-
Integrierender Nachhallmesser Gegenstand der Erfindung .ist ein Nachhallmesser,
der sich gegenüber den bekannten Anordnungen dieser Art durch besonders hohe Meßgenauigkeit
auszeichnet ünd gewisse Fehlermöglichkeiten, die durch das Meßprinzip der früheren
Anordnungen bedingt sind, ausschaltet.
-
Die als - Nachhallmesser bezeichneten Geräte sind für die Beurteilung
gewisser akustischer Eigenschaften von Wichtigkeit. Mit ihrer Hilfe ist es möglich,
die Erscheinungen zu untersuchen und zu messen, die in einem Raum auftreten, wenn
ein Ton nach Abschalten einer Schallquelle abklingt. Dieses Abklingen erfolgt annähernd
nach einer Exponentialfunktion. Als Maß des Nachhalles wird allgemein die Sabinesche
NachhaIlzeit benutzt, -die als diejenige Zeit definiert ist, innerhalb der die Schallenergie-
auf
ihres ursprünglichen Betrages abfällt.- Dem entspricht bei gleichmäßiger Verteilung
der Energie ein Abfall des Schalldruckes auf
Die bekannten Nachhallmesser arbeiten in der Weise, daß sie die Zeit bestimmen,
in der der Schalldruck auf einen bestimmten Teil seines ursprünglichen Wertes abfällt.
Aus dieser Zeit -kann dann die Sabinesche Nachhallzeit leicht errechnet werden.
In der Praxis zeigt sich nun aber, daß der Schalldruck nicht nach einer reinen Exponentialfunktion
abfällt, sondern häufig überlagerte Schwingungen zeigt. In diesem Fall ist die Messung
der Nachhallzeit nicht mehr einwandfrei und unter Umständen auch nicht mehr eindeutig-Gemäß
der Erfindung wird dieser Nachteil durch Verwendung eines Nachhallmessers vermieden,
der mit einem integrierenden Anzeiger ausgestattet ist. Bei einer- solchen Meßanordnung
erfolgt die Bestimmung -der Nachhallzeit aus den Exponentialfunktionen, die mit
der tatsächlichen Abklingfunktion der Nachhallenergie flächengleich ist, wobei also
die Zeitkonstante durch Integration der Funktion ermittelt wird.
-
Integrierend Meßgeräte auch für die Untersuchung akustischer Vorgänge
sind an sich bereits bekannt. So hat man beispielsweise für Sprachuntersuchungen
Integrationen über bestimmte Zeitabschnitte durchgeführt, wobei selbstverständlich
die Summe von der Länge der gewählten Zeitspanne abhing. Das Gerät gemäß vorliegender
Erfindung kann mit den für diese Zwecke bestimmten Geräten insofern nicht verglichen
werden, als es sich hier nicht um eine Lautstärkexnessung
an sich,
sondern tun die Messung von Nachhall handelt, für die die bisher benutzten Prinzipien
zu eindeutigen Ergebnissen nicht führen konnten. Das neue Meßprinzip baut sich auf
Erkenntnisse des N achhallvorganges auf, die für akustische Vorgänge an sich keine
Bedeutung haben und die infolgedessen nur für diesen Sonderfall einschließlich der
aus ihnen gezogenen Schlußfolgerungen zutreffen. Die Eigenheiten des N achhallmessers
gemäß vorliegender Erfindung sind aus der weiter unten gegebenen Behandlung der
grundsätzlichen Erwägungen zu entnehmen.
-
Ouadrierung des Druckes und Integration können bei dem neuen Gerät
voneinander getrennt, z. B. durch Gleichrichter und ballastische Galvanometer, oder
in einem Apparat, z. B. Thermogalvanometer, vorgenommen werden. In diesem letzteren
Fall z. B. wird der Nachhall von einem Mikrophon aufgenommen, verstärkt und auf
ein Thermokreuz gegeben. Die imThermokreuzentwickelteWärmemenge ist .dann ein Maß
für die Nachhallenergie und damit auch für die "Nachhallzeit.
-
Unter der Voraussetzung, daß am Thermokreuz während des Nachhallv
organges keine Energieverluste, beispielsweise durch Abkühlung, eintreten und daß
das angeschlossene Anzeigeinstrument den Temperaturschwankungen des Thermokreuzes
unmittelbar folgt, gilt folgende Gleichung:.
Hierin bedeuten: at - Ausschlag des Instrumentes zur Zeit t,
E - EMK
des Thermokreuzes, z = Temperatur des Thermokreuzes, O - dem Thermokreuz in der
Zeiteinheit zugeführte Wärmemenge, I - Strom im Thermokreuz.
-
Ersetzt man den zeitlichen Verlauf der Schallenergie durch die flächengleiche
Exponentialfunktion, so ist der Strom im Thermokreuz
Die N achhallzeit ergibt sich dann aus der Beziehung
Für den Endausschlag des Instrumentes nach Ablauf des Nachhallvorganges ergibt sich
Hieraus geht hervor, daß bei konstantem Anfangsstrom der Ausschlag proportional
der Sabineschen Nachhallzeit Ts,b ist.
-
Zunächst sei an Hand der Figuren der Erfindungsgedanke näher erläutert.
-
Es stellt Fig. z eine Abklingfläche und die flächengleiche Exponentialfunktion
dar. Fig. 2 gibt ein Prinzipschaltbild des Nachhallmessers gemäß der Erfindung und
Fig.3 ein solches einer Eichanordnung.
-
In- Fig. r stellt die gewellte Linie I den Verlauf des effektiven
Schalldruckes p in Abhängigkeit von der Zeit t dar. Die Linie II gibt den Verlauf
der flächengleichen Exponentialfunktion an. Aus dieser Darstellung ist deutlich
zu erkennen, inwiefern die bekannten Meßverfahren zu falschen Ergebnissen führen
können, da offensichtlich das Ergebnis, das durch Messung im Zeitpunkt tl erzielt
wird, sich beträchtlich unterscheiden wird von einem Ergebnis, dem eine Messung
im Zeitpunkt t2 zugrunde liegt. Diese Fehlermöglichkeit haftet dem alten Verfahren
in jedem Falle an, da sie durch das Prinzip dieses Verfahrens begründet ist, und
läßt sich auch durch genaueste Bemessung der Anordnung nicht beseitigen. Demgegenüber
gleicht der Nachhallmesser gemäß der Erfindung die Schwankungen aus, und zwar durch
Integration der Kurve.
-
Aus Fig.2 ist die Arbeitsweise der Anordnung deutlich zu erkennen.
Benutzt werden wie auch bei den bekannten Anordnungen ein Schallsende- und ein Schallaufnahmekreis.
Der erstere besteht aus einer Schallquelle S, deren erzeugte Energie über einen
Leistungsverstärker LV und ein Schaltrelais R= zum Lautsprecher L gelangt.
Der zweite Kreis enthält ein Mikrophon JN, zweckmäßigerweise ein Bändchenmikrophon,
dessen aufgenommene Energie über ein PotentiometerP, einen MikrophonverstärkerM.h
und ein Schaltrelais R" zum Thermokreuz T gelangt, an das ein Galvanometer G angeschlossen
ist. Die Relais R1 und R2 dienen dazu, im Augenblick der Messung den Lautsprecher
abzuschalten und das Thermokreuz anzuschließen.
Eingangs wurde gezeigt,
daß der Instrumentausschlag proportional der Nachhallzeit ist, wenn der Anfangsstrom
l, des Thermokreuzes für alle Nachhallzeiten gleich gemacht wird. Das Anzeigeinstrument
kann dann unmittelbar @ in Nachhallzeiten geeicht werden. Die Untersuchung erfolgt
also in der Weise, daß zunächst der konstante Anfangsstrom eingeregelt wird, woran
sich die eigentliche Messung anschließt.
-
Als Anfangsstrom wird zweckmäßigerweise der Strom benutzt, der sich
im stationären Zustand, d. h. bei arbeitendem Lautsprecher einstellt. Zur Einstellung
dieses Stromes wird das Potentiometer P, mit dessen Hilfe eine stufenlose angenähert
logarithmische Änderung der Verstärkung möglich sein soll, so eingeregelt, daß das
Galvanoineter einen bestimmten, durch eine Eichmarke festgelegten Ausschlag zeigt.
Dann wird das Thermokreuz abgeschaltet, so daß das Galvanometer in seine Nullstellung
zurückgeht. Zur Messung der Nachhallzeit wird jetzt durch das Relais R@ der Lautsprecher
abgeschaltet und gleichzeitig das Thermokreuz wieder angeschlossen. Entsprechend
der abklingenden akustischen Energie fließt nun ein Strom über das Thermokreuz und
erzeugt einen einmaligen Ausschlag.
-
Um bei dieser Messung einen ausreichenden Ausschlag zu erhalten, muß
der stationäre Strom To ein Mehrfaches des für das Thermokreuz zulässigen Dauerstromes
betragen. Für die Einstellung des Anfangswertes ist daher das Thermokreuz unempfindlicher
zu machen, was in bekannter Weise durch Verwendung von Widerstandskombinationen,
wie z. B. Reihen- und Nebenwiderständen, erreicht werden kann. Diese Widerstandskombinationen
sollen so bemessen sein, daß sie den Gesamtwiderstand und damit die Anpassung nicht
ändern.
-
Die in der Praxis vorkommenden Sabineschen Nachhallzeiten liegen etwa
zwischen o,2 und 2o Sekunden. Dw nun aber auf einer lineare_ n Skala höchstens ein
Bereich von i : io einwandfrei abzulesen ist, ist eine Unterteilung in zwei Meßbereiche,
d. h. in diesem Falle von 0,2 bis 2 Sekunden und 2 bis 2o Sekunden, vorteilhaft.
Zur Erzielung dieser Meßbereiche, die sich zueinander beispielsweise wie i : io
verhalten, wird der Anfangsstrom To des Thermokreuzes so geändert, daß sich die
Anfangsströme wie 1/1-0 verhalten. Soll in diesem Fall für beide Meßbereiche die
gleiche Einstellmarke benutzt werden, so muß die Widerstandskombination am Thermoelement
so bemessen sein, daß die Empfindlichkeitenwähr end derEinstellungsich wie i : Yio
verhalten. Eine Betrachtung des Meßpririzips zeigt, daß bei kurzen Nachhallzeiten
zur Erreichung eines genügenden Ausschlages der höhere Anfangsstrom und damit die
geringere Empfindlichkeit des Thermokieuzeswährend der Einstellung erforderlich
sind. Bei der Messung der N achhallzeit selbst liegt das Thermokreuz in beiden Meßbereichen
unmittelbar am Verstärker.
-
Die absolute Verstärkung geht bei der Messung nicht ein, da der Anfangsstrom
jeweils vor Beginn der Messung eingestellt wird. Anstatt die Einstellung des Anfangsstromes
durch Regeln der Verstärkung am Potentometer P vorzunehmen, kann auch die Lautstärke
der Schallquelle geändert werden.
-
Die Eichung in Nachhallzeiten kann an sich zwar akustisch vorgenommen
werden, jedoch ist die elektrische Eichung vorzuziehen. Eine diesem Zweck dienende
Vergleichsanordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Sie enthält einen Kondensator C,
der von einer Spannungsquelle E über ein Potentiometer P1 und einen Schalter Sch
aufgeladen werden kann, während die Entladung nach Umlegen des Schalters
Sch über einen Widerstand R und das mit dem Galvanometer G verbundene Thermokreuz
T erfolgt. Dem Vorgang des akustischen Abklingens entspricht hierbei die Entladung
des Kondensators.
-
Die Ladespannung ist so zu wählen und die Elemente der Vergleichsanordnung
sind so zu bemessen, daß bei der Entladung der gleiche Anfangsstrom To wie beim
Nachhallvorgang entsteht und daß die Zeitkonstante des elektrischen Abklingvorganges
jeweils der zu vergleichenden Zeitkonstante des räumlichen Abklingvorganges entspricht.
Zweckmäßig ist es, die Einstellung auf die verschiedenen gewünschten Werte durch
Ändern des Widerstandes R vorzunehmen, wenngleich natürlich auch eine Kapazitätsänderung
zum selben Ziel führt. Inn ersteren Falle ist eine entsprechende Änderung der am
Kondensator liegenden Spannung erforderlich.
-
Für die Genauigkeit der Messung ist es wichtig, daß die Abschaltung
des Lautsprechers und die Anschaltung des Thermokreuzes zur gleichen Zeit erfolgen.
Da die beiden Schaltpunkte räumlich getrennt sind, werden, wie bereits beschrieben,
zweckmäßigerweise Schaltrelais benutzt. Aus Sicherheitsgründen ist dafür zu sorgen,
daß bei Versagen der Lautsprecherabschaltung das Thermokreuz nicht an den Verstärker
angelegt wird, da es sonst infolge der Überlastung durchbrennt. Das kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, daß das Relais zum Anschließen des Thermokreuzes von dem
Relais zum Abschalten des Lautsprechers abhängig. gemacht wird. Durch Betätigung
des Meßschalters wird in diesem Falle zunächst
das Lautsprecherrelais
R. eingeschaltet, das seinerseits dann erst das Relais R1 betätigt. Die Schaltzeiten
beider Relais sind hierbei so zu bemessen, daß sie die hierdurch entstehenden Zeitdifferenzen
ausgleichen, so daß trotz der zeitlich aufeinander folgenden Steuerung doch das
Anschalten der Schallquelle und das Anschließen des Thermokreuzes gleichzeitig erfolgen.
-
Bei dem im vorstehenden beschriebenen Verfahren wird die Anordnung
einmalig geeicht, während die Meßwerte durch unmittelbares Ablesen bestimmt werden.
In gleicher Weise jedoch sind auch andere in der Meßtechnik gebräuchliche Verfahren
anwendbar, wie beispielsweise die Messung durch jedesmalige Substitution bzw. durch
jedesmalige Kompensation.
-
In jedem Falle ist die integrierende Meßmethode der bisher benutzten
insofern überlegen, als sie grundsätzlich in der Lage ist, richtige Werte zu liefern,
so daß die Meßgenauigkeit durch genaue Bemessung der Anordnung beliebig gesteigert
werden kann.