Spielventil zur Erzielung regulierter An- und Absprache von Orgelpfeifen und ähnlichen Tongebern. Die Kunst geübter Blasinstrumentenspie- ler besteht zum grossen Teil in ihrer Fähig keit, eine schöne Tonansprache zu erzielen. Die Mittel dazu sind: Eine richtige Druckbe messung und die richtige Drucksteigerung beim Ansetzen des Tones.
Wenn man bei mechanisch angeblasenen Blasinstrumenten, wie solche in den Orgel pfeifen und in ähnlichen Tongebern gegeben sind, eine ähnliche Tongebung erreichen will, so müssen die für Bläser geltenden Gesetze bestmöglich auf mechanischem Wege ver wirklicht werden. Dem Orgelspieler steht zum Erklingenlassen einer Pfeife nichts an deres zur Verfügung als das Niederdrücken einer Taste. Bei der mechanischen Traktur, bei der die Taste direkt mit dem Spielventil verbunden ist, kann der Spieler die Tonbil dung in einem gewissen Masse beeinflussen.
Die schwere Spielbarkeit grosser Orgel werke mit mechanischer Traktur hat aber dazu geführt, dass man zwischen Taste und Spielventil pneumatische oder elektrische Apparate einschaltete, welche dem Spieler nur noch das Niederdrücken der Taste über binden, während die eigentliche Arbeit zum Öffnen des Ventils indirekt diesen Appara ten übertragen wird. Dadurch ist zwar auch bei grössten Werken eine beliebig leichte Spielart erzielt worden, aber die der mecha nischen Traktur eigene Beeinflussbarkeit der Tongebung ist dabei verloren gegangen.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Erreichung der klanglichen Vorzüge der direkten mechanischen Traktur durch eine alle Spielerleichterungen bietende indirekte Traktur zu ermöglichen.
Die Erfindung bezweckt, bei dem jeder Pfeife zugeordneten Ventil sowohl den für jede Pfeife günstigsten Aublasedruck, als auch den für jede Pfeife günstigsten Anstieg dieses Druckes zu bewirken.
Die Wirkungsweise der Erfindung ergibt sich am einfachsten aus einer Beschreibung eines Beispiels des Ventils anhand der Fig. 1 bis ss, in welchen eine Ausführungsform mit elektropneumatischer Betätigung dargestellt ist, und zwar stellt Fig. 1 einen Querschnitt des Ventils mit aufgesetzter Pfeife dar.
Fig. 2 ist eine Ansicht von oben mit abge hobener Pfeife und abgehobener Anblase- haube. Fig. 3 endlich zeigt die Anordnung der für die Erfindung wesentlichen Luftein tritts- und der Luftaustrittsöffnungen in den bezw. aus dem Membranraum.
1 bedeutet den Deckel einer kastenförmi- gen Windlade, in welcher stets der Luft druck p herrscht, und auf welcher beliebig viele Pfeifen eines oder mehrerer Register nebeneinander aufgestellt sein können. Das Ventil selber besteht aus einem Ventilsitz körper 2, welcher durch den Ladendeckel 1 hindurchtritt und mit diesem luftdicht ver schraubt ist. Der Ventilsitzkörper 2 besitzt eine Öffnung 3, welche im Ruhezustand durch einen Ventilteller 4 verschlossen ist und welche bei gehobenem Ventilteller Luft aus der Windlade in den durch die Änblase- haube 5 gebildeten Anblaseraum 6 treten lässt.
Von hier gelangt die Luft in den abge brochen gezeichneten Fuss 7 der Pfeife. In den Ventilsitzkörper eingegossen ist ein huf eisenförmiger Magnetkern 8, der durch eine Spule 9 beim Niederdrücken einer Taste magnetisiert wird. Hierbei wird ein in einem Ring 10 angeordnetes Ankerplättchen 11 an gehoben und lässt Druckluft aus der Wind lade durch die seitlichen Öffnungen 12 und 13 in einen Schlitz 14 strömen, welcher durch den Leitring 15 zu einer Öffnung E führt, die ihrerseits mit einer Bohrung 16 der Mein branhaube 17 in Verbindung steht. Der Ring 10, der Leitring 15 und die Membranhaube 17 sind durch Schrauben 18 mit dem Ventil sitzkörper 2 fest verschraubt.
Zwischen dem Leitring 15 und der Membranhaube 17 ist eine leicht auf und ab bewegliche Membrane 19 eingespannt, welche den Membranraum 20 gegen die Windlade abschliesst und welche an den Stellen E, A und 27 Durchgangslöcher für den Steuerwind und die Schrauben 18 aufweist. Die Membranhaube 17 besitzt eine weitere Bohrung 21, mit der die Luftaus trittsöffnung A in Verbindung steht.
Die aus A austretende Luft gelangt durch eine die Membrane 19, den Leitring 15, den Ring 10 und den Ventilsitzkörper 2 durchdringende Bohrung 22 entweder in den Anblaseraum 6 oder aber durch die gestrichelt gezeichnete Seitenbohrung 22a an die freie Atmosphäre, wobei im ersten Fall der Ring 24 durchbohrt, im zweiten Falle aber geschlossen ist. 27 (Fig. 3) sind die Löcher für die Schrau ben 18.
Der Ventilteller 4 ist mit der Membrane 19 durch einen Draht 23 fest verbunden.
Die Wirkungsweise des bis dahin be schriebenen Ventils ist folgende: Im Ruhestand ist der Membranraum 20 drucklos, so dass der in der Windlade herr schende Druck p einerseits öffnend auf den Ventilteller 4 und anderseits schliessend auf die Membrane 19 wirkt. Die Verhältnisse sind dabei so getroffen, dass die Wirkung auf die Membrane nur um soviel grösser ist als auf den Ventilteller, dass das Ventil im Ruhezustand gerade noch geschlossen bleibt. Wird nun die dem Ventil zugeordnete elek trische Taste niedergedrückt, so wird das Ankerplättchen 11, das im Ruhezustand den Schlitz 14 geschlossen hält, angehoben, und die Druckluft aus der Windlade gelangt als Steuerwind durch die Wege 12, 13, 14, E und 16 unter die Membrane 19 in den Raum 20.
Wäre die Austrittsöffnung A nicht vorhan den, so würde im Membranraum 20 der Druck p entstehen, welcher den von oben her auf die Membrane wirkenden Druck gerade das Gleichgewicht halten würde, so dass sich das Ventil unter der Wirkung des Laden druckes p auf den Ventilteller 4 voll öffnen würde. Durch die Austrittsöffnung A tritt aber sofort ein Teil des in den Membranraum 20 eintretenden Steuerwindes wieder aus, so dass im Membranraum 20 nicht der volle La dendruck p, sondern nur der kleinere Druck p, entstehen kann.
Unter der im folgenden stets geltenden Annahme, dass die Bohrung 22 nicht in den Anblaseraum 6, sondern durch die seitliche Bohrung 22a in "die freie Atmosphäre mündet, beträgt die Grösse des Druckes p, im llembranraum 20 wie bekannt:
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worin A die Fläche der Austrittsöffnung und E die Fläche der Eintrittsöffnung für den Steuerwind im Membranraum 20 ist. Der Druck p, entlastet nun zwar die Membrane nicht vollständig vom Drucke p. Dennoch geht das Ventil auf, da ja angenommen wurde, dass nur ein kleiner Schliessüberdruck vorhanden sei.
Sobald aber bei geöffnetem Ventilteller Luft aus der Windlade in den Anblaseraum 6 tritt, so baut sich in diesem Raume ein neuer Druck p2 auf, dessen Grösse ähnlich wie diejenige von p, vom Grössenver- bältnis der Ein- und Auslassöffnungen des Anblaseraumes abhängt. Dieser Druck treibt nicht nur die Luft in den Pfeifenfuss und bringt die Pfeife zum Ertönen, sondern er wirkt gleichzeitig schliessend auf den Ventil teller 4.
Bezeichnet man mit V die wirksame Druckfläche des Ventiltellers 4 und mit M die wirksame Druckfläche der Membrane 20, und gibt man den auf den Ventilteller 4 öff nend wirkenden Drücken positives, den schlie ssend wirkenden Drücken negatives Vorzei chen, so ergibt sich offenbar folgende Gleich gewichtsbedingung:
pY -I- p,M <I>-</I> pM <I>-</I> p=V <I>- 0</I> Wählt man die Ventilabmessungen so, dass V = M wird, so ist p -i- PI <I>- p</I> =P2 oder p2 <I>= p,</I> das heisst der Ventilteller geht bei beliebiger Pfeifengrösse immer gerade so weit auf, dass der Anblasewinddruck p, gleich gross wird wie der Steuerwinddruck p,.
Da aber p, vom ()ffnungsverhältnis abhängig ist, wird auch der Anblasedruck
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p2 durch dieses Ver hältnis bestimmt. Durch entsprechende Be messung von A und E hat man es also in der Hand, den Anblasedruck p.. nach Wunsch einzustellen.
Die Grösse des Druckes p, bestimmt die Klangstärke der Pfeife. Für die Art ihrer Ansprache bildet aber nicht dieser Druck, sondern seine Anstieggeschwindigkeit die massgebende Rolle, und zwar lehrt die Erfah rung, dass bei zu schnellem Druckanstieg die Ansprache unklar, blasig und mit Voraus schickung von Obertönen geschieht, und dass bei zu langsamem Druckanstieg eine matte und erst allmählich auf die richtige Tonhöhe kommende Ansprache resultiert.
Diese Ver hältnisse sind für jede Pfeife und jede Pfei fenart verschieden, so dass eine einwandfreie, klare Ansprache bei jeder Pfeife nur bei einer innerhalb enger Grenzen bestimmten Anstiegsgeschwindigkeit ihres Anblasedruk- kes beim Niederdrücken der Taste erreicht wird.
Diese Beeinflussung der Druckanstiegs- geschwindigkeit lässt sich prinzipiell auf zweierlei Arten verwirklichen, nämlich durch Zwischenschaltung eines verhältnismässig grossen Raumes zwischen Ventil und Pfeife, wie dies bei der bekannten Tonkauzellen- lade der Fall ist, oder durcb eine künstliche Verlangsamung des Ventilaufganges. Die Einschaltung grösserer Räume zwischen Ven til und Pfeife findet praktisch schnell ihre Grenzen.
Dagegen kann die Verlangsamung des Ventilaufganges beliebig weit getrieben werden, sobald die Voraussetzungen dazu gegeben sind, wie dies bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist. Die Tatsache nämlich, dass sich bei Mündung des Kanals 22, 22a in die freie Atmosphäre im Anblaseraum 6 immer genau derselbe Druck einstellt wie im Membran 20, dass also der Druckanstieg im Anblaseraum 6 dem Druckanstieg im Membranraum 20 genau folgt, ermöglicht einen gewollten Druckanstieg im Anblase raum durch Herbeiführung eines entspre chenden Druckanstieges im Membranraum zu erreichen.
Wie gezeigt wurde, hängt der Druck p, bei gegebenen Windladendruck nur von dem 'Offnungsverhältnis
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ab. Ein ge gebenes Verhältnis
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kann aber durch ganz verschieden grosse Werte von A und E er reicht werden, ohne dass p, dadurch beein flusst wird. Dagegen kann offenbar die Füll zeit des Membranraumes 20, das heisst die Zeit vom Niederdrücken der Taste bis zur Erreichung des Enddruckes p1, durch ver hältnisgleiche Verkleinerung von A und E beliebig verlängert werden.
Es genügt also in jedem Falle eine geeignete Bemessung von A und E, um nicht nur den gewünschten Enddruck p1, sondern auch die gewünschte Anstiegsgeschwindigkeit desselben während der Ansprechzeit zu erreichen.
Die Ausbildung der für die volle Klang ausstrahlung einer Pfeife erforderlichen stehenden Welle im Pfeifenrohr bedingt den mehrmaligen Hin- und Hergang der Welle im Pfeifenrohr. Zur Erzielung eines guten Staccatospiels muss also einerseits die Bil dung der richtigen Welle sofort nach dem Niederdrücken der Taste einsetzen, und an derseits muss die Erregung so lange an dauern, bis die stehende Welle gebildet ist.
Der ersten Forderung kommt die Einstellung der richtigen Anstiegsgeschwindigkeit des Anblasedruckes entgegen, indem sich die stehende Welle trotz des verlangsamten Ven tilaufganges rascher bildet als bei zu unge stümem Druckanstieg. Der zweiten Forde rung dient beim dargestellten Beispiel fol gende Einrichtung: Auf dem Ventilkörper 2 ist ein Ring 24 festgeschraubt, welcher beispielsweise drei über den Rand des Ventiltellers 4 vor stehende Lappen 25 aufweist. Diese Lappen haben den Zweck, den Ventilaufgang zum Stillstand zu bringen, sobald der Ventilteller den. Hub 26 zurückgelegt hat.
Dieser Hub 26 wird natürlich in jedem Falle so ein gestellt, dass, immer unter der Annahme der Mündung des Kanals 22, 22a in die freie Atmosphäre, im Anblaseraum 6 der ge wünschte Anblasedruck p2 entsteht. Beim Fehlen des Halteringes 24 würde diesem Druck p, ein gleich grosser Druck p1 im Membranraum entsprechen.
Bei vorhandenem Haltering 24 dagegen kann p, natürlich be liebig grösser gemacht werden, ohne dass p, weiter zunimmt. Wählt man also das Off- nungsverhältnis
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derart, dass p1 grösser wird als zum Anheben des Ventiltellers um den Hub 26 erforderlich wäre, so entsteht im Membranraum ein gewisser Drucküberschuss. Dieser bewirkt, dass nach Loslassen der Taste das Ventil noch so lange voll geöffnet bleibt,
bis der Druck p1 auf den Wert p2 gesunken ist, worauf erst die Schliessung des Ventils beginnt. Offenbar hat man es durch ent sprechende Bemessung von p1, also wieder durch eine geeignete Wahl von A und E, in der Hand, das Ventil nach Loslassen der Taste noch längere oder kürzere Zeit offen zu halten. Es hat sich nun gezeigt, dass die genaue Einhaltung dieses verlängerten Of- fenhaltens eines der wichtigsten Mittel zur Erzielung eines elastischen Anschlages und einer lebendigen Tonbildung bei Orgelpfei fen ist. Beim Fehlen des Halteringes 24 wür den besonders die grossen Pfeifen bei sehr kurzem Staccatospiel überhaupt nicht an sprechen.
Bei zu grossem p, dagegen würde ihr Ton bei jedem Tastenanschlag so lange stehen bleiben, dass eine rasche Repetition unmöglich würde. Praktisch gilt es also, die Haltezeit genau auf den Punkt zu bringen, wo einerseits eine einwandfreie Repetition, anderseits aber eine genügend deutliche Ton abgabe erfolgt.
Wie ersichtlich, genügt wie derum die zweckentsprechende Bemessung von A und E zur Herbeiführung der ge wünschten Verhältnisse, ja noch mehr: Die Nuancierung der Tonansprache kann. so weit getrieben werden, dass beim kürzest mög lichen Tastenanschlag gerade noch ein zwar deutlicher und in der Tonhöhe richtiger, aber in der Stärke, noch nicht völlig ausgebilde ter Ton entsteht, welcher bei allmählich ver längerter Anschlagszeit immer kräftiger wird, bis er schliesslich bei gemässigtem Stac- catospiel voll zur Ausbildung gelangt, ohne dass die Repetition beeinträchtigt wird.
Auf diese Weise wird also die für ein künst lerisches Spiel unerlässliche Lebendigkeit des Anschlages erreicht, wie sie sonst nur der mechanischen Traktur eigen ist. Gegenüber dieser letzteren ergibt sich aber der Vorteil wesentlich grösserer Sicherheit, weil jede Pfeife ihr genau abgestimmtes Ventil be sitzt. Dem Zweck der raschmöglichsten Tonan sprache dient die Ausmündung der Bohrung 22 in den Anblaseraum 6, anstatt, wie bisher angenommen, durch die seitliche Bohrung ?2a in die freie Atmosphäre.
Hierbei ist zu beachten, dass bei strenger Gültigkeit der weiter oben gegebenen Annah men und Berechnungen, nämlich der Gleich setzung von M und Y und der Gleichung p., - p1 diese Anordnung einem Verschluss der Öffnung A gleich käme, da ja zwischen dem Membranraum 20 und dem Anblaseraum 6 gerade wegen der Beziehung p2 = p1 nie ein Druckunterschied herrschen könnte. Infolge dessen müsste sich p, und damit natürlich auch p 2 immer auf den Wert p einstellen.
In Tat und Wahrheit gelten aber obige Voraus setzungen nicht ganz streng, denn erstens macht man 131 um eine Kleinigkeit grösser als Y, um im Ruhezustand einen sicheren Ver schluss der Ventilöffnung 8 durch den Ven tilteller 4 zu gewinnen; zweitens ändert sich die Zugkraft der Membrane 19 auf den Ven tildraht 23 mit der Höhenlage des Angriffs punktes, und zwar in der Weise, dass die Ver tikalkomponente der Zugkraft mit steigen dem Ventilteller grösser wird. Die weiter oben abgeleitete Gleichgewichtsbedingung p@ <I>= p,</I> gilt also nicht ganz streng, sondern bei steigendem Ventilteller werden die Schliesskräfte grösser.
Die Gleichgewichtslage wird also schon bei etwas kleinerem p2 er reicht sein, so dass p#- immer etwas kleiner bleibt als p,. Diese Wirkung wird offenbar noch durch das Gewicht des Ventiltellers und seiner Verbindung mit der Membrane unter stützt. Praktisch besteht also auch bei Aus mündung der Bohrung 22 in den Anblase raum 6 zwischen dem Membranraum 20 und dem Anblaseraum 6 eine Druckdifferenz, so dass die Öffnung A nicht als verschlossen, sondern nur als verkleinert betrachtet wer den kann gegenüber dem Fall, wo der Steuer wind durch den Kanal 22a in die freie At mosphäre austritt.
Damit aber auch im Falle der Ausmündung der Bohrung 22 in den An blaseraum 6 in 20 der gewollte Druck p, ent steht, muss also offenbar auch E entspre- chend der scheinbaren Verkleinerung von A kleiner gemacht werden, immer unter An nahme des Nichtvorhandenseins des An schlagringes 24, 25. Bei Vorhandensein die ses Ringes dagegen kann natürlich E beliebig gross gemacht werden, wodurch p,, nicht aber 19;2 wächst.
Der Druckanstieg im Membran raum 20 ist aber offenbar bei der Ausmün- dung der Bohrung 22 nach dem Anblase raum 6 ein anderer als beim Austritt des Steuerwindes in die freie Atmosphäre, und zwar wird er wegen der scheinbaren Ver kleinerung von A rascher werden, und zwar umso rascher, je grösser der Momentanwert von p2 ist.
Die Wirkung wird also die sein, dass anfänglich, wo p= noch gleich Null ist, der Druckanstieg im Membranraum 20 genau gleich ist, wie wenn der Steuerwind in die freie Atmosphäre austreten würde, mit stei gendem p., aber erfolgt die Drucksteigerung im Raum 20 immer rascher. Es hat sieh ge zeigt, dass sich bei in dieser Weise modifizier tem Druckanstieg der volle Klang der Pfei fen bei 'tadelloser Ansprache am raschesten erzielen lässt.
Ähnlich wie bei der Tonansprache liegen die Verhältnisse bei der Tonabsprache. Ein zu schnelles Schliessen des Ventils ergibt einen harten Tonschluss, ein zu langsames Schliessen dagegen bewirkt ein dem Ohr un angenehmes Herunterziehen des Tones vor dessen Verstummen. Auch zur Erzielung einer einwandfreien Tonabsprache ist also ein bestimmter Verlauf der Druckabfallkurve nötig, wobei es sich zeigt, dass bei den Ver hältnissen, welche für eine gute Ansprache günstig sind, sich auch eine gute Absprache ergibt.
Die Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit des Druckes p, und damit auch des Druckes p, können nicht nur durch die Bemessung von A und E, sondern auch durch die Bemes sung der Räume 20 und 6 beeinflusst werden. Dem Raume 20 wird man eine genügende Grösse geben, damit A und E nicht allzu klein ausfallen. Ferner wird man den Raum 6 so gross machen, dass die aus dem Ventil in diesen einströmende Luft möglichst wir- belfrei in den Pfeifenfuss eintritt.
Die ge zeigte Ausführungsform der Erfindung bie tet also alle nur denkbaren Möglichkeiten zur Herbeiführung einer einwandfreien Tonan- und -absprache und eines ruhigen Tonfort klanges.
Das Merkmal der Erfindung besteht in der Anordnung von zwei gesonderten Öff nungen des Membranraumes, von denen die eine E dem Eintritt, die andere A dem Aus- tritt- der Steuerluft dient, wodurch erreicht werden soll, dass zufolge ihrer absoluten Grö ssen und ihrem Grössenverhältnis sowohl der Enddruck im Membranraum, als auch der Druckverlauf während der Füllzeit jenes Raumes zum voraus bestimmte Grösse bezw. Form annehmen, damit als Folge davon (wie weiter vorn dargelegt) der Druckanstieg und Enddruck auch im Anblaseraum in ge wünschter, vorbestimmter Weise erzielt wer den.
Zu beachten ist, dass dieses Prinzip nur anwendbar ist für die Ventile, welche sich in den Anblaseraum hinein öffnen, denn nur bei diesen Ventilen richtet sich der Druck im Anblaseraum nach dem Druck im Membran raum.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist angenommen, dass A und E zum vornherein auf die Grösse gebracht worden sind, welche für die auf jedem Ventil stehende Pfeife die gewünschten Druck- und Druckverlaufsver- hältnisse ergibt. Es leuchtet aber ein, dass es durchaus im Wesen der Erfindung liegen würde, wenn. man die Öffnungen A und E etwa durch Einbau .von Hahnen mit einstell barer Durchgangsöffnung oder dergleichen regulierbar machen würde, wie dies für Ver suchs- oder Messventile zum Einstellen und Untersuchen von Pfeifen aller Art angezeigt erscheint.
Endlich sei darauf hingewiesen, dass die Anbringung des Halteringes 24 und das Aus strömenlassen des Steuerwindes in den An blaseraum 6 nur Verfeinerungen des oben be schriebenen Erfindungsgedankens darstellen, dass die Erfindung also auch ohne diese be stehen kann.