DE593566C - Stromquelle zur Nachbildung eines bestimmten Frequenzgemisches fuer elektrische und elektroakustische Messungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 1. MÄRZ 1934

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

' ' M 593566 KLASSE 21a² GRUPPE 36 π

und elektroakustisch^ Messungen

Patentiert im Deutschen Reiche vom i8. August 1929 ab

Es ist bekannt, daß die Nebensprech-

dämpfung von Fernmeldeleitungen u. dgl. mit Meßströ.men. von reinen Einzelfrequenzen (Sinusschwingungen) nicht befriedigend gemessen werden kann. Zur Messung mit Einzelfrequenzeni,. die auf verschiedene Werte

: eingestellt werden können, sind Überlager.ungssummer bekanntgeworden, für die auch vorgeschlagen wurde* durch rasche Veränderung der Meßfrequenz innerhalb enger Grenzen (Wobein) Fehler bei Resonanzerscheinungen u. dgl. bei Messungen zu vermeiden. Das Meßergebnis erlaubt bei solchen Stromquellen entweder keine ausreichende Beurteilung des wirklichen Nebensprechens bei Sprache,; oder es muß erst aus einer une.r- ; wünscht großen Anzahl von Einzelmessungen mit verschiedenen Frequenzen gewonnen werden. .

Messungen bei Sprache sind umständlich, · außerdem sind die Meßbedingungen und Ergebnisse wegen der wechselnden Dämpfungsverzerrung? durch Mikrophon und Fernhörer ,und auch wegen anderer Zufallserscheinungen nicht reproduzierbar.: Messungen niit einem Mischton (Schnarrsummer) sind zwar \ bequemer auszuführen, aber ebensowenig eindeutig wiederholbar wie Messungen bei Sprache. Zwar war man bemüht, bei Schnarrsummern möglichst die Amplitudenverteilung der reinen Sprache oder aber der Kabelsprache nachzubilden, doch besitzen die Schnarrsummer den prinzipiellen Nachteil, daß nur diskrete Frequenzen erzeugt werden, ., die daher den Verhältnissen von praktisch vorkommenden Frequenzbändern, z. B. der Sprache, nicht völlig gerecht werden.

Das gegenseitige Stärkeverhältnis der diskreten Frequenzen des Schnarrsummers kann nicht dauernd konstant gehalten werden, und außerdem können bestimmteFrequenzbereiche wegen der Lücken des Frequenzbandes übergangen werden.

Es sind nun zwar bereits Meßschallplatten bekanntgeworden, die zu 'elektrischen und akustischen Messungen dienen und die einen breiten Frequenzbereich dadurch wiedergeben, daß eine Frequenz innerhalb kurzer Zeit, z. B. ¹Z₁₀ Sekunde, den Frequenzbereich -_:- von z.B. 1800'+1600 Hz durcheilten. Bezüglich dieser Schallplatten ist auch der Vorschlag, bekanntgeworden,, sie für eine Mittel-

Von dem Patentsucherist als der Erfinder angegeben worden:

". - ' . ■ Dr.-Ing. Fritz Efaas in Wien.

wertsbildung bei Messungen zu verwenden Den Schallplatten haftet aber der Nachteil an, daß die Amplitudenverteilung eines nachzubildenden Frequenzgemisches (z. B. reine Sprache oder Kabelsprache) nicht berücksichtigt, sondern eine lineare Amplitudenverteilung der Frequenzen vorgesehen ist. Ein weiterer Nachteil, der besonders bei subjektiver Beobachtung für Messungen wichtig ist, ίο ist der, daß das erzeugte Frequenzgemisch wegen der verhältnismäßig langsamen Aufeinanderfolge auf den Beobachter keinen einheitlichen Eindruck hervorbringt.

Nach der Erfindung werden die Nachteile der genannten Stromquellen zur Nachbildung eines bestimmten Frequenzgemisches für elektrische und elektroakustische Messungen, vorzugsweise für Nebensprechmessungen auf Fernmeldeleitungen u. dgl., dadurch vermieden, daß das Frequenzgemisch durch Schwingungen nachgebildet wird, die den Frequenzbereich des Gemisches in zeitlich rascher Aufeinanderfolge durcheilen und die Amplitudenverteilung des nachzubildenden Frequenzgemisches wiedergeben. Die Schwingungen schwanken vorzugsweise in einwelliger Form zwischen zwei konstant gehaltenen Grenzen. Die Amplitudenverteilung des nachzubildenden Frequenzgemisches wird durch verschieden langes Verweilen der Schwingungen in den verschiedenen Teilen des nachzubildenden Bereiches wiedergegeben. Die Frequenz der wiederholten Aufeinanderfolge des durcheilten Frequenzbereiches bzw. der Schwankungen innerhalb dieses Bereiches (Heulfrequenz) muß so hoch gehalten werden, daß auf das Meßinstrument oder den Beobachter ein einheitlicher Eindruckhervorgerufen wird. Für subjektive Beobachtung wird die Heulfrequenz daher vorzugsweise im Bereich der hörbaren Frequenzen, insbesondere über 50 Hz, gewählt. Die erforderlichen Frequenzschwankungen können in an sich bekannter Weise durch Schwebungen zwischen zwei oder mehreren Schwingungskreisen von veränderlichem Frequenzunterschied gewonnen werden. Die Einrichtung kann daher auch als »Schwebungsheuler« bezeichnet werden. Die frequenzbestimmenden Teile der Einrichtung sind hier als Bestandteile der Stromquelle aufgefaßt.

Beispielsweise soll eine stetige Frequenzverteilung zwischen einem unteren und einem oberen Grenzwert zur Nachbildung der Sprache etwa zwischen 300 und 2400 Hz erreicht werden. Hierzu wählt man etwa die Frequenz des einen Schwingungskreises unveränderlich mit 10 000 Hz, die des anderen zwischen 7600 und 9700 Hz mit einer niedrigen Frequenz, »Heulfrequenz« genannt, periodisch schwankend. Dieser zweite Schwingungskreis enthält eine unveränderliche Grundkapazität, die für sich allein mit der vorhandenen Induktivität z. B. ebenfalls die Frequenz 10 000 Hz ergeben kann, und außerdem eine veränderliche Zusatzkapazität, die die Frequenzschwankungen hervorruft. Es ist also etwa einem festen Kondensator ein Drehkondensator parallel geschaltet, dessen passend geformter Rotor gleichförmig angetrieben wird. Der Überlagerungssummer (Röhrensummer) hat an sich eine von der Frequenz unabhängige konstante Energieabgabe. Für den Erfindungszweck wird aber eine der wirklichen Sprache entsprechende gesetzmäßige Frequenzabhängigkeit der Leistung gefordert. Der Drehkondensator ist daher erfindungsgemäß so geformt, daß vorzugsweise bei gleichförmigem Umlauf die zeitliche Verteilung der verschiedenen Frequenzen dem gewünschten Frequenzgang der Leistungsverteilung entspricht. Das so entstehende Amplitudenspektrum kann nach irgendeiner bekannten Methode der objektiven Klanganalyse geprüft und verbessert werden. Die Bauvorschrift für eine reproduzierbare Einheitsform der Stromquelle hat also außer den Konstanten der Grundsehwingungskreise lediglich die genaue Plattenform und den Plattenabstand des Drehkondensators sowie die Drehzahl seines Rotors zu enthalten.

Für subjektive Messungen (Lautstärkevergleich mittels Fernhörer) ist die Zeitfrequenzkurve des Schwebungsheulers dem mittleren Frequenzgang des Schalldruckes der Sprache anzugleichen, für objektive Messungen (quadratisch anzeigendes Spulenmeßgerät oder Hitzdrahtgerät) hingegen dem mittleren Frequenzgang des Produktes aus Schalldruck und Gehörempfindlichkeit. Man wird also zweckmäßig das bewegte Abstimmittel (den Drehkondensator) in zwei oder mehr umschaltbare Teile zerlegen, die man, etwa durch einfaches LTmlegen eines Kippers, wahlweise abwechselnd oder gemeinsam so schaltet, daß man für das gerade benutzte Meßverfahren die passende Zeitfrequenzverteilung der konstant bleibenden Sendespannung erhält.

Die Heulfrequenz ist für subjektive Messungen so hoch anzusetzen, daß ein einheitlicher Lauteindruck empfunden wird, also mindestens mit 50 Hz. Für objektive Messungen kann sie bei passendem Entwurf des Dämpfungsmessers bedeutend tiefer gewählt werden. Bei axial symmetrischer Ausführung des Drehkondensators, die wegen dar "Ausbalancierung der Rotorwelle vorteilhaft ist, erhält man bei einer sekundlichen Umdrehung die Heulfrequenz 2; die erwähnte Heulfrequenz 50 erfordert mithin 1500 Umdrehungen in der Minute.

Die beschriebene Stromquelle ist überall anwendbar, wo Frequenzgemische ähnlich

der Sprache durch eine ihnen gleichwertige, eindeutig wiederholbare Frequenzfolge für Meßzwecke o. dgl. ersetzt werden sollen.

Die-Schwebungen müssen nicht auf elektrischem Wege hervorgebracht werden, wenngleich dies in der Regel der einfachste Weg ist. Der Antrieb der bewegten Abstimmittel muß nicht gleichförmig sein, sondern kann einem bestimmten, z. B. dem Meßzweck entsprechenden Gesetz folgen, beispielsweise ■ kann die erwähnte elektrische Umschaltung der Abstimmittel auch durch eine Änderung des Antriebsgesetzes ersetzt werden.

Zur Erläuterung, wie der die Frequenz und Leistung bestimmende Drehkondensator zweckmäßig geformt werden kann, mögen die folgenden Ausführungen dienen. Je nach dem Verwendungszweck wird die Bauvorschrift für den Drehkondensator (bzw. für die ihm äquivalenten bewegten Abstimmittel) eine andere sein. Zur Formgebung dieser Abstimmittel reichen folgende Beziehungen aus: Wird der Gesamtfrequenzbereich in einer Zeit T bei konstanter Amplitude durchlaufen und werden im nachzubildenden Frequenzgemisch α ⁰/₀ der Gesamtleistung durch Frequenzen aus dem Teilfrequenzband zwischen / und f + df hervorgebracht, so muß die erfindungsgemäße Stromquelle während α °/₀ der Gesamtzeit T, Frequenzen zwischen / und / -j- df liefern. Dies kann sowohl mit gleichförmigem als auch mit gesetzmäßig ungleichförmigem Antrieb der bewegten Abstimmittel erreicht werden. Es braucht also z. B. der Drehkondensator nicht unbedingt so geformt zu! sein, daß er bei gleichförmigem Antrieb durch α °/₀ seiner Umlauf zeit das Schwebungssystem .auf Frequenzen zwischen / und / -j- δ / abstimmt, sondern er kann auch eine andere Form haben, die bei gesetzmäßig ungleichförmigem Antrieb dieselbe Wirkung hervorbringt. Soll etwa wie beim beschriebenen Ausführungsbeispiel im nachzubildenden Gemisch der Frequenzbereich um 300 Hz einen größeren .Anteil der Gesamtenergie liefern als der Frequenzbereich um 2400 Hz, so wird der Drehkondensator während seines Umlaufes flüchtiger über die Stellung hinweggleiten, die in seinem Schwingungskreis die so Frequenz 7600 erzeugt, dagegen entsprechend langsamer über jene Stellungen hinweggehen, in welchen er eine Frequenz von 9700 Hz hervorruft* Oder es wird bei gleichförmigem Antrieb seine Randkurve in ,der Ab-Stimmstellung für 7600 Hz steiler verlaufen (d. h. ihren Achsenabstand rascher verändern) als in der Abstimmstellung für 9700 Hz.

Eine weitere Variation könnte man da-■, durch erreichen, daß man auch die Leistung ■ der Stromquelle während jedes Durchlaufens .des Frequenzbereiches gesetzmäßig verändert.

Natürlich wird man aber aus praktischen Gründen die Abstimmittel möglichst einfach und übersichtlich entwerfen, und daher konstante Leistung der Stromquelle und gleichförmigen Antrieb der Abstimmittel zugrunde legen.

Für niedrige Heulfrequenzen läßt sich rechnungsmäßig der Drehkondensator ohne weiteres so entwerfen, daß. die gewünschte Leistungsverteilung herauskommt. Für höhere Heulfrequenzen dagegen wird man seine Form empirisch nachprüfen und verbessern müssen, wozu eben die bereits erwähnte objektive Nachprüfung des Klanggemisches des Schwebungsheulers erfolgen soll.

Die Abhängigkeit der Frequenz und der Leistung von der Plattenform des Drehkondensators ist nach dem Gesagten die:

Jede Stellung des Drehkondensators bestimmt eine gewisse Kapazität und damit eine gewisse ihr entsprechende Kapazitätskurve. Die Kapazität in Abhängigkeit von der Winkelstellung .des Drehkondensators bestimmt dagegen den Leistungsanteil, der auf die jeweils betrachtete Frequenz entfällt, und zwar in umgekehrtem Sinn. Je flacher die Kapazitätskurve bei der Frequenz f, desto größer der Leistungsanteil für diese.

In welcher Weise die Konstruktion eines Drehkondensators nach Maßgabe einer bestimmten vorgelegten Frequenzverteilung stattfinden kann, soll an einem der Übersichtlichkeit halber möglichst einfach gewählten Beispiel an Hand der Abbildungen erläutert werden. Das vorgelegte Frequenzgemisch, das nachgebildet werden soll, möge die in Abb. ι gezeigte Frequenzverteilung besitzen. Es ist dort der Schalldruck in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt.

Der Zusammenhang zwischen der erzeugten Schwebungsfrequenz mit der Kapazität des die Frequenz ändernden Kondensators wird etwa durch «ine Kurve C, ω nach Abb. 2 wiedergegeben. Der. maximalen Frequenz des vorgelegten Frequenzgemisches entspricht eine bestimmte Kapazität, ebenso der minimalen Frequenz. Zwischen diesen Werten müssen den Frequenzen Kondensatorwerte zur Einstellung dieser Frequenz, wie in Abb. 2 gezeigt, zugeordnet werden.

Um die dem Schalldruck entsprechende Amplitude einer bestimmten Schwingung zu berücksichtigen, wird jedem Frequenzgebiet eine zeitliche Dauer entsprechend dem jeweiligen Schalldruck d zugeordnet. In Abb. 2 ist eine solche Zuordnung graphisch dadurch gezeigt, daß über c in der Richtung der Abszissenachse die dem Schalldruck d für eine bestimmte Frequenz entsprechenden Werte als zeitliche Dauer t, in der die Kapazität wirksam sein soll, aufgetragen sind. Die Strecke^

bei co_mjn ist bei C_mj_n eingetragen, für die entsprechend höheren Frequenzen ω₂, ω₃... sind die Werte U₂, a₃ ... aufgetragen. Die Kurve C, t in Abb. 2, die daraus resultiert, gibt an, in wie langen Zeitabschnitten die einzelnen Kapazitäten wirksam sein sollen. Soll bestimmt werden, wie sich die Kapazität mit der Zeit ändern soll, so ist aus der Kurve C₁1 abzuleiten, »welche Werte von C an bestimmten Zeitpunkten eingenommen werden müssen. Graphisch kann das in der Weise geschehen, daß- die Fläche unter der Kurve C, t in gleiche Streifen" parallel zur t-Achse zerlegt wird und jede von 'einem Tedlstrei'fen eingeschlossene Fläche als Zeitelement und dazu der zugehörige C-Wert aufgetragen wird. Die einzelnen Zeitelemente werden dabei aneinandergereiht. Eine auf diese Weise gewonnene Kurve zeigt Abb. 3. Diese gibt also die Kapazitäten an, die in aufeinanderfolgenden Zeiten eingestellt werden müssen, damit die Kapazitäten eine Häufigkeit erhalten, wie in Abb. 2 C,t dargestellt ist. Das Zeitintervall T in der Abb. 3 kann bei einer solchen Anordnung direkt oder spiegelbildlich wiederholt werden. Abb. 4 zeigt eine solche spiegelbildliche Wiederholung geänderter Kapazitätswerte.

Um einen Kondensator, z. B. einen Drehkondensator, zu bauen, der diese Änderungen bei gleichförmiger Umdrehung macht, kann beispielsweise so verfahren werden, daß eine feste Platte des Kondensators eine bestimmte Randkurve erhält und über diese Platte eine Lamelle streift.

Um die Kapazität selbst und deren Ände-. rung größer zu machen, kann natürlich ein Satz paralleler Platten verwendet werden, zwischen denen sich ein drehbares System aus Lamellen befindet. Der Einfachheit der Berechnung wegen sei hier dieser Fall näher betrachtet. Besteht die Lamelle im wesentlichen aus einem Kreissektor geringen Winkels, so

,-2

beträgt ihre Fläche — d φ, wenn d φ die Winkelbreite der Lamelle ist. Streicht diese Lamelle über die Platte mit bestimmter Randkurve, so wird mit der Verkürzung der überdeckten Fläche, d. h. mit der Verkürzung des Radius, die Kapazität verändert. Soll also beim Umlauf des Drehkondensators die in Abb. 4 bzw. bei halbem Umlauf in Abb. 3 gezeigte Kapazitätsveränderung eintreten, so braucht bloß r², wobei r der Radiusvektor der Berandungskurve ist, proportional der geforderten Kapazität gemacht werden.

In Abb. 5 ist ein solcher Drehkondensator dargestellt unter Zugrundelegung der ' in Abb. 3 gezeigten Kurve über die Abhängigkeit der Kapazität mit der Zeit bzw. dem Drehwinkel.

Zu diesem Ausführungsbeispiel sei bemerkt, daß allerdings bei einer einzelnen Platte die Kapazität gering wäre, durch Verwendung von etwa zehn Plätten und neun Lamellen jedoch schon eine für die Überlagerung genügend große Kapazität erzielt werden kann, wenn nur die zu überlagernden Frequenzen groß genug gewählt werden.

Nach Vornahme einer objektiven Klang- 7" analyse kann nachträglich bei einem gebauten Kondensator noch eine Verbesserung der Plattenform durch Nachfeilen der Platten u. dgl. mit Rücksicht auf das nachzubildende Frequenzgemisch vorgenommen werden. -

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Stromquelle zur Nachbildung eines bestimmten Frequenzgemisches für elektrische und elektroakustische Messungen, vorzugsweise für Nebensprechmessungen an Fernmeldeleitungen u. dgl., durch elektrische Schwingungen, die den Frequenzbereich des Frequenzgemisches in zeitlicher Aufeinanderfolge durchlaufen, da- durch gekennzeichnet, daß die Stromquelle auch die Amplitudenverteilung des nachzubildenden Frequenzgemisches wiedergibt.

2. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenverteilung des nachzubildenden Frequenzgemisches durch verschieden lange

. Sendezeit der Frequenzen in den verschiedenen Teilen des Bereiches wiedergegeben wird.

3. Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der wiederholten Aufeinanderfolge des durcheilten Frequenzbereiches (Heulfrequenz) bei. subjektiver Beobachtung im Bereich der hörbaren Tonfrequenz vorzugsweise über 50 Hz liegt.

4. Stromquelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, deren Frequenzen durch Schwebungen zwischen elektrischen Schwingungskreisen erzeugt werden, vorzugsweise durch Schwebungen zwischen einem Schwingungskreis von konstanter Frequenz und einem solchen von veränderlicher Frequenz, gekennzeichnet durch dauernd in gleichem Sinn bewegte, stetig veränderliche Abstimmittel in einem oder mehreren Schwingungskreisen.

5. Stromquelle nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch dauernd in derselben Drehrichtung umlaufende Drehkondensatoren in den frequenzveränderlichen Schwingungskreisen.

6. Stromquelle nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine solche Gestaltung der bewegten Abstimmittel, z. B.

Plattenform des Drehkondensators, daß bei gegebenem Antriebsgesetz, vorzugsweise bei gleichförmigem Antrieb, die Energieverteilung auf die einzelnen Frequenzen wesentlich dieselbe ist wie bei dem gleichwertig wiederzugebenden Frequenzgemisch, z. B. Sprache.

7. Stromquelle nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mehrere wahlweise einschaltbare bewegte Abstimmittel von verschiedener Gestaltung, um nach Bedarf verschiedene Energieverteilungen mit passend gewählter Schwankungsperiodenzahl (Heulfrequenz) wiedergeben zu können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen