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Einrichtung zur Erzeugung von künstlichen# NachhaJ1 Bei Schallaufnahmen
im Rundfunk und Fernsehen, für Filme und Schallplatten und bei elektronischer Musik
wird häufig fehlender Nachhall zugernischt bzw. vorhandener Nachhall vergrößert.
Dazu wird in den meisten Fällen der elektroakustisch aufgenommene primäre Schallvorgang
nach Verstärkung in einem Hallraum mit großer Nachhallzeit abgestrahlt. mit dIern
Nachhali versehen wieder aufgenommen und mit dem gewünschten Pegelunterschied dem
primären Schallvorgang, also dem direkten Schall, zugefügt oder statt dessen weitergeleitet.
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Der bekannte Hallraum hat folgende Nachteile: 1. Bei einem
erforderlichen Volumen von 60 bis 150 m3 ist er ziemlich teuer, vor
aflern, wenn er im Interesse der meistens erforderlichen hohen Schalldämmung allseitig
doppelschalig mit Körperschallisolierung gebaiut ist.
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2. Damit der für hochwertige Aufnahmen eriorderliclw konsta#nte oder
nur wenig abfallende Pegel im diffusen Scha,11,feld auch bei hohen Frequenzen vorhanden
ist, muß eine ziemlich teure Lautsprecherkombination, die aus vielen, in verschiedene
Richtungen strahlenden Einzelsystemen und einem elektrischen Entzerrer besteht,
neben einem größeren Kraftv-erstärker vorhanden sein.
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3. Die Nachha117eit eines Hallraumes ist nur mit ziemlichem
Aufwand und nicht in kurzer Zeit herabzusetzen, so daß man normalerweise von dieser
Mög-
lichkeit keinen Gebrauch macht. Die Folge davon ist, daß man bei klein-er
gewünsehter Nachhallzeit den im Hallraum aufgenommenen Nachhall (m#it großer Nachhallzeit)
mit großein Pegelunterschied, zum direkten Schall zusetzt, wobei man bekanntlich
unerfreulich geknickte Nachhallkurven erhält.
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4. Die meisten Hallräume haben bei tiefen Frequenzen (bis etwa
150 Hz) zu wenig Eigenfrequenzen. Von den Grundtönen und Obertönen von Klängen,
die verhallt werden sollen, fallen daher einzelne aus, was die Klangqualität merklich
beeinträchtigt.
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Die zweite Methode ist die, den Nachhall künstlich zu erzeugen. Zu
diesem Zweck werden viele Verfahren vorgeschlagen. Ein Teil da-von ist auch verwirklich,t
worden. Man kann die Verfahren systematisch in folgende Gruppen aufteilen:
1. Die Zahl der Wiederholungen (Reflexionen) eines impulsartigen. Primärschalls
in einer bestimmten Zeiteinheit ist konstant.
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Zu dieser Gruppe gehören die überwiegend eindimensional ausgedehnten
akustischen SchallIverzögerungsleitungen, mittels eines söhalleitenden, Rohres (Luf
tschall, Flüssigkeitsschall oder Körperschall) oder eines Stabes (Körperschall)
und die eindimensionale Ausbreitung von Biegewellen auf einem zu einer Schraubenfeder
aufgewickelten Metalldrabt (USA.-
Patentschrift 2230836), zu deren
Nachteilen außer den später angeführten auch die geringe Frequenzbandbreite, die
ungeeignete Frequenzkurve der Nachha.Ilzeit und die geringe, Zahl von Eigenfrequenzen
gehören. Zu diesen Einrichtungen kann man auch die quasi eindirnensionale Schallausbreitung
in einem größeren Raum zwischen einem reflektierenden parallelen Wandpaar zählen,
wobei die an.deren beiden. Wandpaare gedämpft sind. Die einfachen Schallverzögerungseinrichtungen
mittels Magnetton fa.Ilen ebenfalls in diese Gruppe. Den geschilderten Verfajhren
ist gemeinsam, daß die einzelnen Reflexionen zeitlich äquidistant oder fast äquidistant
sind, wodurch bci impulshaltigem Schall die bekannten Flatterechos bzw. ein »ratternder«
Nachhall, aber kein als kontinuier-1.ich ernpfundener Nachhall entsteht.
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Diese Verfahren liefern erst dann einen Nachhall, der auch he4 impulshaltigem
Schall hohen Ansprüchen genügt, -,verm die Lücken zwischen den Reflexionen durch
inzwischen bekannte Zusatzein#richtimgen ausgefüllt werden, und zwar durch mit der
Zeit immer dichter werdende Reflexionen oder durch einen echten Nachhall mit kleiner
Nachhaillzeit.
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2. Die Zahl der Re-flexicrn-en in der Zeiteinheit steigt proportional
der Zeit. Wie praktische Versuche gezeigt haben, ist der subjektive Klangeindruck
in diesem Fall gleichwer-tig dem Fall des dreidimensionalen Raumes, in dem der Anstieg
proportional dem Quadrat der Zeit erfolgt. Zur Nachbildung eines wirklichen Raumes
genügt also der lineare Anstieg. Zu dieser Gruppe gehören auch die vorgeschlageneni,
aber nicht verwi,rklichten Verfahren mit Ausbreitung von Dichteschallwellen in einem
Raum (Flazhrau#rn), der in zwei Dimensionen groß, in der dritten kleln gegen aille
vorkommenden Wellenlängen ist, damit die Schallgeschwin,digkeit in dem Raum frequenzunabhängig
ist. Bei Einhaltung der letzten Bedingung
ist sowohil bei Luftfüllung
als auch bei Flüssigkeitsfül,lung die Absorption durch Wandreibung so. groß, ,daß
eine ausreichende X.ach-hallzeit nicht zu erzielen ist. Ein flacher kaum aus einem
festen Material, a,lso eine Platte. die zu Longitttdin.a,lwel#l#e#n angeregt wird,
Icann eine ausreichend kleine Dämpfung haben. Wenn man aber verlangt, daß die Eigenschwingunggen
so dicht sind, daß beispielsweise schon bei 100 Hz auf jeden musikalischen
Viertelton, also auf je etwa 3 Hz, eine Eigeenschwingung entfällt,
müßte nach der Rech7 nung eine Stahl- oder Aluminiumplitte eine Fläche \-on etwa
30 000 m2 haben. Eine solche Einrichtung ist demnach, auch bei geringeren
Ansprüchen, nicht ausführbar.
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Die lineare Zunahme der -Reflexionen mit der Zeit läßt sich in komplizierter
Weise und mit teuren Einrichtu,ngen auch erreichen, wenn man zwe-i Verzögerungseinrichtungen
der ersten Gruppe, z. B. Einrichtungen nach dem Magnettonverfahren, mit verschiedenen
Verzögerungszeiten in Kaska#di.- hintereinanderschaltet. Die erfindungsgemäße Einrichtung
ist demgegenüber einfacher und fortschrittlicher.
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3. Die Zahl der ke-flexionen in der Zeiteinheit steigt proportional
dem Quadrat der Zeit. Zu dies-er Gruppe gehören alle Verfahren mit dreidimensionaler
akustischer Wellenausbreitung in einem Raum, bei Luftschall also der bekannte Hallraum,
dessen Nachteile ohen aufgezählt sind. Das Arbeiten mit FlüssigkeitsundKörperschall
istwegendervielfachgrößerenSchallg-cschwindigkeit mit praktisch ausführbaren Dimensionen
nur möglich, wenn man den Schall aus dem Hörschallgebiet in das Ultraschallgebiet
transponiert, was schon mehrfach vorgeschlagen und auch ausgeführt wurde. Um die
oben angegebene Dichte der Eigenfrequenzen zu erzielen, müßte man bei Stahl oder
Alutninium beieiner Trägerfrequenz von 10OkHzein Volumen von etwa 1/3 m3
wählen (Gewicht bei Stahl von 3 t). Bei ,einer so hohen Frequenz ist aber
eine Nachhallzeit von 3 Se#kunden, die man als obere Grenze wohl mindestens
fordern müßte, nicht einmal in kleinsten, besonders behandelten Metallstäcken zu
erreich--n#, geschweige denn in einem so großen Block, der im übrigen lunkerfrei
und mit glatter Oberfläche -nicht hierstellbar ist. Bei 30 IzHz wäre dies-e
Nachhallzeit möglich; der Stahlblock hätte aber ein Gewicht von 30 t. Dieses
Verfahren mit Transponierung ist also nur mit Flussigkeitsschall durchführbar, also
beispielsweise in einem wassergefüllten, dämpfungsf reien Meta;lllbe.-hen, sowohl
hinsichtlich der nötigen Zahl von Eigenfrequenzen als auch der Nachhallzeit. Das
letztere Verfahren hat jedoch folgende Nachteile,: a) Die Flüssigkeit verdunstet
mit der Zeit, sofern das Wasserbecken nicht allseitig luftdicht geschlossen ist.
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b) Die Flüssigkeit muß vor dem Einfüllen evakuiert -,verden,
damit keine Gasblasen ausfallen, die die Dämpfung um Größenordnungen erhöhen würden.
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c) Das Was,serbecken brauchteinen luftdichten Ver-Schluß, denn wenn
das Wasser Luft aufnimmt und dann gesättigt ist, kann wieder Gas in Blasen. ausfallen,
wenn die Temperatur steigt.
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d) Eine zweimalige Transponierung des mit Nachhall zu versehenden
SchalIs ist erforderlich. Außerdem darf der Träger bzw. der Träger und das zweite
Seitenband nicht in dein Becken abgestrahlt werden, wozu weitere elektrische Einrichtungen,
e.ventnel,1 mit Quarzfiltex, erforderlich sind.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf eine Einrichtung, mit
der die Nachteile der angeführten Einrichtungen vermieden werden. Sie arbeitet mit
einem nur in zwei Dimensionen weit ausgedehnten, in der diitten sehr dünnen festen
Körper, ailso einer fest-en Platte. Die Platte wird im Gegensatz zu den bisher bekanntgewordenen
akustischen Verfahren nicht zu Dichte- oder Longitadinalwel.len, sondern zu Biegewellen
angeregt. Während die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Dichte- oder Long.itudinalwellen
nur von den Materialeigenschaften Dichte und Elastizität und nicht von der Frequenz
abhängt, ist die BieGewellengeschwindigkeit überdies von der Plattendicke und von
der Frequenz abhängig. Bei äußerst hohen Frequenzen nähert sie sich einem frequenzunabhängigen
Grenzwert, nämlich, ungefähr der Dichtewellengeschwindiigkeit. In dem interessierenden
Frequenzbereich kann man für die Biegewellengeschwindigkeit schreiben:
(CL = Longitudinalwetlengeschwindigkeit, d = Plattendicke.
f = Frequenz; Geschwindigkeiten und Dicke in jedem Maßsystem einsetzbar).
Für Frequenzen von einigen Hz ist die Geschwindigkeit der Biegewellen größenordnungsmäßig
1000mal kleiner a1s die der Longitudinalwellen. Um daher die. entsprechenden Eigenschwingunggen
der Platte bei Anregung zu Biegeschwingungen zu bekommen, wie bei Anregung zu longitudinalen
Schwingungen, braucht die Platte nur 1000mal kleinere Abmessungen zu haben.
Auf
Grund der Tatsache- der kleinen Gcschwindigkeit der Biegewellen ist es
überhaupt erst möglich, eine NachhaIlleinrichtung zu schaffen, deren aktives Element
eine zu Biegeschwingungen angeregte Platte ist, ohne daß eine Transponierung des
Schalls in einen hohen Frequenzbereich notwendig wäre. Der gegenseitige Abstand
der Eigenfrequenzen der zu Riegeschwingungen angeregten Platte ist nahezu konstant
und beträgt größenordnungsmäßig einige Hz. Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen
Einrichtung ilst also die Tatsache, d,#aß man die Forderung, daß mehrere Eigenfrequenzen
auf einen Halbton entfadlen, leicht bis herab zu den tiefsten Frequenzen realisieren
kann. Größenordnungsmäßig betragen die Dicke der Platte 1 mm, die Länge -und
Breite 1 m. Länge und Breite sind tunlichst verschieden groß zu wählen, damit
nicht wiederholit Eigenschwingungen verschiedener Ordnungszahlen auf die gleichen
Frequenzen f allen.
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Wenn maii die Platte aus dämpfungsannem Meta.11 macht und die Aufhängung
geeignet wählt, kann man die Größe und den Frequenzgang der Nachhallzeit der größten
und am längsten hallenden leeren Bauwerke erreichen oder überschreiten. Geeignete
Arten der Aufhängung sind beispielsweise Drähte, die durch Löcher am Plattenrand
und in einem möglichst starren Rahmen gezogen und gespannt werden, oder schmale
Streifen aus dem gleichen Stück wie die Platte. Drähte oder Blechstreifen, die nicht
aus einem Stück mit der Platte bestehen, können fester und damit dämpfun
' gsfreier durch Schweißen -oder Löten an der Platte befestigt wimden. Weniger
gut ist eine Befestigung durch Schrauben. Damit ungedämpfte Eigenschwingungen der
Haltedrähte oder Streifen beim Nachhall, nicht stören, müssen sie -unter Umständen
gedämpft werden, und zwar so, daß sich die Dämpfung nicht oder nur wenig auf die
Platte selbst auswirkt. Eine günstige Entkopplung der Drähte oder Streifen von der
Platte ist möglich, indem man an den Verbindungsstellen zusätzlich große Massen
anbringt, die starr mit der Platte einerseits und den
Drähten oder
Streifen andererseits verbunden sind. Man kann auch die Platte längs des ganzen
Randes oder an einzelnen Punkten, die aus der Plattenebene etwas herausgewölbt sind,
anlöten oder anschweißen.
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Die Spannung der Aufhängung der Platte stellt eine zweite Rückstellkraft
neben der Biegesteifigkeit der Platte dar und darf daher im Interesse einer tiefen
Abstimmung der Platte ein gewisses Maß nicht überschreiten.
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Die Biegewellengeschwindigkeit, die una:bhängig von der Spannung ist,
sollte jedenfalls schon im unteren Teil des Hörfrequenzbereiches größer sein als
die '\Vellengeschwindigkeit in der Platte, die abhängig von der Spannung ist.
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Es kann wegen der dämpfungsfreien Befestigung, der Vermeidung störender
Eigenfrequenzen der Aufhängung und wegen der schallzerstreuenden Reflexion am Rand
zweckmäßig sein, den Rand bogenförmig statt gerade zu machen.
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Die Anregung der Platte zu Schwingungen kann nach den verschiedensten
Methoden geschehen, nämlieh mittels eines oder mehrerer Luftschallsender über eine
koppelnde Luftschicht oder direkt, mittels eines oder mehrerer nach den bekannten
elektroakustischen Wandlerprinzipien arbeitender Körperschallsender. Am besten haben
sich, wie bei den Lautsprechern für Luftschall, dynamische Systeme bewährt, vor
allem wegen des günstigen Frequenzganges. Für die Abtastung des mit Nachhall versehenen
Schalls von- der Platte gilt das gleiche. Auch sie ist mittels Luftschall-und K5rperschallrnikrophone
möglich. Bei letzteren sind piezoelektrische Wandler am günstigsten. Bei der Abtastung
über Luftschall muß man berücksichtigen, daß die Platte im Hörfrequenzbereich sehr
wenig abstrahlt, weil die, Biegewellenlänge viel kleiner als die Wellenlänge der
Dichtewelle in Luft ist, sondern, ein überwiegend stationäres Schallfeld vor der
Platte vorhanden ist, das gleichphasig exponentiell mit der Entfernung abklingt,
weshalb man das oder die Mikrophone nahe anordnen muß.
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Einer der größten Vorteile der erfindungsgemäßen Nachhalleinrichtung
ist die Möglichkeit, die Nachhallzeit nach verschiedenen Methoden mit einem Griff
zu variieren. Die Dämpfung der Platte kann mittels, fester Körper, Flüssigkeiten
oder durch Schluckstoff für Luftschall erfolgen. Man kann beispielsweise eine oder
mehrere dünne Gummiplatten oder -folien, die im ungedämpften Zustand die Nachhallplatte
nicht berühren, zuerst an einer Stelle des Randes auflegen, die Länge der Berührungsstelle
steigern, bis die Folie auf der ganzen, Länge des Randes unter leichter Spannung
aufliegt. Die Nachhallzeit geht dabei kontinuierlich von der der ungedämpften Platte
auf ziemlich kleine Werte über. Die Dämpfung ist bei tiefen Frequenzen stärker als
bei hohen. Auch jede andere stufenweise oder kontinuierlich gesteigerte Berührung
der Platte mit festen dämpfenden Stoffen stellt eine Herabsetzung der Nachhallzeit
im, Sinne der Erfindung dar.
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Die Platte kann auch, an einer Ecke beginnend, mit einem immer größeren
Teil eines Randes in eine dämpfende Flüssigkeit getaucht werden, wobei die Nachhallzeit
sinkt. Um die Länge der gedämpften Kante zu vergrößern und eine langsam beginnende
Dämpfung auch bei einer Lage der Kanten parallel zur Flüssigkeitsoberfläche zu ermöglichen,
kann die Platte unten mit tiefen Zacken versehen bzw. kammähnlich ausgeführt werden.
Durch Wahl der Viskosität der Flüssigkeit beeinflußt man die maximale Dämpfung.
Die günstigste Form der Dämpfung, so-wohl hinsichtlich des Ausmaßes als auch des
Frequenzganges, ist die durch die Annäherung poröser, luftschallschluckender Platten
an die Nachhallplatte ohne direkten mechanischen Kontikt. Die Nachhallzeit kann
bei tiefen Frequenzen, bei denen die größte Variation erforderlich ist, bis zum
Verhältnis 30 - 1 und mehr variiert werden. Eine dünne Sch-icht von größenordnungsmäßig
1 mm Dicke, deren Strörnungswiderstand von der Größenordnung des Schallkennwiderstandes
der Luft ist, liefert günstige Resultate. Die Nachhallzeit kann so von tiefen bis
zu mittleren Frequenzen frequenzunabhängig wie die eines guten Konzertsaals oder
Studios gemacht werden. Erst bei höheren Frequenzen fällt sie auf einen kleinen,
bei der Variation kaum beeinflußbaren Wert ab. Durch dickere Schluckstoffschichten
mit geringem spezifischem Strörnungswiderstand kann. man die Dämpfung vor allem
bei tiefen Frequenzen erhöh-en, desgleichen wenn man den porösen Stoff durch Platten-
oder Lochresona,toren ergänzt.
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Den Schluckgrad der porösen Stoffe kann man durch vorgeschaltete Loch-
oder Schlitzplatten mit großem Perforationsgrad lbder durch eine äußerst dünne luftundurchlässige
Folie bei hohen Frequenzen herabsetzen, um den Abfall der Nachhallzeit erst bei
höheren Frequenzen beginnen zu lassen.
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Zur Variation der Nachhallzeit wird die poröse Platte oder werden
andere Schluckanordnungen zweckmäßig mittels einer mechanisch-en Vorrichtung parallel
zur Nachhallplatte bewegt oder um eine Achse in der Nähe einer Plattenkante geklappt.
Die Bewegung kann von Hand geschehen oder durch Fernsteuerung, beispielsweise von
einem Regieraum aus. Dasselbe gilt von den ohenerwähnten anderen Variationsmöglichkeiten.
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Die erfindungsgemäße Nachhalleinrichtung ist dadurch, daß keine eigentliche
Schallwellenabstrahlung stattfindet, nicht empfindlich gegen die Aufnahme von Störschall.
Dennoch muß man sie, wenn der umgebende Raum nicht sehr ruhig ist, mit einer schalldichten
Ummantelung versehen. Gegen die Übertragung störenden Kbrperschalls von außen und
von der Mechanik der Dämpfungsvariation her ist sie durch einfache oder mehrfache
federnde Lagerung zu schützen.
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Die zur Schwingung-sanregung der Platte benötigte elektrische Leistung
beträgt nur einen geringen Bruchteil der in einem üblichen Hallraum benötizten Leistung.
Das ist auch einer der Vorteile der erfindungsgernäßen Einrichtung; ein weiterer
ist die bei dynamischer Anregung und piezoelektrischer Abtastung ohne oder mit nur
geringer Entzerrung auf der Sende- oder Empfangsseite zu erzielende Konstanz des
t%ertragungsmaßes üb-er alles in.einem breiten Frequenzbereich. Es ist zweckmäßig,
auf der einen oder anderen Seite oder auf beiden eine einstellbare Höhen- und Tiefenanhebung
und -absenkung einzurichten, um Klangfarbeneffekte zu erzielen. und in gewissein
Umfang eine scheinbare Änderung des Frequenzganges der Nachhallzeit und des Halligkeitseindruckes
zu ermöglichen.
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Einige Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand der Figuren näher
erläutert werden.
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In Fig. 1 ist die Nachhallplatte 1 aus Metall an dem
Rahmen 2 mittels Stahldrähten 3 befestigt, die mit Hilfe von zusätzlichen
Spannvorrichtungen, wie Schrauben, gespannt werden können.
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In Fig. 2 ist die Platte 1 am Rand bogenförrnig gestaltet.
Sie ist an den Stellen 4 so auf dem Rahmen 2
punktweise geschweißt,
daß sie ihn nur an diesen Stellen berührt.
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Die Fig. 3 stellt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße
Einrichtung dar. Die Platte 1 ist an den Schweißstellen 5 mit dem
Rahmen 2 verbunden. Sie wird über eine Schwingspule 6, die fest, beispielsweise
durch Kitten, m-it der Platte verbunden ist und sich frei im Luftspalt des Permanentmagneten
7 bewegen kann, zum Schwingen angeregt. Ein Kristallbiegeschwinger
8 ist über ein Distanzstück 9 starr auf der Platte befestigt und dient
als Körperschallmikrophon.
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Die Fig. 4 bis 6 zeigen schematisch die Hauptmöglichkeiten
der zusätzlichen Dämpfung und damit der Variation der Nachhallzeit. In Fig. 4 hängt
eine Gummifolie 12 an einem Rahmen 13. In der oberen Stellung berührt sie
die Platte nicht. Beim Senken des Rahmens, der zweckmäßig nicht parallel zu der
Platten-kante angeordnet ist, berührt die Folie zuerst an einem Ende den oberen
Plattenrand, dann nimmt die Länge der Berührungslinie zu bis zur Gesamtlänge der
Platte bzw. der Folie, wobei die kleinste Nachhallzeit erreicht ist. #,n dem zuerst
berührenden Ende ist die Folie dann gespannt.
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Fig. 5 zeigt eine Flüssigkeitsdämpfung der Platte. Die Platte
1 taucht bei ihrem Senken oder beim Heben des Gefäßes 14 zu-erst mit den
Spitzen 16 in die Flüssigkeit 15 ein. Beim weiteren Eintauchen wächst
die Länge des gezackten Plattenrandes, der mit der Flüssigkeit in Berührung kommt,
wobei die Nachhallzeit kontinuierlich sinkt, bis die Zacken ganz eingetaucht sind.
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Fig. 6 zeigt schematisch die Dämpfung der an Drähten
3 am Rahmen 2 aufgehängten Platte 1 durch eine poröse, Inftschallschluckende
Schicht 17, die auf einem Rahmen 18 befestigt ist. Beim Nähern des
Schluckstoffs sinkt die Nachhallzeit der Platte. Die dämpfende Wirkung wird verdoppelt
durch eine zweite poröse Schicht in jeweils gleichem Abstand auf der anderen Seite
der Platte, Fig. 7 zeigt die Frequenzabhängigkeit der Nachhallzeit einer
Stahlplatte bei verschiedenen Abständen ein-es porösen schallabsorbierenden Materials
und die eines bestimmten Hallraumes mit einem Volumen von 65 m3.
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In Fig. 8 sind das Übertragungsmaß einer erfindungsgemäßen
Nachhalleinrichtung (Platte) mit geringer elektrischer Tiefen- und Höhenanhebung
und das Übertragungsmaß eines Hallraumes mit Kugellautsprecher, Tieftonlautsprecher
und starker Höhenanhebung über der Frequenz aufgetragen.
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