EP1883064B1

EP1883064B1 - Musikinstrument mit Klangwandler

Info

Publication number: EP1883064B1
Application number: EP07014781.4A
Authority: EP
Inventors: Christoph Kemper
Original assignee: Individual
Current assignee: KEMPER, CHRISTOPH
Priority date: 2006-07-29
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: EP1883064A1; DE102006035188B4; US20080134867A1; US8796530B2; DE102006035188A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Klangwandler, der ein von mindestens einem Resonator erzeugtes Anregungssignal in ein Klangsignal transformiert, und bei dem der Klangwandler mit einem einstellbaren Schwingungsprofil versehen ist, bei dem mindestens ein Profilparameter durch ein Referenzprofil eines Referenzinstrumentes definiert ist, und ein entsprechendes Verfahren zum Anpassen eines Klangwandlers.
Die Klangerzeugung eines Musikinstrumentes erfolgt in der Regel durch das Zusammenwirken von drei Einzelkomponenten. Zunächst erfolgt eine Anregung, mit der eine Anregungsenergie in das Instrument eingegeben wird. Dies kann beispielsweise der Bogen einer Geige, der Hammer eines Klaviers oder das Mundstück sowie das Blättchen eines Saxophons sein. Eine weitere Komponente betrifft das Vorhandensein von einem oder mehreren Resonatoren, welche die Grundfrequenz der einzelnen Töne bestimmen. Die Resonatoren können konstante oder variable Eigenschaften besitzen. Resonatoren sind beispielsweise die Saiten einer Geige oder einer Gitarre bzw. die variable Luftsäule eines Saxophons. Die in den Resonator eingeleitete Anregungsenergie führt gemeinsam mit dem anregendem Element und dem Resonator zur Klangerzeugung.
Als dritte Komponente wirkt an der Klangerzeugung ein Schallwandler bzw. Resonanzkörper mit, der die vom Instrument bereitgestellte Schwingungsenergie in Schallpegel in der umgebenden Luft transformiert und die Schwingungsenergie hierdurch mit möglichst hohem Wirkungsgrad vom Instrument in die Luft transportiert. Derartige Resonanzkörper sind beispielsweise der Körper einer Geige, der Trichter eines Saxophons, der Tonabnehmer einer elektrischen Gitarre oder der Lautsprecher eines Gitarrenverstärkers.
Der Schallwandler bzw. der Resonanzkörper stellt in der Regel einen akustischen oder elektroakustischen Impedanzwandler dar und wird typischerweise derart entworfen, um eine hohe wahrnehmbare Lautstärke des Instrumentes zu erreichen. Darüber hinaus erfüllt der Schallwandler oder Resonanzkörper die Aufgabe, das Frequenzspektrum des Instrumentes zu formen, um hierdurch einen angenehmen und charaktervollen Klang des Instrumentes zu erzeugen.
Der durch den Resonanzkörper beeinflusste Klangcharakter bestimmt wesentlich die wahrgenommene Qualität eines Musikinstrumentes und somit auch die Qualität eines musikalischen Vortrages. Die akustischen Eigenschaften des Schallwandlers werden sowohl durch dessen Geometrie als auch durch die verwendeten Materialien bestimmt.
In akustischer Hinsicht wird der individuelle Klangcharakter eines Instrumentes durch die sogenannten Formanten bestimmt. Diese Formanten sind schmalbandige Anhebungen im Frequenzspektrum und in der Regel unabhängig von der gespielten Tonhöhe. Das menschliche Ohr reagiert sehr sensibel auf Basis einer Mustererkennung auf diese Formanten, so dass auch musikalisch ungeschulte Menschen beispielsweise in einfacher Weise den Klang einer Violine vom Klang einer Bratsche unterscheiden können, obwohl sich die Instrumente im wesentlichen nur durch die Größe Ihres Klangkörpers unterscheiden.
Aufgrund einer Vielzahl von physikalischen Parametern, die das Klangbild eines bestimmten Schallwandlers oder des Resonanzkörpers bestimmen, erweist es sich in der Regel als äußerst aufwendig, einen Resonanzkörper mit einem exakt vorgegebenen Klangprofil zu versehen. Ein weiteres wesentliches Problem besteht dann, wenn eine größere Anzahl von Resonanzkörpern mit im wesentlichen gleichen vorgegebenen Klangbildern produziert werden soll.
Aus der DE 103 92 940 T5 ist es bekannt, ein von einem Schallwandler eines Musikinstrumentes generiertes Schallsignal zu modifizieren. Der Schallwandler ist mit einem einstellbaren Schwingungsprofil versehen. Eine Modifizierung des Schwingungssignals erfolgt unter Verwendung eines Signalprozessors.
Die US 2005/0045027 A1 beschreibt einen variablen Speicher für zu generierende Frequenzgänge, um den Klang eines Musikinstrumentes an andere vorgegebene Instrumente anzupassen. Entsprechende gespeicherte Frequenzgänge werden abgerufen und im Rahmen einer Steuerung verarbeitet.
In der US 6,740,805 B2 wird ein Verfahren zur Ausstrahlung eines zuvor erfassten und gespeicherten räumlichen Klangereignisses beschrieben. Das Klangereignis wird in einem ersten Schritt über mehrere im Raum verteilte Mikrofone aufgenommen und anschliessend wird die Aufnahme ohne Einbeziehung eines weiteren Musikinstrumentes wiedergegeben.
Aus der DE 20 2004 008 347 U1 ist ein Verfahren zur algorithmischen Erzeugung von Melodien unter Berücksichtigung äusserer Einflussfaktoren bekannt.
In der US 5,578,548 A wird ein verarbeitungsverfahren beschrieben, um den Frequenzgang eines Klangkörpers eines Musikinstrumentes und den Frequenzgang einer Anregung des Resonators zusammenzufassen. Durch die Zusammenfassung können die benötigte Prozessorleistung und die Speicherkapazität vermindert werden.
Aus der US 6,392,135 B1 ist ein virtuelles Musikinstrument bekannt, das abgespeichertes Klangmaterial in adaptierbarer Art und Weise wiedergeben kann.
In der US 2004/187673 A1 wird eine Vorrichtung zur Transformation von Grundschwingungen der Saiten eines ungestimmten Instrumentes in Grundschwingungen der Saiten eines gestimmten Instrumentes beschrieben. Die tatsächlichen Grundschwingungen werden hierzu meßtechnisch erfaßt und im Rahmen einer digitalen Datenverarbeitung auf geeignete Werte verschoben.
In der US-B1-6,448,488 wird ein elektromechanisches Abnahmesystem eines Saiteninstrumentes beschrieben.
Die US-B1-6,504,935 erläutert ein Verfahren zur Analyse und Nachbildung einer Nichtlinearität entsprechend einer vorgegebenen Nichtlinearität.
Aus der US-A 5,133,014 ist eine halbleitertechnisehe Simulation der Übertragungseigenschaften eines Röhrenverstärkers bekannt, der zur Verwendung im Zusammenhang mit Elektrogitarren vorgesehen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Klangwandler derart zu gestalten, dass die Erzeugung eines vorgegebenen Klangbildes unterstützt wird, und ein Verfahren zum Anpassen eines Klangwandlers an ein vorgegebenes Klangbild anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und den Klangwandler gemäß Patentanspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Klangwandlers sind in den auf den Patentanspruch 2 rückbezogenen Patentansprüchen 3 bis 5 angegeben.
Durch die Ausbildung des Klangwandlers mit einem einstellbaren Schwingungsprofil und durch die Parametrisierung dieses Schwingungsprofils in Abhängigkeit vom Referenzprofil eines Referenzinstrumentes ist es möglich, das Referenzprofil eines beliebig auszuwählenden Referenzinstrumentes nachzubilden. Es ist somit möglich, das Klangbild des Klangwandlers weitgehend an das Klangbild des Referenzinstrumentes anzunähern. Insbesondere ist es auch möglich, eine große Anzahl von Klangwandlern mit gleichen und vom Referenzprofil des Referenzinstrumentes bestimmten Klangbildern zu produzieren. Insbesondere ist daran gedacht, dass der Klangwandler als Schallwandler ein akustisches Schallsignal generiert.
Eine Realisierung des Klangwandlers erfolgt typischerweise derart, dass der Klangwandler als ein Resonanzkörper ausgebildet ist.
Eine Ausführungsform steht darin, dass der Schallwandler als ein akustischer Resonanzkörper ausgebildet ist.
Darüber hinaus ist auch daran gedacht, dass der Klangwandler als ein elektroakustischer Resonanzkörper ausgebildet ist.
Zur Bereitstellung eines charakteristischen Referenzprofils wird vorgeschlagen, dass das Referenzprofil durch während eines vorgebbaren Zeitintervalles erfolgende Mittelwertbildung bestimmt ist.
Eine aussagefähige Abspeicherung eines Klangbildes kann dadurch erfolgen, dass das Referenzprofil durch den Frequenzgang des Referenzinstrumentes definiert ist.
Insbesondere wird eine genaue Definition des Klangbildes dadurch unterstützt, dass das Referenzprofil eine statistische Verteilung von Tonhöhen und Lautstärken defini ert.
Eine unmittelbare Erfassung eines Referenzprofils kann dadurch erfolgen, dass das Referenzprofil durch Auswertung von zum Auswertungszeitpunkt gespielter Musik definiert ist.
Auf eine gegenständliche Anwesenheit des Referenzinstrumentes kann dadurch verzichtet werden, dass das Referenzprofil durch Auswertung von aufgezeichneter Musik definiert ist.
Eine adaptive Frequenzganganpassung des Klangwandlers wird dadurch unterstützt, dass eine Messeinrichtung zur Messung eines Frequenzganges des Klangwandlers mit dem Klangwandler gekoppelt ist.
Eine konkrete Realisierung der Parametrisierung erfolgt dadurch, dass der Klangwandler mindestens ein adaptives Element zur Frequenzganganpassung aufweist.
Eine genaue Adaption des Eigenprofils an das Referenzprofil kann dadurch erfolgen, dass der Klangwandler als Teil eines Regelkreises zur Auswertung einer Differenz zwischen dem Referenzprofil und einem Eigenprofil des Klangwandlers ausgebildet ist.
Eine individuelle Beeinflussbarkeit wird dadurch erreicht, dass eine Parametrisierung des Klangwandlers manuell beeinflussbar ist.
In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung zur Erzeugung, Erfassung und Verwendung eines Referenzprofils zur Parametrisierung eines Klangwandlers,
Fig. 2:: eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Veränderung eines Eigenprofils eines Klangwandlers unter Berücksichtigung eines Referenzprofiles und
Fig. 3:: eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Ausführungsvariante, bei der die Übertragungscharakteristik eines Klangwandlers an die Übertragungscharakteristik eines Referenzklangwandlers angepasst wird.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung die Erzeugung, Abspeicherung und Verwendung eines Referenzprofils (1). Von einem Referenzinstrument (2), das aus einem Klangerzeuger (3) und einem Referenzschallwandler (4) ausgebildet ist, wird unmittelbar oder unter Verwendung eines Lautsprechers (5) ein Referenzklang generiert, der von einem Mikrofon (6) erfasst wird. Das Mikrofon (6) ist an einen Referenzspeicher (7) angeschlossen, der eine Abspeicherung des Referenzprofils ermöglicht. Der Referenzspeicher (7) ist mit einer Signalverarbeitung (8) gekoppelt, die insbesondere eine statistische Auswertung des vom Mikrofon (6) erfassten Klangbildes unterstützt.
Eine Erfassung des Referenzprofils (1) kann beispielsweise derart erfolgen, dass ein hinreichend langer musikalischer Vortrag auf einem spezifischen Referenzinstrument (2) erfasst und unter Verwendung der Signalverarbeitung (8) statistisch hinsichtlich des charakteristischen Frequenzganges des Referenzinstrumentes (2) bzw. dessen Referenzschallwandlers (4) ausgewertet wird. Die Signalverarbeitung (8) kann eine Mittelwertbildung umfassen.
Durch die Signalverarbeitung (8) wird nicht nur ein Frequenzgang des Referenzschallwandlers (4) ermittelt, sondern es wird zusätzlich auch der Frequenzgang der Klangerzeugung analysiert und erfasst. Das Ergebnis der statistischen Auswertung ist somit auch abhängig von der Art des musikalischen Vortrages und insbesondere von der statistischen Verteilung der gespielten Tonhöhen und deren Lautstärke. Ein typisches Referenzprofil beinhaltet somit für einzelne Frequenzanteile die jeweiligen Amplitudenwerte bzw. die relativen Amplitudenanteile an der gesamten Signalamplitude. Eine Quantisierung des Frequenzverlaufes erfolgt mit einer ausreichend feinen Unterteilung.
Durch die Kopplung des Mikrofons (6) an den Referenzspeicher (7) bzw. die Signalverarbeitung (8) ist es nicht erforderlich, dass das Referenzinstrument gegenständlich bei der Durchführung der Signalverarbeitung anwesend ist. Eine Audioaufnahme des Klangbildes des Referenzinstrumentes (2) erweist sich als ausreichend. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere auch daran gedacht, im Bereich des Referenzspeichers (7) mehrere unterschiedliche Referenzprofile (1) abzulegen. Ein Nutzer kann somit zwischen mehreren Referenzprofilen (1) auswählen.
Gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 weist das Musikinstrument (9) einen Klangerzeuger (10) auf, der mit einem Schallwandler (11) gekoppelt ist. Der Schallwandler (11) generiert ein akustisches Signal, das unmittelbar oder unter Verwendung eines Lautsprechers (12) einer Umgebung zugeführt wird. Ein aktuelles Eigenprofil (13) des Schallwandlers (11) wird einer Differenzbildung (14) zugeführt, die als zweite Eingangsgröße das Referenzprofil (1) auswertet. Das von der Differenzbildung (14) bereitgestellte Ausgangssignal wird unter Berücksichtigung einer Verstärkung (15) dem Schallwandler (11) zugeführt und parametrisiert hier dessen konkret vorliegendes Klangbild.
Für den Fall, dass die Differenzbildung (14) als Ausgangssignal den Wert Null liefert, hat der Schallwandler (11) sein Klangbild derart variiert, dass das aktuelle Eigenprofil gleich dem vorgegebenen Referenzprofil (1) ist. Der Schallwandler (11) ist typischerweise derart ausgebildet, dass er ein variables und parametrisierbares Klangbild aufweist und den Frequenzgang seines Ausgangssignals noch während des musikalischen Vortrags kontinuierlich misst. Der Schallwandler (11) ermittelt somit automatisch sein Eigenprofil (13) zeitgleich zur Generierung des musikalischen Vortrages.
Durch einen permanenten oder zyklischen Vergleich des Eigenprofils (13) mit dem Referenzprofil (1) erfolgt eine Veränderung des variablen Schallwandlers (11) derart, dass die Differenzen zischen dem Eigenprofil (13) und dem Referenzprofil (1) minimiert werden. Das Musikinstrument (9) nimmt somit durch die Parametrisierung seines Schallwandlers (11) adaptiv das Klangbild des Referenzinstrumentes (2) an.
Die Frequenzganganpassung des Musikinstrumentes (9) kann automatisch oder interaktiv mit einem Benutzer erfolgen. Insbesondere ist es möglich, eine manuelle Beeinflussung des Adaptionsvorganges derart durchzuführen, dass der Nutzer die Frequenzganganpassung durch die Art seines musikalischen Vortrags interaktiv steuern kann. Insbesondere kann der Musiker durch die statistische Wahl der Tonhöhen und Lautstärken die Annäherung an das Referenzprofil (1) steuern.
Darüber hinaus ist es möglich, dass der Musiker in künstlerischer Absicht durch ein bewusstes andersartiges Spiel des zu parametrisierenden Musikinstrumentes (9) das Verhalten des Schallwandlers (11) vom Referenzprofil (1) wegführt, um hierdurch ein individuelles Klangbild zu generieren.
Die vorstehenden Erläuterungen zur Konstruktion des Schallwandlers (11) und der zugeordneten Funktionskomponenten in Kombination mit dem Musikinstrument gelten in gleicher Wiese auch bei einer gerätetechnischen Realisierung ohne Zuordnung zu einem Musikinstrument und auch ohne gleichzeitige Generierung eines akustischen Schallsignals. Der durch die Rückkopplung bereitgestellte Regelkreis umfasst gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 den Luftweg zwischen dem Lautsprecher (12) und dem Mikrofon (6).
Fig. 2 veranschaulicht einen Ablauf, bei dem das Referenzprofil (1) unter Verwendung einer Audioaufzeichnung generiert wird, das beispielsweise auf einer Kassette (16) abgespeichert ist. Der Verfahrensablauf entspricht im wesentlichen der Darstellung in Fig. 1, zusätzlich ist ein Ohr (17) eines Benutzers bzw. eines Hörers dargestellt. Es können auch in anderer Art und Weise abgespeicherte Referenzprofile (1) verwendet werden.
Alternativ zu einer direkten Generierung eines akustischen Schallsignals durch den Schallwandler (11) ist es auch möglich, dass der Schallwandler (11) ein elektrisches oder sonstiges Ausgangssignal generiert, das erst in einem weiteren Verarbeitungsschritt zeitgleich oder zeitlich versetzt in ein akustisches Schallsignal umgewandelt wird. Beispielsweise kann das unmittelbare Ausgangssignal des im weiteren allgemein als Klangwandler bezeichneten Schallwandlers (11) zunächst aufgezeichnet und nach einer entsprechenden Abspeicherung zu einem späteren Zeitpunkt in hörbaren Schall transformiert wird.
Der Klangwandler (11) kann auch als digitale oder analoge Schaltung realisiert sein, deren Ausgangssignal einem Verstärker oder unmittelbar einem Lautsprecher oder einem andersartigen Schallgenerator zugeführt wird. Bei einer digitalen Realisierung des Klangwandlers (11) ist insbesondere auch daran gedacht, die Signalverarbeitung unter Anwendung einer Fouriertransformation durchzuführen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Klangwandler (11) als ein adaptiver Filter realisiert sein. Gemäß der Ausführungsform in Fig. 2 ist es nicht zwingend erforderlich, dass ein akustischer Luftweg als Übertragungsstrecke in den bereitgestellten Regelkreis einbezogen wird.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Klangerzeuger (10) des Musikinstrumentes (9) sein Ausgangssignal sowohl dem Schallwandler (11) als auch dem Referenzschallwandler (4) zuführt. Das Ausgangssignal des Schallwandlers (11) wird wiederum über das Eigenprofil (13), die Differenzbildung (14) und eine einstellbare Verstärkung (15) zurückgeführt. Auf die Differenzbildung (14) wird ebenfalls das Ausgangssignal des Refenzschallwandlers (4) unter Zwischenschaltung des Referenzspeichers (7) und der Signalverarbeitung (8) geführt. Das Übertragungsprofil des Schallwandlers (11) kann hierdurch an das Übertragungsprofil des Referenzschallwandlers (4) angepasst werden. Insbesondere kann hierdurch erreicht werden, dass ein gerätetechnisch vergleichsweise preiswert aufgebauter Schallwandler (11) hinsichtlich seines Übertragungsverhaltens an das Übertragungsverhalten eines hochwertigen Referenzschallwandlers (4) angepasst wird.
Die Adaption des Übertragungsverhaltens des Schallwandlers (11) gemäß der Ausführungsform in Fig. 3 kann bei einer zeitgleichen Zuführung des Ausgangssignals des Klangerzeugers (10) sowohl zum Referenzschallwandler (4) als auch zum Schallwandler (11) erfolgen, es ist aber auch möglich, zeitlich versetzt zunächst unter Verwendung des Referenzschallwandlers (4) das Referenzprofil (1) abzuspeichern und zu zeitlich späteren Prozessschritten eine Adaption einer beliebigen Anzahl von Schallwandlern (11) an das Referenzprofil (1) durchzuführen. Das Verfahren eignet sich somit auch zur Durchführung einer Serienproduktion. Die Serienproduktion kann sowohl durch eine für jedes Gerät vorgenommenen individuelle Adaption als auch unter Verwendung eines einmalig ermittelten Adaptionsprofils erfolgen, das abgespeichert und für jedes zu adaptierende Gerät identisch verwendet wird.
Vorangehend war der verwendete Klangwandler (11) bevorzugt als Schallwandler erläutert. Die tatsächliche Schallerzeugung und/oder die Verarbeitung eines ursprünglich als Schallsignal vorliegenden Eingangssignales stellt jedoch keinen unverzichtbaren Teil der Erfindung dar. Vielmehr ist der erläuterte Schallwandler lediglich eine Ausführungsform des Klangwandlers. Der Klangwandler kann darüber hinaus als Lautsprecher, linearer oder nicht linearer Verstärker, Gitarrenverstärker, Prozessor oder Audioeffekt-Prozessor ausgeführt sein. Die Realisierung kann wahlweise analog, digital oder teilweise analog und teilweise digital erfolgen. Verwendung als Klangwandler können auch Signalprozessoren finden.
Das ausgewertete Referenzklangprofil kann auf akustischem Wege über den bereits erläuterten Referenzschallwandler (4) ermittelt werden, es ist aber auch eine rein elektronische Verarbeitung denkbar. Bei der Auswertung eines Klangprofils eines tatsächlichen Instrumentes ist es möglich, den bereits erwähnten musikalischen Vortrag auf diesem Instrument auszuwerten, es ist aber auch möglich, das Instrument gezielt mechanisch oder elektrisch einer Anregungsfunktion zu unterwerfen und das entsprechende Ausgangssignal zu analysieren. Es werden hierbei nicht zwangsläufig im eigentlichen Sinne musikalische Klänge generiert, sondern die Klangerzeugung kann in Abhängigkeit von Testsignalen bzw. Testanregungen erfolgen.
Der Klangwandler und der Referenz-Klangwandler sind nicht notwendigerweise ein untrennbarer Teil eines Musikinstruments und können zur Durchführung der Messungen sowohl mit einem Musikinstrument als auch mit einem andersartigen analytischen, breitbandigen Signal angeregt werden.
Alternativ oder ergänzend können auch Klangwandler bzw. Schallwandler oder Resonanzkörper verwendet werden, welche eine nichtlineare Übertragungsfunktion haben. Der Unterschied zu linearen Klangwandlern besteht darin, dass das generierte Spektrum des Klangwandlers abhängig von der Amplitude des Eingangssignals ist. Zudem erzeugt ein polyphones Musikinstrument im nichtlinearen Klangwandler Intermodulationen bzw. Verzerrungen und Obertöne.
Diese Nichtlinearitäten sind oftmals gewollt und werden als Teil des Klangcharakters des Schallwandlers betrachtet. Ein Beispiel ist ein Gitarrenverstärker oder ein Lautsprecher, oder die Kombination aus beidem. Der Verstärker wird oftmals im nichtlinearen Bereich betrieben, in dem der Schallwandler (der Lautsprecher) durch seine hohe Energieaufnahme Verzerrungen in der Verstärkerendstufe erzeugt. Auch der Lautsprecher selbst erzeugt einen hohen Klirrfaktor, da bei großen Signalauslenkungen die dämpfende Membranaufhängung außerhalb ihres linearen Bereichs gerät.
Auch andere z.T. historische Klangprozessoren wie analoge Equalizer können hier herangezogen werden. Sie erzeugen Nichtlinearitäten, die sich neben der Frequenzgangsänderung positiv auf den Klang auswirken.
Typische Nichtlinearitäten begrenzen die Signalamplitude nach oben oder unten. Dieses erfolgt je nach Kennlinie mehr oder weniger sanft. Kleine Amplituden bleiben hingegen nahezu linear und unkomprimiert.
Es zeigt sich, dass ein nichtlinearer Klangwandler in drei Komponenten zerlegt werden kann: Die reine Nichtlinearität, und die Frequenzgänge vor und nach dieser Nichtlinearität.
Bei großen Signalpegeln bestimmt der eingangsseitige Frequenzgang vor allem den Charakter der Verzerrung und der Intermodulationen. Der ausgangsseitige Frequenzgang hingegen erzeugt die charakteristischen Formanten des Klangwandlers. Bei kleinen Signalpegeln hat die Nichtlinearität keine Signifikanz und kann vernachlässigt werden. Hier werden beide Frequenzgänge als ein einziger Frequenzgang wahrgenommen.
Aufbauend auf der Vorrichtung des adaptiven Klangwandlers soll nachfolgend eine Vorrichtung erläutert werden, welche beide Frequenzgänge eines nichtlinearen Referenz-Klangwandlers erfasst und auf einen adaptiven nichtlinearen Klangwandler appliziert.
Der Klangwandler hat insbesondere zwei separate Schwingungsprofile mit einer zwischengeschalteten Nichtlinearität.
Vom Referenz-Klangwandler werden nun zwei Referenzprofile ermittelt:

Ein Referenzprofil A bei geringem Eingangspegel. Hier spielt die Nichtlinearität der Referenz für den Frequenzgang keine Rolle. Dieses erste Profil repräsentiert die Multiplikation beider Frequenzgänge. Der Gesamtpegel wird durch die Verstärkung der Nichtlinearität um ihren Nullpunkt bestimmt.
Ein zweites Referenzprofil B bei hohem Eingangspegel. Hier grenzt die Nichtlinearität beide Frequenzgänge voneinander ab. Die nun entstehenden Intermodulationen und Obertöne werden ausschließlich von dem vorgelagerten Frequenzgang bestimmt. Das aus der Nichtlinearität resultierende Frequenzspektrum wird vom nachgelagerten Frequenzgang geformt. Der Gesamtpegel wird durch die absolute Amplitudenbegrenzung der Nichtlinearität bestimmt.

Der adaptive nichtlineare Klangwandler wird vorzugsweise in zwei Stufen dem Referenzklangwandler angepasst:

In der ersten Stufe wird der adaptive Klangwandler als linear angenommen mit einem Frequenzgang L. Bei geringem Eingangspegel wird dieser Frequenzgang L derart geregelt, dass sein Eigenprofil dem Referenzprofil A entspricht. Dieser Vorgang entspricht exakt dem zuvor beschriebenen Regelkreis. Der ermittelte Frequenzgang L ist jedoch lediglich ein Zwischenergebnis: Er entspricht der Multiplikation der beiden Frequenzgänge vor und nach der Nichtlinearität. Der individuelle Verlauf der Frequenzgänge ist jedoch noch nicht bekannt.

In der zweiten Stufe wird der adaptive Klangwandler als die beschriebene Kombination zweier Frequenzgänge A und B mit einer dazwischen liegenden Nichtlinearität geschaltet. Bei hohem Eingangspegel wird der Frequenzgang B derart geregelt, dass sein Eigenprofil dem Referenzprofil B entspricht. Dieser Vorgang entspricht exakt dem zuvor beschriebenen Regelkreis.
Das Eigenprofil ist nun jedoch zusätzlich beeinflusst vom Frequenzgang A und der Nichtlinearität. Hier erfährt der Regelkreis seine zweite Rückkoppelung: während Frequenzgang B geregelt wird, wird Frequenzgang A gleichzeitig derart modifiziert, dass die Multiplikation von Frequenzgang A und B dem früher ermittelten Frequenzgang L entspricht.
Daher wird Frequenzgang A invers geregelt: Wird ein Spektralanteil von Frequenzgang B im Pegel angehoben, so wird der entsprechende Spektralanteil von Frequenzgang A im selben Masse abgesenkt. So bleibt der kombinierte serielle Frequenzgang L erhalten.
Auch Frequenzgang A hat trotz der nachgeschalteten Nichtlinearität einen Einfluss auf das Eigenprofil des Klangwandlers und somit auf die Regelung. Durch die komprimierende Wirkung der Nichtlinearität ist dieser Einfluss jedoch geringer als der Einfluss von Frequenzgang B. Das garantiert, dass der Regelungsprozess in keinem Punkt instabil oder indifferent verläuft.
Wenn in der zweiten Stufe über den Regelungsprozess die Differenz zwischen Referenzprofil B und dem Eigenprofil minimiert wurde, dann sind die Frequenzgänge A und B exakt angenähert.
Neben den Frequenzgängen A und B hat der Charakter der zwischengeschalteten Nichtlinearität einen entscheidenden Einfluss auf das dynamische Klangverhalten des Klangwandlers.
Die vorliegende Erfindung stützt sich im wesentlichen auf eine triviale Nichtlinearität, wie sie überall in der Natur vorkommt.
Die Bedingungen der trivialen Nichtlinearität sind:

Ein quasilineares Verhalten bei geringer Amplitude
Eine absolute Amplitudenbegrenzung oben und unten.
Ein monotoner Kennlinienverlauf
Keine Hysterese
Kein Gedächtnis: Die Nichtlinearität liefert für dieselbe Eingangsgröße immer dieselbe Ausgangsgröße, unabhängig vom bisherigen Signalverlauf.

Die triviale Nichtlinearität weist zwei fundamentale Parameter auf: Die Verstärkung im quasilinearen Bereich und der Pegel der absoluten Amplitudenbegrenzung.
Diese beiden Parameter können im erfindungsgemäßen nichtlinearen Klangwandler frei gewählt werden. Sie werden durch die beschriebene zweistufige Ermittlung des Eigenprofils in den Frequenzgängen L bzw. A und B erfasst und über den Regelprozess kompensiert, da alle Frequenzgänge und Profile naturgemäß auch absolute Pegel-Verstärkungen bzw. Abschwächungen beinhalten.
Der kombinierte Frequenzgang L korrigiert somit die Verstärkung im quasilinearen Bereich. Der nachgeschaltete Frequenzgang B korrigiert den Pegel der absoluten Amplitudenbegrenzung der Nichtlinearität.

Claims

Verfahren zum Anpassen eines Klangwandlers an einen Referenzklangwandler,
wobei der Klangwandler ein erstes Schwingungsprofil mit einem ersten Frequenzgang, ein zweites Schwingungsprofil mit einem zweiten Frequenzgang und eine zwischen das erste und das zweite Schwingungsprofil geschaltete triviale Nichtlinearität aufweist,
und wobei der Klangwandler ein Eigenprofil besitzt, welches dem Frequenzgang entspricht, welcher aus der Kombination des ersten Schwingungsprofils, der trivialen Nichtlinearität und des zweiten Schwingungsprofils resultiert, mit folgenden Schritten:
Ermitteln eines ersten Referenzprofils des Referenzklangwandlers bei geringem Eingangspegel und eines zweiten Referenzprofils des Referenzklangwandlers bei hohem Eingangspegel;

Regeln des ersten und des zweiten Frequenzgangs des Klangwandlers, so dass bei geringem Eingangspegel, bei welchem das Eigenprofil des Klangwandlers nicht von der Nichtlinearität beeinflusst wird, dem Produkt des ersten und
des zweiten Frequenzganges entspricht,

Regeln des ersten und des zweiten Frequenzganges des Klangwandlers, so dass bei hohem Eingangspegel, bei welchem das Eigenprofil des Klangwandlers von der Nichtlinearität beeinflusst wird, die Differenz zwischen dem Eigenprofil des Klangwandlers und dem zweiten Referenzprofil minimiert wird und das Produkt des ersten und des zweiten Frequenzgangs weiterhin dem ersten Referenzprofil entspricht.
Klangwandler,
wobei der Klangwandler ein erstes Schwingungsprofil mit einem ersten Frequenzgang, ein zweites Schwingungsprofil mit einem zweiten Frequenzgang und eine zwischen das erste und das zweite Schwingungsprofil geschaltete triviale Nichtlinearität aufweist,
wobei der Klangwandler ein Eigenprofil besitzt, welches dem Frequenzgang entspricht, welcher aus der Kombination des ersten Schwingungsprofils, der trivialen Nichtlinearität und des zweiten Schwingungsprofils resultiert, und wobei der Klangwandler gemäss dem Verfahren nach Patentanspruch 1 angepasst ist.
Klangwandler nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klangwandler mindestens teilweise als eine digitale Schaltung ausgebildet ist.
Klangwandler nach einem der Patentansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Klangwandler eine Einrichtung zur Durchführung einer Fouriertransformation aufweist.
Klangwandler nach einem der Patentansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Klangwandler als Teil eines digitalen Gitarrenverstärkers ausgebildet ist.