Elektrotechnisches Ersatzschaltbild und SPICE-Simulation des Systems „Musiker spielt Trompete“. Die Lippe als verlustbehaftete Übertragungsleitung, Abstract in: Tagungsband der 52. Jahrestagung der ÖPG in Leoben, ÖPG, Sept. 2002, p12.

Um realistische Aussagen zu Intonation, Ansprache und Klang eines Blechblasinstruments machen zu können, ist es wichtig, den Mechanismus der Klangerzeugung zu verstehen. Vorarbeiten von Ayers, Campbell et.al. zeigten, daß es auf der Lippenoberfläche zu multimodaler Wellenausbreitung kommt, die samt ihrer nicht-linearen Kopplung mit dem Luftstrom durch herkömmlichen Feder-Masse-Modelle nicht beschrieben werden kann. 
Das vorgestellte Modell berücksichtigt die verteilte Natur der Lippen im Ersatzschaltbild als verlustbehaftete Übertragungsleitung, in der es zu einer Reihe von stehenden Wellen kommen kann, deren Frequenzen der Musiker mit der Lippenspannung verändern kann. Die Eingangsadmittanz des Lippenmodells gibt den Zusammenhang zwischen Bernoullikraft und Schnelle der Lippenbewegung quer zum Luftstrom durch den Lippenspalt. Fundamentale Erhaltungssätze liefern die Zusammenhänge zwischen Druckabfällen und Volumsgeschwindigkeit, die im Ersatzschaltbild als nichtlineare, gesteuerte Spannungsquellen modelliert werden. 
Das Modell berücksichtigt die Lunge des Bläsers, seine Luftröhre, den Rachenraum, die schwingenden Lippen und das Instrument samt Mundstück. Das ganze Ersatzschaltbild wurde mit einer aktuellen SPICE-Variante im Zeit- und Frequenzbereich untersucht. Die Simulationsergebnisse zeigen den Zusammenhang zwischen Lippenspannung und den erklingenden Naturtönen des Instruments, den Einfluß des Luftdrucks in der Mundhöhle auf die Tonhöhe und den Modenwechsel bei Spieldruckveränderungen ("kieksen").

Kausel, Wilfried. Bore reconstruction from measured acoustical input impedance; equipment, signal processing, algorithms and prerequisites (I). Stanzial, Domenico (Hg). in: Proceedings of ISMA '2001 (International Symposium on Musical Acoustics). Nr. Vol.2. Perugia: Musical and Architectural Acoustics Lab. FSSG-CNR Venezia, 2001. S.373-378.

Bore reconstruction of brass wind instruments has successfully been achieved in the past based on time domain measurements with a non reflecting sound source (pulse reflectometry). The reflecting sound source, which usually terminates the instrument's front end during a steady state input impedance measurement makes it difficult to numerically calculate the pressure pulse response, which is required as an input to the reconstruction algorithm. Although this forward algorithm is efficient and elegant, it tends to accumulate any errors instead of averaging it. On the other hand transmission line modeling using conical elements and taking viscothermal losses into account, allows for accurate calculation of complex input impedance curves from any known duct geometry. Computer optimization is proposed as a means to reconstruct a geometry by matching a measured input impedance curve with a calculated one. Reconstruction results of accurately known geometries are presented and discussed. The brass instrument analysis system BIAS, which is used to measure acoustical input impedance curves accurately enough in order to serve as a starting point for a bore reconstruction, is presented. Measured and theoretical input impedance magnitudes and phases are compared for reference ducts. Weaknesses of the transmission line model and their effect on the reconstruction accuracy are discussed and possibilities for future improvements are indicated.

Widholm, Gregor; Bertsch, Matthias; Kausel, Wilfried; Linortner, Renate. Silver, gold, platinum - and the sound of the flute. Stanzial, Domenico (Hg). in: Proceedings of ISMA '2001 (International Symposium on Musical Acoustics). Nr. Vol.2. Perugia: Musical and Architectural Acoustics Lab. FSSG-CNR Venezia, 2001. S.277-280.

The discussion on the influence of the material of wind instruments on the sound color is unending. While acousticians speak mostly of a negligible influence, players are convinced that the material highly influences the color of the radiated sound. This paper reports on experiments done with 7 different flute materials and 110 testpersons, where the price of the instruments is between € 3,000.- and € 73,000.- (!). Double blind tests and statistical analysis showed players‘ and listeners´stereotyped ideas on that matter and the non-recognizability of the used material. Sound analysis pointed out big differences in the sound level and sound color of played tones caused by the player and just measurable but not perceivable differences (< 0,5 dB) in sound color caused by the material.

Kausel, Wilfried. A computer system for acoustical input admittance measurements of violins giving clues for the prediction of sound characteristics. Alippi, Adriano (Hg). in: Proceedings of ICA '2001 (17th International Congress on Acoustics in Rome). CD [ISBN 88-88387-03-X], 2001. Vol IV - Section Music - Session Physical Modelling.

The new, portable violin instrument analysis system (VIAS) offers a variety of different graphical representations of the measured resonance spectrum of an instrument which are related to its sound characteristics. For that purpose, the violin's bridge is set vibrating by an electro-mechanical transmitter, applying a sinusoidal sound pressure signal close to the edge of the bridge. With a laser-optical sensor the actual displacement of the contact point is measured as a function of frequency. Phase information is used to separate the active component contributing to the radiated sound energy from the idle component. Pictorial representations of the resonance spectrum are generated, assuming stimulation of the measured resonator by the saw-tooth like signal of a bowed string. The synthetic sound spectra are plotted against the chromatic scale and are made audible using the computer's soundcard. Results have been correlated with transmission curves taken in the echoic chamber. Eliminating the measured resonance profile from a recording of a violin played by an expert player, a "violin-neutral" recording is obtained and the resonance profile of a different instrument can be superimposed. This way, resonator characteristics can be compared objectively and luthiers can get valuable hints during the manufacturing process.

Widholm, Gregor; Anglmayer, Paul; Kausel, Wilfried. Open and muted brasses, what happens inside the instrument?. Alippi, Adriano (Hg). in: Proceedings of ICA '2001 (17th International Congress on Acoustics in Rome). CD [ISBN 88-88387-03-X], 2001. Vol IV - Section Music - Session Wind Instruments.

Kausel, Wilfried. Optimization of brasswind instruments and its application in bore reconstruction. in: Proceedings of the 36^th Czech Acoustic Conference [Kouty]. Prag: CVUT, 2000 [ISBN 80-01-02179-3]. S.: 48-53.

A program for computer optimisation of brass-wind instruments is presented and examples for its application are shown. Desired properties, which are specified in musical terms like intonation, response and pitch variability are compared with calculated values based on an instrument’s actual geometry. The computer then purposefully modifies the instrument’s geometry, taking user specified constraints into account, in order to meet the target. Computer optimisation as a means to solve the ‘inverse problem’ is proposed. Successful bore reconstruction of a ‘virtual’ trumpet proves the feasibility of this concept. A reconstruction of a simple structure from real measurements is promising, but makes clear that accurate impedance measurements and loss models are required.

Kausel, Wilfried. Computer optimization of brasswind instruments. in: Proceedings of the Diderot Forum on Mathematics and Music [Joint meeting in Wien/Paris/Lissabonn]. Wien: ÖCG [http://www.ocg.at], 1999 [ISBN 3-85403-133-5]. S.: 227-242.

Computer optimisation can be applied to musical instruments, if computers can predict desired properties – mostly specified in musical terms – based on the instrument’s geometry. Characteristics of brass-wind instruments, instrument makers often would like to control and improve, are e.g. intonation, response, pitch variability, sound timbre and efficiency.

Scientists agree, that these characteristics are strongly related to the instrument’s acoustical input impedance resp. transmission function, but often exact mathematical expressions cannot be given or matching between subjective judgements of professional players and corresponding computer predictions cannot be achieved. Subjective intonation, for example, does not match the one derived from measured or calculated input impedance, unless correct assumptions about the player’s excitation spectrum are made and taken into account.

Another key to successful computer optimisation is an appropriate representation of the instrument’s geometry which allows co-optimisation of several different playing conditions (e.g. valve combinations) and which is strongly related to the implemented optimisation strategy. Some optimisation algorithms are especially sensitive to data structures which do not by definition exclude the representation of meaningless or impossible geometric shapes.

This work describes a successful approach to computer optimisation of brass instruments. Methods and recent experiences are discussed and results of practical examples are presented.

Kausel, Wilfried. An Optimised Architecture for a Sigma-Delta-based Multi-Channel Codec & Filter Device. Dissertation. Wien: Technische Universität, Fakultät f. Elektrotechnik, 1999.

Diese Arbeit befaßt sich mit der Entwicklung eines kostengünstigen Vierkanal-Codecs, der vier herkömmliche Einkanal-Codecs in verschiedensten Applikationen ersetzen kann. Der neue Baustein wurde für einen modernen 0.72 µm CMOS Prozeß mit zwei Metallisierungsebenen konzipiert. Alle internationalen Normen für derartige Bausteine mußten eingehalten und ehrgeizige Ziele, betreffend Chipgröße, Testzeit und Ausbeute, sollten erreicht werden. Die Vorgaben wurden von der Konkurrenzsituation und vom Markt diktiert und waren im Rahmen einer vorangegangenen Machbarkeitsstudie erarbeitet worden.

Der Entwurfsvorgang als auch die Entwurfsmethodik eines modernen, gemischt analogen und digitalen CMOS Schaltkreises mit Sigma-Delta-Wandlern und digitaler Signalverarbeitung werden ausführlich behandelt. Darüber hinaus werden Lösungswege aufgezeigt, die neu sind oder die deutliche Verbesserungen bekannter Lösungen darstellen, wie überhaupt das Thema „Optimierung“ sich durch die ganze Arbeit zieht.

In Teil 1 werden die Rahmenbedingungen einer derartigen Entwicklung diskutiert, verfügbare Schaltkreise mit ähnlicher Funktion verglichen, die Marktsituation vorgestellt und Entwicklungsziele formuliert.

Teil 2 befaßt sich mit den theoretischen Grundlagen von Abtastsystemen, Sigma-Delta-Wandlern, Digitalfiltern und Quantisierungsverfahren. Auf möglichst leicht verständliche Weise werden die Funktionsblöcke und ihre Analyseverfahren vorgestellt, die im gegenständlichen Schaltkreis oder bei dessen Entwurf Verwendung fanden oder in Betracht gezogen wurden.

Teil 3 stellt mögliche Entwurfsverfahren vor und erläutert die Konzepte, die der Arbeit zugrunde gelegt wurden. Alternative Lösungsvarianten werden verglichen und bewertet. Entwurfs- und Verifikationsmethoden werden vorgestellt und ihre Probleme aufgezeigt. Das verwendete Optimierungsverfahren für die Filterblöcke wird erläutert.

Teil 4 beschreibt die Architektur des Schaltkreises, der schließlich erfolgreich in die Fertigung übernommen wurde. Block für Block wird die Funktion anhand von Schaltbildern und Signalflußdiagrammen erläutert und Ergebnisse von Analysen und Simulationen vorgestellt.

Es wird eine neue, verbesserte Variante des „dynamic element matching (DWA)“ Verfahrens für Multibit-Sigma-Delta-D/A-Wandler vorgeschlagen, die eine ausgezeichnete Genauigkeit der absoluten Verstärkung bei verhältnismäßig kleinen Einheitskondensatoren besitzt, zusätzlich zu den guten Linearitätseigenschaften bekannter Lösungen.

Ein origineller Vorschlag für die Interpretation der Bitsequenz eines Sigma-Delta-Modulators in Verbindung mit einer einfachen, dem „Dithering“ ähnlichen Maßnahme, erlaubt eine Flächeneinsparung einer typischen „Comb“-Dezimatorstufe zweiter Ordnung von über 12%.

Zwei eigene Kapitel befassen sich mit dem Aufbau des Signalprozessorkernes, der zu einem Digitalfilter-Automaten geschrumpft ist sowie der Testbarkeit der ganzen Schaltung.

Teil 5 widmet sich den vorhandenen Publikationen zum Thema, geht kurz auf deren Inhalt ein und ordnet sie Kategorien zu. Vorgeschlagene Lösungen werden verglichen und mit Anmerkungen versehen.

Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein überaus kostengünstiger Schaltkreis, der sich derzeit in Produktion befindet. Sowohl Chipgröße (<20 mm2, alle digitalen Standardzellen ohne Verdrahtung zusammen ca.2.5 mm2) als auch Testzeiten (<1 s, derzeit gibt man 15 s für einen Einzelkanal an!) liegen weit günstiger als bei allen Vorgängerschaltkreisen.

This document deals with the development of a price efficient four-channel Codec which is compatible with existing single channel Codec devices using a state of the art 0.72 µm double-poly double-metal CMOS process. The new device should meet all international performance standards, has a very ambitious silicon area target and should allow high yields at very low testing cost. The design targets have been defined by marketing requirements and have been dealt with in an initial feasibility study. It became clear that these requirements can be met only by minimising the analogue content and by making extensive use of digital signal processing and noise shaping converters.

The main initial question was, if a signal processing digital core already creates so much overhead that an efficient low-end, optimised feature Codec cannot be feasible. Chip manufacturers who have used digital signal processing in their Codecs have made excessive use of the signal processing capabilities of a DSP core and have built in a maximum of features, flexibility and programmability ending up with an expensive high-end device which is far too sophisticated for simple applications.

The initial study showed that by reducing the signal processing core to a highly optimised digital filter engine and by careful selection of filter structures which are well suited for a most efficient silicon implementation all project goals can be satisfactorily met. Because of the small analogue content which is inherent to the concept much shorter testing times can be achieved. It was estimated that a Quad will not test longer rather much shorter than a current single channel Codec device in switched capacitor (SC) technology.

This paper describes the complete architecture of the targeted device, shows a most efficient way to implement the circuit on the register transfer level (RTL) and describes the work from VHDL RTL description to actual silicon layout. Analysis is presented which was the base for all design decisions and simulation results are compared with actual measurement results of the manufactured device. Testing issues will be discussed and alternative design options will be outlined.

A new solution for dynamic element matching in a multibit D/A converter is presented  which has excellent absolute gain accuracy with relatively small unit capacitors in addition to the good linearity properties of known circuits.

A new way to interpret the ΣΔ modulator bit stream in conjunction with a simple dithering allows to reduce the size of a typical 2^nd order decimating comb stage by about 12%.

The results of this attempt to design a most efficient and competitive device are discussed. It was not only possible to end up with a total device size of 20 mm² (the digital part having 2.5 mm² pure gate area without routing) which is about the size of a typical single channel device, but also to reduce testing time from about 15 sec for a typical analogue single channel device to about 1 sec for the new quad channel device.

Kausel, Wilfried; Anglmayer, Paul; Widholm, Gregor. A computer program for optimization of brass instruments; Part I; Concept, implementation. in Collected Papers of the Forum Acusticum [Joint meeting of ASA+EAA+DEGA, Berlin], CD-Rom. Oldenburg: Dega, 1999[e-mail: dega@aku.physik.uni-oldenburg.de].

Computer optimization is used to improve characteristics of real world systems. Different strategies are known and have successfully been applied in areas like filter design, circuit synthesis, layout etc. Common to all optimization methods is the need for mathematical models and target functions evaluating to a single number reflecting the sum of all deficiencies depending of variables to be varied.

In a brass instrument optimizer these variables are representing physical dimensions which later on can be changed by the instrument maker (e.g. by inserting sleeves or modifying the bore). In the target function differences between actual and desired characteristics like intonation or responsiveness are calculated, weighted and added. Because these characteristics can only be derived from the instrument’s calculated input impedance physical modeling is required.

Systematically and algorithmically the optimizer approaches the best possible instrument step by step varying optimization variables. It is directed by the result and tendency of the target function which is evaluated after each step.

The brass instrument optimization program introduced here makes computer optimization available for musical instrument manufacturers. Much expert knowledge like defining target functions, specifying optimization variables and modeling instruments are hidden from the user making the tool easy enough to work with.

Anglmayer, Paul; Kausel, Wilfried; Widholm, Gregor. A computer program for optimization of brass instruments; Part II; Applications, practical examples. in Collected Papers of the Forum Acusticum [Joint meeting of ASA+EAA+DEGA, Berlin], CD-Rom. Oldenburg: Dega, 1999[e-mail: dega@aku.physik.uni-oldenburg.de].

The brass instrument optimization program presented in part I has been used in a variety of practical cases demonstrating its power for the improvement of existing brass instruments.

In the first and possibly most difficult step bore lists describing the instrument’s geometry have to be obtained. Sometimes data can be imported directly from a CAD system otherwise mechanical measurements must be done. Next the dimensions which are to be varied by the program have to be specified. Constraints can be defined. Specific parametric modification rules representing typical working steps of instrument makers (inserting sleeves, narrowing and widening of certain areas) can be applied. Finally optimization targets have to be defined. Any combination of intonation,  impedance magnitude matching, shape or envelope goals in user defined frequency intervals is possible. The optimizer will search for the best possible compromise. During the optimization run all activities can be observed on screen and target parameters can be adjusted dynamically.

In practical examples real instruments have been optimized and the proposed modifications have been performed by an instrument maker. Measurements and evaluation results made before and after the modifications have been compared. It was shown that the actual performance improvement matches well the predicted one.

Kausel, Wilfried; Anglmayer, Paul. Numerische Optimierung der akustischen Eigenschaften von Blech­blas­instru­men­ten. Kurzfassung. in: Bericht über die Jahrestagung 1998 des Fachausschusses für Akustik der ÖPG gemeinsam mit der AAA/ÖGA. Graz: ÖPG, 1998, online: http://www.kfs.oeaw.ac.at/opgak/oepgakfa98.htm.

Wesentliche Eigenschaften von Blechblasinstrumenten wie Intonation, Ansprache und Modulierbarkeit werden hauptsächlich durch den Verlauf ihrer akustischen Eingangsimpedanz bestimmt. Brauchbare physikalische Modelle erlauben heute die Simulation von Eingangsimpedanzkurven am Computer, wenn der Mensurverlauf, also der Verlauf der offenen Querschnittsfläche des Instruments über seiner Länge, bekannt ist. Für die akustische Abschlußimpedanz des offenen Schalltrichters, die ebenfalls in die Berechnung der Eingangsimpedanz eingeht, existieren plausible Näherungen. Die Resonanzfrequenzen des Instrumentes, die im wesentlichen die spielbaren Töne bestimmen, treten im Impedanzspektrum als Nullstellen der Phase auf. Diese Frequenzen gehen in die Intonation ein, die Resonanzgüten in Ansprache und Modulierbarkeit. Gewünschte Eigenschaften können in einer Zielfunktion zusammengefaßt werden, die vom Optimierungsprogramm als Beurteilungskriterium herangezogen wird. Durch gezieltes Variieren von Mensurparametern nähert sich der Computer erwünschten Eigenschaften, sofern die Bearbeitungsfreiheitsgrade dies zulassen. Der Rosenbrock-Algorithmus ist als Verfahren nullter Ordnung ausreichend stabil, um auch komplexe Zielfunktionen konvergieren zu lassen. Darüberhinaus bietet er Vorteile von Verfahren höherer Ordnung.

Haberl, Friedrich; Kausel, Wilfried; Mayer, Alexander. Eingangsadmittanzmessung an Streichinstrumenten. Kurzfassung. in: Bericht über die Jahrestagung 1998 des Fachausschusses für Akustik der ÖPG gemeinsam mit der AAA/ÖGA. Graz: ÖPG, 1998, online: http://www.kfs.oeaw.ac.at/opgak/oepgakfa98.htm.

Um Qualität sowie Eigenart von Streichinstrumenten zu vergleichen, werden häufig Übertragungsfunktionen gemessen. Der Steg des Instrumentes wird in Schwingungen versetzt, während das vom Instrument abgestrahlte Schallspektrum aufgezeichnet wird. Diese Meßmethode ist empfindlich auf äußere Einflüsse. Einigermaßen reproduzierbare Ergebnisse erfordern einen schalltoten Raum entsprechender Größe und Güte, was für den Instrumentenbauer teuer und entsprechend ausgestatteten Labors vorbehalten ist. Wertvolle, hochinteressante Violinen entziehen sich der Erfassung, wenn sie von ihrem Aufbewahrungsort nicht entfernt werden dürfen. Ähnlich viel Aufschluß über Eigenart und Qualität gibt die Eingangsadmittanz. Diese Meßgröße erhält man, indem bei allen Frequenzen die oszillierende Kraft des schwingenden Erregers mit der Schnelle seiner Auslenkung in Beziehung gesetzt wird. Sie stellt ein Maß für den Widerstand dar, den der in Schwingung versetzte Steg der Geige seinem Erreger entgegensetzt. Im Resonanzfall ist dieser Widerstand klein, die Admittanz daher hoch. Auslenkungen lassen sich laseroptisch messen. Ein derartiges Meßsystem ist transportabel und unempfindlich auf äußere Einflüsse.

Pommer, Heinrich; Kerö, Nikolaus; Kausel, Wilfried. Ein skalierbarer µController für die digitale Signal­ver­ar­beitung. in: Tagungsband der TMÖ-Fachtagung Austrochip ´98. Wr. Neustadt: TMÖ [Technologieverbund Mikroelektronik Österreich], 1998 [ISBN 3-901578-03-X]. S.: 111-114.

Diese Arbeit präsentiert einen skalierbaren µController für die digitale Signal­verarbeitung von Sensoren­ im Automobilbereich. Es wird gezeigt, weshalb die Ent­wicklung eines spezialiserten Prozessors unter den gegebenen Randbe­dingungen der Verwendung herkömmlicher Prozessorkerne vorzuziehen war. Es wird der Entwurfsablauf von der Spezifikation über die Systemverifikation bis hin zur Im­plementierung beschrieben.

Nachtnebel, Herbert; Kerö, Nikolaus; Kausel, Wilfried. TAP – Ein universell einsetzbares Analysewerkzeug für den Entwurf digitaler Signalprozessoren. in: Tagungsband der TMÖ-Fachtagung Austrochip ´98. Wr. Neustadt: TMÖ [Technologieverbund Mikroelektronik Österreich], 1998 [ISBN 3-901578-03-X]. S.: 105-110.

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines universell einsetzbaren CAD-Werkzeugs zur Analyse und Verifikation von digitalen Signalprozessoren. Bei der Entwicklung der Transfer Analysis Package wurde besonderes Augenmerk auf den modularen Aufbau sowie die möglichst einfache Einbindung von unter­schied­lichen Digitalsimulatoren gelegt. Es stehen Programme zur Signalgenerierung, zur Datenkonversion sowie zur digitalen Datenanalyse im Zeit und Frequenz­bereich zur Verfügung. Der Einsatz von TAP in der Entwicklung von Signal­prozessoren wird an zwei Beispielen kurz beschrieben.

Vorträge

Kausel, Wilfried. Bore reconstruction from measured acoustical input impedance; equipment, signal processing, algorithms and prerequisites (Invited paper). ISMA '2001, Perugia.

Kausel, Wilfried. A computer system for acoustical input admittance measurements of violins giving clues for the prediction of sound characteristics. 17th ICA '2001, Rome.

Kausel, Wilfried. Optimization of brasswind instruments and its application in bore reconstruction (Invited paper). 36^th Czech Acoustic Conference '2000, Kouty.

Kausel, Wilfried. Computer optimization of brasswind instruments. The Diderot Forum on Mathematics and Music  '1999 [Joint meeting in Wien/Paris/Lissabonn], Wien

Kausel, Wilfried; Anglmayer, Paul; Widholm, Gregor. A computer program for optimization of brass instruments; Part I; Concept, implementation. Forum Acusticum '1999 [Joint meeting of ASA+EAA+DEGA], Berlin.

Kausel, Wilfried; Anglmayer, Paul. Numerische Optimierung der akustischen Eigenschaften von Blech­blas­instru­men­ten. Jahrestagung  des Fachausschusses für Akustik der ÖPG gemeinsam mit der AAA/ÖGA '1998, Graz

Kausel, Wilfried; Widholm, Gregor; Bertsch, Matthias; Anglmayer, Paul. Seminar für Blechblasinstrumentenbauer, Nov. 1999, Wien (SM@RT)

Kausel, Wilfried; Zopf, Simone; Brown, Andrew. Hi-Tech im Geigenbau, März 2000, Wien (SM@RT)

Kausel, Wilfried; Widholm, Gregor. Diagnose und Therapie für Blechblasinstrumente, Mai 2000, Wien (SM@RT)

Kausel, Wilfried; Widholm, Gregor; Bertsch, Matthias. Seminar für Blechblasinstrumentenbauer, Nov. 2000, Wien (SM@RT)

Kausel, Wilfried; Zopf, Simone; Brown, Andrew. Virtuelle Geige, März 2001, Wien (SM@RT)