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Plan électronique.
L'invention concerne un piano électronique dont on joue tout tomme un piano ordinaire, en frappant des touches, mais dans eque toutes les autres fonctions mécaniques telles que l'attaque des cardes à l'Aide des marteaux ainsi que l'amortissement -accélère* OU non des vibratins de ces cordes sont évitées dans la mesure du possible et sont remplacées par des fonctions électriques, et cela d'une manière telle que le son caractéristique du piano soit imité aussi fidèlement que possible.
Le son du piano doit son caractère particulier entre autres aux propriétés suivantes:
1. L'amplitude d'attaque de la vibration de la corde dé- pend de la force avec laquelle la touche correspondante est frappée.
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2. La vibration te la corde s'amortit suivant une fonc- tion à décrément décroissant en fonction du temps.
3. Normalement, chaque corde s'applique contre un étouf- foir dont la corde est libérée dès que et aussi longtemps que la touche correspondante est enfoncée, ces étouffoirs pouvant être soulevés simultanément par une pédale.
4 Le nombre d'harmoniques du son diminue à amplitude décroissante de la vibration de la corde et est donc le plus gratta directement après l'Attaque pour devenir progressivement plus petit lors de l'amortissement du son et, d'une façon générale, les harmo- niques élevés disparaissent plus rapidement que les autres hamo niques.
5, Pendant l'amortissement du son, il se produit une in- version périodique du rapport des intensités des harmoniques pairs et desharmoniques impairs.
6. Etant donné que l'attaque du marteau s'effectue, sur- tout pour les notes graves, et un point situé à 1/8 partie de la longueur de la corde, le septième Harmonique et le neuvième, qui pourraient exercer pour ces sons une influence dissonante sur la tonalité, sont pratiquement supprimés.
Les moyens électriques, qui selon l'invention. sont uti- lisés pour imiter aussi fidèlement que possible le son du piano en ce qui concerne les six pointsvenant d'être mentionnés, seront décrits à l'aide du dessin annexé. On part de l'emploi, connu pour des instruments de ce genre, de douze générateurs basse fréquence et des fréquences de ces générateurs, qui différent d'un demi- ton, on peut déduire par multiplication de fréquence et/ou division de fréquence toutes les notes qui sont respectivement obtenues à l'ai de des touches (en général 88) du piano.
On satisfait au premier point, conformément à l'invention en.transmettant les oscillations engendrées par des générateurs basse fréquence à un organe qui ne transmet ces oscillations que lorsque, et à mesure qu'une tension y est superposée, tension qui, lors de
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l'attaque d'une touche, est engendrée avec une grandeur qui dépend de la force de la frappe et qui diminue ensuite à nouveau jusqu'à zéro. Cette tension peut être prélevée, selon l'une des partiucliar tés de l'invention, comme tension continue d'un condensateur qui, lors de la frappe d'une touche, est chargé par une pointe de tension. qui en résulte et qui est décharge successivement par les oscilla- tions transmises de ce fait.
L'organe précité peut être un redres- seur qui est bloqué par une tension de seuil et la tension engendrée!* aux bornes dudit condensateur supprime plus ou moins ce blocage sui vant une autre particularité de l'invention, la pointe de tension se produisant lors de l'attaque d'une touche peut être engendrée à l'aide d'une bobine, à l'intérieur de laquelle un flux magnéti que varie lors de la frappe de la touche correspondante, à une viles.' se qui dépend de la force de la frappe.
Le point 2 est obtenu par l'utilisation d'une tension, appliquée à l'organe, à variation asymétriques en fonction du temps, de préférence une tension en forme d'escalier. Le volume d'énergie des oscillations est ainsi le plus grand immédiatement après l'attaque, pour diminuer ensuite plus vite que proportionnel- lement à la tension de seuil croissante, par le fait que la tension de seuil de la diode augmente à mesure que le condensateur est dé- chargé par les oscillations.
Cet effet est encore renforcé par le fait qu'en même temps, immédiatement après l'attaque, les impulsins de courant transmises par les oscillations, par l'intermédiaire du redresseur, au condensateur, transmettent également au condensateur le courant de décharge le plus intense, courant dont l'intensité diminue cependant progressivement lors de l'évanouissementdu son de sorte que la tension de seuil même augmente moins que linéaire- ment avec le temps. De plus, à intensité décroissante du courant de décharge, la résistance des redresseurs utilisés augmente,ce qui entraîne une diminution du décrément.
Suivant une autre particularité ue l'invention, on peut satisfaire au troisième point en munissant chaque touche d'un
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organe magnétique peruanent dont les pièces polaires se trouvent en regard des bras d'un circuit magnétique fixe lorsque les touches sent léchées;
ledit circuit comprend, outre la bobine mentionnée, une bobine auxiliaire dont la self-induction est plus grande lorsque la touche est enfoncée que lorsque la touche est lâchée et en déghar- geant en outre, lorsqu'on lâche la touche après l'attaque, le con- densateur à l'aide d'un courant alternatif redressé qui est fourni par une source de tension haute fréquence à la bobine auxiliaire et entre cette source de tension et la bobine auxiliaire peut être inséré un contacteur, électronique ou non, commun à toutes les bo- bines et pouvant être actionné à l'aide d'une pédale.
Suivant une autre particularité de l'invention, on sa- tisfait au quatrième point en insérant dans le circuit du conden- sateur mentionné un ou plusieurs réseaux RC à résistance non linéai- re.
On peut satisfaire au cinquième point en interrompant dans les oscillations engendrées par les générateurs basse fréquen- ce le huitième, le seizième, le vingt-quatrième harmonique, etc. ce qui, suivant une autre particularité de l'invention, peut s'Effectuer en faisant fournir les oscillations pour chaque note par trois générateurs dont les fréquences sont dans le rapport de 1:2:4.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
La fig. 1 représente pour une note quelconque la forme d'onde asymétrique en fonction du temps engendrée par les trois générateurs basse fréquence.
La figure 2 représente schématiquement une partie d'un dispositif relié à une touche et servant à engendrer la tension d'attaque.
La fig. 3 représente une variante du dispositif représen- té sur la fig. 2.
La fig. 4 illustre le principe de la manière dont les
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pulsions des générateurs ba sra fréquence sont transmises, ou tien bloquées par la manoeuvre des touches.
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La fig. 5 est une uxrusion du schéma représenté sur la fil. 4 pour modifier le nonbre d'harmoniques avec l'intensité lu son
La fig. 6 est le schéma de montage d'une forme de réali- atio d'un piano conforme à L'invention, la fig 7 montre une variante d'une partie du schéma représenté sur le fig. 6.
La forme d'onde représentée sur la fig. 1 est obtenue
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r li superposition de trcfs (oscillations en créneaux, d'amplitude A, et 4 et à période R, 2 et ? Il y a lieu de mentionner que, pour assurer un bon fonctionnement, il importe que les tensions en
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rén ux présentent la forme s blocs côté supérieur plan. Grâce it l'approximation en forme d' sca7ier ainsi obtenue d'une oscillation n d ts de scie, lors de l'amortissement du son, les sept éche- ans représentes avec l'échelon le plus bas à l'avant disparaissent ucce sivement et au cours de cet évanouissement, les harmoniques :)airs et les harmoniques impairs domineront à tour de raz0, tout amme c'est le cas dans un pizno usuel.
Cet effet peut encore être renforce en donnant à l'amplitude de l'oscillation en créneaux, fréquence la plus basse, une valeur plus de quatre fois plus rand que celle de la fréquence la plus élevée.
Par le choix du rapport des amplitudes des trois oscil-
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Iations en créneaux, on peut obtenir, à volonté, une oscillation dans laquelle dominent soit les harmoniques pairs, soit les harmoni- ques impairs, ce qui a une influence essentielle sur la tonalité du on. Comme générateurs basse fréquence, on peut utiliser douze os- cillateurs, par exemple en montage Hartley, qui sont respectivement accordés sur les douzes notes les plus élevées du piano. A l'aide de diviseurs de fréquence de type connu, par exemple de multivibra-
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eurs b1st2bles, on peut déduire toutes les autres fréquences fon- entales des notes de piano de ces douze notes les plus élevées.
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Lorsque ces dernières ont chacune la hauteur de son désiré, tout le piano est automatiquement accorda, La manière dont la frappe d'une touche engendre une tension dont la grandeur dépend de la force avec laquelle se produit la frappe;, est illustrée sur les fig.2 et! 3*
Chacune des touches 1, qui peut tourner autour d'un axe! 3 porte du côté intérieur un petit bloc 3 en matière magnétique per- manente, par exemple en Ferroxdure à deux pièces polaires 4. et 5 A l'état de repos, la touche repose, par l'extrémité intérieure, sur un support fixe 6, tandis que le mouvement descendant de l'extré- ; mité extérieure, ultérieur à la frappe, est limité par une butée fixe 7.
De préférence, les deux butées sont garnies d'un revête- ment amortissant le bruit, par exemple du feutre. Lorsque la touche occupe la position de repos représentée sur le dessin, les pièces polaires 4 et 5 se trouvent près des bras 8 et 9 d'un circuit magné- tique muni d'un enroulement 10. Dans le dispositif représenté sur la fig. 2, le flux y engendré par le Ferroxdure est maximal à l'état de repos de la touche, tandis qu'il est minimal lorsque la touche est enfoncée. La pointe de tension engendrée en 10 lors de la frap- pe de la touche et qui est égale à la dérivée première du flux en fonction du temps, dépend donc de la force avec laquelle on frap- pe la touche. Cette pointe de tension est utilisée pour charger un condensateur qui est représenté par 11 sur les fig. 4 à 6.
Dans le dispositif représenté sur la fi.g3 on a dispose d'un coté du bras 8, un troisième bras 9, d'une manière telle que, lorsque la touche est enfoncée, les pièces polaires 4 et 5 se disposent en regard des bras 90 et 8 respectivement. L'enroulement 10 est monté sur le bras 8. Lors de la frappe d'une touche, le flux dans le bras 8 est non seulement réduit à zéro, mais change même de sens, de sorte que la tension engendrée dans la bobine 10 peut devenir deux fois plus grande que dans le dispositif représenté sur la fig. 2. De plus, dans ce dispositif, le flux de dispersion est réduit au minimum.
Le schéma de la tige , représente en grands traits le
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principe suivant lequel les impulsions du générateur sont transmises à un reproducteur lors de la frappe d'une touche.
Sur la figure, les impulsions de polarité négative provenant de gauche sont transmises, par l'intermédiaire d'une diode 12, au montage en série d'une impédance 13 et du condensateur 11.
Aussi longtemps que ce dernier n'est pas chargé, les impulsions négatives entrantes ne sont pas transmises par la diode 12. Toute* fois, lorsque, par la frappe de la touche considérée, le conden- sateur 11 est chargé avec la polarité indiquée sur la fig 4, les Impulsions entrantes traverseront les parties 12 et 13, Il se pro- duira, aux bornes de 13, des variations de tension qui peuvent être transmises à l'appareil de reproduction.
Chaque impul- sion traversant 12, 13 et 11 décharge alors quelque peu le conden- sateur, de sorte que les oscillations traversant l'impédance 13 s'amcrissent ce qui estévidemment le but visé. Il ne se produit pas d'autres décharges du condensateur 11, sauf par le montage amortisseur dont il sera question ci-après à l'aide du transistor 40. Pour les touches inférieures, le condensateur 11 a une capaci té de par exemple 50/uF et pour les touches élevées 1 f de sorte que le temps d'évanouissement (30 et 0,5 sec) des notes correspond à celui du piano.
Une propriété du son émis par un piano est que le nombre d'harmonique diminue à amplitude décroissante. Afin de pouvoir.. rapprocher de cet effet par voie électrique, l'impédance 13 de la fig.4 peut être remplacée par un réseau composé tel que.représenté sur la fig. 5. Ce réseau est constitué par un circuit R.C. dont la ? résistance est constituée par deux parties 14 et 15 montées en sé- rie ce montage en série étant shunté par un redresseur 16 présentant une certaine tension de seuil interne.
Les valeursde ces résistan- ; cet. sont choisies) 'le façon qu'immédiatement après la frappe, la tension aux bornes de des deux résistances soit plus grande que la tension de seuil de la diode, de sorte que les résistances sont courte cicuitées par la' diode. Pendant l'amortissement des oscillations traversant 14 et 15, ces résistances deviennent à nouveau progres-
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sivement actives, de sorte que le filtre R.C. entre en action et réduit l'impédance pour les notes élevées, de sorte que les har- moniques élevés sont coupés. Il va de soi que l'on peut utiliser plusieurs de ces étages suivant l'effet que l'on désire obtenir.
La manière dont, conformément à l'invention, on peut provoquer un évanouissement lent ou rapide du son en lâchant ou non la touche frappée, ou bien par l'enfoncement ou non d'une pédale, sera décrite à l'aide de la fig.6. Le schéma de montage représenté sur cette figure présente trois parties successives 1
II et III encadrées de pointillés. Pour chacune des touches, on a prévu un montage tel que représenté sur la partie I, tandis que le montage de la partie II est commun 5 x 6 touches et la partie III représente le montage récepteur avec reproducteur pour ces 30 touches, donc approximativement le tiers du nombre total qui, en général, est de 88. On a donc prévu trois organes de reproduction, par exemple des haut-parleurs, dont chacun correspond à environ 30 touches.
Ces nombres ne sont cependant choisis qu'à titre d'exemple et le nombre de reproducteurs et la distribution des touches sur ces reproducteurs peuvent également être choisis d'une autre manière.
Le montage prévu dans la partie I pour chaque touche est constitué par trois impédances d'entrée 22, 23 et 24 montées en parallèle, dont les valeurs sont entre elles comme 18:56:100 donc approximativement comme 1 :3:6 qui sont raccordées à trois géné rateurs de fréquence (non représentés sur le dessin). Le premier de ces générateurs fournit la fréquence fondamentale désirée et les deux autres le second harmonique et le quatrième.
Les amplitudes de ces oscillations, qui sont appliquées au reste du montage par l'intermédiaire des résistances 22,23 et 24 seront donc entre el les comme 100:56:18 et avec ce rapport d'intensité, elles sont trans- misa; par l'intermédiaire d'un redresseur 25, eu montage en série d'une impédance et du. condensateur 11, comme il a été décrit pour la fig.
4, ladite impédance étant du type tel que décrit pour la
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fig 5 t étant constituée ici par les résistances 27 et 28 shuntées par une diode à valeur de seuil 26, les condensateurs en parallèle
21 et 2? et le circuit émetteur-base d'un transistor 30, dont le collecteur est porté, à l'aide d'un générateur, par exemple de
10 khz, d'un redresseur 67 et d'un condensateur 70 à circuit d'uni formissation 68,69 à une tensi continue qui est maintenue flottante par le condensateur 70
Afin d'obtenir l'effet de choeur tel qu'indiqué ci-après, ou applique en outre, au redresseur 25, par l'intermédiaire d'une résistance 91 et d'une diode 9 .un troisième harmonique flottent,
dpnc d fréquence égale à 219/12 de la fréquence fondamentale du son fondamental considéré. Il exise en effet diverses causes par les- quelle*, lors de la frappe d'une seule touche, donc de l'attaque de diversecordes d'une même not , il se produit de la modulation d'amplitude et/ou de la modulation de fréquence de l'oscillation engendrée, ce qui peut être appelé effet de choeur.
Les impulsions négatives entrantes ne sont transmises par la diode 25 que dans la mesure où le condensateur 11 est chargé avec la polarité indiquée. Cette charge se produit lors de la frappe de a touche considérée par la pointe de tention qui est alors en- endrée dans la bobine 10 (voir les fig. 2 et 3) et qui est trans- mise dans le circuit base-émetteur d'un transistor 31, au collec- eur duquel est appliquée une tension de polarisation constante de,, par exemple, -16 V
Le condensateur 11 est monté en série avec un condensa- leur 32 (par exemple de 10 F qui est shunté par une résistance 41 (par exemple de 22kohms)
. Le condensateur 32 est en même temps shunté par le montage en série d'un redresseur 64 et d'une bobine 65 qui est églament montés sur le bras 9 du dispositif représenté sur les fig. 2, respectivement 3. Lors de la frappe d'une touche, on' engendre donc simultanément des tensions dans les bobines 10 et 65 ;et par conséquent des tensions aux bornes des condensateurs 11 et 32.,
La constante de temps du condensateur 32 et de la résis-
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tance 41 est si petite que le condensateur 32 est déjà déchargé en grande partie pendant l'intervalle de tempe compris entre deux frap- pes successives d'une même touche. Dans la pratique, on choisit, à cet effet, environ 0,2 sec Le redresseur 64 a de préférence,*une notable tension de seuil interne.
Dans la pratique, on utilise une diode au silicium, par exemple du type OA 200. On obtient ainsi Qu'une partie de la tension engendrée aux bornes de la bobine 65 reste en-deçà de la valeur de seuil du redresseur, ce qui augmente la force de la frappe.
Afin de permettre un amortissement rapide du son lorsque la touche est à nouveau lâchée, le circuit magnétique représenté sur les fig.2 et 3 comprend en outre un enroulement auxiliaire 33 monté sur l'une des parties parallèles 34 et 35 dont est constitué le noyau de ce circuit. Cet enroulement auxiliaire 33 est inséré entre une source de tension 37 de par exemple 6 kHz et la base d'un transistor 40 qui shunte le condensateur 11. Entre les bobines 33 et 10 est insérée une spire de court-circuit 66 afin d'éviter une pénétration Indésirable de la tension de 6 kHz jusqu'à la bobine 10.
Les dimensions du circuit magnétique sont choisies de façon qu'à l'état de repos de la touche, le bras 35 du noyau portant l'enroulement auxiliaire 33 soit saturé, de sorte que l'impédance! de la self-induction de cet enroulement 33 est petite par rapport aux résistances transversales 38 et 39 insérées dans le circuit de base du transistor 40. Le courant dans l'enroulement auxiliaire 33 est donc maximal, de sorte que le transistor 40 est ouvert et que le condensateur 11 est rapidement déchargé et, après la frappe de la touche, le son s'amortit donc rapidement lorsqu'on lâche la touche.
Par l'ouverture du con t a c. teur 36 qui, ensemble avec les contacteurs correspondants de toutes les autres touches, est relié à la pédale de piano usuelle, cet effet d'amortissement de la touche lâchée peut être annihilé, étant donné que la bobine auxiliaire 33 présente alors une impédance élevée par rapport aux résistances transversales 38 et
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39 de sorte que la tension à la base du transistor 40 reste infé rieure à la tension de seuil base-émetteur interne, Au lieu d'inter- rupteurs à pédale individuels 36 pour chacune des touches, on pour- rait se contenter d'un contacteur commun qui interrompt la liaison entre la source de courant alternatif de 6 kHz et tous les enroule- ments auxiliaires 33.
Aussi la forme de réalisation représentée a-t-elle été choisie pour la clarté du dessin,
Les oscillations amplifiées dans le circuit collec- teur-base du transistor 30 traversent l'enroulement primaire 42 d'un transformateur 43 qui comprend encore cinq autres enroulements primaires appartenant chacun à l'une des cinq autres touches, L'en- roulement secondaire 44 est connecté à un réseau situé, avec cet enroulement, dans la partie 11 du montage et constitué par des résistances transversales 45 et 46 et par les self-inductions longitudinales 47,48 et les condensateurs transversaux 49,
50 et 51 Le filtre fumé par ces éléments constituas un filtra de coupure qui supprime les harmoniques dordre élevé indésirables pour les six notes prêtées sur le filtre en cause.
La résistance de fermeture 46 de ce filtce est reliée, en série avec les résistances de fermeture 52 et 54 de quatre autres' réseaux dont chacun est commandé par un groupe de six autres tou- ches, à la partie III du montage. Dans cette partie, les oscillation entrantes, après avoir été amplifiées pr un transistor 56, sont ap pliquées à l'enroulement primaire 57 d'un transformateur 58 à d'aux enroulements secondaires 59 et 60 qui agis.sent en push-pull, à l'aide de deux amplificateurs à transistor 61 et 72, sur le haut-par leur de reproduction 63. Celui-ci doit donc fournir 30 sons, de sorte qu'il en faut trois pour couvrir tout le piano comptant 88 touches.
Selon que ces haut-parieurs correspondent à des notes aiguës ou des notes graves, ils peuvent être dimensionés diffé relent en conséquence, afin d'assurur une reproduction aus:;i bonne que possible de toute 1& gamme de fréquence. La distribution la plus
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logique serait de faire reproduire les 30 notes les plus élevées par l'un des haut-parleurs, les trente notes les plus graves par un second et les notes intermédiaires subsistantes par un troisième haut-parleur.
Toutefois, il est préférable de répartir dans la mesu re du possible les notes de combinaisons très fréquentes, par exem- ple des accords, sur plusieurs groupes de touches, ce qui favorise une charge plus régulière des amplificateurs de sortie. !
Dans une variante du montage représenté sur la fig.6, et montrée sur la fig.7, le filtre 21, 26, 27, 28, 29, 30 est remplacé par ceux diodes en série 80 et 81 (par exemple OA 47) dans la branche longitudinale et deux condensateurs 82 et 83 dans les branches latérales, tendisque le filtre est fermé par une résistance 84 La diode 81 assume alors, en ce qui concerne sa ré- sitance d'entrée, la fonction du transistor 30 de la fig. 6, ce qui permet d'omettre ce transistor ainsi que son alimentation flot tante à l'aide du générateur 85 et les éléments de montage carres...
pendants 69 et 70 La earactéristique de coupure de ee filtre à in tensité de signal décroissante est alors beaucoup plus effective, de sorte que le filtre passe-bas 45-51 de la fig.6 peut également être omis. La résistance de sortie 84 (par exemple 2,2 k ohms) est couplée, par l'intermédiaire d'un condensateur de séparation 86, ' à l'entrée d'un transistor 87 (par exemple du type BCZ 11), qui transmet en commun pour un certain nombre de touches, par exemple six, la tension au transistor d'entrée 56 de l'amplificateur basse fréquence.
Afin d'obtenir les effets de son pour imiter d'autres instruments de musique tels que des orgues ou des instruments à vent, on peut insérer des dispositifs à l'aide desquels la tension aux bornes des condensateurs 11 et 32 est maintenue constante et/ou' les oscillations engendrées sont transmises, par l'intermédiaire de réseaux dont la caractéristique de transmission correspond aux for mes caractéristiques de tels instruments de musique. Ces dispositif peuvent s'étendre sur tout le piano ou, au besoin et éventuellement d'une manière commutable, ne couvrir qu'une seule ou plusieurs oc- taves