DE2752245A1 - Correction or distortion of speech signals - has speech band which is modulated, limited, divided and transposed to required frequency position - Google Patents
Correction or distortion of speech signals - has speech band which is modulated, limited, divided and transposed to required frequency positionInfo
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Abstract
Description
Verfahren und Einrichtung zur Ent- oder Verzerrung vonMethod and device for equalizing or distorting
Sprachsignal en Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung, wie in den Oberbegriffen der PaWentansprüche 1- bzw.10 angegeben. Speech signals The invention relates to a method and a device as indicated in the generic terms of the patent claims 1 and 10.
Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Veränderung von Sprachfrequenzen bekannt, sei es durch lineare Verschiebung des Sprachfrequenzbandes (beispielsweise durch mehrfache Frequenzumsetzung) oder durch Frequenzteilung- odervervielfachung *) (beispielsweise durch Abspielen eines Tonbandes mit gegenüber der Aufnahmegeschwindigkeit veränderter Wiedergabegeschwindigkeit).There are various ways of changing speech frequencies known, be it through linear shifting of the voice frequency band (for example by multiple frequency conversion) or by frequency division or multiplication *) (for example by playing a tape at the opposite of the recording speed changed playback speed).
Ein rein elektrisches Verfahren zur Sprachfrequenzwandlung ist für die Entzerrung von Heliumsprache, d.h. für die Umwandlung von Heliumsprache in normale Sprache, beschrieben worden in dem Buch "HiFi, Ultraschall und Lärm - Die Welt des Schalls", ) (Frequenzwandlung) herausgegeben von Jean Pütz, 2. Auflage 1977, Seiten 54 - 56.A purely electrical method for voice frequency conversion is for the equalization of helium speech, i.e. for the conversion of helium speech into normal Language, described in the book "HiFi, Ultrasound and Noise - Die Welt des Sound ",) (frequency conversion) edited by Jean Pütz, 2nd edition 1977, pages 54-56.
Bevor auf dieses Verfahren eingegangen wird, wird aber zunächst die ihm zugrunde liegende Aufgabenstellung beschrieben: Bei Unterwassereinsatz atmet der Mensch Luft, die äe nach Tauchtiefe entsprechend der Zunahme des Wasserdrucks unter gevteigerten Ausgleichsdruck gesetzt wird; dies geschieht unabhangig davon, ob der Mensch mit einer Atemmaske oder in einem Unterwasserlaboratorium tätig ist. Diese Druckluftatmung führt aber für den Menschen bei gewohnter Luftzusammensetzung und standigem Druckwechsel zu Krankheit und wird lebenseefhrlich, falls plötzlicher Druckabfall auftritt. Ursache dieser Druckluftkrankheit ist der Anteil des Stickstoffes in der Atemluft, der in Blut und Geweben druckabhängig gebunden ist, bei starker Konzentration narkotisierend wirkt und bei zu schnellem Druckabfall in Form von G asbläschea frei wird. Die Polgen sind Krämpfe, Gasembolien und Störungen des Nervensystems bis zur Lähmung des Atemzentrums.Before going into this procedure, the The task on which it is based is described: Breathe when working underwater man air, the depth according to the increase in water pressure is placed under increased equalization pressure; this happens regardless of whether the person is working with a breathing mask or in an underwater laboratory. However, this compressed air breathing leads to the usual air composition for humans and constant pressure changes to illness and becomes life-threatening if more sudden Pressure drop occurs. The cause of this compressed air sickness is the amount of nitrogen in the air that is bound in the blood and tissues depending on the pressure, in the case of strong Concentration has a narcotic effect and, if the pressure drop is too rapid, in the form of G asbläschea becomes free. The polgen are convulsions, gas embolisms and disorders of the nervous system up to paralysis of the respiratory center.
Um die Ursache dieses Effektes weitgehend zu beseitigen, hat man den Stickstoffanteil der Atemluft teilweise oder ganz durch ein leichteres Gas ersetzt, nämlich Helium, man spricht von Heliumatmosphäre. Das damit entstehende Heliumoxygengemisch hat aber für die menschliche Sprache wegen seiner erhöhten Schallgeschwindigkeit eine Verschiebung der Resonanzfrequenzen des Vokaltraktes zur Folge, so daß die Formantbereiche innerhalb des Sprachfrequenzbandes je nach Heliumoxygengemischzusammensetzung entsprechend einer bestimmten Tauchtiefe um den Faktor 1,5 2,5 nach oben versetzt werden. Die Stimmbandschwingungen mit der ständig wechselnden Stimmtonfrequenz sind jedoch als biomechanischer Vorgang davon nicht betroffen, so daß der Sprachgrundton als Erregungsfolge des Vokaltraktes mit seinem harmonischem Spektrum ohne Veränderung der Frequenzlage praktisch erhalten bleibt. Die menschliche VerständigUng wird durch die Verschiebung des Frequenzbandes, welches die Formanten einnehmen, erheblich erschwert, weil die Sprache gequetscht klingt.In order to largely eliminate the cause of this effect, one has the Part or all of the nitrogen content of the breathing air has been replaced by a lighter gas, namely helium, one speaks of helium atmosphere. The resulting helium-oxygen mixture but has for human speech because of its increased speed of sound a shift in the resonance frequencies of the vocal tract result, so that the Formant ranges within the speech frequency band depending on the composition of the helium-oxygen mixture offset upwards by a factor of 1.5 2.5 corresponding to a certain immersion depth will. The vocal cord vibrations with the constantly changing voice tone frequency are however, as a biomechanical process, it is not affected, so that the fundamental tone of speech as a result of the excitation of the vocal tract with its harmonic spectrum without change the frequency position is practically preserved. Human understanding is through the postponement the frequency band occupied by the formants, made considerably more difficult because the language sounds squashed.
Bei größeren Tauchtiefen macht sich ein zusätzlicher Einfluß des Druckes bemerkbar: Mit zunehmendem Druck wird nämlich die Verschiebung der tiefenFrequenzen des Formantfrequenzbandes merkbar größer als die der höheren; die Frequenzverschiebung wird also nicht~linear. Ein weiterer Effekt bei größeren Tauchtiefen ist ein relativer Energieverlust der Konsonanten gegenüber den Vokalen. Damit werden auch die für die Verstandlichkeit von Sprache so wichtigen Formantübergänge gestört.At greater diving depths, there is an additional influence of pressure noticeable: with increasing pressure the shift of the low frequencies becomes the formant frequency band is noticeably larger than that of the higher; the frequency shift so does not become ~ linear. Another effect at greater depths is a relative one Energy loss of the consonants compared to the vowels. This also means that the for the intelligibility of language disrupted the formant transitions that are so important.
Das im oben angegebenen Buch vorbeschriebene Verfahren zur Entzerrung von Heliumsprache sorgt dafür, daß die Stimmtonfrequenz in ihrem zahlenmäßigen Wert erhalten bleibt, whnd die Schwingungszahl der Formanten innerhalb jeder Stimatonperiode um den Faktor 2 herunter gesetzt wird. Diese Heraben setzung der Formantfrequcnz erfolgt durch eine sogenannte zeitliche Ausdünnung, indem die erste Hälfte des Formantschwingungszuges innerhalbeineitimmtonperiode festgehalten und auf die Länge der Stimmtonperiode gedehnt wird. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß das Ende eines gedehnten Schwingungazuges nicht immer stufenlos in den Anfang des darauf folgenden Schwingungszuges übergeht, so daß beim tbergang eine Störung auftritt Zwar wäre es möglich, bei der zeitlichen Ausdünnung mit Hilfe eines elektronischen Verfahrens für einen sanften Uebergang zwischen zwei Schwingungszügen zu sorgen - ein solches Verfahren, bei dem ein Mikroprozessor verwendet wird, ist im Zusammenhang mit der Wiedergabe von Sprachaufzeichnungen mit veränderter Geschwindigkeit bei gleicher Tonhöhe in der Zeitschrift "Funkschau", 1977, Heft 18, Seiten 847 - 851 beschrieben worden - jedoch würde dies zu einem beträchtlichen Mehraufwand führen.The equalization method described in the above book of helium speech ensures that the vocal tone frequency in its numerical value is retained, while the number of vibrations of the formants within each stimulus period is reduced by a factor of 2. This lowering of the formant frequency takes place by a so-called temporal thinning, by adding the first half of the formant oscillation train held within one pitch period and to the length of the pitch pitch period is stretched. The disadvantage of this method is that the end of a stretched Vibration train not always steplessly in the beginning of the following vibration train passes over, so that a disturbance occurs during the transition. It would be possible with the temporal thinning using an electronic process for a gentle To ensure transition between two vibrational trains - such a process, at which a microprocessor is used is related to the playback of Voice recordings at a different speed with the same pitch in the "Funkschau" magazine, 1977, issue 18, pages 847-851 has been described - however this would lead to a considerable additional effort.
Ein denkbares einfacheres Verfahren, bei dem Störungen durch zeitliche Ausdünnung nicht auftreten, besteht darin, daß eile oder das ganze Heliumsprachfrequenzband nach tiefen Frequenzen hin verschoben wird, indem es zunächst einer Tragerschwingun6 mit Trägerfrequenz aufmoduliert wird und dann bei der Rückmodelung durch Mischung mit einer gegenüber der Trägerfrequenz vergrößcrten Frequenz um einen konstanten Frequenzbetrag nach unten verschoben wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß die Frequenzverschiebung prozentual nach höheren Frequenzen zu stark abnimmt, zusäzlich nichtlineare Verzerrungen entstehen-, und der Energieverlust der Konsonanten nicht korrigiert wird.A conceivable simpler method in which disruptions caused by temporal Thinning does not occur is that rush or the whole helium voice frequency band is shifted towards lower frequencies by first carrying out a carrier oscillation is modulated with the carrier frequency and then with the remodeling by mixing with a frequency that is increased by a constant compared to the carrier frequency Frequency amount is shifted down. The disadvantage of this process is that the frequency shift decreases too much as a percentage towards higher frequencies, in addition non-linear distortions arise - and the loss of energy in the consonants does not is corrected.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits Störungen durch zeitliche Ausdünnung mit möglichst geringem Aufwand zu vermeiden und andererseits dafür zu sorgen, daß die Verschiebung des ausgewählten Sprachfrequenzbandes s an dessen oberer und unterer Grenze ausreichend den Bedürfnissen angenähert ist.The invention is based on the object, on the one hand, of interference to avoid temporal thinning with as little effort as possible and on the other hand to ensure that the shift of the selected voice frequency band s on the upper and lower limits of which are sufficiently approximated to the needs.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren bzw. die Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw.10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sinin den Unteransprüchen angegeben.This task is carried out by the process or the facility with the Features of claim 1 or 10 solved. Advantageous further education sinin specified in the subclaims.
Durch die Anwendung der Erfindung kann die Natürlichkeit der Sprache zum Teil zurückgewonnen werden, wobei auf das von der Trägerfrequenztechnik her bekannte Modulationsprinzip in Verbindung mit einer trägerfrequenten Amplitudenbegrenzung und nachfolgenden Frequenzteilung oder -vervielfachung der Signalschwingungen zurückgegriffen wird. Die Sprechgeschwindigkeit und der Sprachgrundton bleiben bei diesem Verfahren erhalten.By applying the invention, the naturalness of the language can be recovered in part, with the help of the carrier frequency technology known modulation principle in connection with a carrier-frequency amplitude limitation and subsequent frequency division or multiplication of the signal oscillations will. The speed of speech and the keynote of speech remain with this method obtain.
Die Ausführungsmöglichkeit der Erfindung mit Frequenzteilung (im Gegensatz zur Frequenzvervielfachung) ist diejenige, die für die Entzerrung von Heliumsprache geeignet ist. Sie eignet sich aber auch zur Verzerrung natürlicher Sprache zur Verbesserung des Hörvermögens in Fällen starker Altersschwerhörigkeit.The possibility of implementing the invention with frequency division (in contrast for frequency multiplication) is the one for the equalization of helium speech suitable is. But it is also suitable for natural language distortion for improvement hearing in cases of severe age-related hearing loss.
Mit zunehmendem Alter sinkt nämlich die Hörempfindlichkeit für hohe Frequenzen stark ab. So liegt im Mittel bei einem Alter von 60 Jahren die obere Frequenzgrenze bei ca. 6 kHz.With increasing age, the hearing sensitivity for high Frequencies sharply. The mean age of 60 is the upper one Frequency limit at approx. 6 kHz.
In krankhaften Fällen kann diese Grenze bis auf 1 kHz und darunter absinken. Die Sprachverständlichkeit ist dadurch stark eingeschränkt. So liegt die Silbenverständlichkeit bei einer oberen Frequenzgrenze von 1 kHz nur noch bei etwa 10 bis 20 %. Durch Transponierung des natürlichen Sprachspektrums in den Resthörbereich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Sprachverständlichkeit wesentlich verbessert werden. Hier erfolgt wegen der dauernden Benutzung des Hörgerätes eine subjektive Gewöhnung an die veränderte Sprachqualität. Die Benutzung normaler, lediglich verstärkender Hörgeräte hat in solchen Fällen keinen Sinn, da diese nervös bedingte Altersschwerhörigkeit sich lediglich auf die hohen Frequenzen bezieht, das Hörvermögen für tiefe Frequenzen Jedoch nicht vermindert ist. Würde nur eine Verstärkung zur Anwendung gebracht, so würden die tiefen Frequenzen unangenehm laut werden, was zu Kopfschmerz und ähnlichen Belästigungen führt.In pathological cases, this limit can be down to 1 kHz and below sink. The speech intelligibility is severely restricted as a result. That's how it lies Syllable intelligibility at an upper frequency limit of 1 kHz is only around 10 to 20 %. By transposing the natural language spectrum into the remaining hearing area With the aid of the method according to the invention, speech intelligibility can be significant be improved. Because of the constant use of the hearing aid, a subjective habituation to the changed speech quality. The use of normal, only Amplifying hearing aids make no sense in such cases, as they are nervous Aging hearing loss refers only to the high frequencies, the hearing ability for low frequencies, however, is not reduced. Would just reinforce it If applied, the low frequencies would be uncomfortably loud, what leads to headache and similar annoyance.
Die Ausführungsmöglichkeit der Erfindung mit Frequenzvervielfachung wäre dementsprechend ftr die Verzerrung von Sprache in solchen Fällen geeignet, in denen das Hörvermögen für tiefe Frequenzen gestört ist.The possibility of implementing the invention with frequency multiplication would accordingly be suitable for the distortion of speech in such cases in which the hearing for low frequencies is impaired.
Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.
Die einzige Figur zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung, bei dem einige besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht sind.The single figure shows a preferred embodiment of a Device according to the invention, in which some particularly advantageous embodiments of the invention are realized.
Die Figur zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Entzerrung von Heliumsprache. Einem Breitbandmikrofon 1 mit flachem Frequenzgang und statischem Druckausgieich folgt wegen der späteren Begrenzung und dem Energieverlust der Konsonanten bei Heliumsprache eine Stufe 2 zur Höhenanhebung des Frequenzganges.The figure shows a block diagram of a device for equalization of helium language. A broadband microphone 1 with a flat frequency response and a static Pressure equalization follows because of the later limitation and the loss of energy of the consonants with helium speech a level 2 to increase the treble of the frequency response.
Ein Bsndpaß 3 begrenzt den Bereich des niederfrequenten Heliumsprachbandes nach oben und unten, vor allem, um störende Umgebungs- und Atmungsgeräusche auszublenden. Es folgt in der Kette von Bausteinen ein Einseitenbandmodulator 4 mit einem Tra er Trägerschwingungsgenerator 5, der auf der frequenz f arbeitet, und das noch zum Einseitenbandmodulator zu rechnende Einseitenbandfilter 6 für das Ausfiltern des oberen mit der Xrägerfrequenz f hochgesetzten Heliumsprachbandes. Durch die EinseitenbandmoduXation befinden sich die Informationen der Sprachsignale nicht nur in der Amplitude der einseitenbandmodulierten Trägerschwingung, sondern auch in der Phase.A bias pass 3 limits the range of the low-frequency helium voice band up and down, especially to block out disturbing ambient and breathing noises. A single sideband modulator 4 with a tra follows in the chain of blocks he carrier oscillation generator 5, which works on the frequency f, and that for the Single sideband modulator to be calculated single sideband filter 6 for filtering out the upper helium voice band raised with the X carrier frequency f. Through the single sideband modulation the information of the speech signals is not only in the amplitude of the single sideband modulated carrier wave, but also in phase.
In der Kette von Bausteinen folgt weiterhin ein Amplitudenbegrenzer 7, beispielsweise ein Schmitt-Trigger, der das nunmehr trägerfrequente Heliumsprachband in eine Zweistufensprache wandelt, die keine Dynamik mehr enthält, aber deren Informationen über die enthaltenen Frequenzanteile in den Lagen der jeweiligen Nulldurchgänse enthalten sind. Die leistungsschwachen Konsonanten werden dabei auf den gleichen normierten Pegel angehoben wie die Vokale. Ein nachfolgender, beispielsweise ein binärer Frequenzwandler 8 in Form eines Frequenzteilers, im einfachsten Falle eine bistabile Kippstufe, teilt die vom Amplitudenbegrenzer 7 kommende Impulsfolge durch den Faktor n 1 2. Die Frequenzen werden damit halbiert und die durch die Heliumatmosphäre bedingte Formantverschiebung der Sprache wieder weitgehend rückgängig gemacht.An amplitude limiter also follows in the chain of modules 7, for example a Schmitt trigger, the now carrier-frequency helium voice band converts into a two-level language that no longer contains dynamics, but its information via the frequency components contained in the positions of the respective zero crossings are included. The underperforming consonants are on the same normalized level raised like the vowels. A subsequent one, for example a binary frequency converter 8 in the form of a frequency divider, in the simplest case one bistable multivibrator, divides the pulse sequence coming from the amplitude limiter 7 the factor n 1 2. The frequencies are halved and those by the helium atmosphere The conditional shift in the formant of the language was largely reversed.
Die durch die Amplitudenbegrenzung hervorgerufene Einschränkung des Signalinhaltes auf die Nulldurchgänge der modulierten Trägerschwingung ermöglicht zwar durch die nachfolgende Frequenzteilung die Regenerierung der Konsonanten, erhöht aber die Anfälligkeit gegen Stör- und Rauschanteile, die ins Sprachband fallen. Jedoch können Stör- und Rauschanteile, die während der Sprechpausen auf gleiche Amplitudenhöhe wie die Signalwerte selbst angehoben werden, durch eine zusätzliche Kanalinformation, eine Dynamikregelung oder einen Sprach/Pause-Schalter unterdrückt werden.The limitation of the Signal content on the zero crossings of the modulated carrier oscillation allows through the subsequent frequency division the regeneration of the Consonants, but increases the susceptibility to interference and noise that ins Voice band fall. However, interference and noise components can occur during pauses in speaking can be raised to the same amplitude level as the signal values themselves by a additional channel information, dynamic control or a speech / pause switch be suppressed.
Eine andere oder zusätzliche Möglichkeit besteht darin, daß die Amplitudeninformation wieder hinzugefügt wird. Im vorliegenden Beispiel wurde hierzu für die Ermittlung der Hüllkurve der Einseitenbandmodulierten Trägerschwingung ein Hüllkurven-Gleichrichter 9 mit einem nachfolgenden Sprachtiefpaß 10 vorgesehen, dessen Zeitkonstante etwa der Silbengeschwindigkeit der Sprache entspricht. In einer flultiplizierstufe 11 wird das binäre, amplitudenkonstante trägerfrequente Sprachsignal in Form der amplitudenbegrenzten, einseitenbandmodulierten Trägerschwingung wieder mit seiner ursprünglichen Hüllkurve multipliziert.Another or additional possibility is that the amplitude information is added again. In this example, this was done for the determination the envelope of the single sideband modulated carrier wave is an envelope rectifier 9 provided with a subsequent speech low-pass filter 10, the time constant of which is approximately corresponds to the syllable speed of the language. In a multiplier level 11 the binary, amplitude constant carrier-frequency speech signal in the form of the amplitude-limited, single sideband modulated carrier wave again with its original envelope multiplied.
Die Anordnung des Amplitudenbegrenzers 7 im trägerfrequent arbeitenden Teil der Kette von Bausteinen hat den Vorteil, daß die durch die harte Begrenzung im Amplitudenbegrenzer 7 entstehenden Klirranteile nicht ins Sprahband fallen. So liegt die erste Oberwelle der den Amplitudenbegrenzer 7 verlassenden Rechteckimpulse bereits bei der doppelten Trägerfrequenz.The arrangement of the amplitude limiter 7 in the carrier frequency working Part of the chain of blocks has the advantage that the hard limitation The distortion parts produced in the amplitude limiter 7 do not fall into the band. So is the first harmonic of the square-wave pulses leaving the amplitude limiter 7 already at twice the carrier frequency.
Ein weiteres Einseitenbandfilter 12, dessen Mittenfrequenz nunmehr gegenüber dem ersten Einseitenbandfilter 6 bei der halben Trägerfrequenz liegt, filtert das zur weiteren Signalverarbeitung benötigte Trägerfrequenzband aus dem die Multiplizierstufe 11 verlassenden Frequenzband aus. Es folgt dann ein Frequenzumsetzer 132 ausgebildet als Trägerfrequenzdemodulator mit einem Rücksetzschwingungagenerator 14, dessen Rücksetzfrequenz f/n um den Betrag +f verstellbar ist. Durch die Einstellbarkeit dieses Rücksetzschwingungsgenerators 14 ergibt sich die Möglichkeit, den trägerfrequent erreichten Prequenzteilungsfaktor 2 zusätzlich noch frequenzabhängig fein zu regulieren. Die Mittenfrequenz des Bücksetzschwingungsgenerators 14 für die Demodulation im Trägerfrequenzdemodulator 13 liegt bei der halben Frequenz f des Trägerschwingungsgenerators 5, der die Trägerschwingung für die Einseitenbandmodulation liefert.Another single sideband filter 12, the center frequency of which is now compared to the first single sideband filter 6 is at half the carrier frequency, filters the carrier frequency band required for further signal processing from the the multiplier 11 leaving the frequency band. A frequency converter then follows 132 designed as a carrier frequency demodulator with a reset oscillation generator 14, whose reset frequency f / n can be adjusted by the amount + f. Due to the adjustability this reset oscillation generator 14 results in the possibility of the carrier frequency If the frequency division factor 2 is reached, it can also be fine-tuned depending on the frequency. The center frequency of the Bücksetzschwingungsgenerator 14 for the Demodulation in the carrier frequency demodulator 13 is half the frequency f des Carrier wave generator 5, the carrier wave for the single sideband modulation supplies.
Der sonst bei den bekannten Verfahren nachteilige Effekt, daß die Frequenzverschiebung nach höheren Frequenze! zu prozentual über den ganzen Bandbereich stark abnimmt, kann hier für die Peinregulierung ausgenutzt werden, um das nichtlineare Verhalten der Helium-Sprachbandverschiebung bei tiefen Frequenzen auszugleichen.The otherwise disadvantageous effect in the known method that the Frequency shift towards higher frequencies! to a percentage over the entire band area decreases sharply, can be used here for the Peinregulierung to the non-linear Compensate behavior of the helium voiceband shift at low frequencies.
Ein dem Frequenzumsetzer 13 folgender Tiefpaß 15 begrenzt das nun entzerrte Heliumsprachband auf übliche niederfrequente Bandbreite. Die akustische Wiedergabe erfolgt über eine Hörkapsel 16. LeerseiteA low-pass filter 15 following the frequency converter 13 now limits this equalized helium voice band to the usual low-frequency bandwidth. The acoustic Playback takes place via an earpiece 16. Blank page
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DE19772752245 Ceased DE2752245A1 (en) | 1977-11-23 | 1977-11-23 | Correction or distortion of speech signals - has speech band which is modulated, limited, divided and transposed to required frequency position |
Country Status (1)
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DE (1) | DE2752245A1 (en) |
-
1977
- 1977-11-23 DE DE19772752245 patent/DE2752245A1/en not_active Ceased
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