NO144943B - Klanggiver som kan tilkoples til et musikkinstrument - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning som kan tilkoples til

et musikkinstrument og som analyserer det utkommende musikksig-

nal med henblikk på dettes "melodibestemmende" frekvens og av-

gir et innstillbart, "syntetisert" tonesignal med samme grunn-frekvens. Ved passende innstilling av tonesignalet (eller, om man så vil, dets overtoneinnhold) kan det oppnås en mangfoldig-

het av effekter, både nye lydeffekter og imitasjoner av eksi-sterende musikkinstrumenter og lydeffekter.

Helt siden Helmholtz<1> dager har det vært kjent at forskjellige musikkinstrumenter utmerker seg ved forskjellige bølgeformer, hvilket kan demonstreres med oscillografiske metoder. Ved analyse av sådanne bølgeformer har man skapt,

begrepet overtoner, hvilket henger sammen med den såkalte harmoniske analyse (Fourier-analyse). Siden har man også konstruert musikkinstrumenter som bygger på denne harmoniske analyse, idet man tilveiebringer en grunntone og et passende sett overtoner til denne. Overtonespekteret er da bestemmende for det subjek-

t ive lyd inntrykk.

Etter sådanne prinsipper er det blitt konstruert en mangfoldighet av elektriske instrumenter, såsom elektromekanisk virkende orgler, der tonen skriver seg fra avføling av eksem-

pelvis roterende kamskiver. Deretter finnes det representert en mengde overgangsformer, like frem til dagens elektroniske "kunstmusikk".

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en klanggiver som kan tilkoples til et musikkinstrument som kan være av vanlig type. Hensikten er her at den spillende skal kunne tilveiebringe spesielle klangeffekter som passer til den musikk som utøves og er egnet til å gi den spillende mulighet til kunstnerisk uttrykk.

Disse og andre formål, som fremgår av den etterføl-gende beskrivelse av et utførelseseksempel, oppnås ifølge oppfinnelsen ved hjelp av en klanggiver som oppviser de i patent-krav 1 angitte kjennetegn.

Innledningsvis og i forklarende, men ikke begrensende hensikt, kan en sammenfatning av oppfinnelsens virkemåte formu-leres på følgende måte.

Fra et instrument som det spilles på, tas det ut et representativt elektrisk signal. Dersom det dreier seg om en elektrisk gitar, tar man dennes utgangssignal, og i visse tilfeller kan man ta et mikrofonsignal. Også en menneskelig stemme er anvendbar som instrument.

Ut fra dette instrumentsignal ekstraheres "grunntonen", dvs. den laveste frekvens som finnes i' signalet (bortsett fra svevetoner og liknende). Dersom det dreier seg om et polyfo-nisk instrument, får man som regel utvelge grunntonen for den høyeste spilte tone, som bruker å være den melodibærende. Det er denne ekstraherte grunntone som deretter gjøres utslagsgi-vende for den bølgeform som genereres i klanggiveren. Dette skjer ved at man frembringer en bølgeform med en frekvens som svarer til den ekstraherte grunntone, og tonens karakter kan da påvirkes innenfor meget vide grenser ved at bølgeformens "form" varieres.

For å kunne danne en bølgeform av nesten vilkårlig form, og som har en frekvens som er bestemt av den ekstraherte grunntone, benytter man et antall parallelle utganger på hvilke det i tur og orden utkommer pulser som for hver av utgangene har samme frekvens som grunntonen og hvis pulslengder er lik perioden for grunntonen dividert med antall utganger. For hver utgang finnes en individuelt eller gruppevis innstillbar spenningsdeler eller liknende, og signalene fra spenningsdelerne sammensettes siden til den endelige bølgeform.

For tilveiebringelse av en passende klangfarge, kan den således oppnådde bølgeform også blandes med det opprinnelige instrumentsignal. Da mange instrumentetfekter beror på "inn-svingningseffekter", kan man også tenke seg å styre blandings-forholdet mellom den syntetiske bølgeform og signalet fra instrumentet, og også gjøre dette tidsavhengig. Det er videre mulig å anordne flere sett av spenningsdelere for tilveiebringelse av syntetisk bølgeform, hvorved en veksling gir en end-ring som kan være meget effektfull. Dersom man dessuten gjør denne bølgeformendring tidsavhengig, kan det nærmest oppnås hvilke musikalske effekter som helst.

Oppfinnelsen vil forstås bedre av den etterfølgende beskrivelse av et utførelseseksempel under henvisning til teg-ningene, der fig. 1 viser et blokkskjerna av en klanggiver ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser i detalj en multipleksenhet og en omhyllingsgenerator samt en volumkontroll for lydeffekten ifølge oppfinnelsen, og fig. 3 viser en krets for volumkontroll ved hjelp av hvilken innsvingningsforløpet for en syntetisk tone eller klang kan påvirkes.

Det viste utførelseseksempel er for en stor del oppbygget ved hjelp av standardiserte,integrerte kretser, og en fagmann kan derfor hente mye informasjon om kretsoppbygning, spenningsforsyning og liknende fra fabrikantenes datablad.

Ved den etterfølgende funksjonsbeskrivelse vil det derfor ikke bli etterstrebet noen fullstendighet hva angår sådan informasjon som er lett tilgjengelig for en fagmann.

På fig. 1 er vist et blokkskjema av et utførelsesek-sempel på oppfinnelsen. Blokk 1 representerer et instrument, f.eks. en sologitar. Dersom flere strenger anslås samtidig, kreves det, slik som innledningsvis antydet, en eller annen utrustning for å sørge for at bare signalet fra den represen-tative streng uttas. En fagmann vil innse at det finnes mange muligheter for utførelse av dette. Eksempelvis kan signaler fra hver streng avføles hver for seg, idet den høyest, stemte streng som avgir signal, koples gjennom.

I blokk 2 blir det av signalet frembragt en firkant-bølge på kjent måte ved forsterkning og amplitudebegrensning. Den oppnådde firkantbølge omformes deretter til en sinusbølge

i blokk 3. En passende måte å gjøre dette på er å la signalet passere to seriekoplede, integrerende forsterkere. (Mange

andre måter er kjent.) Det således oppnådde, tilnærmet rent sinusformede signal multipliseres deretter slik at det oppnås en n ganger høyere frekvens. I utførelseseksemplet er n lik 16, og den multipliserte frekvens oppnås ved hjelp av fire frekvensfordoblende trinn.

Man har altså nå et sinussignal som har 16 ganger

høyere frekvens enn den grunntone som instrumentet avgir.

Dersom man for eksempel antar at instrumentet avgir en énstrø-

ken a (44 0 Hz), innser man at den frekvens som avgis fra blok-

ken 4, er 7,04 kHz.

Dette signal ledes nå til blokk 5 som består av en

binær, firetrinns pulsteller ("scaler"). De fire vippekretser i denne har hver sin utgang, og disse utganger til sammen avgir således i parallellform fortløpende de binære tall 0 til 15

under hver periode av den analyserte grunntone.

I multipleksenheten 6 omkodes disse binærsignaler på

fire parallelle innganger til utgangssignaler på seksten utgan-

ger. Disse utgangssignaler er av en slik beskaff enhet at hver gang det ved hjelp av de fire inngangers signaler representerte tall antar en viss verdi, avgir den av de seksten utganger som er tilordnet denne tallverdi, et én-signal, mens de øvrige utgan-

ger avgir et null-signal. Dette medfører at de forskjellige utganger i tur og orden vil bli gjennomgått i løpet av en periode av grunntonen, hvoretter de på nytt gjennomgås i løpet av neste periode osv. Ifølge ovenstående eksempel vil altså

hver utgang avgi en puls 44 0 ganger pr. sekund.

Disse seksten utganger fra multipleksenheten 6 er kop-

let til en envelope- eller omhyllingsgenerator 7. I denne fin-

nes en innstillbar spenningsdeler for hver av de seksten innganger. Det innses at dersom alle spenningsdelere er innstilt på samme måte, kommer det inn et konstant signal, hvilket åpen-

bart ikke gir noen bølgeform i det hele tatt. Dersom spenningsdelerne i stedet er innstilt etter f.eks. amplitudefor-delingen i perioden for en sinusbølge, får man ut en tilnærmet ren sinusbølge. Hvor rene sådanne sinusbølger kan bli, fremgår av beskrivelsen i det amerikanske patentskrift 3 215 860, der

det riktignok er vist en oppdeling av perioden i 18 like deler, og der oppfinnelsen går ut på å fremstille sa rene sinusbølger som mulig.

I det foreliggende, tilfelle innstiller man de forskjellige spenningsdelere i overensstemmelse med den bølgeform som ønskes. Dette kan skje enten ved utprøving eller på. grunn-lag av kjente bølgeformkurver for bestemte instrumenter. Sådanne finnes publisert i litteraturen fra Helmholtz's grunnleg-gende arbeider og fremover innen den fysikalske akustikk.

Man vil nødig ha noe utgangssignal fra klanggiveren

i det tilfelle at det ikke foreligger noen tone, men kanskje bare støy. Det er derfor hensiktsmessig å anordne en diskrimina-torkrets 8 som bestemmer om signalet fra instrumentet eller fra blokken 2 overstiger et bestemt, innstilt minimumsnivå.

Dersom signalet fra instrumentet ligger under et

visst nivå, stoppes apparatets virkning. Det er hensiktsmessig å gjøre dette ved å la et logisk signal fra diskriminatoren styre pulstellerens. 5 funksjon, slik at denne ganske enkelt må stanse når det ikke foreligger noe signal.

Slik som allerede nevnt, inngår det i blokkskjemaet

på fig. 1 et stort antall integrerte kretser. Det skulle ikke være nødvendig å vise fullstendige koplingsskjemaer over hele systemet, så mye mer som dette ville føre til altfor stort volum av den foreliggende beskrivelse. Det anses derfor til-strekkelig med en generell og noenlunde detaljert funksjonsbeskrivelse.

Det er hensiktsmessig å begrense diskantomfanget foran firkantbølgegeneratoren i blokken 2, f.eks. med lavpassfiltre.. Den ved overstyring og klipping frembragte firkantbølge ledes deretter via to seriekoplede, integrerende forsterkere som kan være oppbygget på operasjonsforsterkere av type 741. Selv om det ikke er vist på fig. 1, kan det være hensiktsmessig å la den således frembragte sinusbølge passere en krets som normali-serer signalamplituden til en bestemt amplitude. Et eksempel på en sådan krets er vist i "Electronics", 16. august 1973,

s. 100.

For frekvensmultipliseringen er det hensiktsmessig å benytte en krets av type Motorola MC 14 96 (Balanced Modulator-Demodulator). Dersom man nemlig på kretsens begge innganger innkopler samme sinussignal, får man et utgangssignal som har den doble frekvens. Dette forklares ved at man derved multipli-serer to like sinussignaler med hverandre, hvorved følgende sammenheng som kjent gjelder:

sin<2>(wt) = i (1 - cos (2wt)),

og dersom bare vekselstrømskomponenter betraktes, ser man at man har fått en frekvensfordobling. Dersom denne utføres fire ganger etter hverandre, får man det ønskede resultat. Frekvensmultipliseringen kan også skje ved å la firkantbølgen gå direkte til en for formålet avpasset, faselåst krets (se f.eks. RCA's håndbok om digitale CMOS-kretser).

En passende pulsteller (scaler) selges under typebe-tegnelsen 7493 (Texas Instruments), og en passende multipleks-krets fås fra samme produsent under nr. 74154.

Fra multipleksenheten 6 utkommer altså seksten parallelle utganger, og det er ved å manipulere disse at man oppnår klangeffektene ifølge oppfinnelsen. Man kan i og for seg tenke seg å la hvert av disse seksten signaler svekkes i hvert sitt motstandsnett. Ved å innjustere disse nett er det da mulig å oppnå en vilkårlig bølgeform innenfor de begrensninger som det medfører at man bare har seksten frihetsgrader.

I stedet for denne generelle koplingsform anvendes ifølge en foretrukket utførelse en kopling der innstillingene er gjort parvis avhengige. På fig. 2 er vist hvordan utgående kanaler nr. 1 og nr. 16 er koplet til hver sitt potensiometer 25 som er sammenkoplet for felles justering på en slik måte at når det ene er innstilt på minimum, er det andre innstilt på maksimum, og omvendt. På samme måte er kanalene 2+15, 3+14,... og 8+9 parvis anordnet. Med en sådan konfigurasjon kan man således fortrinnsvis innstille "ulike" overtoner.

Ifølge et annet aspekt som er illustrert på fig. 2, innses at multipleksenhetens utganger er koplet til omkoplings-kretser. Dersom nemlig kretsene 20 og 20' får et logisk adres-sesignal, vil det skje en omkopling slik at utgangen ;15: fra ; multipleksenheten 6 blir koplet til utgang 9 osv., slik at tids-rekkefølgen for signalene 1 - 16 til potensiometrene vil bli 1, 2,...., 7, 8, 16, 15, 14,...,10, 9. For ikke å få en feil-aktig og usymmetrisk forsinkélseseffekt, må man da også anordne tilsvarende kretser på multipleksenhetens 6 utganger 1-8, hvilke imidlertid alltid er koplet for samme pulsveier.

Ved hjelp av denne omkopling som, slik det fremgår av figuren, skjer ved hjelp av en manuelt innstillbar omkoplingskrets 30, endrer man overtonene mellom "ulike" og "like", slik at tonens karakter forandres. Betegnelsene på innstillingene, nemlig "trompet" og "gitar", er i mange tilfeller ganske godt beskrivende for det subjektive inntrykk.

Det fremgår videre av fig. 2 at man har en "volumkontroll" 10 for det utkommende omhyllingsresultat. Denne krets har sin kjerne i en felteffekttransistor 35, og volumet styres ved hjelp av spenningen på dennes styreelektrode.

Dersom man nå går.tilbake til fig. 1, fremgår det at volumkontrollen 10 styres av en krets 9 som er betegnet "omhyl-lingsstyring". En utførelse av kretsen 9 er vist på fig. 3. Inngangssignalene, som er logiske signaler, er avledet fra diskriminatoren 8 på fig. 1. Som vist, presenteres inngangssignalene på to innganger, i det ene tilfelle i invertert form. Styre-spenningen VCA, som styrer volumkontrollen, starter et logaritmisk rampesignal hvis tidskonstant er kontinuerlig justerbar innenfor to forskjellige intervaller ved hjelp av logaritmiske potensio-metre, enten 20 - 200 ms eller 0,2 - 2 s. Det viser seg at denne innstilling er av meget stor betydning for tonenes anslag da man får en modulasjonseffekt i felteffekttransistoren 35 i blokken 10 (se fig. 2). Dette gir en ytterligere, meget stor mulighet til å påvirke lydens subjektive inntrykk. Også hen-døings- eller avklingningsforløpet kan være innstillbart, f.eks.

i overensstemmelse med fig. 3.

Man kan tenke seg et stort antall forskjellige varia-sjoner innenfor den foreliggende oppfinnelsestanke, der man eksempelvis gjør omhyllingsomkoplingen slik at den raskt kan varieres i tid. Man kan også tenke seg å ha et forråd av

slike innstillinger som kan innkoples, slik at den musise-

rende gis mulighet til raskt å foreta omkopling mellom forskjellige effekter, for eksempel fra "trompettone" til "strengetone" eller fra "kvintilerende" til "oktaverende" overtonetype (dvs. med hensyn til blåseinstrumenter av konisk hhv. sylindrisk form).

Man kan konstatere at det i det foregående beskrevne anlegg har så godt som ubegrensede lydmuligheter. I den beskrevne utførelsesform oppnår man mulighet til å innstille en bølgeform i seksten ekvidistante punkter, men det er åpenbart at man kan gå vesentlig lengre dersom man ønsker en enda mer nøyaktig innstilling og enda høyere overtoner. Det er åpenbart ved en enkel analyse at man ved hjelp av de seksten tidskanaler ifølge den viste utførelse.har mulighet til uavhengig å innstille samtlige harmoniske overtoner opp til den åttende med hensyn til både størrelse og fase. Selv om i visse tilfeller også høyere overtoner er blitt ansett å være av betydning for det subjektive lydinntrykk, oppnås altså en meget stor frihet til å innstille tonene. Dersom man dessuten tar i betraktning

n

at man til den syntetiske tone ogsa kan addere den opprinnelige, fra instrumentet kommende tone, innser man at et instrument som er forsynt med apparatur ifølge oppfinnelsen, gir den musise-rende en meget stor frihet.

Det fra klanggiveren oppnådde utgangssignal kan enten koples direkte eller via forsterkere til et høyttalersystem, eller det kan også behandles ytterligere med forskjellige mid-ler, registerbehandles osv., innen et musikalsk resultat til slutt tilføres til en høyttaler.

Claims (4)

1. Klanggiver som kan tilkoples til et musikkinstrument,karakterisert ved at den omfatter en anordning (2, 3) for ekstrahering av den laveste forekommende tonefrekvens, grunntonen, fra et fra musikkinstrumentet kommende signal, en anordning (4) for multiplisering av denne grunntonefrekvens for opp-nåelse av en n ganger høyere frekvens enn grunntonefrekvensen, idet n er et helt tall, en signalamplitudeoppløsende anordning (5, 6) med n utganger som er koplet til den i forhold til grunntonen n ganger høyere frekvens for med denne høyere frekvens å avgi utgangssignaler i tur og orden og syklisk på de n utganger, idet hver utgang får et utgangssignal med samme frekvens som den fra instrumentsignalet ekstraherte grunntones frekvens, og idet de nevnte n utganger er koplet til hver sin innstillbar dempnings-krets (25) hvir utgangssignaler er sammenkoplet for tilveiebringelse av et sammensatt signal.
2. 2. Klanggiver ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter en diskriminator (8) som er innrettet til å avføle om det fra instrumentet foreligger et tonesignal som overstiger et visst nivå, og ved fravær av et slikt signal å avgi et utgangssignal som stopper den signalamplitudeoppløsende anordning (5, 6).
3. 3. Klanggiver ifølge krav 2, karakterisert ved at den omfatter en styrekrets (9) som er innrettet til ved mottagelse av et utgangssignal fra diskriminatoren (8) å avgi et til en maksimumsverdi stigende rampesignal (VCA) som er koplet til en som blanderkrets fungerende volumstyrekrets (10), idet rampesignalet blandet med det sammensatte signal fra dempnings-kretsene (25) gir et innsvingningsforløp til det fra volumstyre-kretsen (10) kommende signal.
4. 4. Klanggiver ifølge ett .av de foregående krav, karakterisert ved at instrumentsignalet og det sammensatte signal er koplet til en blanderkrets (11) fra hvilken et utgangssignal oppnås.