DE3012727C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Messen des Stimmumfangs von Personen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Stimmumfanges von Personer, und eine Schaltungsanordnung zur Durchführungdes Verfahrens. Bisher fehlte es an Möglichkeiten, den jeweiligen Zustand der Sprechorgane der Menschen insbesondere hinsichtlich ihrer Sprach- bzw. Singfähigkeit in einfacher Weise festzuhalteil.

Bisher hat man zur Messung des Stimmumfanges im Untersuchungsraum den Patienten einen Ton bestimmter Höhe singen lassen und mit einem handelsüblichen Lautstärkemeßgerät jeweils die Lautstärke fcei de.i einzelnen gesungenen Tönen verschiedener Tonhöhe in db registriert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur schnellen physikalisch und medizinisch einwandfreien Messung des Stimmumfanges anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen kennzeichnenden Maßnahmen gelöst und in Unteransprüchen werden Schaltungen zur Durchführung des Verfahrens genannt.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Stimmumfang, d. h. Frequenz ur j Lautstärke der menschlichen Stimme, sowohl schnell gemessen als auch das Meßergebnis einfach aufgezeichnet werden kann. Das Aufzeichnen des Meßergebnisses ist deshalb besonders zweckmäßig und wichtig, weil damit ein Vergleich von Meßdaten bei zeitlich Ό versetzten Mossungen, z. B. vor und nach einer Heilbehandlung bzw. Gesangsausbildung leicht möglich ist

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 — ?in Blockschaltbild der Anordnung zur Durchführung des erfindurigsgemäßen Verfahrens,

Fig.2 — eine Filterschaltung zur Umwandlung der Rechteckschwingung in eine sinusartige Schwingung, so

F i g. 3 — eine automatische Verstärkungsregelschaltung,

F i g. 4 — eine D/A-Wandle^rschaltung.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines sogenannten »Stimmfeldmeßgerätes« dargestellt, welches aus drei verschiedenen Baugruppen besteht Die erste Gruppe enthält im wesentlichen einen Tongenerator 1, dessen Ausgangsfrequenzen nach weiterer Bearbeitung mit einem Lautsprecher 2 akustisch abgestrahlt werden.

Die zweite Gruppe besteht im wesentlichen aus einem D/A-Wandler 3, dessen Ausgangssignal entsprechend der ausgestrahlten Tonfrequenz als Steuerspannung dem .Y-Eingang eines in F i g. 1 nicht dargestellten Koordinatenschreibers zugeführt wird.

Die dritte Gruppe besteht aus einem Mikrophon 4 mit zugehörigem Verstärker 5 und weiteren Schaltgruppen zur Erzeugung einer Jer Lautstärke des von einer Person gesungenen Tones entsprechenden Spannung, welche dem K-Eingang des Koordinatenschreiber zugeleitet wird.

Der Tongenerator 1 besteht aus einem Quarzoszillator 6, welcher mit einer Frequenz von mind. I MHz schwingt, einem Frequenzteiler 7 mit hohen Teilerverhältnissen, einer Tonwahlschaltung 8 und einem variablen Frequenzteiler 9. Am Ausgang 11 des Tongenerators 1 ist eine rechteckförmige Tonfrequenzspannung abnehmbar. Zur Tonfrequenzwahl ist der Eingang der Tonwahlschaltung 8 mit einem Tastenfeld 12 verbunden, welches entsprechend den Stufen der C-Dur-Tonleiter aus 7 Tasten besteht Dem Tastenfeld 12 ist eine Speicherschaltung 13 zugeordnet, welche mit einem Start-Stop-Oszillator 14 verbunden ist Zur Tonbereichswahl ist ein Tastenfeld 16 mit 5Tonbereichswahltasten vorgesehen, welchem ebenfalls eine weitere Speicherschaltung 17 zugeordnet ist. Auch diese Speicherschaltung 17 ist an den Start-Stop-Oszillator 14 angeschlossen, der immer dann startet, wenn eine in der Speicherschaltung nicht gespeicherte Taste gedrückt wird und der stoppt, wenn die gedrückte Taste bereits gespeichert ist Der Ausgang dieser Speicherschaltung 17 ist einerseits an den variablen Frequenzteiler 9 und andererseits an ein aktives Tiefpaßfilter 18 angeschlossen. Mit Hilfe dieser (7 + 5) = 12 Tasten körnen sämtliche (7 · 5) = 35 Tonfrequenzen des Meßgerätes vorgewähU werden.

Nach Druck je einer Taste in jedem Tastenfeld 12 und

16 wird die Auswahl in den Speicherschaltungen 13 und

17 gespeichert und mit deren Ausgangssignalen die Tonwahlschaltung 8 sowie der variable Teiler 9 und das Tiefpaßfilter 18 angesteuert Außerdem werden diese Ausgangssignale dem D/A-Wandler 3 zugeführt welcher jeweils eine der gewählten Tonfrequenzen entsprechende Spannung an die Ausgangsklemme 19 für den X-Eingangdes Koordinatenschreibers abgibt.

Die am Ausgang 11 abnehmbare rechteckförmige Tonfrequenzspannung wird nun mit Hilfe des aktiven Filters 2. Ordnung 18, welches eine Butterworth-Charakteristik aufweist, so gefiltert, daß nur die Grundschwingung übrigbleibt und am Ausgang des Filters 18 eine sinusförmige Schwingung entsteht. Die Flanke des Tiefpaßfilters 18 ist dabei so gelegt, daß alle Frequenzen einer Oktave schon in der Flanke liegen. Somit ist nur noch eine Umschaltung der Grenzfrequenzen mit der Umschaltung der Tonbereiche notwendig. Dies erfolgt durch Verschiebung der Flanke entsprechend der Tonbereichswahl. Der ausnutzbare Steigungsbereich sowie die Verschiebungsschritte bei der Tonbereichswahl sind dabei so gewählt, daß die ausnutzbaren Flankenbereiche des Filters aneinander anschließen, so daß es bei der Umschaltung von einer Oktave zur anderen keine »Frequenzlöcher« gibt. Da die am Ausgang des Filters 18 abnehmbare sinusförmige Schwingung unterschiedliche Amplituden bei verschiedenen Frequenzen aufweist, ist danach eine automatische Verstärkungsregelschaltung 21 vorgesehen. Die somit amplitudengleichen Frequenzspannungen werden nun über einen Verstärker 23 dem Lautsprecher 2 zur Tonabgabe zugeführt

Das vom Mikrophon 4 abgegebene und im Verstärker 5 verstärkte Mikrophonsignal wird nach Gleichrichtung in einer Schaltung 24 einem logarithmischen Verstärker 25 zugeführt, dessen Ausgangsspannung linear abhängig ist vom Lautstärkeempfinden. Diese Signalspannung liegt an der Ausgang^klemme 26, welche mit dem K-Eingang des Koordinatenschreibers verbindbar ist. Für Eichzwecke ist ferner ein Eichpegelgeber 27

vorgesehen, welcher zwischen Gleichiichterschaltung 24 und Logarithmierverstärkcr 25 eins'.haltbar ist.

!Jas Stimmenumfangs-Meßverfahren wird nun so durchgeführt, daß zunächst per Tastendruck eine Tonfrequenz gewählt und per Lautsprecher 2 abge· strahlt wird. Gleichzeitiü erfolgt eine Steuerung des A"-Eingangs des Koordinatenschreibers entsprechend dem gewählten Ton. Die Versuchsperson singt danach diesen Ton in das Mikrophon 4, wodurch dem }'-Eingang des Koordinatens'chreibers eine entsprechende Signalamplitude zugeführ! wird. Dieses Verfahren wird für verschiedene Töne durchgeführt.

IJa es nun zu untersuchende Personen gibt, welche vorgegebene Töne nich' exakt nachsingen können, muß in diesem f-'all die Grundlreqiien/ des gesungenen Tones festgestellt werden. Dies erfolgt über das Mikrophon 4 und den Verstärker 5, dessen Ausgangssignal in einem Frequenzspannungswandler 28 in eine Spannung umgewandelt und danach einem Logarithmierverstärker 29 zugeführt wird. Der Ausgang des Verstärkers 29 ist an einen Kontak. einer Umschalteinrichtung 30 angeschlossen, deren anderer Kontakt mit dem Ausgang des D/A-Wandlers 3 verbunden ist. Der Umschalter der Einrichtung 30 ist an die Ausgangsklemme 19 angeschlossen. Nun kann wahlweise die durch Tastendruck vorgewählte Tonfrequenz oder die von der Versuchsperson gesungen-: Frequenz dem X-Eingang des Koordinatenschreibers zugeführt verdcn.

In F i g. 2 ist die Schaltung des aktiven Filters 18 detailliert dargestellt. I Iber einen Kondensator 31 wird das rechteckförmige vom Tongenerator 1 abgegebene Signal zwei in Reihe liegenden Fotowiderständen 32, 33 zugeführt, welche am nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 34 liegen. Die Fotowiderstände 32, 33, welche die frequenzbestimmenden

Widerstände des Filters darstellen, werden von je einer Leuchtdiode 36, 37 beleuchtet. Diese liegen in Reihe nut 5 parallelgeschalteten Widerständen 38 bis 42 unterschiedlicher Größe, welche an die Speicherschaltung 17 (Fig. I) angeschlossen sind. Da die Fotowiderstände 32 und 33 mit dem l.ichtstrom ihren Widersland ändern, ist eine einfache Frequenzumschaltung durch Änderung des l.euchtdiodenstromes mittels der Widerstände 38—42 möglich.

In Fig. 3 ist die automatische Verstärkungsregelschaltung 21 im Detail dargestellt. Auch hierbei ist eine Kombination von Fotowiderstand 43 und Leuchtdiode 44 als Regelglied benutzt. Das vom Filter 18 abgegebene sinusförmige Signal wird dem Fotowiderstand 43 zugeführt, welcher mit einem Widerstand 4b einen Spannungsteiler am Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 47 bildet. Über eine Rückkopplungsschaltung 48 wird der Strom durch die Leuchtdiode 44 geregelt, wodurch eine Amplitudengleichheit aller zu übertragenen Frequenzen erreicht wird.

F ig. 4 zeigt den D/A-Wandler 3 im Detail. Die von den Spcicherschaltungen 13 und 17 kommenden Leitungen sind an die Klemmen 51 bis 57 und 58 bis 62 angeschlossen, welche jeweils über einen Verstärker 63 bis 69 und 70 bis 74 und einen Widerstand 76 bis 82 und 83 bis 87 mit einem Summenpunkt 88 eines Operationsverstärkers 89 verbunden sind. Bei den Speicherschaltungen '.3 und 17 liegt am Ausgang jeweils nur das Signal au' logisch »1«, welches dem angewählten Ton des jeweiligen Tonbereichs entspricht, die anderen liegen auf logisch »0«. Dadurch ist es möglich, mit den entsprechend bewerteten Widerständen 76 bis 87 Ströme auf den Summenpunkt 8? des Operationsverstärkers 89 zu summieren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen des Stimmumfanges von Personen, gekennzeichnet durch die Kombination nachstehender, einzeln zum Teil bekannter Verfahrensschritte:

a) mit einem Tongenerator (1) werden innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereiches liegende vorgewählte Tonfrequenzen erzeugt und als Ton akustisch ausgestrahlt;

b) mit einem Mikrophon (4) werden die von der Versuchsperson gesungenen Töne aufgenommen und dem V-Eingang eines Koordinatenschreibers zugeführt, dessen X-Eingang eine der jeweiligen Tonfrequenz entsprechende Steuerspannung zugeführt wird;

c) die jeweilige Amplitude der dem V-liingang zugeführten Signalspannung bei der zugeordneten Tonfrequenz wird von dem Koordinatenschreiber aufgezeichnet

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonfrequenz von einer Mutterfrequenz von vorzugsweise wenigstens 1 Mhz durch Zählwerke (7, 8, 9) zunächst als Rechteckschwingung abgeleitet und erst dann in eine sinusartige Schwingung umgewandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem -Y-Eingang des Koordinaten-Schreibers zugeführte Steuerspannung eine Funktion der vom Tongenerator (1) unmittelbar vorher abgegebenen Tonfrequenz ist

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem A"-Eingar^ des Koordinaten-Schreibers zugeführte Steuerspannung eine Funktion der Frequenz des von der Versuchsperson im Augenblick der Aufzeichnung gesungenen Tones ist

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswahl einzelner Töne eine Tastenschalteinrichtung (12,16) und eine damit verbundene Speichereinrichtung (13,17) vorgesehen ist, welche den jeweils durch Tastendruck ausgewählten Ton speichert

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung (30), durch welche der A"-Eingang des Koordinatenschreibers wahlweise entweder mit dem Tongenerator (1) oder einer von der Frequenz des gesungenen Tones gesteuerten Stromspannungsquelle verbindbar ist

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastenschalteinrichtung aus zwei Tastenfeldern besteht, von denen das eine mehrere Tasten zur Wahl von Tönen eines vorgegebenen durch Tastendruck des anderen Tastenfeldes wählbaren Tonbereichs enthält, insbesondere sieben Tasten zur Tonwahl entsprechend den Tonstufen der C-Dur-Tonleiter, und das andere so (16) mehrere Tasten zurTonbereiehswahl, insbesondere fünf Tasten zur Tonbereichswahl entsprechend der fünf Oktaven umfassenden Tonerzeugung.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Tastenfeld (12, 16) eine Speicherschaltung (13, 17) vorgesehen ist, welchen ein gemeinsamer Start-Stop-Oszillator (14) zugeordnet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Speicherschaltungen (13,17) einerseits an den Tongenerator (1), und andererseits über einen Digital/Analog-Wandler (3) an den A"-Eingang des Koordinatenschreibers angeschlossen sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital/Analog-Wandler (3) eine Summierschaltung für alle von den Speicherschaltungen (13,17) übertragenen digitalen Signale enthält

11. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung der Rechteckschwingung in die sinusartige Schwingung ein aktives Filter (18) wenigstens zweiter Ordnung dient

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß das aktive Filter (1) zweiter Ordnung eine Butterworth-Charakteristik aufweist

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß das Filter (18) derart dimensioniert ist, daß sämtliche Frequenzen eines vorgewählten Tonbereiches, vorzugsweise einer Oktave, in der Flanke der Filtercharakteristik liegen.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet daß die Flanke der Filtercharakteristik entsprechend der Tonbereichswahl mit Hilfe der Tonbereichswahltasten verschiebbar ist

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß der ausnutzbare Steigungsbereich sowie die Verschiebungsschritte der Flanke derart gewählt sind, daß die ausnutzbaren Flankenbereiche in der ΛΓ-Richtung der Filtercharakteristik aneinander anschließen.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzbestimmenden Widerstände des Filters (IS*) Fotowiderstände (32,33) sind, welche von je einer Leuchtdiode (36,37) beleuchtet sind, und daß der Strom durch die Leuchtdioden über je einen mit den Tonbereichswahltasten verbundenen Widerstand (38 bis 42) unterschiedlicher Größe auf vorgegebene Werte einstellbar ist

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Rechteckschwingung durch Filterung erzeugte sinusartige Schwingung zui Amplitudenangleichung bei verschiedenen Frequenzen über eine automatische Verstärkungsregelschaltung (21) geführt ist

18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur automatischen Verstärkungsregelung ein in den Signalweg vor der Verstärkerschaltung eingeschalteter Fotowiderstand (43) vorgesehen ist, welcher von einer im Rückkopplungszweig (48) des Verstärkers liegenden Leuchtdiode (44) beleuchtet wird, und daß der Fotowiderstand (43) zusammen mit einem gegen Masse geschalteten Festwiderstand (46) am Eingang der Verstärkerschaltung einen steuerbaren Spannungsteilerbildet.

19. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrophonsignal nach Verstärkung und Gleichrichtung einer Logarithmierstufe (25) zugeführt ist, so daß deren Ausgangsspannung, welche am V-Eingang des Koordinatenschreibers liegt,

linear abhängig ist vom Lautstärkeempfinden.

20. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkte Mikrophonsignal einem Frequenz-Spannungswandler (28) zugeführt ist, dessen Ausgang über eine weitere Logarithmierstufe (29) am .Y-Eingang des Koordinatenschreibers liegt