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Vorrichtung zum Erzeugen ungedämpfter Schwingungen, insbesondere solcher
im menschlichen Hörbereich Zum Erzeugen ungedämpfter Schwingungen verwendet man
Schwingungsgebilde (Oszillatoren), deren Eigenschwingung(en) durch geeignete Zuführung
von Leistung aus einer fremden Energiequelle angefacht und dauernd erhalten wird
(werden).
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Zweck der Erfindung ist der Bau eines billigen Oszillators, insbesondere
eines Ton-Oszillators, der geeignet ist für polyphone Musikinstrumente.
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Die Entwicklung der Tonerzeugung bei polyphonen elektrischen Musikinstrumenten
bewegte sich bisher in drei Hauptrichtungen: 1. Induktive oder kapazitive Abnahme
der einzelnen Tonfrequenzen von rotierenden Tonscheiben bzw. »Tonturbinen« (Hammond-Orgel);
2. Erzeugung der einzelnen Tonfrequenzen in elektrischen Röhrenoszillatoren; 3.
Aussiebung der Oberwellen einer verzerrten Grundschwingung durch geeignete elektrische
Filter.
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Im allgemeinen besteht ein Oszillator aus mindestens einem Schwingungssystem
(mit der ihn charakterisierenden Vorzugsfrequenz) sowie einem Erregersystem (z.
B. einem Verstärker), verbunden durch eine Kopplung zur Energieübertragung, und
eventuell einer gesonderten Kopplung zur Steuerung der Energie (Rückkopplung, Gegenkopplung),
die (nach den allgemeinen Schwingungsbedingungen) dem Schwingungssystem eine Zuführung
von Energie ermöglicht, welche nach Betrag und Phase gleich sein muß der dem Schwingungssystem
durch die Eigenverluste und die Kopplung entnommenen. Dabei ist es meist unerheblich,
ob eine Rückkopplung leistungslos erfolgt oder ob ein Pendeln zwischen Erreger-
und Schwingungssystem stattfindet; es ist auch in der Regel unerheblich, ob durch
die Rückkopplung ein linearer Zusammenhang zwischen der Auslenkung des Schwingungssystems
und der Auslenkung oder der zeitlichen Amplitude des Erregersystems geschaffen wird
oder ob dieser Zusammenhang nach einer nichtlinearen, periodisch mit der Frequenz
des Schwingungssystems wiederkehrenden Funktion vorhanden ist, wenn die Energiebilanz
über eine Periode des Schwingungssystems den allgemeinen Schwingungsbedingungen
entspricht. Des weiteren ist jedem Oszillator noch der Umstand eigen, daß sich die
Amplitude seiner Eigenfrequenz durch nichtlineare Veränderungen des Erreger- und/oder
Schwingungssystems und/oder der Kopplung bei einer bestimmten Größe begrenzt.
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Faßt man Erregersystem und Kopplung zur Steuerung der Energie in einer
Einheit als »Erregung« zusammen, so kann man zwei Arten von Erregungsmöglichkeiten
von Schwingungssystemen in bekannten Oszillatoren feststellen: 1. Erregung durch
»negativen Widerstand«; d. h., das Schwingungssystem ist über einen negativen übertragungswiderstand
an einen (z. B. Gleichstrom-) Generator angeschlossen, wobei dieser Widerstand mit
wachsender Auslenkung des Schwingungssystems seinen übertragungswiderstand verkleinert.
Während beim klassischen Vertreter dieser Gruppe, dem Lichtbogensender, die durch
den Energieübertragungsweg vorhandene Kopplung ausreicht, muß beim Röhrengenerator
wegen der widerstandsreziproken Charakteristik der Elektronenröhre die Rückkopplung
phasenverkehrt vorgenommen werden. Setzt man voraus, daß die beim Röhrengenerator
notwendige Phasenumkehr frequenzunabhängig realisierbar ist, so wäre ein hervorragendes
Merkmal dieser Gruppe das Vorhandensein eines »negativen Widerstandes«, der für
die Erregung statisch wie auch dynamisch maßgebend ist.
2. Erregung
durch einen statisch gesehen »positiven Widerstand«; d. h., es besteht zwischen
Schwingungssystem und Erregersystem eine Kopplung, die mit wachsender Auslenkung
des Schwingungssystems die Energiezufuhr drosselt. Der Oszillator wird hier erst
durch dynamische Ausgleichsvorgänge funktionsfähig. Dieses System wird oft dort
angewendet, wo der Wegfall eines phasenumkehrenden Rückkopplungsweges besondere
Vorteile bietet bzw. ein solcher Rückkopplungsweg nicht realisierbar ist. Während
hier z. B. beim Wagnerschen Hammer durch den Einschwing- (und Ausschwing-) Vorgang
des Erregermagneten eine Rückkopplungskomponente realisiert wird, nutzt man beim
Sperrschwinger den Verstärkungsunterschied aus, der gegeben ist durch die Verstärkung
zur Anfachung der HF-Schwingung zu der, bei welcher diese HF-Schwingung wieder abklingt.
Das Oszillatorsystem nach der Erfindung arbeitet wie unter 2, besitzt jedoch keine
zusätzliche Steuerung (wie beim Wagnerschen Hammer durch Kontakt) und enthält nur
passive Schwingungssysteme. Bei der Vorrichtung zum Erzeugen ungedämpfter Schwingungen,
die durch Modulation einer elektrischen Trägerschwingung entstehen, sind ein oder
mehrere passive elektrische Schwingungssysteme, dem oder denen die Trägerfrequenz
zugeführt wird, mit mindestens einem in seiner Eigenfrequenz schwingenden Biegungsschwinger-System
gekoppelt. Die Funktion ist dabei folgende: System B wird durch einen vorzugsweise
stationären Hilfswechselstrom (eine Hilfswechselspannung) erregt. Eine Zustandsgröße
von System B, die ihrerseits eine Funktion des Energieinhaltes des Energiespeichers,
System B, ist, lenkt System A aus seiner Ruhelage aus. System A ändert wiederum
mit wachsender Auslenkung kontaktlos eine oder mehrere der Systemgrößen von System
B und damit dessen Eingangsimpedanz und Schwingungsamplitude und verringert dadurch
auch die Energiezufuhr nach System A. Infolge der in System B gespeicherten Energie
braucht System B jedoch eine gewisse Zeit, bis sich in ihm eine stationäre Schwingung
ausbilden kann, die dem zeitlichen, durch System A gesteuerten Zustand entspricht.
Die dadurch dynamisch (durch Einschwingvorgänge) hervorgerufene, periodisch mit
der Frequenz von System A wiederkehrende Phasenverschiebung zwischen dem statischen
und dem dynamischen Zustand von System B bewirkt (ähnlich einer Steuerung durch
eine Rückkopplung) eine Energiezuführung vom Hilfsgenerator über System B nach System
A. Da bei jeweils entsprechender Dimensionierung von System B die durch System A
gesteuerten Ausgleichsvorgänge in ihrer Hüllkurve unabhängig von der Frequenz des
Hilfsgenerators sind, ist es auf diese Weise möglich, weitgehend beliebige, auch
irrationale Frequenzverhältnisse zwischen der Frequenz des Hilfsgenerators und der
Eigenfrequenz (System A) des Oszillators zu verwirklichen.
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Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme
auf die schematische Zeichnung Bild 1 und die Diagramme Bild 2, 3 näher beschrieben,
die den Zustand von System Bin Abhängigkeit von der Auslenkung des Systems A im
Betrieb wiedergeben.
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Der Oszillator (gestrichelt umrandet) besteht aus einem Serienresonanzkreis
mit dem Kondensator C und der Induktionsspule mit der Induktivität L mit ihrem Ohmschen
Widerstand RL (System B). In ihrem magnetischen Schließungskreis befindet sich eine
Zunge (System A), die durch ihre schwingende Bewegung mit der (Ton-) Frequenz Ft
den Luftspalt x und damit die Induktivität der Induktionsspule dauernd ändert.
Die Zuführung der Erregerwechselspannung erfolgt über den Schalter S. Als Energiequelle
(für viele Oszillatoren gleichzeitig verwendbar) dient ein niederohmiger Generator
mit der Hilfsfrequenz FH,
der über den Widerstand R" an den Oszillator (die
Oszillatoren) angeschlossen ist. (Selbstverständlich kann man auch den inneren Widerstand
des Generators als Vorwiderstand R" benutzen.) Im ruhenden Zustand ist die Resonanzfrequenz
des Serienresonanzkreises annähernd FH. Schließt man den Schalter, so wird
nach Einschwingen des Resonanzkreises (System B) der Momentanwert der Stromamplitude
des die Induktionsspule durchfließenden Stromes annähernd
sein. Das durch diesen Strom hervorgerufene magnetische Feld zieht die Zunge an;
der Luftspalt x wird verkleinert, die Induktivität vergrößert. Im Laufe der anziehenden
Bewegung erhält die Zunge potentielle Energie. Bei überschreiten des Punktes, an
dem der Serienresonanzkreis nicht mehr in Resonanz mit FH
steht, wird die
Zunge aus dem Generator immer weniger Energie mehr zugeführt bekommen, wohl aber
aus der Induktionsspule, die ja einen Teil des ausschwingenden Resonanzkreises bildet.
Die Zunge schwingt nun bis zu einem Gleichgewichtspunkt, der hauptsächlich durch
die Massenkraft und Federkraft bestimmt wird, da die Energie des ausschwingenden
Kreises im Großteil auch schon verbraucht ist und der die Induktionsspule durchfließende
Strom durch den großen Blindwiderstand, den nun der Serienresonanzkreis für die
Frequenz FH darstellt, sehr klein geworden ist. Infolge der gespeicherten
Energie bewegt sich hierauf die Zunge in Richtung auf ihre ursprüngliche Ruhelage
zurück. Dabei erreicht sie wieder den Punkt, wo der Serienresonanzkreis in Resonanz
mit der Hilfsfrequenz FH kommt; sie kann aber erst abgebremst werden, wenn
der Serienresonanzkreis eingeschwungen ist. Nach überschreiten des zweiten Umkehrpunktes,
welcher definiert ist durch das Gleichgewicht zwischen den zeitlichen Kräften der
Zunge und dem zeitlichen Anzugsmoment der Induktionsspule, kann sich der Vorgang
wiederholen. Wenn auch die geschilderten Vorgänge kontinuierlich ineinander verlaufen,
so erkennt man doch bei der Betrachtung der Energiebilanz eine Hysterese zwischen
zugeführter und entnommener Energie (Bild 3), die bei geeigneter Dimensionierung
des Oszillators diesen anschwingen läßt und seine Schwingung aufrechterhält.
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Unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung und die Diagramme,
die den schwingenden Osziilator veranschaulichen, gelten folgende Bezugszeichen:
FH = Hilfsfrequenz, 2:IH = Spannung der Hilfsfrequenz, Ft = Zungen-Tonfrequenz,
[ (@5 [ = Absolutwert des veränderlichen, komplexen Leitwertes des Resonanzkreises
(System B),
= Amplitude des den Resonanzkreis durchfließenden Wechselstromes,
i = Momentanwert des den Resonanzkreis durchfließenden Stromes, x = Luftspalt im
Magnetkreis, p = Betrag der mit der Frequenz der Zunge periodisch wiederkehrenden
Phasenverschiebung an einem beliebigen Punkt. In Bild 2 sind die Zustandsgrößen
in Abhängigkeit von der Zeit, in Bild 3 in Abhängigkeit vom Luftspalt dargestellt.
Die schraffierte Fläche in Bild 3 ist ein Maß für die der Zunge während einer Periode
zugeführte Energie.
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Am Widerstand R" erscheint die mit der Zungenfrequenz modulierte Hilfsfrequenz
FH ± k - Ft und kann aus dieser durch Demodulation und Aussiebung des Hilfsträgerrestes,
sowie der untauglichen Modulationsprodukte gewonnen werden.
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Zur Darstellung besonderer Einschwingvorgänge der Zunge und damit
der abgenommenen Zungenfrequenz und/oder besonderer Betriebsbedingungen kann man
dem Oszillator auch mehrere Hilfsfrequenzen zuführen; es erscheint dabei jedoch
angebracht, wenn man umständliche Ausfilterungen vermeiden will, die absolute Höhe
der Hilfsfrequenzen so zu wählen, daß Schwebungen der Hilfsfrequenzen und ihrer
Modulationsprodukte, die bei der Demodulation entstehen, nicht mehr in den Frequenzbereich
fallen, der durch die tiefste und höchste Frequenz aller angeschlossenen Oszillatoren
begrenzt wird, es sei denn, man benutzt besondere (z. B. induktive oder kapazitive)
Abnahmevorrichtungen für die Zungenfrequenz. In gleicher Weise kann man auch zur
Erzielung von besonderen Klangeffekten, z. B. Luftrauschen bei Orgelpfeifen, die
Rauschspannung in der Weise zuführen, daß man den Erregerstromkreis als Schaltkreis
mitbenutzt. Dabei kann das zugeführte Rauschspektrum so gewählt werden, daß der
Erregerkreis als zeitliches Filter wirkt, wodurch der »Anblaseeffekt« besonders
stark hervorgehoben wird. Das Oberwellenspektrum der Oszillatorfrequenz und die
allgemeinen Betriebsbedingungen des Oszillators kann durch geeignete Wahl der Form
und/oder der Kennung (nichtlineare, z. B. progressive oder degressive Feder) der
oszillierenden Feder (Zunge, Membran usw.) maßgeblich beeinflußt werden. Hat die
Feder eine nicht abwickelbare Wölbung, so wird sie nur bestimmte Lagen annehmen
können, zwischen denen sie »umspringt«. Die wirksame Kennung der Feder kann auch
durch äußere Kräfte, z. B. magnetische oder Schwerkräfte, durch die Kraft eines
weiteren Erregerkreises (Gegentaktoszillator) oder mechanische Bremsstellen beeinflußt
werden. Der Restmagnetismus, hervorgerufen durch den endlichen Widerstand des bei
angezogener Feder außer Resonanz befindlichen Erregerkreises kann durch eine hochohmig
an denselben Generator angeschlossene Gegenwicklung kompensiert werden. Es ist auch
möglich, die Energiespeisung von zwei oder mehreren oszillierenden Federn einem
Erregerkreis zu übertragen, wobei diese magnetisch parallel oder in Reihe geschaltet
werden können. Ebenso ist es möglich, eine Feder (Zunge), deren Resonanzfrequenz
in verschiedenen Ebenen unterschiedlich ist, durch geeignete Anordnung von erregenden
Induktionsspulen in diesen Ebenen auf mehr als. einer Frequenz gleichzeitig schwingen
zu lassen.