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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich auf
elektrische Musikinstrumente und insbesondere auf elektroakustische
Gitarren, die ein piezoelektrisches Element verwenden, um die Schwingungen
der Gitarrensaiten zu detektieren.
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Elektrische Gitarren können allgemein
in solche aufgeteilt werden, die einen massiven Gitarrenkorpus haben,
und solche, die einen hohlen Korpus haben, wobei die letzteren im
Wesentlichen abgesehen von dem zusätzlichen Wandler zum Umwandeln der
Schwingungen der Saiten in ein elektrisches Signal genauso wie eine
akustische Gitarre aufgebaut sind. Der Wandler bei einer elektroakustischen
Gitarre ist typischerweise ein piezoelektrisches Element, das an
der Verbindungsstelle der Saiten mit dem Korpus der Gitarre an die
Saiten angekoppelt ist. Bei einer Gitarre mit einem massiven Korpus
ist der Wandler typischerweise magnetisch, und er ist nahe der Verbindungsstelle
der Saiten mit dem Korpus der Gitarre angeordnet.
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Abgesehen von einigen übergeordneten Ähnlichkeiten
dienen die beiden Typen von Gitarren klar unterschiedlichen Zwecken,
und sie sind tatsächlich
recht unterschiedliche Instrumente. Grundsätzlich möchte man, dass der Verstärker einer
elektroakustischen Gitarre den Klang einer akustischen Gitarre genau
wiedergibt. Eine Gitarre mit einem massiven Korpus wird grundsätzlich an
einen Verstärker
angeschlossen, um variierende Arten und Anteile von Verzerrung des
elektrischen Signals von dem magnetischen Wandler zu erzeugen. Somit
ist eine elektroakustische Gitarre als solches ein Instrument, während die
Kombination einer elektrischen Gitarre und eines Verstärkers das
Instrument ist.
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Ein Problem bei den elektroakustischen
Gitarren ist der piezoelektrische Wandler. Die Amplitude des elektrischen
Signals von dem Wandler ist eine nichtlineare Funktion von Spannung
und Frequenz. So klingt eine Passage, die sanft gespielt wird, unterschiedlich
zu einer Passage, die kraftvoll gespielt wird. Über Jahre haben Musiker die
Verstärkung
von Verstärkern
abgestimmt, um zu dem erwarteten Spielniveau zu passen. Falls ein
Stück sowohl
laute als auch leise Passagen enthielt, haben die Musiker versucht,
eine mittlere Einstimmung zu finden, die am besten zu beiden Grenzen
des Bereichs passt. Im allgemeinen waren die Ergebnisse nicht zufriedenstellend,
wobei die leisen Passagen dumpf und die lauten Passagen zu hell
klangen. Das einfache Bereitstellen einer automatischen Verstärkungsregelung, mit
oder ohne Hochfrequenzdämpfung
hat das Problem nicht gelöst.
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Es ist im Stand der Technik bekannt,
einen Filter variabler Tiefe zum Reduzieren des Zischens beim Audioaufzeichnen
und -senden zu verwenden. Diese Schaltungen umfassen typischerweise
eine Hochfrequenzdämpfung
und sind als ES-Entfernungsschaltungen bekannt. Dämpfung von
hohen Frequenzen wird typischerweise durch Invertieren oder Phasenverschieben
der Hochfrequenzkomponenten und Kombinieren der invertierten Komponenten
mit dem Ursprungssignal erreicht.
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Die DE-U-295 19 579 offenbart ein
mit Saiten versehenes elektronisches Musikinstrument, das mit einem
piezoelektrische Aufnehmer und mindestens einem variablen Kerbfilter
(schmalbandiger Bandsperrfilter) ausgestattet ist.
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Aus der Sicht der vorausgehenden
Ausführungen
ist es deshalb ein Gegenstand der Erfindung, eine Kompensationsschaltung
für den
piezoelektrischen Wandler einer elektroakustischen Gitarre bereitzustellen.
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Ein anderer Gegenstand der Erfindung
ist es, eine Kompensationsschaltung bereitzustellen, die es einem
Verstärker
ermöglicht,
den Klang einer akustischen Gitarre getreu zu reproduzieren.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung
ist es, das manuelle Abstimmen oder Einstellen eines Verstärkers für eine elektroakustische
Gitarre zu beseitigen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorgenannten Gegenstände werden
bei dieser Erfindung erreicht, bei der herausgefunden wurde, dass
das Signal von einem piezoelektrischen Wandler mit einem Kerbfilter
variabler Tiefe, der die Schaltung nach Anspruch 1 aufweist, korrigiert
werden kann. Der Kerbfilter umfasst zwei Pfade zwischen einem Eingang
und einer Summationsschaltung. Die Signale auf den beiden Pfaden
sind 180° außer Phase,
und einer der Pfade umfasst einen Bandpassfilter. Die Kerbe ist
bei ungefähr
5 kHz angeordnet. Gemäß einem
Aspekt der Erfindung hängt die
Tiefe der Kerbe entweder von der Breitbandamplitude oder der Schmalbandamplitude
des Signals von dem Wandler ab. Gemäß einem anderen Aspekt der
Erfindung wird die Tiefe der Kerbe unter Anwendung entweder einer
Regelung oder einer Optimalwertsteuerung gesteuert.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Ein vollständigeres Verständnis der
Erfindung kann beim Betrachten der folgenden detaillierten Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
erhalten werden, in denen
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1 ein
Blockdiagramm einer Kompensationsschaltung ist, die gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung aufgebaut ist;
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2 eine
Darstellung ist, die den Betrieb einer Kompensationsschaltung erläutert, die
gemäß der Erfindung
aufgebaut ist;
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3 ein
Blockdiagramm einer Kompensationsschaltung ist, die ein optimalwertgesteuertes
Signal verwendet;
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4 eine
alternative Ausführungsform
der Erfindung illustriert, die eine Breitbandquelle zur Niveaudetektion
verwendet;
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5 ein
Blockdiagramm einer Kompensationsschaltung ist, die zwei Invertierer
verwendet, um die Tiefe eines Kerbfilters zu steuern; und
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6 eine
schematische Zeichnung einer Kompensationsschaltung ist, die gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung aufgebaut ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 illustriert
eine Kompensationsschaltung 10, die zwischen eine elektroakustische
Gitarre 5 und einen Leistungsverstärker 8 geschaltet
ist. Die Gitarre 5 umfasst einen piezoelektrischen Aufnehmer und
einen batteriebetriebenen Vorverstärker. Die Schaltung 10 ist
an den Ausgang des Vorverstärkers angeschlossen.
Der physikalische Ort der Schaltung 10 wird durch die Anwendung
oder nach Belieben festgelegt. Die Schaltung kann in der Gitarre 5 oder in
dem Leistungsverstärker 8 angeordnet
sein, oder sie kann ein separates Element sein, das durch Kabel
in die Schaltung zwischengeschaltet ist.
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Die Schaltung 10 umfasst
einen direkten Pfad 11 zwischen einem Eingang 12 und
einer Summationsschaltung 13. Der Ausgang der Summationsschaltung 13 ist
an einen Ausgang 14 angeschlossen. Ein zweiter Pfad zu
der Summationsschaltung 13 umfasst einen invertierenden
Verstärker 16,
einen Bandpassfilter 17 und einen Dämpfer 18. Der Dämpfer 18 ist
eine Schaltung mit variabler Verstärkung, die von dem Ausgang
eines Niveaudetektors 19 gesteuert wird. In 1 wird die Eingabe für den Niveaudetektor 19 von
dem Ausgang des Dämpfers 18 für eine Steuerung
mit Signalrückführung bzw.
Regelung verwendet.
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In der Kombination wirken der invertierende Verstärker, der
Bandpassfilter und die Summationsschaltung als Kerbfilter zusammen.
Der Bandpassfilter 17 hat vorzugsweise ein Durchtrittsband
mit einem Zentrum bei ungefähr
5 kHz. Der Verstärker 16 invertiert
bzw. verschiebt die Phase des Eingangssignals um 180°, was die
Schaltung 13 dazu bringt, die Durchtrittsbandkomponente
von dem Signal auf dem direkten Pfad 11 zu subtrahieren.
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Die Größe des invertierten Signals
wird von dem Niveaudetektor 19 und dem Dämpfer 18 gesteuert. 2 ist eine Darstellung der
Frequenzantwortcharakteristik der Schaltung 10. Ein Eingangssignal
mit einer niedrigen Amplitude, beispielsweise –28 db, bleibt von der Kompensationsschaltung
im Wesentlichen unberührt,
und die Antwortkurve der Schaltung ist flach, wie durch eine Kurve 21 angedeutet
ist. Ein Eingangssignal bei null db ist geringfügig betroffen, wie durch eine
Kurve 22 angedeutet ist. Bei 5 kHz wird das Durchtrittsbandsignal
um ein paar db an einem Punkt 23 gedämpft.
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Ein relativ lautes Eingangssignal,
das durch kraftvolles spielen erzeugt wird, wird durch eine Kurve 25 wiedergegeben,
die eine Kerbe 26 umfasst, welche einer Dämpfung von
ungefähr
30 db entspricht. Die Tiefe und die Mittelfrequenz der Kerbe 26 können eingestellt
werden, um zu einem bestimmten piezoelektrischen Aufnehmer, einem
bestimmten Saitensatz oder einem bestimmten Musikinstrument zu passen.
Bei einer elektroakustischen Gitarre, die mit einer Kompensationsschaltung
ausgestattet ist, welche gemäß der Erfindung
aufgebaut ist, ist der Eindruck derjenige einer getreuen Reproduktion
des Klangs einer akustischen Gitarre auf allen Spielniveaus. Trotz
des Kerbfilters wird kein "Loch" im Klang der Gitarre
empfunden.
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3 illustriert
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Eingabe in den Niveaudetektor vom Ausgang
des Bandpassfilters statt wie in 1 von
dem Ausgang des Dämpfers
genommen wird. In 1 bilden
der Niveaudetektor 19 und der Dämpfer 18 eine Regelschleife
zum Steuern der Größe des gefilterten
Signals, das auf die Summationsschaltung 13 aufgebracht
wird. 3 illustriert
eine Optimalwertsteuerung bzw. offene Steuerung für die Tiefe
der Kerbe.
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Der Ausgang des Bandpassfilters 17 ist über eine
Leitung 31 an den Eingang des Niveaudetektors 19 angeschlossen.
Als Antwort auf die Größe des gefilterten
Signals bringt der Niveaudetektor 19 den Dämpfer 18 dazu,
das Signal von dem Filter 17 für laute Passagen weniger als
für leise
Passagen zu dämpfen.
So wird ein größeres invertiertes
Signal auf das Summationsnetzwerk 13 aufgebracht, und eine größere Komponente
wird von dem Ursprungssignal subtrahiert, was zu einer tieferen
Kerbe führt.
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4 illustriert
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, ebenfalls eine Optimalwertssteuerungsausführung, bei
der das ungefilterte Eingangssignal auf den Niveaudetektor aufgebracht
wird, um die Tiefe der Kerbe zu steuern. Konkret wird der Eingang 12 über eine
Leitung 33 an den Niveaudetektor 19 angeschlossen.
Bei dieser Ausführungsform
wird die Größe des Breitbandsignals
verwendet, um die Tiefe der Kerbe zu steuern, nicht nur die Größe der Durchtrittsbandkomponenten,
wie bei der Ausführungsform
gemäß 3. Ansonsten arbeitet die Schaltung
in derselben Weise wie die vorherige Ausführungsform.
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5 ist
eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung, bei der das Ursprungssignal und zwei Komponenten kombiniert
werden, um die Tiefe der Kerbe zu steuern. Eine Kompensationsschaltung 50 umfasst
einen direkten Pfad 31 zwischen einem Eingang 52 und
einer Summationsschaltung 52. Der Ausgang der Summationsschaltung 53 ist
an den Ausgang 54 angeschlossen. Ein zweiter Pfad zur Summationsschaltung 53 umfasst
einen invertierenden Verstärker 56 und
einen Bandpassfilter 57.
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Der Ausgang des Filters 57 ist über eine
Leitung 59 an einen zweiten Eingang der Summationsschaltung 53 angeschlossen,
und er ist an den Eingang des invertierenden Verstärkers 61 angeschlossen.
Der Verstärker 61 invertiert
die Phase des Eingangssignals, d. h. er kehrt diese um. Wenn der
Verstärker 56 direkt
an den Verstärker 61 angeschlossen wäre, würde der
Ausgang des Verstärkers 61 im
Wesentlichen identisch mit dem Signal auf dem direkten Pfad 51 sein.
Die meisten Verstärker
entwickeln eine gewisse frequenzabhängige Phasenverschiebung, und
eine leichte Phasenverschiebung bei einem Verstärker beeinflusst die Kompensationsschaltung nicht
negativ. Verstärker
ohne Phasenverschiebung sind im Stand der Technik bekannt und könnten statt dessen
verwendet werden. Sie würden
aber die Kosten der Schaltung unnötig erhöhen.
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Der Ausgang des Verstärkers 61 ist über den Dämpfer 62 an
einen dritten Eingang der Summationsschaltung 53 angeschlossen
und wird über
einem Pfad 65 zu dem Eingang des Niveaudetektors 66 zurückgeführt, der
das Niveau der Dämpfung
durch den Dämpfer 62 steuert.
Durch Kombinieren von drei Komponenten, Ursprung, Gegenphase und
Inphase, ist die Kompensationsschaltung etwas leichter zu implementieren
und stellt eine bessere Beherrschung der Signale sicher.
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In der Abwesenheit eines Signals
auf dem Pfad 63 wird jegliche Durchtrittsbandkomponente des
Ursprungsignals von dem Ursprungssignal in der Summationsschaltung 53 subtrahiert,
und die Schaltung 50 wirkt als Kerbfilter mit einer tiefen
Kerbe. Durch Hinzufügen
einer einstellbaren Menge des Durchtrittsbandsignals von dem Pfad 63 wird
der Effekt des Antiphasensignals auf dem Pfad 59 proportional
zu der Amplitude der Durchtrittsbandkomponente reduziert.
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6 ist
eine schematische Darstellung der Kompensationsschaltung, die in 5 in Blockform illustriert
ist. Ein Widerstand 72, ein Rückkopplungskondensator 73,
ein Rückkopplungswiderstand 74 und
ein Kondensator 75 sind in einem Bandpassnetzwerk an den
invertierenden Eingang des Verstärkers 71 angeschlossen.
Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 71 ist geerdet.
Der Ausgang des Verstärkers 71 ist
durch einen Spannungsteiler, welcher Widerstände 78 und 79 umfasst,
an den invertierenden Eingang eines Verstärkers 81 mit variabler
Verstärkung
angeschlossen. Ein Widerstand 83 koppelt ein Verstärkungssteuersignal
an den Verstärker 81 an.
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Ein Signal am Eingang 86 wird
direkt auf einen der Widerstände
in der Summationsschaltung 87 gegeben. Der Ausgang des
Verstärkers 71 ist
direkt an einen anderen der Widerstände in der Summationsschaltung 87 angeschlossen,
und der Ausgang des Verstärkers 81 ist
direkt an einen dritten Widerstand in der Summationsschaltung 87 angeschlossen.
Der Ausgang der Summationsschaltung 87 ist über einen
Kopplungskondensator 92 an den summierenden Verstärker 91 angeschlossen.
Der summierende Verstärker 91 stellt
die geeigneten Signale zum Anschließen an einen Leistungsverstärker bereit.
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Die Verstärker 101 und 102 ermöglichen
eine Niveaudetektion und Verstärkungssteuerung.
Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 101 ist an den
Abgriff eines Potentiometers 104 angeschlossen, um einen
Anteil des gefilterten Inphasesignals von dem Verstärker 81 zu
empfangen. Diese Spannung wird mit der Spannung an dem invertierenden Eingang
verglichen und ein Differenzsignal wird durch eine Diode 105 und
einen isolierenden Widerstand 106 an den nicht invertierenden
Eingang des Verstärkers 102 angelegt.
Das Rückkopplungsnetzwerk 103 steuert
die Verstärkung
des Verstärkers 101 und
stellt eine leichte Hochfrequenzdämpfung bereit, um die Möglichkeit
eines falschen Auslösens aufgrund
von unechten Signalen zu reduzieren.
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Das Potentiometer 104 ermöglicht es,
die Empfindlichkeit der Verstärkungssteuerungsschaltung
einzustellen. Die Diode 105 richtet das Ausgangssignal
von dem Verstärker 101 gleich
und lädt einen
Filterkondensator 107 auf. Ein Widerstand 108 stellt
einen Entladungspfad mit hohem Widerstand für den Filterkondensator bereit.
Widerstände 111 und 112 bestimmen
die Verstärkung
des Verstärkers 102.
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Wenn eine elektroakustische Gitarre
leise gespielt wird, sperrt die Diode 105 und der Verstärker 81 arbeitet
mit maximaler Verstärkung,
wodurch ein Signal erzeugt wird, das im Vergleich zu dem Signal von
dem Verstärker 71 von
gleicher Größe und umgekehrter
Phase ist. Diese Inphase- und Gegenphasesignale löschen einander
in der Summationsschaltung 87 aus, wodurch das Ursprungssignal
unbeeinträchtigt
bleibt. Wenn die Gitarre kraftvoll gespielt wird, leitet die Diode 105 und
die Verstärkung
des Verstärkers 81 wird
reduziert, wodurch die Größe der Durchtrittsbandgegenphasekomponente,
die in der Schaltung 87 von dem Ursprungssignal subtrahiert wird,
vergrößert wird.
Das Resultat ist eine betonte Kerbe in der Frequenzantwort der Schaltung,
wie durch die Kurve 25 in 2 illustriert
ist.
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Die Erfindung stellt so eine Kompensationsschaltung
nach Anspruch 1 für
den piezoelektrischen Wandler bei einer elektroakustischen Gitarre
und anderen Instrumenten bereit, die einen piezoelektrischen Aufnehmer
verwenden. Die Kompensationsschaltung ermöglicht es einem Verstärker, den
Klang eines akustischen Instruments getreu zu reproduzieren, ohne
die Notwendigkeit einer manuellen Einstellung während eines Stücks.
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Nachdem die Erfindung derart beschrieben wurde,
wird es für
den Fachmann deutlich sein, dass verschiedene Modifikationen innerhalb
des Bereichs der Erfindung gemacht werden können. Beispielsweise kann,
wie oben beschrieben wurde, die Eingabe für den Niveaudetektor von verschiedenen
Quellen genommen werden. Zum Beispiel kann in 6 das Potentiometer 104 an den
Ausgang des Verstärkers 71 oder
den Eingang 86 angeschlossen werden. Der Invertierer kann
dem Bandpassfilter folgen, statt dass er ihm vorangeht, oder er
kann mit ihm kombiniert sein. Bei einer Ausführungsform der Erfindung war
der Verstärker 81 eine
integrierte Schaltung vom Typ CA3080, und die restlichen Verstärker waren
integrierte Schaltungen vom Typ TL072. Andere Einrichtungen können statt
dessen verwendet werden. Das Potentiometer 104 kann durch
ein Paar von Widerständen
eines festen Spannungsteilers ausgetauscht werden, um eine Schaltung
zu erhalten, die physikalisch stabiler ist. Umgekehrt können die
Filterelemente in dem Bandpassfilter variabel gemacht werden, um
die Mittelfrequenz des Bandpassfilters einzustellen. Obwohl die
Pfade 11 und 51 als "direkt" beschrieben sind, ist zu verstehen,
dass ein Pufferverstärker
in dem Faden verwendet werden könnte. Was
vorgesehen ist, ist, dass die Signale auf dem direkten Pfad und
dem Pfad, der den Bandpassfilter enthält, 180 ° außer Phase sind. Die Erfindung
kann mit einem piezoelektrischen Aufnehmer bei jeglichem elektrischen
Instrument verwendet werden, von dem man eine getreue Reproduktion
des Klangs des Instruments wünscht.