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Einrichtung zur elektronischen Nachbildung der Einschwingvorgänge
der Labial-Register einer Pfeifenorgel Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur
elektronischen Nachbildung der Einschwingvorgänge der Labial-Register einer Pfeifenorgel
aus den Harmonischen von Sägezahnschwingungen, die im rationalen Verhältnis zueinander
stehen und phasenstarr miteinander synchronisiert sind und bei der für jeden Halbton
der zwölfstufigen chromatischen Tonleiter eine aus Dauertongeneratoren bestehende
Frequenzteilerkette verwendet wird und unter Nachbildung der Ausgleichsvorgänge
die einzelnen Oktaven durch mehrfache Teilung erzeugt werden.
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Bei elektronischen Musikinstrumenten, insbesondere Orgeln, werden
zwei unterschiedliche Wege zur Erzeugung der Klangfarben angewendet. Das eine Verfahren
ist als additive Tonformung (Aufbauprinzip) bekannt und erzeugt bestimmte Klangfarben
dadurch, daß Sinuswellen, die zu einem Grundton gehören, mit den dazugehörenden
gewünschten Harmonischen gemischt werden. Auch das zweite Verfahren ist synthetisch;
es stützt sich auf die Formanttheorie und kann als subtraktives Verfahren (Abbat:prinzip)
bezeichnet werden. -Mit diesem Verfahren werden mittels elektrischer Komponenten
die akustischen Verhältnisse eines l1usikinstrumentes, z. B. einer Orgelpfeife,
nachgebildet. Der Klang kann einem Sägezahngenerator entnommen werden. Eine oder
mehrere Resonanzschaltungen bilden die natürliche Resonanz des Instrumenten- bzw.
Pfeifenkörpers nach. Eine Filteranordnung bewirkt entweder die Schwächung oder die
Stärkung verschiedener Teile des Frequenzspektrums. Durch Differenzierschaltungen
kann die Welle in eine Serie von scharfen Impulsen umgewandelt werden, um bestimmte
Klangwirkungen zu erzielen.
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Der grundsätzliche Unterschied zwischen beiden Verfahren besteht also
darin, daß nach dem ersten Verfahren der Klang aus seinen Bestandteilen aufgebaut
wird, während das zweite Verfahren einen Klang mit vielen Obertönen als Ausgang
benutzt, von dem dann die nicht benötigten Frequenzen ausgesiebt werden. In der
Praxis besteht noch ein weiterer Unterschied. Bei der subtraktiven Tonformung können
alle Grundtöne für eine bestimmte Klangfarbe durch eine einfache Filteranordnung
gehen. Da die Formantfrequenzen und deren Betonung bzw. Schwächung sich nicht ändern,
gleichgültig welche Grundtonhöhe eingestellt ist, hat jeder Endton (Klang) seine
besondere Wellenform. Die Wellenforrnen von beispielsweise drei Grundtönen des gleichen
Registers unterscheiden sich also voneinander. Dies ist bei den meisten Pfeifen
der akustischen Orgel der Fall, außer bei den Pfeifen des Prinzipalregisters und
deren Oktavversetzungen (offene zylindrischeLabialpfeifen).
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Bei der additiven Tonformung hat dagegen jeder Grundton eines Registers
der Orgel den einmal eingestellten gleichen Bestandteil an Harmonischen. Beispielsweise
kann bei gegebener Einstellung der Klang folgende Bestandteile haben: 50 % Grundton
(erste Harmonische), 25'1/o zweite Harmonische, 25 ola dritte Harmonische. In diesem
Fall hat jede Note der Klaviatur die gleiche Wellenform. Wie bereits erwähnt, trifft
dies jedoch nur für das Prinzipalregister und dessen Oktavversetzungen angenähert
zu. Eine elektrische bzw. elektronische Orgel kann also nach der additiven Klangsynthese
nur wenige Register der akustischen Orgel klanggetreu nachbilden, während dies bei
der subtraktiven Methode gelingt.
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Um bei einer elektronischen Orgel die Ausgleichsvorgänge einer mechanischen
Orgel nachzubilden, muß beachtet werden, daß die Obertöne zu verschiedenen Zeiten
ihre Endamplituden erreichen. Dies ist bei der additiven Klangsynthese ohne Schwierigkeiten
möglich, da die Obertöne in Tongeneratoren einzeln erzeugt werden. Man hat es infolgedessen
ohne weiteres in der Hand, jedem der erzeugten Obertöne durch Regelglieder vor dem
Mischvorgang den gewünschten zeitlichen Verlauf zu geben. Aus den oben angegebenen
Gründen muß jedoch bei der additiven Tonformung auf eine vollkommene Nachbildung
der Register mit Ausnahme des Prinzipalregisters und dessen Oktavversetzungen verzichtet
werden.
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Man könnte bei der additiven Klangsynthese das Ansteigen bzw. Sinken
der Amplituden aller Teiltöne entweder gleich groß machen oder den Obertonaufbau
dem Verlauf eines Sägezahnes anpassen. Diese im Mischtransformator addierten Teiltöne,
die bereits
dem zeitlichen Einschwingvorgang entsprechen, könnten
dann zusätzlich durch Formantfilter geschickt werden, um feste Formantfrequenzen
zu bilden. Dies hat jedoch den Nachteil, daß ein unwirtschaftlicher Aufwand von
Schaltkontakten erforderlich ist, der Betriebsunsicherheit mit sich bringt. Um z.
B. obertonreiche Labialstimmen bzw. Zungenstimmen angenähert nachzubilden, müssen
mindestens fünfundzwanzig bis dreißig Teiltöne zur Verfügung stehen. Dies würde
bei der additiven Methode bedeuten, daß allein hierfür fünfundzwanzig bis dreißig
Schaltkontakte pro Taste vorhanden sein müßten. Die Erfindung will diese Nachteile
beseitigen.
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Erfindungsgemäß ist die Tiefpaßkette für den Grundton so bemessen,
daß die Obertöne in vorher festgelegtem Umfang mehr gedämpft werden, als es zur
Erzielung des endgültigen Klangspektrums notwendig ist, und die entfernten Amplitudenteile
der Obertöne des Klanges werden aus den Sägezahngeneratoren der Teilerketten über
ein oder mehrere Tiefpaßglieder entnommen und durch zwischen Dauertongeneratoren
und diesen geschaltete Steuerglieder dosiert und erhalten einzeln einen Ein- und
Ausschwingvorgang von vorbestimmter Dauer zugewiesen und werden dann dem Gesamtspektrum
additiv hinzugefügt.
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Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt. Es bedeutet Abb. 1 das synthetisch nachzubildende Klangspektrum der
Pfeife C des Prinzipalregisters einer Silbermannorgel, Abb. 2 a bis 2 f die Wirkungsweise
der Schaltungsanordnung nach der Erfindung hinsichtlich der Ein-und Ausschwingzeiten
bzw. der Klangübergangszeiten, Abb. 3 a bis 3 d den zeitlichen Verlauf des Einschwingvorganges,
Abb.4a bis 4d den zeitlichen Verlauf des Ausschwingvorganges sämtlicher Teilobertöne
aus den verschiedenen Registerlagen, Abb.5 das Blockschaltbild der gesamten Schaltungsanordnung.
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Das in Abb. 1 dargestellte Klangspektrum eines Prinzipalregisters
Pfeife C einer Silbermannorgel soll elektronisch nachgebildet werden.
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In Abb. 2 a ist dieses Klangspektrum für das Prinzipalregister der
Pfeife C nochmals in kleinerem Maßstabe wiedergegeben. Die Barüberliegenden Spektren.
gemäß Abb. 2 b bis 2 f stellen der Reihe nach das Grundregister 8' (Fuß) mit einer
Einschwingzeit t1=0,4 Sekunden und einer Ausschwingzeit t2=0,2 Sekunden, die Oktave
4' mit einer Einschwingzeit t1 = 0,3 Sekunden und einer Ausschwingzeit t2 = 0,15
Sekunden, die Quinte 22/3' mit einer Einschwingzeit t1 = 0,2 Sekunden und einer
Ausschwingzeit t2 = 0,1 Sekunde, die Doppeloktave 2' mit einer Einschwingzeit t1
= 0,15 Sekunden und einer Ausschwingzeit t. = 0,075 Sekunden und die Terz 13/" mit
einer Einschwingzeit t1 = 0,1 Sekunde und einer Ausschwingzeit t2 = 0,05 Sekunden
dar. Die Ein- und A.usschwingzeiten werden für jeden Oberton in den entsprechenden
Regelorganen durch deren Zeitkonstantenglieder gesteuert.
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Das Endspektrum nach Abb. 2 a ist also additiv aus den Spektren nach
Abb. 2 b bis 2 f zusammengesetzt. Gemäß Abb. 2a hat der Grundton C nur den Anteil
des Tones C im Grundregister 8' nach Abb. 2b. Der zweite Oberton c0 setzt sich zusammen
aus dem zweiten Teiloberton co des Grundregisters 8' nach Abb. 2b und aus einem
Teiloberton co der Oktave 4' nach Abb. 2 c. Sinngemäß, läßt sich aus Abb. 2 a in
Verbindung mit den Abb.2b bis 2f die Zusammensetzung aller übrigen Teilobertöne
g0, cl, e1, g1, bi, c2, d2 und e2 herleiten. Beispielsweise summiert sich der Teilton
cl aus drei Teilobertönen, und zwar aus dem vierten Teiloberton nach Abb. 2b, ferner
dem zweiten Teiloberton nach Abb. 2 c und dem ersten Teiloberton nach Abb. 2 e.
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Man könnte die Grundtöne des Quinten- und Terzenregisters nach Abb,
2 d bzw. 2 f den Tongeneratoren entnehmen, die bereits in temperierter Stimmung
vorhanden sind. Hierdurch würden jedoch starke Schwebungen zwischen den Obertönen
entstehen, welche die Klangwirkung stark beeinträchtigen. Es ist daher zweckmäßig,
nach dem Vorbild der Pfeifenorgel diese Obertonregister (Quinten und Terzen) in
reiner Stimmung durch besondere Tongeneratoren zu erzeugen. Nur die rein gestimmten
Quinten und Terzen ergeben eine echte Umfärbung des Primärklanges.
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Die Addition der Teilobertöne aus den Spektren der Abb,. 2 b bis 2
f erfolgt mit zeitlicher Verzögerung, d. h. daß z. B. 0,1 Sekunden (Abb. 2f) nach
dem Tastenanschlag die Terz e1, e2 bereits ihren Amplitudenendwert erreicht hat,
während alle übrigen Teilobertöne noch im Aufbau begriffen sind. So haben nach 0,1
Sekunden die Teilobertöne g0, g1 und d2 z. B. des Quintenregisters 22/ä (Abb. 2
d) erst 50 °/a ihrer Endamplitude erreicht, da die Einschwingzeit t1 = 0,2 Sekunden
ist. Im gleichen Zeitpunkt erreicht der Teiloberton g° des Grundregisters 8' (Abb.
2b), der mit dem Teiloberton g0 des Quintenregisters (Abb. 2 d) in der Tonhöhe identisch
ist, erst 25 % seines Amplitudenendwertes, da die Einschwingzeit des Grundregisters
8' den obenerwähnten Wert 0,4 Sekunden hat. Diese Werte entsprechen dem tatsächlichen
Klangaufbau, wie er sich bei einer Pfeifenorgel für die einzelnen Teilobertöne ergibt.
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Der zeitliche Aufbau und die Summierung der Amplituden des Einschwingvorganges
sämtlicher Teilobertöne aus den verschiedenen Registerlagen ist in Abb. 3 a bis
3 d für die Zeiten 0, 1, 0,2, 0,3 und 0,4 Sekunden und den Ton C des Prinzipalregisters
8' graphisch dargestellt. Alle anderen Töne dieses Registers weisen andere Zeiten
auf, die auch einen anderen zeitlichen Verlauf des Klangaufbaues ergeben. Auf die
entsprechende graphische Darstellung, die sich allein für das Prinzipalregister
8' auf insgesamt 61 Töne bei einem Tastenumfang von C bis c4 erstrecken müßte, ist
zwecks Vereinfachung der Zeichnung verzichtet worden. Die hierfür benötigten anderen
Zeiten werden in den Zeitkonstantengliedern der entsprechenden Regelorgane dieser
61 Töne erzeugt. Durch entsprechende Addition der vorhandenen sieben Registerlagen
16', 8', 4', 2'/3, 2', 13/s' und 1' und der verschiedenen Zeiten können praktisch
sämtliche charakteristischen Einschwingvorgänge an allen Registern synthetisch nachgebildet
werden. Die stark ausgezogenen Linien stellen die Hüllkurve x des stationären Zustandes,
d. h. nach Beendigung des Einschwingvorganges, dar. Die punktierten Linien sind
die Hüllenkurven y des Einschwingvorganges in den angegebenen Zwischenzeiten. In
Abb. 3 d fallen die beiden Hüllkurven x, y zusammen, da der Einschwingvorgang
zeitlich beendet und der stationäre Klangzustand erreicht ist.
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Aus Abb. 3 a und 3 b ist ersichtlich, daß beim Aufbau des Klangspektrums
die hohen Obertöne früher ihre Endamplitude erreichen als die Grundtöne bzw. die
tieferen Obertöne.
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Die bereits angegebenen Ausschwingzeiten bzw. die bei kurz hintereinander
folgenden Anschlägen der
gleichenTaste auftretendenKlangübergangszeiten
sind aus Abb. 4a bis 4d ebenfalls für den Ton C des Prinzipalregisters 8' ersichtlich,
und zwar sind gemäß Abb. 4a erst 0,025 Sekunden nach Loslassen der Taste vergangen,
während gemäß Abb. 4b bis 4d die Zwischenzeiten nach 0,05, 0,1 und 0,15 Sekunden
darge-.stellt sind. Der Endwert soll nach 0,2 Sekunden erreicht sein. Die längste
Ausschwingzeit haben die tieferen Obertöne bzw. der Grundton, wie aus dein Vergleich
der gestrichelten Hüllkurven y der Abb. 4a bis 4d hervorgeht. Dies entspricht genau
den Verhältnissen einer Pfeifenorgel. Die absolute Ausschwingzeit des Klanges im
Raum ist außerdem weitgehend von raumakustischen Verhältnissen (Nachhall) abhängig.
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Bei den Klangübergängen setzt beim Loslassen der Taste der Ausschwingvorgang
ein. Wird vor Beendigung dieses Ausschwingvorganges die gleiche Taste erneut angeschlagen,
so wird der Ausschwingvorgang vorzeitig abgebrochen, und gleichzeitig setzt ein
zeitlich verkürzter Einschwingvorgang ein, der nicht im Amplitudenwert Null, sondern
in dem Zeitpunkt beginnt, in dem der Ausschwingvorgang des vorangegangenen Anschlages
des gleichen Tones abgebrochen worden ist.
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Abb.5 zeigt das Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung,
mit der das in den Abb. 1 bis 4 dargestellte Klangspektrum mit seinen Ausgleichsvorgängen
hergestellt werden kann. Es ist dieses Ausführungsbeispiel aus Gründen der Vereinfachung
nur auf das Spektrum des Prinzipalregisters 8' Pfeife C beschränkt. Mit den Tongeneratoren
1 bis 7 lassen sich sieben Oktaven von Tönen in temperierter Stiminung herstellen.
Zu jeder Oktave gehören bekanntlich zwölf Halbtöne, so daß 84 Tongeneratoren notwendig
sind. Für die C-Oktave ist noch ein zusätzlicher Tongenerator 8 vorgesehen. Fünf
Oktaven mit den Tongeneratoren 9 bis 13 stellen das Quintenregister 2=/3' dar, das
im Gegensatz zu den Oktaven mit den Tongeneratoren 1 bis 7 rein, also nicht temperiert,
gestimmt ist. Für die Quintenoktave ist wieder ein zusätzlicher Tongenerator 14
vorgesehen. Vier Oktaven mit den Tongeneratoren 15 bis 18 stellen das Terzregister
13/s dar, wobei 19 wieder der zusätzliche Tongenerator für die Terzoktave ist. Dieses
Terzregister ist ebenfalls rein gestimmt.
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Für jeden der zwölf Tongeneratoren jeder Oktave ist je ein Regelorgan
vorgesehen. In Abb. 5 ist für jede Oktave nur der erste und letzte Tongenerator
dargestellt. Entsprechend sind auch nur die beiden zugehörigen Regelorgane schematisch
angedeutet.
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Der Tastenumfang T jedes Manuals der Orgel erstreckt sich von den
Tönen C bis c4 über 61 Tasten. Den entsprechenden Tongeneratoren sind Regelorgane
20 bis 25 zugeordnet, um die Töne der 16'-Tonlage zu steuern. Die Regelorgane 26
bis 31 sind der 8'-Tonlage zugeordnet, während die Regelorgane 32 bis 37 zur 4'-Tonlage
gehören. Die Regelorgane 38 bis 42 gehören zur 2'-Tonlage und 43 bis 46 zur 1'-Tonlage.
Hierbei ist zu bemerken, daß in der 2'-Tonlage eine Oktave von Tongeneratoren und
in der 1'-Tonlage zwei Oktaven von Tongeneratoren fehlen, welche die Töne dieser
Registerlagen für die letzten Oktaven des Manuals erzeugen. Diese fehlenden Oktaven
von Tongeneratoren werden nach dem Vorbild der Pfeifenorgel dadurch ersetzt, daß
man die oberste Oktave ein- oder mehrmals repetieren läßt.
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Die Regelorgane 47 bis 52 gehören zum Quintenregister 22',/ä und die
Regelorgane 53 bis 57 zum Terzregister 13/s'. Sämtliche Regelorgane sind entsprechend
ihrer Registerlage den Sammelschienen 58 bis 64 zugeordnet, z. B. die Regelorgane
20 bis 25 zur Sammelschine 16', die Regelorgane 26 bis 31 zur Sammelschiene 8' usw.
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In Abb. 5 ist die Tastung nur für den Ton C dargestellt, um die Zeichnung
zu vereinfachen. In dem Bauplan für ein Manual würden einundsechzig Tastschalter
65 erscheinen. jeder Tastschalter hat sieben Arbeitskontakte A und sieben
Ruhekontakte R. Wird der Tastschalter 65 gedrückt, so werden die entsprechenden
Regelorgane des Tones C in sieben Registerlagen mittels der Arbeitskontakte ,4 gesteuert.
Es erscheinen dann auf den Sammelschienen 58 bis 64 folgende Tonfrequenzen: Auf
58 c9, auf 59 cl, auf 60 c°, auf 61 C, auf 62 Cl, auf 63 die Ouinte go und auf 64
die Terz ei.
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Mittels der kuhekontakteR wird die beschriebene Rücktastung zur Bestimmung
der Ausschwing- und Übergangsvorgänge gesteuert.
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Die Tongeneratoren 1 bis 19 erzeugen eine sägezahnförmige Spannung
mit einem hohen Gehalt an Harmonischen. Die über die Regelorgane getasteten und
den Sammelschienen 58 bis 64 zugeführten sägezahnförmigen Spannungen werden über
Filter geführt die die Tonformung vornehmen. Als Filter, die auch teilweise Formantfilter
sind, finden Tiefpässe, Hochpässe, Bandpässe und Resonanzglieder einzeln und in
Kombination Anwendung. Formantfilter sind Resonanzglieder mit feststehenden Abstimmfrequenzen.
In Abb. 5 sind nur diejenigen Filter (Tiefpässe) dargestellt, die notwendig sind,
um das in Abb. 1 dargestellte Klangspektrum zu erzeugen. Infolgedessen ist nur je
eine Filterkette 65 bis 70 für das 8'-, 4'-, 22/3'-, 2'- und 13/s'-Register veranschaulicht
in Übereinstimmung mit den Klangspektren nach Abb. 2 b bis 2 f. Der Därnpfungsverlauf
der einzelnen Filterketten ist so festgelegt, daß eine jeweilige Amplitudenverteilung
der Obertöne (Harmonische) in den einzelnen Registerlagen entsprechend Abb. 2b bis
2f entsteht. Mittels Widerstände 71 bis 75 werden die amplitudenmäßigen Anteile
der Spektren nach Abb.2b bis 2f untereinander abgeglichen, und zwar in der Weise,
daß sich einerseits durch Addition dieser Spektrenanteile das in Abb. 1 bzw. 2 a
dargestellte und synthetisch nachzubildende Prinzipalregister ergibt und andererseits
die zeitliche Addierung nach Abb. 3 a bis 3b entsprechend dem Einschwingvorgang
bzw. nach Abb. 4a bis 4d entsprechend dem Ausschwingvorgang oder den Klangübergängen
erfolgt. Es findet also erst eine subtraktive Klangformung nach dem Abbauprinzip
statt, und dann werden die einzelnen Registerlagen mit ihren verschiedenen Ein-
und Ausschwingzeiten additiv zum gewünschten Gesamtklangbild gemischt.
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Die Filterketten 66 bis 70 können gleichzeitig auch zur Darstellung
anderer Klänge herangezogen werden. Dies erfolgt durch Anzapfungen 76 bis 79 an
den verschiedenen Abschnitten der mehrgliedrigen Filterketten. Durch diese Anzapfungen
wird der Obertongehalt des geformten Klanges geändert. Die Anzapfungen können an
jeder beliebigen Stelle vorgenommen und entweder unmittelbar zur Darstellung eines
oder mehrerer Register 80 bis 83 oder mittelbar zur Darstellung kombinierter Register
ähnlich dem Prinzipalregister 85 benutzt werden. Die Registersammelleitung 84 führt
zum Verstärker und Lautsprecher.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht durch die Anwendung der
subtraktiven Tonformung die naturgetreue Nachbildung der Orgelklänge, während durch
die nachfolgende zeitlich gestaffelte additive
Tonformung die Ausgleichsvorgänge
(Ein- und Ausschwingvorgang sowie Klangübergang) ebenfalls vollkommen naturgetreu
nachgebildet werden.