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Verfahren zur Erhöhung der physiologiseh wahrnehmbaren Lautstärke des von einer Schall- erzeugungs-oder-wiedergabeapparatur gelieferten SehaUbildes.
Die Erhöhung der Lautstärke von Schallquellen, wie etwa von schallerzeugenden oder schallwiedergebenden Apparaten irgendwelcher Art, kann durch Steigerung der schallerzeugenden Energie nur innerhalb gewisser Grenzen durchgeführt werden. Dies beruht darauf, dass die Grösse der im menschlichen Ohr entstehenden Schallempfindung nach dem Weber-Fechnerschen Gesetz nicht der eintreffenden Schallenergie, sondern bloss deren Logarithmus proportional ist. Soll daher etwa die Schallempfindung um zehn Stärkestufen anwachsen, also das Lautstärkeniveau um zirka 10 Phon steigen, so ist eine Verzehnfachung der Schallenergie notwendig ; eine Steigerung um weitere 10 Phon, also im ganzen um 20 Phon, würde jedoch bereits den 100fachen Betrag an Energie erfordern.
Dadurch ist der Erhöhung der akustischen Wirkung auf das menschliche Ohr durch Leistungssteigerung bei der Schallerzeugung sehr bald eine Grenze gesetzt.
Es ist nun eine-wenn auch nicht allgemein bekannte-Erfahrungstatsaehe, dass es Ausnahmen von diesem Gesetz gibt.
Eine solche Ausnahme ist beispielsweise ein Crescendo, bei dem die Stimmenzahl erhöht wird und das dadurch manchmal eine unerwartete Wirkung erreicht.
Die Erfindung beruht auf der Erforschung solcher Ausnahmen des Weber-Fechnerschen Gesetzes und ihrer Eigengesetzmässigkeit. Letztere gestattet eine Auswertung im Sinne der Erhöhung der akustischen Wirksamkeit durch bauliche Massnahmen und Apparate. Die Untersuchungen ergaben das nachstehende Hauptresultat.
Eine Steigerung der physiologisch-akustischen Wirksamkeit, d. h. der Lautstärkeempfindung, gelingt ohne Rücksicht auf das Weber-Fechnersehe Gesetz, wenn ein Klangbild dem Ohr mehrere Male hintereinander in Zeitabständen von solcher Kürze zugeführt wird, dass eine Trennung der einzelnen Klangbilder für das Ohr nicht möglich ist, und wenn überdies die einzelnen Klangbilder untereinander akustisch nicht vollständig identisch sind, sondern verschiedene Klangfarbe oder sonst verschiedene akustische Eigenschaften haben. Das Hinzutreten der letztgenannten Bedingung ist wesentlich. Auch bei gleichzeitiger Aussendung mehrerer zeitlich verschobener Klangbilder gilt noch immer das Weber- Fechnersehe Gesetz, insofern diese Klangbilder völlig identisch sind.
Auch hängt das Ausmass der Erhöhung der Lautstärke von der Grösse der Verschiedenheit der Klangfarbe geradezu ab.
Es ist hiebei zu beachten, dass nur eine Erhöhung der Lautstärkeempfindung eintreten soll. dass also die Abweichung der Klangfarbe der Teilklangbilder nicht etwa so beschaffen sein darf, dass am Schluss ein Klangbild entsteht, das von dem ursprünglichen weit abweicht.
Als zahlenmässiges Beispiel für das mittlere Ausmass des erzielbaren Erfolges sei angeführt. dass ein Klangbild, das zweimal rasch hintereinander und intensitätsgleich, jedoch mit verschiedener Klangfarbe dem Hörer vermittelt wird, eine subjektiv gemessene Schallempfindung gegenüber dem einzelnen Schallvorgang ergibt, die um rund 10 Phon gesteigert ist, während sie nach dem WeberFechnerschen Gesetz bloss um 3 Phon anwachsen sollte. Statt der tatsächlich eingetretenen Energieverdopplung wird demnach dem Ohr ein Eindruck vermittelt, der im Sinne des Weber-Fechnerschen Gesetzes erst bei Verzehnfachung der Schallenergie auftreten würde. Die erwähnten Untersuchungen gelten ganz allgemein, d. h. sie sind in weiten Grenzen unabhängig von der Art des erzeugten Schalles und gelten für Sprache, Musik, Geräusch und sonstige Schallerregungen.
Die Erfindung beruht nun auf der Verwertung der geschilderten Erkenntnis. Sie besteht in einem Verfahren zur Erhöhung der physiologisch wahrnehmbaren Lautstärke des von einer Schall-
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quelle bzw. einer Schallerzeugungs-oder Wiedergabeapparatur gelieferten Schallbildes, welches dem Hörer ein akustisches Gesamtklangbild vermittelt, das eine praktisch unverzerrte Nachbildung des ursprünglichen Schallbildes mit erhöhter Lautstärke ist. Die Erzeugung dieser Nachbildung erfolgt mit Hilfe von mindestens zwei aus dem ursprünglichen Sehallbild abgeleiteten Teilklangbildern, die gegeneinander in so geringem Mass zeitverzögert sind, dass die Trennung für das Ohr nicht möglich ist, und die überdies in bezug auf ihre Klangfarbe voneinander abweichen.
Es ist jedoch hervorzuheben, dass diese Abweichung der Klangfarbe der Teilsehallbilder keine Änderung der Klangfarbe des verstärkt wirkenden Gesamtschallbildes gegenüber dem ursprünglichen Sehallbild hervorrufen darf.
Das Verfahren kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass die Teilbilder Frequenzausschnitte des gesamten Frequenzbereiches bilden. Die Zeitverzögerung zwischen den Teilklangbildern kann auf irgendeine der bekannten Arten erfolgen.
Das Verfahren gestattet eine selektive Sehallverstärkung, d. h. die Heraushebung einzelner Teile eines akustischen Komplexes, so insbesondere die Sonderung der eigentlichen Darbietung von später hinzutretenden Nebengeräuschen und ist daher z. B. bei Radioübertragungen zu einer Herab- drück-ung des Störspiegels verwendbar, vorausgesetzt, dass es in geeigneter Weise, z. B. bei der Beauf- schlagung des Senders, zur Anwendung gebracht wird.
Die Zeichnung zeigt mehrere Beispiele für die Anwendung der Erfindung.
Die Verwirklichung der Erfindung bei einer lichtelektrisehen Apparatur ist in Fig. 1 dargestellt.
Es wurde dabei als Beispiel angenommen, dass eine Tonfilmaufnahme in eine akustische Darbietung umzuwandeln ist. Bei einer solchen Apparatur, bei der also ein bewegter Teil-der Tonfilmstreifen 7- vorhanden ist, erfolgt die Erzeugung einer Mehrzahl, mindestens Zweizahl von Bildern, am besten durch Verwendung mehrerer lichtelektrischer Teile, da dies den Vorteil hat, dass die für die Erfindung erforderliche Zeitverzögerung der Klangbilder gegeneinander durch einfaches Nebeneinandersetzen der Lichtstrahlen, die die lichtelektrische Vorrichtung bedienen, erreichbar ist.
Der Tonfilmstreifen 1 gleitet an mehreren Spalten 2, 8, 4 vorbei, durch die das Licht einer gemeinsamen Lichtquelle 5 hindurchfällt. Das Licht kann durch Prismen J', 5"im Bedarfsfall abgelenkt werden. Jeder der Liehtstrahlen trifft eine Photozelle 6,7, 8 ; die in ihr erzeugten Photoströme werden nunmehr je einer Wiedergabeapparatur 9, 10, 11 zugeführt. Die mittlere Photozelle 7 ist in gewohn- licher Weise an die Wiedergabeapparatur angeschlossen dargestellt, während in dem Weg der Photoströme der beiden Photozellen 6 und 8 die Klangfarbe der Töne ändernde Elemente, z. B. sogenannte Tonblenden 12, frequenzbandändemde Vorrichtungen oder sonstige Siebvorriehtungen eingeschaltet sind.
Alle drei Photozellenspannungen können jedoch auch einer einzigen Apparatur (der Apparatur lux zugeführt werden (strichpunktiert bei 1. 3 angedeutet), die sie in den Raum akustisch ausstrahlt. Die Überlagerung der Klangbilder erfolgt dann bereits im elektrischen Teil der gemeinsamen Apparatur, z. B. im Verstärker 14, welcher das kombinierte Klangbild, das den drei Photozellenspannungen entstammt, verarbeitet.
Fig. 2 stellt ein weiteres Beispiel einer Apparatur dar, bei der eine Schallaufzeichnung auf einen beweglichen Teil stattgefunden hat. Sie zeigt das Schema eines Telegraphons, dessen Hauptbestandteil ein Stahlband 15 ist, das die akustische Aufzeichnung durch Magnetisierung erhalten hat. Das Stahlband 15 läuft an einer Anzahl von Tonabnehmern 16, 17, 18 in Form der üblichen Spulen mit Eisenkern vorüber, die nebeneinander angeordnet sind, derart, dass jeder Punkt des Stahlbandes sie nacheinander passieren muss. Der nötige zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Klangbildern, aus denen das Gesamtklangbild zusammengesetzt werden soll, ist demnach auch hier durch die Hintereinanderanordnung der Abnehmer in der Richtung der Bahn des bewegten Teiles 15 erzielt.
Da jeder der Abnehmer eines Telegraphons mit einem Entzerrungsapparat 19, 19', 19"versehen sein muss, so ist für die durch das Verfahren erforderliche Änderung der Eigenschaften des Klangbildes, insbesondere der Klangfarbe, keine besondere Vorrichtung nötig. Die Änderung erfolgt vielmehr in ganz einfacher Weise dadurch, dass die Entzerrungsvorrichtungen 19, 19', 19"auf verschiedene Entzerrungskurven eingestellt werden.
Die weitere Verarbeitung der zeitlich verschobenen und in der Klangfarbe verschiedenen Tonabnehmerspannungen erfolgt in der gleichen Weise wie in Fig. 1 angedeutet, nämlich durch eine Verstärker-und Wiedergabeapparatur 7C, die das gemeinsame Klangbild ausstrahlt (Leitungen 1.'5), oder durch verschiedene Apparaturen 9, 10, 11, von denen jede ein besonderes Klangbild erzeugt, die sich erst im Raume zu einem Gesamtbild zusammensetzen.
Fig. 3 zeigt die Anwendung des Verfahrens bei der Wiedergabe einer Darbietung eines mechanisch elektrischen Sehallerzeugungsapparates. Die Wiedergabe der Sehallaufzeiehnung erfolgt mittels einer Grammophonplatte 20. Auf der genannten Grammophonplatte befinden sich drei Tonabnehmer 22, 2. 3, 24 mit entsprechenden elektrischen Schalldosen 25, 26,27. Die drei Tonabnehmer sind in die gleiche Rille der Platte 20, jedoch an verschiedenen Stellen eingelegt. Die zeitliche Differenz zwischen den einzelnen Schallbildern ist also auch hier durch die Hintereinanderanordnung der Tonabnehmer in der Bahnrichtung des bewegten Teiles von vornherein gegeben.
Die Klangfarbenänderung erfolgt in gleicher Weise wie in Fig. 1 angedeutet durch Tonblenden 12, 12'oder andere frequenzselektive Siebvorriehtungen, die in jene Leitungen eingebaut sind, welche die zu den Wiedergabevorrichtungen (Verstärker 14, Lautsprecher 9. 10, 11 od. dgl. ) geleiteten Spannungen führen.
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Dort wo es sich nicht um die Wiedergabe einer bewegten Schallaufzeichnung handelt, sondern um Verstärkung einer Originalschallquelle beliebiger Art, muss die Zeitverzögerung der einzelnen Klangbilder natürlich auf andere Art erfolgen als gemäss Fig. 1-3.
Fig. 4 zeigt eine Anwendung des Verfahrens, bei der die an einer Stelle 80 erfolgende Darbietung durch elektrische oder mechanische Apparate vermittelt wird. Die zur Steigerung der akustischen Wirksamkeit erforderliche Erzeugung von mehreren Klangbildern erfolgt hier durch Verwendung einer Mehrzahl von Aufnahmeapparaten H,. 32,. 3. 3, die in verschiedener Entfernung von der Schallquelle 30, deren Darbietung vermittelt werden soll, angeordnet werden.
Die verschiedenen Längen der Schallstrahlen x, ss, y zwischen Schallquelle. 30 und Aufnahme- apparat 81, 82, 8. 3, bewirkt hier die Zeitverzögerung der Klangbilder, die das verstärkte Klangbild zusammensetzen. In einigen der Wiedergabeapparate ist eine Tonblende-M,. 3J oder eine sonstige, die Klangfarbenänderung bewirkende Vorrichtung eingebaut. Die Gesamtdarbietung kann in derselben Weise wie bei Fig. 1 auf einen Apparat oder auch auf mehrere Wiedergabeapparate übertragen werden.
Liegt bereits ein elektrisch umgeformtes Klangbild vor, so kann die Erzeugung von mehrfachen Klangbildern auch innerhalb der gewöhnlich erforderlichen Verstärkervorrichtung nach einer entsprechenden Vorverstärkung erfolgen. Beispielsweise kann man bei einem Radioempfänger, auf den das Verfahren Anwendung finden soll, die Schallbildtrennung in den Niederfrequenzteil verlegen oder die Zerlegung in Einzelklangbilder nach der Endstufe vornehmen.
Die Fig. 5 zeigt ein derartiges Beispiel, wobei 50 und 51 die Klemmen sind, an denen jene elektrisehe Spannung liegt, die durch Umformung einer Schallwiedergabe entstanden ist. Von diesen
Klemmen zweigen zwei getrennte elektrische Wege 52 und 53 ab. In den einen derselben ist ein elektrisches Siebglied 54 eingeschaltet, das die entsprechende Zeitverzögerung und Klangfarbe- änderung bewirkt. Hiezu können beispielsweise die aus der Fernmeldetechnik bekannten sogenannten
Kreuzglieder herangezogen werden.
Es liegen dann zwei Spannungen vor, die zwei zeitverzögerten und in der Klangfarbe geänderten Tonbildern entsprechen ; diese können dann leicht einem einzigen
Umwandlungsapparat (Lautsprecher) oder mehreren solchen zwecks gemeinsamer Wiedergabe, in der gleichen Weise wie in Fig. 1-3 angedeutet, zugeführt werden.
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andern Apparat ersetzt werden kann, der Schallwellen in elektrische Spannungen umwandelt.
Der Tonabnehmer 61 führt hier-gegebenenfalls nach erfolgter Vorverstärkung im Ver- stärker 67-die Spannungen zu den beiden Klemmen 62, 6. 1, von denen zweierlei Wege abzweigen. in denen durch sogenannte elektrische Weichen die Schwingungen verschiedener Frequenzgruppen geführt werden. Die Weiche 64 lässt beispielsweise nur Schwingungen höherer, die Weiche 6.) nur Schwingungen niederer Frequenz durch, so dass also zwei verschiedene Schwingungsgruppen entstehen, die Teilklangbildern entsprechen. Diese sind ihrer Natur nach verschieden. Eine der Gruppen wird
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und diese Gruppe erleidet dadurch eine Zeitverzögerung, so dass die beiden Sehwingungsgruppen nunmehr zeitverschobenen und klangfarbeverschiedenen Schallschwingungen entsprechen.
Jetzt kann wieder ihre Zusammensetzung zu einem Gesamtschallbild erfolgen, was entweder vor dem gemeinsamen Verstärker und Lautsprecher oder in getrennten Verstärkern 70 und Lautspreehern 71 durch- geführt werden kann.
Ferner kann das Verfahren dazu benutzt werden, um die bezüglich der Verstärkerapparatur derzeit entstehenden Schwierigkeiten dort zu beseitigen, wo etwa die Entzerrung der gewöhnlich stark eingeengten Intensitätsdynamik von Tonkonserven oder eine entzerrte Wiedergabe von durch mechanische oder elektrische Vorrichtungen hindurchgegangenen Darbietungen in Betracht kommt. Bei grösseren Kinoanlagen ist nämlich derzeit eine solche Apparatur kaum ausführbar. Durch das vorliegende Verfahren ist jedoch eine Entzerrung der Intensitätsdynamik ohne Schwierigkeiten erreichbar.
Ganz besondere Vorteile sichert das Verfahren jedoch dort, wo etwa das Hervorheben eines bestimmten Klangbildes oder die relative Absenkung eines Störspiegels in Betracht kommt, wie etwa bei der Steigerung der akustischen Wirksamkeit jener Darbietungen, die auf dem drahtlosen Wege ausgestrahlt werden. Die relative Senkung des Störspiegels wird dadurch erreicht, dass man die Herstellung der einzelnen zeitverzögerten und in der Klangfarbe geänderten Klangbilder am Eingang der betreffenden Apparatur vornimmt. Durch diese örtliche Wahl erzielt man, dass der Störspiegel durch das erfindungsgemässe Verfahren nicht mit erfasst wird und dass somit die Störungen keine Lautstärkesteigerung erfahren.
Wenn man also die Zerlegung der akustischen Darbietung und die Übereinanderlagerung der zeitlich verzögerten und untereinander etwas verschiedenen Klangbilder bei der Senderbeaufsehlagung durchführt, dann wird der gesamte Störspiegel des Senders, der Atmosphäre, des Empfangsortes und des Empfängers gänzlich unverändert bleiben, während tatsächlich der Eindruck entsteht, dass die akustische Darbietung wesentlich energiereicher erfolgt. Das Verhältnis zwischen Störspiegel und akustischer Darbietung ist somit zugunsten der Letzteren stark geändert, und der Sender verhält sich
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so, als ob er wesentlich leistungsfähiger wäre.
Erst wenn diese scheinbare Leistungssteigerung für eine Vergrösserung der Reichweite ausgenutzt wird, geht für jene Orte, die ausserhalb der bisher erreich- baren Zone liegen, das günstige Verhältnis allmählich wieder verloren.
Selbstverständlich lässt sich das beschriebene Verfahren auch bei Radioempfängern anwenden, 'wobei allerdings der Vorteil der Störungsverminderung nicht mehr in Erscheinung tritt, doch kann man in diesem Fall mit relativ geringen Verstärkungen und kleineren Endstufen bzw. Lautsprechern auskommen als bisher.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erhöhung der physiologisch wahrnehmbaren Lautstärke des von einer Schall- erzeugungs-oder Sehallwiedergabeapparatur gelieferten Schallbildes, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise gegeneinander zeitverzögerte und klangfarbegeänderte Einzelschallbilder hergestellt und wieder zusammengesetzt werden, wobei das Ausmass dieser Verzögerung und Klangfarbe- änderung so gewählt ist, dass der Eindruck einer frequenzgetreuen, gleichzeitig aber auch wesentlich verstärkten Wiedergabe entsteht.