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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Transformation von
Wellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine dazugehörige
Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Derartige
Verfahren zur Transformation von Wellen sowie die dazugehörigen
Vorrichtungen werden als Wandler zwischen Schallwellen und elektromagnetischen
Wellen eingesetzt.
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Für
die Umwandlung von Schallwellen in elektromagnetische Wellen, insbesondere
für die optische Sichtbarmachung von Schallwellen aus Musikstücken,
sind verschiedene Lösungen bekannt.
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Dazu
gehören zunächst einmal sog. Lichtorgeln, die
aus verschiedenen Lichtquellen mit unterschiedlichen Leuchtfarben
bestehen. In Abhängigkeit zur Frequenz der Schallwellen
und/oder der Lautstärke der einzelnen Töne des
Musikstückes werden die Lichtquellen elektrisch angesteuert
und leuchten. Die so entstandenen Lichteffekte sind eine Lichtinterpretation
der Musik. Diese Lichtinterpretation der Musik ist aber sehr eingeschränkt,
da sich die Lichteffekte nur in den Leuchtfarben der Lichtquellen
und nicht in der Form ändern, weil die Anordnung der Lichtquellen
vorgegeben ist.
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Auch
ist von der Fa. Microsoft unter der Bezeichnung Windows Media Player
ein Computerprogramm bekannt, mit dem von einem Datenträger
(z. B. CD, DVD oder USB-Stick) Spielfilme oder Musikstücke
abgespielt werden können. Dabei weist dieser Windows Media
Player einen Visualisierungsbereich auf, mit dem beim Abspielen
von Musikstücken die Schallwellen sichtbar gemacht werden.
Dazu wird das Audiosignal mittels mathematischer Gleichungen, insbesondere
Fraktale, ausgewertet und sichtbar gemacht. Dabei werden aber zur
Auswertung der Audiosignale verschiedene Gleichun gen verwendet, die
entweder stochastisch oder deterministisch aus einer Liste ausgewählt
wurden. Dadurch ist eine Reproduzierbarkeit einer Wiedergabe eingeschränkt und
die Visualisierungen mehrerer Musikstücke sind wegen der
Verwendung verschiedener Gleichungen zur Auswertung der Audiosignale
nicht miteinander vergleichbar.
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Weiterhin
ist es bekannt, den Schall computertechnisch in Schwingungsbausteine,
sog. Wavelets, zu zerlegen und mittels eines mathematischen Verfahrens
sichtbar zu machen (Zeitschrift: GEO 11, 2006, S. 210 ff.).
Da das mathematische Verfahren eine feste Prozedur ist, kann eine
hohe Reproduzierbarkeit erreicht werden. Allerdings ist zur Zerlegung des
Schalls in Wavelets ein Computer notwendig, mit dem die mathematischen
Verfahren umgesetzt werden. Zudem ist die Vielfalt der grafischen
Darstellung sehr eingeschränkt, weil das mathematische
Verfahren ausschließlich kreisförmige Darstellungen
des sichtbar gemachten Schalls erzeugt.
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Auch
ist aus der
DE 696
27 036 T2 ein Verfahren zur Umsetzung von Schallwellen
in elektromagnetische Wellenbewegungen, vorzugsweise Licht bekannt,
wobei diese Schallwellen in ein elektrisches Signal umgewandelt
werden, das durch eine Reihe von Filtern bearbeitet wird. Dabei
ist jeder Filter für das Durchdringen von einem unterschiedlichen
Frequenzband mit einer speziellen Frequenzaufnahme ausgelegt. Erfindungsgemäß ist
das elektrische Signal derart in Intervalle gegliedert, dass jedes
Intervall eine doppelte Frequenz der ursprünglichen Schallwelle
abdeckt. Dadurch soll erreicht werden, dass die resultierende Frequenz
sich innerhalb des visuellen Spektrums befindet. Dabei erfolgt aber
mit der Verdopplung der Frequenz der Schallwellen eine Verzerrung
der optischen Wiedergabe der Schallwellen, wodurch keine optisch
synchrone Wiedergabe der Schallwellen erreicht wird.
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Von
entscheidendem Nachteil aller bisher vorgestellten Lösungen
ist aber, dass keine optischen Bilder vertont werden können,
weil mit diesen Vorrichtungen und Verfahren nur die Umsetzung von Schallwellen
in elektromagnetische Wellen realisiert werden kann und eine Umsetzung
von elektromagnetischen Wellen in Schallwellen nicht möglich
ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes
Verfahren zur Transformation von Wellen sowie eine dazugehörige
Vorrichtung zu entwickeln, dass eine Umwandlung von Schallwellen
in elektromagnetische Wellen und umgekehrt und damit eine charakteristische Übersetzung
von Tönen in Farben und von Farben in Töne ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird verfahrensseitig durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 und vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 9 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7 und 10 bis
15.
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Das
neue Verfahren zur Transformation von Wellen sowie die dazugehörige
Vorrichtung beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.
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Vorteilhaft
bei der Anwendung des neuen Verfahrens zur Transformation von Wellen
ist es, dass in der einen Transformationsrichtung eine Umwandlung
von Schallwellen in elektromagnetische Wellen und in der anderen
Transformationsrichtung eine Umwandlung von elektromagnetischen
Wellen in Schallwellen erfolgt, wobei zwischen der Frequenz, Amplitude
und Wellenform der Schallwellen sowie der Frequenz und Intensität
der elektromagnetischen Wellen mindestens eine funktionelle Abhängigkeit
besteht. Dadurch können sowohl Schallwellen, z. B. von
Musikstücken, optisch sichtbar gemacht werden als auch
elektromagnetische Wellen, insbesondere aus dem sichtbaren Bereich
des Lichtes, z. B. von Fotografien oder Ölbildern, akustisch
hörbar gemacht werden.
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Dabei
ist es von Vorteil, wenn die funktionelle Abhängigkeit
zwischen der Frequenz, Amplitude und Wellenform der Schallwellen
sowie der Frequenz und Intensität der elektromagnetischen
Wellen mindestens eine mathematische Funktion ist. Dadurch kann die
mindestens eine funktionelle Abhängigkeit zwischen der
Frequenz, Amplitude und Wellenform der Schallwellen sowie der Frequenz
und Intensität der elektromagnetischen Wellen leicht umgesetzt
werden, wobei eine hohe Flexibilität der transformierten Wellen
gegeben ist. So ist es auch denkbar, diese funktionelle Abhängigkeit
mit einem künstlich-neuronalen Netz zu realisieren, wobei
zusätzliche Parameter, wie z. B. der Inhalt des von den
elektromagnetischen Wellen dargestellten Bildes sowie eine Bewertung
des Bildes, integriert werden könnten.
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Auch
ist es von Vorteil, wenn zur Erzeugung der funktionellen Abhängigkeit
zwischen der Frequenz, Amplitude und Wellenform der Schallwellen einerseits
und der Frequenz und Intensität der elektromagnetischen
Wellen andererseits in einer Übertragungseinheit das Spektrum
der Schallwellen in Frequenzbereiche unterteilt und diesen Frequenzbereichen
elektromagnetische Strahlung mit einer definierten elektromagnetischen
Wellenlänge zugeordnet sind. Dadurch wird die funktionelle
Abhängigkeit zwischen der Frequenz, Amplitude und Wellenform der
Schallwellen sowie der Frequenz und Intensität der elektromagnetischen
Wellen in Form einer mathematisch linearen Funktion umgesetzt. Diese
lineare Funktion ist eine einfache Funktion, die kostengünstig
durch einfache elektronische Schaltungen realisierbar ist.
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Vorteilhaft
bei der Anwendung der neuen Vorrichtung zur Transformation von Wellen
ist es, dass durch eine Übertragungseinheit eine Akustische
Einheit mit einer Optischen Einheit elektrisch verbunden ist, wobei
die Übertragungseinheit eine Weitergabe der elektrischen
Signale von der Akustischen Einheit an die Optischen Einheit, als
auch von der Optischen Einheit an die Akustische Einheit zulässt.
Dadurch wird eine kompakte Bauform erreicht, die den Einsatz der
neuen Vorrichtung als separates Gerät oder als Bauteil
in einem Kompaktgerät gestattet. Dabei ist es denkbar,
die neue Vorrichtung mit Zusatzgeräten, wie z. B. ein Mischpult
zu verbinden oder in einem Kompaktgerät zu integrieren.
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Von
Vorteil ist es weiter, wenn in der Übertragungseinheit
die Schallwellen über ihre Frequenz, Amplitude und Wellenform
mit den elektromagnetischen Wellen über deren Frequenz
und Intensität gekoppelt ist, wobei zwischen der Frequenz,
Amplitude und Wellenform der Schallwellen sowie der Frequenz und
Intensität der elektromagnetischen Wellen mindestens eine
funktionelle Abhängigkeit besteht. Dadurch wird eine große
Flexibilität der Optimierung und Anpassung in der Transformation
erreicht, wodurch sich eine große Einsatzbreite der neuen
Vorrichtung ergibt.
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Von
Vorteil ist es dann, wenn in der Übertragungseinheit die
elektrischen Signale einem Spannungsspektrum mit mehreren Spannungsbereichen zuordnet
werden, wobei jeder Spannungsbereich einer Ausgangsspannung entspricht.
Dabei hat die dem Spannungsbereich entsprechende Ausgangsspannung
einen Spannungswert, der innerhalb des zugehörigen Spannungsbereiches
liegt, wobei der Spannungswert vorzugsweise der arithmetische Mittelwert
des zugehörigen Spannungsbereiches ist.
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Das
neue Verfahren zur Transformation von Wellen sowie die dazugehörige
Vorrichtung sollen nun an einem Ausführungsbeispiel mit
verschiedenen Ausführungsvarianten erläutert werden.
Dazu zeigen:
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1:
Blockschaltbild der neuen Vorrichtung zur Transformation von Wellen,
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2:
Schematische Darstellung einer Übertragungseinheit der
neuen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsvariante,
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3:
Schematische Darstellung einer Übertragungseinheit der
neuen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsvariante,
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4:
Schematische Darstellung einer Übertragungseinheit der
neuen Vorrichtung in einer dritten Ausführungsvariante,
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5:
Schematische Darstellung einer Übertragungseinheit der
neuen Vorrichtung in der ersten Ausführungsvariante für
die Transformation von Licht in Schallwellen und
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6:
Schematische Darstellung einer Übertragungseinheit der
neuen Vorrichtung in der ersten Ausführungsvariante für
die Transformation von Schallwellen in Licht.
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Die
neue Vorrichtung zur Transformation von Wellen besteht, gem. 1,
aus einer Übertragungseinheit 1, die einerseits
mit einer Akustischen Einheit 2 und andererseits mit einer
Optischen Einheit 3 jeweils elektrisch verbunden ist.
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Dabei
weist die Akustische Einheit 2 mindestens einen Mikrofonsignaleingang 4 und
mindestens einen Lautsprechersignalausgang 5 auf, wobei
an jedem Mikrofonsignaleingang 4 jeweils ein externes Mikrofon 6 zur
Umwandlung von Schallwellen in ein elektrisches Eingangssignal sowie
an jedem Lautsprechersignalausgang 5 jeweils ein externer
Lautsprecher 7 zur Umwandlung von einem elektrischen Ausgangssignal
in Schallwellen anschließbar ist.
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Vorzugsweise
ist am Mikrofonsignaleingang 4 das externe Mikrofon 6 angeschlossen.
Es ist aber auch denkbar, anstelle des Mikrofons 6 ein
Abspielgerät, wie beispielsweise einen Schallplattenspieler, Kassettenrekorder
oder CD-, DVD- und MP3-Player oder sonstige geeignete Abspielgeräte
anzuschließen. Ebenso ist es denkbar, am Lautsprechersignalausgang 5,
anstelle des Lautsprechers 7, Aufnahmegeräte wie
Kassettenrekorder oder CD-, DVD- und MP3-Player oder sonstige geeignete
Aufnahmegeräte anzuschließen.
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Die
Optischen Einheit 3 besitzt mindestens einen Bildsignalausgang 8 und
mindestens einen Bildsignaleingang 9, wobei an jedem Bildsignalausgang 8 mindestens
ein Bildwiedergabegerät 10 und an jedem Bildsignaleingang 9 mindestens
ein Bildaufnahmegerät 11 anschließbar
ist.
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Vorzugsweise
ist das am Bildsignalausgang 8 angeschlossene Bildwiedergabegerät 10 ein
Monitor, Fernseher, Projektor, Beamer, Leuchtmittel oder Drucker.
Das am Bildsignaleingang 9 angeschlossene Bildaufnahmegerät 11 ist
vorzugsweise eine Kamera, ein Fotoapparat oder Scanner.
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Die Übertragungseinheit 1 weist
ein Spannungsspektrum 12 auf, dass einerseits mit den Mikrofonsignaleingang 4 und
Lautsprechersignalausgang 5 der Akustischen Einheit 2 und
andererseits mit den Bildsignalausgang 8 und Bildsignaleingang 9 der
Optischen Einheit 3 elektrisch verbunden. Dabei besitzt das
Spannungsspektrum 12 mehrere Spannungsbereiche 13,
wobei jeder Spannungsbereich 13 eine Zuordnung zwischen
den elektrischen Signalen von der Akustischen Einheit 2 und
der Optischen Einheit 3 ist. In einer ersten Ausführungsvariante,
gemäß der 2, weist
das Spannungsspektrum 12 zehn Spannungsbereiche 13 auf,
wobei jeder Spannungsbereich 13 10% der Signalbreite der
elektrischen Signale der Akustischen Einheit 2 sowie der
optischen Einheit 3 entspricht. Dabei ist die Signalbereite
die Differenz aus dem maximalen Signal und dem minimalen Signal.
Die Spannungsbereiche 13 sind steigend angeordnet, so dass
der Spannungsbereich 13 zwischen 0 und 10% ebenfalls 0
bis 10% der Signalbreiten der elektrischen Signale der Akustischen
Einheit 2 und Optischen Einheit 3, der Spannungsbereich 13 zwischen
10 und 20% ebenfalls 10 bis 20% der Signalbreiten der elektrischen
Signale der Akustischen Einheit 2 und Optischen Einheit 3,
usw. entspricht.
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In
einer zweiten Ausführungsvariante, gemäß der 3,
bei der das Spannungsspektrum 12 ebenfalls zehn Spannungsbereiche 13 aufweist,
ist die Zuordnung zwischen der Akustischer Einheit 2 und
Optischer Einheit 3 umgekehrt proportional, so dass der
Spannungsbereich 13 zwischen 0 und 10% ebenfalls 0 bis
10% der Signalbreite des elektrischen Signals der Akustischen Einheit 2,
aber 90 bis 100% der Signalbreite des elektrischen Signals der Optischen
Einheit 3, der Spannungsbereich 13 zwischen 10
und 20% ebenfalls 10 bis 20% der Signalbreite des elektrischen Signals
der Akustischen Einheit 2, aber 80 bis 90% der Signalbreite
des elektrischen Signals der Optischen Einheit 3, usw.
entspricht.
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In
einer dritten Ausführungsvariante, gemäß der 4,
bei der das Spannungsspektrum 12 ebenfalls zehn Spannungsbereiche 13 aufweist,
ist die Zuordnung zwischen Akustischer Einheit 2 und Optischer
Einheit 3 nicht proportional, sondern zufällig. So
entspricht der Spannungsbereich 13 zwischen 0 und 10% ebenfalls
0 bis 10% der Signalbreite des elektrischen Signals der Akustischen
Einheit 2, aber 50 bis 60% der Signalbreite des elektrischen
Signals der Optischen Einheit 3, der Spannungsbereich 13 zwischen
10 und 20% ebenfalls 10 bis 20% der Signalbreite des elektrischen
Signals der Akustischen Einheit 2, aber 20 bis 30% der
Signalbreite des elektrischen Signals der Optischen Einheit 3 usw..
Dabei sind auch andere Zuordnungen denkbar.
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Die
Funktion der neuen Vorrichtung zur Transformation von Wellen soll
beispielhaft an der ersten Ausführungsvariante, gemäß der 1 und 2,
erläutert werden, wobei zunächst die Umwandlung
von Schallwellen in elektromagnetische Wellen vorgestellt wird.
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Durch
das Mikrofon 6 werden die Schallwellen in ein elektrisches
Signal umgewandelt, dass proportional zu den Schallwellen ist. Die
Signalbreite des elektrischen Signals des Mikrofons 6 ist,
gemäß dem Spannungsspektrum 12, in 10
Spannungsbereiche 13 unterteilt, wobei die Schallwellen
im für den Menschen hörbaren Wellenlängenbereich
zwischen 16 Hz und 20 kHz liegen.
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Das
am Bildsignalausgang 9 der Akustischen Einheit 3 angeschlossene
Bildwiedergabegerät 10 gibt elektromagnetische
Wellen im Bereich des sichtbaren Lichtes, also zwischen 390 nm und
770 nm ab. Die daraus resultierende Signalbreite des zur Ansteuerung
des Bildwiedergabegerätes 10 notwendigen elektrischen
Signals ist ebenfalls in 10 Spannungsbereiche 13 unterteilt.
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Die
Spannungsbereiche 13 sind steigend angeordnet. Dadurch
entspricht der Spannungsbereich 13 zwischen 0 und 10% ebenfalls
0 bis 10% der Signalbreiten der elektrischen Signale der Akustischen Einheit 2 und
Optischen Einheit 3, der Spannungsbereich 13 zwischen
10 und 20% ebenfalls 10 bis 20% der Signalbreiten der elektrischen
Signale der Akustischen Einheit 2 und Optischen Einheit 3 usw..
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Wird
die neue Vorrichtung in der ersten Ausführungsvariante
zur Transformation von Licht in Schallwellen genutzt, so entspricht,
gemäß 5, beispielsweise für
Licht im Wellenlängenbereich zwischen 390 und 428 nm dem
Spannungsbereich 13 zwischen 0 und 10%. Der Transformationswert
des Spannungsbereiches 13 zwischen 0 und 10% zur Optischen
Einheit 3 beträgt dann 1015,2 Hz. Das entsprechende
elektrische Ausgangssignal wird, entsprechend der 1, über
den Lautsprechersignalausgang 5 an den externen Lautsprecher 7 übertragen
und in einen Ton umgesetzt.
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Wird
dagegen die neue Vorrichtung in der ersten Ausführungsvariante
zur Transformation von Schallwellen in Licht genutzt, so entspricht,
gemäß 6, beispielsweise für
Schallwellen im Bereich zwischen 16 und 2014,4 Hz dem Spannungsbereich 13 zwischen
0 und 10%. Der Transformationswert des Spannungsbereiches 13 zwischen
0 und 10% zur Akustischen Einheit 2 beträgt dann
409 nm. Hierbei wird das entsprechende elektrische Ausgangssignal,
entsprechend der 1, über den Bildsignalausgang 8 an
das externe Bildwiedergabegerät 11, beispielsweise
einen Fernseher, übertragen und in Farben umgesetzt.
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Denkbar
ist es auch die entsprechenden elektrischen Ausgangssignale der
Transformationswert durch Verstärkereinheiten zu verstärken,
die in Abhängigkeit der Intensität des Lichtes
bzw. der Lautstärke der Schallwelle angesteuert werden.
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Auch
ist es denkbar, bei mehreren Eingangsgrößen diese
untereinander durch ein Mischpult zu gewichten. Dadurch lässt
sich erreichen, dass z. B. einzelne Musikinstrumente in der Lichtinterpretation der
Musik dominant sind oder dass der Einfluss einzelner Farben eines
Bildes auf die akustische Umsetzung des Bildes ungleich ist.
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Alternativ
kann die Übertragungseinheit 1 durch mit einem
Computer und der funktionelle Zusammenhang zwischen der Frequenz,
Amplitude und Wellenform der Schallwellen sowie der Frequenz und
Intensität der elektromagnetischen Wellen durch eine mathematische
Gleichung oder durch ein Gleichungssystem ersetzt werden. Dabei
erfolgt in der Übertragungseinheit 1 eine digitale
Umsetzung der elektrischen Signale zwischen der Akustischen Einheit 2 und
der Optischen Einheit 3.
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Hierbei
ist es auch denkbar, als Gleichungssystem ein künstlich-neuronales
Netz zu verwenden, wobei eine funktionelle Abhängigkeit
insbesondere zwischen der Klangfarbe des Tones bzw. der Wellenform
der Schallwelle einerseits und dem Motivs oder der subjektiven Bewertung
des von den elektromagnetischen Wellen dargestellten Bildes andererseits integrierbar
ist.
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- 1
- Übertragungseinheit
- 2
- Akustische
Einheit
- 3
- Optische
Einheit
- 4
- Mikrofonsignaleingang
- 5
- Lautsprechersignalausgang
- 6
- Mikrofon
- 7
- Lautsprecher
- 8
- Bildsignalausgang
- 9
- Bildsignaleingang
- 10
- Bildwiedergabegerät
- 11
- Bildaufnahmegerät
- 12
- Spannungsspektrum
- 13
- Spannungsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Zeitschrift:
GEO 11, 2006, S. 210 ff. [0006]