird auch einem Synchronisator 4 signalisiert, welcher die Speisung und Löschung des Tonsammlers 5 steuert: Liegt keine Ausgangstonart vor, so wird keine Löschung zugelassen. Anderenfalls wird eine Löschung durchgeführt, und zwar prinzipiell etwa 0,05 s nach Eintreffen des dem Synchronisator zugeführten Taktsignals; auf der anderen Seite wird die Speisung des Tonsammlers um die gleiche Zeitspanne verzögert, wenn zwischenzeitlich kein Taktsignal eintrifft, bzw. - anderenfalls - erst nach Löschung des Tonsammlers durchgeführt.

Der Intonator 8 steuert die Stimmung der Töne in Abhängigkeit vom Befund des tonalen Sensors 6. Die Stimmung ist temperiert bei negativem, und rein bei positivem tonalen Befund. Bei reiner Stimmung entnimmt der Intonator 8 dem anliegenden Code der ermittelten Tonart den tonartlichen Grundton, an dem er alle Tonverhältnisse harmonisch ausrichtet, und zwar aufgrund einer Tabelle von Verhältniswerten, die er in einem Speicher 10 vorfindet.

Beim Übergang von einer zur anderen Tonart (Modulation) kontrolliert der Intonator 8 auch die Stimmung des Grundtons selbst, und zwar in Abhängigkeit vom Verhältnis der aufeinanderfolgenden Grundtöne und dem entsprechenden Verhältniswert, der in einem weiteren Speicher 11 für jedes Grundtonverhältnis bereitgehalten wird. Die Verhältniswerte der Grundtöne können jedoch auch durch eine Driftkontrolle 12 modifiziert (temperiert) werden, wenn diese per Vergleich feststellt, daß die Stimmung eines Tons durch fortgesetzte Entfernung von der Ausgangsstimmung (bei Spielbeginn) einen Grenzwert überschreitet, der durch die Einstellung eines Reglers (13) definiert wird.

Nachstehend wird die Funktion der nunmehr vorgestellten Vorrichtung erläutert:

Logischer Ausgangspunkt der Erfindung ist die harmonische Analyse durch einen tonalen Sensor 6. Dessen Funktion beruht auf einem Vergleich des Inhalts des Tonsammlers 5 mit den Tonbeständen der 24 Tonarten, die sich analog der im Tonsammler abgelegten Tonkombination als 12-stellige Binärzahlen ausdrücken lassen, worin jede "1" einen Ton repräsentiert:

Tabelle I

Die in Tabelle I dargestellten Tonbestände zeigen an, welche Töne in welcher Tonart enthalten sind. Dabei spielt es keine Rolle, in welcher Weise diese Töne jeweils in der üblichen Notenschrift dargestellt werden; zugrundegelegt sind genau die 12 Töne, die auf einer üblichen Tastatur spielbar sind.

Aus Tabelle I wird auch ersichtlich, daß nicht alle Tonbestände im tonalen Sensor fest abgespeichert sein müssen. Alle Tonbestände lassen sich aus je einem Dur- und Molltonbestand durch zyklische Rotation der entsprechenden Binärzahl gewinnen.

Der Inhalt des Tonsammlers, worin sich im Verlauf des Tastenspiels "Einsen" ansammeln, wird beständig mit allen Tonbeständen verglichen, bis zum ersten Mal eine Tonart erkannt wird. Dies ist dann der Fall, wenn die Vereinbarkeit des Tonsammlerinhalts mit genau 23 Tonbeständen ausgeschlossen ist. Umgekehrt ist die Feststellung einer bestimmten Tonart ausgeschlossen, wenn Vereinbarkeit entweder mit mehr als einem oder mit gar keinem Tonbestand festgestellt wird. Die Vereinbarkeit der erfaßten Töne mit irgendeinem Tonbestand ist definiert durch die Gleichung:

Tonsammlerinhalt ⟩ Tonbestand = Tonbestand

Sobald eine (Ausgangs-)Tonart erkannt ist, ändert sich die Funktionsweise des tonalen Sensors: Dieser überwacht nun den Tonsammlerinhalt im Hinblick auf das Auftreten von Tönen, die außerhalb des Tonbestandes der vorher ermittelten Tonart liegen. Beim Auftauchen solcher Töne prüft der tonale Sensor, ob eine Modulation stattfindet. Für diese gilt, daß sämtliche Bestandteile der Harmonie, welche "fremde" Töne enthält, mit irgendeinem Tonbestand vereinbar sein müssen. Die Feststellung einer Modulation setzt daher voraus, daß im Tonsammler immer nur Bestandteile der gerade erklingenden Harmonie gesammelt und vorgefunden werden. Der Tonsammler muß folglich beim Vorliegen einer Ausgangstonart für eine mögliche Modulation stets zum Zeitpunkt des Harmoniewechsels gelöscht und mit evtl. über den Harmoniewechsel fortklingenden Tönen neu gespeist werden.

Im Normalfall wechselt die Harmonie am Taktanfang, im Ausnahmefall am Anfang eines übergeordneten Taktteils. Da die Wahrnehmung des Harmoniewechsels Bestandteil der rhythmischen Intuition ist, die ein Tastenspieler ohnehin braucht, kann die Trennung der Harmonien für die tonale Analyse durch eine Takttaste gesteuert werden.

Zur sauberen Trennung der Harmonien sind jedoch Vorkehrungen zu treffen, welche verhindern sollen, daß der tonale Sensor durch Tasten irritiert wird, die relativ zur Takttaste (oder auch einer maschinellen Taktvorgabe) "zu früh" gedrückt oder "zu spät" losgelassen werden. Der "Zeitpunkt", zu dem der Harmoniewechsel stattfindet und in dem Tasten losgelassen und gedrückt werden, kann nämlich vom Standpunkt einer elektronischen Schaltung ein "Zeitraum" sein.

Dieser Zeitraum ist aufgrund experimenteller Untersuchungen mit ca. 0,05 s anzusetzen, insofern innerhalb einer solchen Dauer musikalische "Ereignisse" weder beim Spiel noch in der Wahrnehmung rhythmisch getrennt werden.

Um zu verhindern, daß der tonale Sensor verklingende Töne der beginnenden Harmonie und anklingende Töne der verklungenen Harmonie zurechnet, wird die Löschung und Speisung des Tonsammlers durch einen Synchronisator 4 gesteuert, der folgendermaßen funktioniert:

1. Die Löschung des Tonsammlers erfolgt erst ca. 0,05 s nach Eintreffen des Taktsignals. Werden zwischenzeitlich Tontasten losgelassen, so können die entsprechenden Töne nicht mehr als Bestandteile der nachfolgenden Harmonie in den Tonsammler gelangen.

2. Die Speisung des Tonsammlers wird zunächst verzögert und im Falle eines zwischenzeitlich eintreffenden Taktsignals erst nach der darauf beruhenden Löschung im Tonsammler aufgenommen. Auf diese Weise können zu früh gedrückte Tasten nicht bewirken, daß anklingende Töne als Bestandteile der verklingenden Harmonie analysiert werden.

Damit der tonale Sensor eine Modulation, d. h. einen eindeutigen Übergang in eine andere Tonart erkennt, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
1. Eine Ausgangstonart liegt vor.
2. Die erklingende Harmonie ist mit dem Tonbestand der Ausgangstonart unvereinbar.
3. Sie ist mit dem Tonbestand mindestens einer anderen Tonart vereinbar.
4. Unter diesen (mit der erklingenden Harmonie vereinbaren) Tonbeständen gibt es einen, der mehr Töne mit der Ausgangstonart gemeinsam hat als die übrigen.

Jede der vier Bedingungen wird nur dann untersucht, wenn die jeweils vorangegangene Bedingung erfüllt ist. Die erste Bedingung ist erfüllt, wenn die eingangs beschriebene Suche nach einer Ausgangstonart erfolgreich war und bis zum Beginn der nächsten Harmonie kein Ton vorkam, der mit der erkannten Tonart unvereinbar ist. Eine Ausgangstonart liegt außerdem mit jeder Tonart vor, die als Resultat einer Modulation selbstverständlich Ausgangspunkt einer neuen Modulation sein kann. Die Erfüllung der 2. Bedingung bedeutet, daß die Ausgangstonart außer Kraft gesetzt ist. Ob es sich dabei um eine Modulation handelt, bei der eine neue Tonart identifiziert wird, entscheidet sich erst bei der 4. Bedingung. Letztere schließt auch den Sonderfall ein, daß nur ein Tonbestand mit der untersuchten Harmonie vereinbar ist. Zur Prüfung der 4. Bedingung werden die mit der erklingenden Harmonie vereinbaren Tonbestände in logischer Und-Verknüpfung mit dem Tonbestand der Ausgangstonart erfaßt, die Einsen in den resultierenden Binärzahlen gezählt und die Ergebnisse verglichen.

Die Nichterfüllung der 3. Bedingung signalisiert atonale Verhältnisse; die Nichterfüllung der 4. Bedingung ist gleichbedeutend damit, daß die Ausgangstonart verlassen wurde, ohne daß ein Übergang in eine bestimmte andere Tonart vollzogen wurde, daß also die tonale Bestimmtheit des Stücks (zunächst) verlorengegangen ist. Beide Fälle führen dazu, daß beim Harmoniewechsel die 1. Bedingung entfällt, daß als erst wieder eine neue Ausgangstonart (ohne Löschung des Tonspeichers) gesucht werden muß.

Soweit der harmonische Befund des tonalen Sensors auf einer Untersuchung der Harmonien beruht, kann er auch erst erfolgen, wenn jeweils alle Bestandteile der Harmonie erklungen sind, also beim Wechsel in die nächste Harmonie. Eine Modulation wird daher prinzipiell erst im nachhinein erkannt:
1. nach ihrem Vollzug, der mit dem Eintritt in die modulierende Harmonie zusammenfällt, also mit dem Anfang der aus der Ausgangstonart herausgefallenen Harmonie;
2. nach dem Auftreten modulierender Töne, welche die Ausgangstonart außer Kraft setzen.

Ein endgültiger harmonischer Befund, mit dem auch die Ausgangstonart für eine evtl. nachfolgende Modulation definiert ist, kann also erst beim Verklingen einer Harmonie erfolgen. Beim Auftreten modulierender Töne können jedoch vorläufige Feststellungen getroffen werden - unter dem Vorbehalt einer noch möglichen Korrektur. Ein tonaler Befund muß revidiert und durch einen neuen ersetzt werden, wenn nachfolgende Bestandteile der Harmonie in Widerspruch zu ihm geraten. Diese Verlaufsform des harmonischen Urteilens ist nicht nur günstig für die darauf gegründete Intonation, sondern entspricht auch dem harmonischen Eindruck des Hörers, wie sich leicht demonstrierten läßt.

Die Ergebnisse des tonalen Sensors, die natürlich optisch angezeigt werden können, steuern die Intonation der Töne. Dabei muß man, wie sich gezeigt hat, beständig damit rechnen, daß zeitweise keine Tonart identifizierbar ist. In diesen Fällen gibt es keine Alternative zur Temperatur, da die reine Intonation tonartlicher Verhältnisse deren Konstitution voraussetzt. Es müssen also möglichst unauffällige Übergänge zwischen temperierter und reiner Stimmung stattfinden können, und diese verlaufen in jeder Richtung optimal, wenn derjenige Ton, der Grundton einer Tonart war bzw. wird, in seiner Stimmung belassen und zum Maßstab für die Ausrichtung der übrigen Töne wird.

Die Tonverhältnisse einer Tonart, wie sie sich aus dem Verhältnis von Tonika, Dominante und Subdominante ergeben, finden sich in der folgenden Tabelle (Grundton = 1):

Tabelle II

Bei der Modulation werden nicht nur die internen Tonverhältnisse einer Tonart rein gestimmt, sondern auch die externen Verhältnisse zwischen den wechselnden Grundtönen, an denen sich die übrigen Töne ausrichten. Diese Grundtonverhältniise ergeben sich in Abhängigkeit vom Tongeschlecht der Ausgangstonart für 23 mögliche Übergänge in eine andere Tonart jeweils nach dem Prinzip der maximalen Übereinstimmung der Tonbestände, d. h. der möglichst geringen Umstimmung übereinstimmender Töne. Nur für zwei Übergänge ergeben sich keine harmonisch eindeutigen Lösungen, bei denen die Ersetzung temperierter Grundtonverhältnisse vorteilhaft erscheint.

Tabelle III zeigt die Verhältnisse der Grundtöne zweier unmittelbar aufeinanderfolgenden Tonarten für alle möglichen Übergänge (Ausgangstonart 1):

Tabelle III

Das Auftreten von Tönen, welche eine Ausgangstonart außer Kraft setzen, führt zu einer Analyse, in deren Resultat die neue Tonart und daher auch die genaue Stimmung dieser Töne festgestellt wird. Da die Töne aber erklingen sollen, wenn der Spieler die Tasten drückt, müssen die modulierenden Töne eine ganz bestimmte Tonhöhe haben, bevor die von ihnen ausgelöste Umstimmung stattgefunden hat. Antizipiert man alle möglichen Stimmungen, die jeder modulierende Ton haben kann (unter Zugrundelegung der Tabellen II und III), so zeigt sich, daß immer nur drei Stimmungen in Betracht kommen, deren Verhältnis zueinander konstant ist:

81/80 : 1 : 2025/2048

Gibt man nun prinzipiell die mittlere Stimmung vor, so kann der modulierende Ton bei seinem Anklingen nie weiter von seiner nachträglich eingestellten Höhe abweichen als um das syntonische Komma (81/80). Für die um die modulierenden Zwischentöne ergänzten Tonbestände ergeben sich auf dieser Grundlage folgende Verhältnisse:

Tabelle IV

Für eine einfache Konstruktion des Intonators 8 sowie für die Steuerung verschiedenartigster Tonquellen ist es vorteilhaft, die reine Stimmung als korrigierte Temperatur auszudrücken. Die Temperatur ist dabei in dem Verhältnis zu korrigieren, in dem sie von der reinen Stimmung abweicht.

Da alle tonalen Verhältnisse aus den Grundverhältnissen Quinte und Terz abgeleitet sind, genügt es, die Verstimmung dieser beiden Tonverhältnisse infolge der Temperatur zu erfassen. Für die Quintenverstimmung (q) und die Terzverstimmung (t) errechnen sich folgende Werte:

Es zeigt sich nun, daß so daß t ohne nennenswerten Verlust an Genauigkeit durch den Wert y ^-7 ersetzt werden kann. Damit lassen sich aber alle tonartlichen Verhältnisse durch die Formel ausdrücken. Tabelle IV läßt sich daher in eine Form umwandeln, worim m in Abhängigkeit von n (für n = 0 bis 11) dargestellt ist:

Tabelle IV

Entsprechend läßt sich Tabelle III umwandeln:

Tabelle VI

Mit Hilfe dieser Tabellen lassen sich z. B. fest abgespeicherte Frequenzen mit den Werten f × q ^m ansteuern: Beim Übergang von temperierter zu reiner Stimmung ist der ermittelten (und sinnvollerweise in chronatischer Reihenfolge codifizierten) Tonart zu entnehmen, für welche Töne die n-Werte in Tabelle V den Betrag 0, 1, 2, 3 usw. haben. Die entsprechenden m-Werte repräsentieren dann eine Verschiebung in der Ansteuerung der Frequenztabellen. Beim Übergang in die Temperatur wird dieser Vorgang einfach rückgängig gemacht.

Bei der Modulation resultiert die Verschiebung im Bezug auf die Frequenztabellen aus drei (hypothetischen) Verschiebungen:
1. Die auf der Ausgangstonart beruhende Verschiebung wird rückgängig gemacht.
2. Eine entsprechende Verschiebung aufgrund der ermittelten Tonart wird vorgenommen.
3. Das Grundtonverhältnis wird mit Hilfe der Tabelle VI korrigiert. Der n-Wert wird vorher aus der Differenz der Tonart-Codes erschlossen. Der entsprechende m- Wert gibt dann die Verschiebung an, die alle Töne gleichermaßen betriff.

Sofern der m-Wert bei der 3. Teilverschiebung in aufeinanderfolgenden Modulationen das gleiche Vorzeichen behält, driften die Töne in der entsprechenden Richtung (nach oben oder unten) ab. Da ein solches Abdriften musikalisch nicht ausgeschlossen werden kann, liegt es nahe, eine willkürliche Grenze zu setzen, innerhalb deren dieses Abdriften erlaubt sein soll. Wird diese Grenze überschritten, so entfällt die Korrektur der Grundtonverhältnisse mit Hilfe der dritten Teilverschiebung solange, bis der ermittelte m-Wert das Vorzeichen wechselt. Zur Festlegung der gewünschten Grenzen wird die Driftkontrolle 12 von einem Regler 13 gesteuert, der natürlich auch dazu benutzt werden kann, das Abdriften von vorneherein zu unterbinden.

Erlaubt man den Tönen für die Variation ihrer Stimmung eine Bandbreite, die größer ist als ein Halbton, so überschneiden sich die Frequenztabellen. Man kann sie dann der Einfachheit halber in einer Tabelle integrieren, indem man q durch den Wert annähert, die Oktave also gleichmäßig in 12 × 51 Tonschritte zerlegt.

Zur Erläuterung der wesentlichen Verfahrensschritte der Verfahrensansprüche wird auf Fig. 2 verwiesen. Darin ist vorausgesetzt, daß bei jedem Niedergehen einer Tontaste ein erster programmierbarer Zähler und nach jedem Taktsignal ein zweiter Zähler gestartet wird. Beide Zähler sind so programmiert, daß sie nach 0,05 s abgelaufen sind. Im Hinblick auf diese Zähler erfüllt die Abfrage "Zähler abgelaufen?" in Fig. 2 dieselbe Funktion wie der Synchronisator 4 in Fig. 1. Ansonsten ist das Flußdiagramm gemäß Fig. 2 aus sich selbst verständlich.

Claims

1. Elektronisch gesteuertes Musikinstrument mit:
- einer Eingabevorrichtung (1), durch welche die zu spielenden Töne als Schaltzustände oder elektrische Signale definiert sind,
- einer dieser Eingabevorrichtung nachgeschalteten Tonerkennungsschaltung (3),
- mindestens einer durch die Tonerkennungsschaltung ansteuerbaren Tonquelle (9),
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- Zum Erzielen einer harmonisch reinen Stimmung des Instruments abhängig von der gerade gespielten Tonart ist eine Sensorvorrichtung (tonaler Sensor 6) vorgesehen, die das Tastenspiel auf einer üblichen Tastatur oder ähnlich wirkende Eingaben harmonisch aufgrund eines Vergleichs der sukzessive zu Tonkombinationen angesammelten Töne mit den Tonbeständen der 24 Tonarten analysiert;
- mit der Tonquelle (9) ist eine Stimmvorrichtung (Intonator 8) verbunden, die bewirkt, daß die durch die Tonerkennung (3) identifizierten Töne in der Stimmung erklingen, welche dem Befund des tonalen Sensors (6) am besten entspricht.

2. Musikinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonquelle (9) eine temperierte Stimmung aufweist, sobald der tonale Sensor (6) tonale Indifferenz oder Atonalität feststellt.

3. Musikinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgaben der Tonerkennung (3) in einem Tonsammler (5) derart festgehalten werden, daß im Tonsammler die bislang gespielten bzw. ungespielten Töne als Kombination von geladenen bzw. ungeladenen Speicherzellen erscheint.

4. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gespielten Töne im Tonsammler (5) abhängig von ihrer Oktavlage als 12-Bit-Information eingespeichert werden.

5. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der tonale Sensor (6) eine Reihe von elektronischen Vergleichervorrichtungen umfaßt, welche bewirken, daß der Inhalt des Tonsammlers (5) auf Verträglichkeit mit den analog abgespeicherten Tonbeständen der 24 Tonarten überprüft wird, und daß eine für den Intonator (8) maßgebliche Tonart genau dann identifiziert und ausgegeben wird, wenn entweder nur einer der 24 Tonbestände die im Tonsammler gespeicherten Töne exklusiv enthält, oder wenn bei Unverträglichkeit des Tonsammler-Inhaltes mit dem Tonbestand einer gegebenen Ausgangstonart Tonarten existieren, deren Tonbestände mit dem Tonsammler-Inhalt verträglich sind und sich unter diesen eine befindet, deren Tonbestand mit demjenigen der Ausgangstonart verglichen mehr gemeinsame Töne aufweist als alle anderen Tonbestände, die mit dem Tonsammler-Inhalt verträglich sind.

6. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im tonalen Sensor (6) benötigten Tonbestände aus nur jeweils einer Dur- und Molltonart durch sukzessive Rotation der binär codierten Tonbestände gewonnen werden.

7. Musikinstrument nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der tonale Sensor (6) ein Speicherwerk enthält, worin die vorweg ermittelten Ergebnisse der Vergleichervorrichtung für jeden beliebigen Tonsammler-Inhalt und für jede mögliche Ausgangstonart fest abgespeichert sind, so daß der Tonsammler-Inhalt (12 Bit) und die Ausgangstonart (5 Bit) einen Speicherplatz definieren, in dem der Code für die identifizierte Tonart oder für einen negativen tonalen Befund vorgefunden wird.

8. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die korrekte Funktion des erfindungsgemäßen Instruments durch einen Taktsignalgeber (2) sichergestellt wird, der entweder aus einer von einem Spieler betätigbaren Takttaste besteht oder über eine Taktvorgabeeinrichtung (Metronom) gesteuert wird und den Zeitpunkt des Harmoniewechsels für alle Bauteile signalisiert, deren Funktionieren von diesem Signal abhängt.

9. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis des tonalen Sensors (6) beim Eintreffen des Taktsignals aus dem Taktsignalgeber (2) in einen Speicher (7) übernommen wird, der dem tonalen Sensor damit die Ausgangstonart für die Analyse der nachfolgenden Harmonie verfügbar macht.

10. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine regelmäßige Löschung des Tonsammlers (5) von einer Schaltung (Synchronisator 4 ) derart gesteuert wird, daß bei einem positiven tonalen Befund im Speicher für die Ausgangstonart (7) das vom Taktsignalgeber (2) empfangene Signal als Direktive zur Löschung des Tonsammlers weitergegeben wird.

11. Musikinstrument nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Weitergabe des Taktsignals kurzfristig verzögert wird.

12. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronisator (4) von der Tonerkennung (3) bei jedem Tonanfang ein Signal erhält, infolgedessen er die Übernahme des gespielten Tones aus der Tonerkennung in den Tonsammler (5) durch Blockierung des Tonsammlers kurzfristig verzögert.

13. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungen bei der Löschung und Speisung des Tonsammlers etwa 0,02 s-0,08 s, insbesondere 0,05 s betragen.

14. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Tonart, tonale Indifferenz oder Atonalität auf einer optischen Anzeigevorrichtung (14) dargestellt wird.

15. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Intonator (8) durch das Ausgangssignal des Taktsignalgebers (2) zur Übernahme des Ergebnisses des tonalen Sensors (6) veranlaßt wird.

16. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Intonator (8) bei identifizierter Tonart alle Töne in ihrem harmonischen Frequenzverhältnis zum Grundton der erkannten Tonart stimmt.

17. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Intonator (8) bei erkannter Modulation (Übergang von einer Tonart zur anderen) den neuen Grundton im harmonischen Frequenzverhältnis zum vorangegangen Grundton stimmt.

18. Musikinstrument nach Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Intonator (8) die für seine Funktion benötigten Frequenzverhältnisse spezifiziert nach Tongeschlecht (Dur/Moll) als tabellarisch abgespeicherte Verhältniswerte zwei speziellen Speichern (10 und 11) entnimmt.

19. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugriff auf die abgespeicherten Grundtonverhältnisse aufgrund einer Subtraktion der Codes für die neue und vorangegangene Tonart gesteuert wird, wobei die Tonarten in chromatischer Abfolge codifiziert sind.

20. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang zwischen reiner und temperierter Stimmung oder umgekehrt die Stimmung desjenigen Tones, der tonartlicher Grundton war oder wird, beibehalten wird.

21. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Intonator (8) die Ergebnisse des tonalen Sensors (6) kontinuierlich übernimmt und seine Umstimmung (u. U. wiederholt) auf diejenige Tonart und zugehörige Grundtonstimmung gründet, die er jeweils beim letzten Signal des Taktsignalgebers (2) in einem gesonderten Speicher fixiert hat.

22. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Intonator (8) die Stimmung der Töne (oder eines Tones), welche durch wiederholte Berücksichtigung der Grundtonverhältnisse nach oben oder unten abdriften kann, einer Driftkontrolle (12) zuführt, welche die eingegebenen Werte mit bestimmten Grenzwerten vergleicht und bei deren Überschreiten den Intonator dazu veranlaßt, solange temperierte Grundtonverhältnisse zugrundezulegen, bis die Berücksichtigung der harmonisch reinen Grundtonverhältnisse ein Zurückdriften erlaubt.

23. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Driftkontrolle (12) maßgeblichen Grenzwerte durch ein Intervall definiert werden, dessen Größe durch einen Regler (13) eingestellt werden kann und im Extremfall von vorneherein kein Abdriften zuläßt.

24. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältniswerte der Speichervorrichtung (10 und 11), welche den Umstimmungen zugrundegelegt werden, als Abweichungen von den entsprechenden temperierten Frequenzverhältnissen fixiert sind, deren Maßeinheit die Quintenverstimmung (3/2 : 2^7/12) ist.

25. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quintenverstimmung durch gleichmäßige Unterteilung der Oktave (z. B. durch 612 oder 4.296 Stimmschritte) angenähert wird.

26. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonquelle (9) eine Sound-Sampling-Einheit ist und durch den Intonator (8) die Auslesegeschwindigkeit des Sampling-Speichers beeinflußbar ist.

27. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonquelle (9) ein DCO (Digital Controlled Oszillator) ist, deren digitale Steuerinformation durch den Intonator (8) beeinflußbar ist.

28. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonquelle (9) ein VCO (Voltage Controlled Oszillator) ist und durch den Intonator die Steuerspannung beeinflußbar ist.

29. Musikinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonquelle (9) eine Anordnung herkömmlicher Orgelpfeifen ist, die durch den Intonator (8) entweder auswählbar oder über eine elektronische Schiebervorrichtung zur Veränderung der wirksamen Pfeifenlänge beeinflußbar sind.

30. Verfahren zur Steuerung eines Musikinstrumentes, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) Sammeln der gespielten Töne in einem Speicher, worin jeder Ton einer Speicherzelle zugeordnet ist, welche darüber Auskunft gibt, ob der betreffende Ton gespielt worden ist oder nicht;
b) Suche nach Tonarten, deren Tonbestände alle gesammelten Töne enthalten;
c) bei Auffindung nur einer einzigen Tonart, in deren Tonbestand alle gesammelten Töne exklusiv vorkommen, Ersetzung der Temperatur durch harmonisch reine Frequenzverhältnisse zwischen den Tönen der gefundenen Tonart.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Rhythmus des Harmoniewechsels wiederkehrendes Taktsignal von einem Spieler oder einer Vorrichtung erzeugt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daa die jeweils ermittelte Tonart genau dann als Ausgangstonart zwischengespeichert wird, wenn ein Taktsignal erfolgt.

33. Verfahren nach Anspruch 30-32, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebener Ausgangstonart die in Verfahrensschritt 30.a) gesammelten Töne ca. 0,05 s nach Widerkehr des Taktsignals aus dem Speicher eliminiert werden, mit Ausnahme der Töne, die noch immer erklingen.

34. Verfahren nach Anspruch 30-33, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebener Ausgangstonart jeder Ton ca. 0,05 s nach seinem Anklingen gemäß Verfahrensschritt 30.a) aufgenommen wird, sofern zwischenzeitlich kein Taktsignal eintrift, bzw. erst nach erfolgter Eliminierung der Töne gemäß Anspruch 33, wenn zwischenzeitlich doch ein Taktsignal eintrifft.

35. Verfahren nach Anspruch 30-34, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebener Ausgangstonart und beim Auftauchen von Tönen, die im Tonbestand der Ausgangstonart nicht enthalten sind, eine neue Tonart durch folgende Verfahrensschritte gefunden werden kann:

a) Suche nach Tonarten, deren Tonbestände alle gesammelten Töne enthalten;
b) Vergleich der gefundenen Tonarten mit der Ausgangstonart im Hinblick auf die in den respektiven Tonbeständen gemeinsam enthaltenen Töne.
c) Hat eine der gefundenen Tonarten verglichen mit der Ausgangstonart mehr gemeinsame Töne als die anderen gefundenen Tonarten oder ist überhaupt nur eine Tonart gefunden worden, so ist diese die neue Tonart.

36. Verfahren nach Anspruch 30-35, dadurch gekennzeichnet, daß die Töne in temperierte Stimmung gebracht werden, wenn die Suche nach einer Tonart infolge tonaler Indifferenz oder Atonalität zu einem negativem Ergebnis führt.

37. Verfahren nach Anspruch 30-36, dadurch gekennzeichnet, daß einem negativen tonalen Befund gemäß Anspruch 36 ebenso wie den Tonarten en Binärcode zugeordnet wird, der im Verfahren nach Anspruch 32 als Symbol für das Fehlen einer Ausgangstonart zwischengespeichert wird und als solches signalisiert, daß die Speicherlöschung gemäß Anspruch 33 unterbleiben muß.

38. Verfahren nach Anspruch 30-37, dadurch gekennzeichnet, daß die gespielten Töne im Verfahrensschritt 30.a) unabhängig von ihrer Oktavlage gesammelt werden.