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Vorrichtung zur Erzeugung von kirchenglockenähnlichen Klängen Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, durch elektrische Hilfsmittel
kräftige Schallschwingungen zu erzeugen, deren akustischer Eindruck dem Glockengeläut
und ähnlichen Schallquellen großer Leistung nahekommt und somit einen Ersatz für
solche Schallquellen zu schaffen. Es ist bereits bekannt, daß man z. B. eine sehr
gute Nachahmung des Glockengeläuts dadurch erzielt, daß man eine Gongfeder, wie
sie in Wanduhren verwendet wird, entweder mit Hilfe eines Mikrophons oder durch
elektromagnetische Methoden (Nähern eines Elektromagneten an die schwingende Stahlfeder)
zur Erzeugung schwacher Wechselströme verwenden kann, deren Verlauf den Glockentönen
entspricht, und daß man diese Ströme nach entsprechender Verstärkung durch Lautsprecher
in Schallschwingungen umsetzen kann.
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Nach dem heutigen Stande der Technik kann ein solches Verfahren noch
nicht als Ersatz z. B. für ein Glockengeläut in Frage kommen, da die Kosten eines
Verstärkers, der so große Leistung mit genügender Verzerrungsfreiheit liefert, hoch
gegenüber den althergebrachten Glocken sind. Erst wenn es sich um den Ersatz sehr
vieler Glocken 10. dgl. z. B. für Glockenspiele handelt und größere Variationsmöglichkeiten
gefordert werden, kann ein solches Verfahren wirtschaftlich sein. Gemäß vorliegender
Erfindung soll aber die Wirtschaftlichkeitsgrenze wesentlich zugunsten der elektrischen
Methode verschoben werden. Dies geschieht dadurch, daß auf den Verstärker ganz verzichtet
wird und die den Schallschwingungen entsprechenden Lautsprecherströme unmittelbar
als elektrische Wechselströme z. B. mit umlaufenden Maschinen erzeugt werden. Die
Untersuchung der Schwingungsformen der elektrisch nachzubildenden Töne lehrt, daß
gewisse Gesetzmäßigkeiten bestehen, die man durch geeignete Hilfsmittel auch bei
elektrischen Wechselströmen herstellen kann. Die harmonische Analyse des Glockentones,
der einige Zeit nach dem Anschlagen näherungsweise als kontinuierliche Schwingung
aufgefaßtwerden kann, liefert auf den ersten Blick ein recht verworrenes Bild. Man
kann einige Gruppen von Teiltönen feststellen, die nur innerhalb der Gruppe harmonisch
sind, während die Gruppen unter sich unharmonisch erscheinen. Wenn man aber einen
genügend tiefen Grundton, etwa in der Gegend von io Hertz, .annimmt, dessen niedrige
Harmonische unhörbar bleiben, so kann man die Teiltöne einer Glocke mit großer Annäherung
als verhältnismäßig hohe Harmonische einer an der unteren Hörgrenze liegenden Grundschwingung
auffassen. Dabei sind die Amplituden der einzelnen Teiltöne sehr unterschiedlich,
einige sind besonders stark, die auch das Ohr als' den Glockenton bezeichnet. (Vgl.
hierzu joh. B i eh 1 e »Archiv für Musikwissenschaft« - Institut für musikwissenschaftliche
Forschung, Bückeburg, von i928, S.289.) Gemäß der Erfindung werden solche Schwingungsvorgänge
mittels einer Wechselstromquelle hervorgerufen, die eine unter der
Hörfrequenz
liegende Grundfrequenz entweder mit verzerrter Stromkurve oder mit sinusförmiger
Stromkurve liefert. Im letzteren Fall müssen die sinusförmigen Schwingungen durch
entsprechende Verzerrungsmittel verzerrt werden. Weiterhin müssen Mittel vorgesehen
sein, die aus der verzerrten Kurvenform die dem Glockenton entsprechenden Harmonischen
hervorheben, sowie Mittel, die ein allmählichesAbklingen "der als kontinuierliche
Schwingungen erzeugtenTöne bewirken. Zur Hervorhebung der dem gewünschten Glockenton
entsprechenden Harmonischen aus dem Frequenzgemisch dienen vorzugsweise Resonanzkreise.
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Umlaufende Generatoren zur Erzeugung musikalischer Klänge sind beispielsweise
in Form von Zahnradgeneratoren an sich bekannt. Die bekannten Generatoren erzeugen
jedoch. reine Sinusschwingungen, die erst hernach synthetisch zu Klängen zusammengesetzt
werden. Des weiteren ist bereits vorgeschlagen worden, aus einer stark verzerrten
Kurve Teilschwingungen herauszusieben und diese Teilschwingungen mit regelbarerAmplitude
zu Klängen zusammenzusetzen. Die bekannten Einrichtungen dienten zur Erzeugung synthetischer
Musik und besaßen nicht das für die Erzeugung von Glockenklängen gemäß der Erfindung
wichtige Kriterium, einen Wechselstromgenerator mit unter der Hörgrenze liegender
Frequenz zu verwenden.
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Da die Generatoren für niedrige Frequenzen und die meist erforderlichen
Transformatoren sehr große Eisenmassen enthalten müssen, kann es günstiger sein,
zwei oder mehrere etwas höher liegende Harmonische zu erzeugen, die sich um den
unhörbaren Grundton unterscheiden. Auf diese Weise können auch zahlreiche Harmonische
dieses Grundtons gebildet werden. Besonders einfach wird eine solche Anlage, wenn
man den Wechselstrom einer Starkstromleitung verwendet unter Zwischenschaltung von
ruhenden Frequenzwandlern und Resonanzkreisen. In Abb. i ist ein Ausführungsbeispiel
dieses Erfindungsgedankens schematisch dargestellt, an Hand dessen die Erfindung
weiter erläutert werden soll. Als Energiequelle -ist eine 5operiodige Starkstromleitung
angenommen. Der Netzstrom wird zunächst über einen Transformator mit fensterförmigem
Eisenkern i und den Primärwicklungen 2 und 3 geleitet. Aus den Sekundärwicktungen4
und 5 wird der Betriebsstrom entnommen. Der Transformator hat noch zwei weitere
Wicklungen 9 und io, welche so angeordnet sind, daff sie mit den Wicklungen i bis
5 nicht magnetisch verkoppelt sind. Die Wicklung g wird mit einem Wechselstrom von
anderer Frequenz beschickt, in dem Beispiel mit 30 Hertz, die aus einem Generator
8 entnommen werden, der mittels der Übertragung 7 (mechanische Kupplung, Riemen
o. dgl.) durch den Motor 6 angetrieben wird. 6 ist zweckmäßigerweise ein Synchronmotor,
der aus demselben Netz gespeist wird, das auch den Betriebsstrom liefert. Durch
die Wicklung 9 wird die Eisensättigung des Kernes i mit der Frequenz 3o Hertz periodisch
verändert (moduliert). Infolgedessen ändert sich auch die Amplitude des Betriebsstroms
in den Wicklungen 4 und 5 mit dieser Frequenz. Es treten also in bekannter Weise
zu der Frequenz 5o noch Summe und Differenz, also 8o und 20 Hiertz, hinzu. Die Eisenmenge
wird so knapp gewählt, daß der Kern frühzeitig gesättigt ist, so daß starke Verzerrungen
und damit zahlreiche höhere Harmonische auftreten. Diese Wirkung wird noch verstärkt
durch die Hilfswicklung io, welche über den Regelwiderstand 12 und die Drossel
13 aus der Gleichstromquelle ii gespeist wird. Außerdem können noch weitere
Kurvenverzerrungsmittel, z. B. die Gasentladungsstrecken 14 und 15, in den primären
oder den sekundären oder in beide Kreise des Betriebsstromes eingeschaltet werden.
Die Frequenz 3o.Hertz wird mit ihren durch Verzerrung gewonnenen Harmonischen zur
weiteren Ausgestaltung des Klangbildes und nötigenfalls unter Zwischenschaltung
von Regelmitteln 16 dem Betriebsstrom zugefügt. Aus diesem Frequenzgemisch werden
nun die für den darzustellenden Klang in Betracht kommenden Teiltöne mit Hilfe von
Resonanzgebilden ausgeblendet. Hierfür kommen beispielsweise in Betracht: die Siebkette,
bestehend aus den Kondensatoren 17, 17 und den Induktivitäten 18, 18, , und
mehrere abgestimmte Kreise, bestehend aus den Kondensatoren 1g, 2o, 2,1 und den
Induktivitäten 22, 23,24. Die Amplituden der Teiltöne werden durch die Regelwiderstände
25, 26 und 27 sowie 28, 29 und 30 eingestellt. Die Widerstände 25,:26 und
27 dienen vorzugsweise zur Regelung der Amplitude der Teiltöne, die Widerstände
28, 29. und 3o bestimmen außerdem die Resonanzschärfe und dienen dazu, das Maß,
in welchem benachbarte Teiltöne gleichzeitig durchgelassen werden, zu dimensionieren.
Die Gesamtstärke des Betriebsstroms, der endlich dem Lautsprecher 32 zugeführt wird,
kann durch den Widerstand 31
geregelt werden.
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Für die Darstellung des Glockenklangs und ähnlicherTongebilde durch
elektrischeStröme genügt es abernicht, die Teiltöne zusammenzusetzen, es ist vielmehr
auch notwendig, die Stärkeunterschiede nachzubilden, insbesondere die starken Anfangsamplituden,
die bei der Glocke durch den Schlag entstehen. Dies
kann dadurch
geschehen, daß der Widerstand 31 so bewegt wird, daß die geforderten
Amplitudenschwankungen entstehen. Diese Wirkung kann unterstützt werden durch ähnliche
Bewegungen der Widerstände 25, 26 und 27 und teilweise auch von 28, 29 und 30. Genauere
Untersuchungen des Glockenklangs lehren, daß die Teiltöne nicht gleichmäßig abklingen,
sondern daß in den Abklingvorgängen Schwebungen auftreten, durch die die Teiltöne
in dem allgemeinen Abklingvorgang ihr gegenseitiges Amplitudenverhältnis mehrmals
wechseln. Diese Schwingungsvorgänge werden dadurch nachgebildet, daß die Widerstände
25, 26 und 27 und nach Bedarf auch 28, 2c9 und 30 sowohl untereinander als
auch gegenüber dem Widerstand 31 verschieden bewegt werden. Da sich die Bewegung
der Widerstände regelmäßig im Takte der nachzubildenden Glockenschläge wiederholt,
wird sie zweckmäßig erweise motorisch ausgeführt, z. B. dadurch, daß auf einer rotierenden
Scheibe 35 die Bewegungen als Kurven festgelegt sind, auf welcher die Bedienungshebel
der Regulierwiderstände gleiten, wie in Abb. i durch die Hebel 33 und 34 angedeutet
ist. Das scharfe Einsetzen der Gesamtschwingung, entsprechend dem Glockenschlag,
kann auch sehr gut dadurch erreicht werden, daß in den Betriebsstromkreis eine Metalldrahtlampe
36 oder ein anderer sich schnell ändernder Widerstand eingeschaltet wird. An Stelle
des Widerstands 31 genügt dann ein Schalter. Infolge ihres geringen Kaltwiderstandes
läßt die Metalldrahtlampe einen starken Anfangsstrom durch, der rasch abklingt und
dann auf einen Dauerwert gelangt, wodurch das Abklingen des Glockentones gut wiedergegeben
wird. Man kann auch einen Schalter 37 parallel zu der Lampe 36 anordnen, der nur
eine kurze Zeit mit dem Einschalten des Betriebsstroms geschlossen und dann gleich
geöffnet wird. Es geht dann kurze Zeit der volle Strom in die Resonanzsysteme und
den Lautsprecher, und anschließend erfolgt das Abklingen. Auf diese Weise wird der
Schlag besonders gut nachgebildet. Man kann die Methode der Metalldrahtlampe mit
einem oder zwei Schaltern für sich oder auch, wie in der Abb. i dargestellt, kombiniert
mit gesteuerten Widerständen 31, 25 usw. verwenden. Der Widerstand 3 1 dient
bei der Kombination insbesondere dazu, das langsame Abklingen darzustellen, nachdem
die Metalldrahtlampe ihren Dauerzustand erreicht hat. Die zur Klangbildung dienenden
Resonanzsysteme müssen nicht elektrischer Art sein, es können auch mechanische Schwingungssysteme
Verwendung finden, auch können elektrische und mechanische Schwingungssysteme kombiniert
werden. Die mechanischen Schwingungssysteme bestehen insbesondere in der besonderen
Ausbildung des Lautsprechers als Resonanzlautsprecher, und zwar werden dann am besten
mehrere Lautsprecher verwendet, die einen Trichter gemeinsam haben _können. In der
Abb, i sind beispielsweise zwei getrennte Lautsprecher dargestellt. Für den Fall,
daß der Resonanzlautsprecher nicht mit einem elektrischen Resonanzgebilde kombiniert
werden soll, was dann der Fall sein wird, wenn seine Resonanzeigenschaften sehr
ausgeprägt sind, wird er vor der Siebkette 17, 18 an die Betriebsstromleitung angeschlossen.
Da die Lautsprechersysteme große Energien verarbeiten müssen, kommen in erster Linie
dynamische Systeme in Betracht, deren Felderregung mit aus der Gleichstromquelle
i i genommen werden kann. Die Verwendung von Resonanzlautsprechern ist auch wegen
des günstigen Wirkungsgrades von Vorteil.
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Die in Abb. i dargestellte Einrichtung kann noch in mancher Hinsicht
abgeändert werden; die Abb. i soll nur das Grundsätzliche zeigen. Das Frequenzgemisch
mit niedrigerer Grundharmonischer kann auch durch andere an sich bekannte Hilfsmittel
erzeugt werden. Hierher gehören z. B. Röhrengeneratoren, die bekanntlich in ihrem
Anodenkreis stark oberschwingungshaltige Frequenzen liefern. Der Röhrengenerator
kann entweder nach dem Prinzip der direkten Schwingungserzeugung oder durch Überlagerung
zweier höherer Frequenzen arbeiten. In beiden Fällen entsteht ein besserer Wirkungsgrad
als bei Verwendung von Röhren zur niederfrequenten Verstärkung, da bei der Schwingungserzeugung
im Gegensatz zur Verstärkung über die Verzerrungsgrenzen hinaus die Röhren ausgenutzt
werden können. Die eingangs angestellte wirtschaftliche Betrachtung kann. also bei
Verwendung von Röhrengeneratoren noch zu deren Gunsten ausfallen. Da es sich nur
um die Erzeugung hörbarer Frequenzen handelt, können auch andere als Dreielektrodenröhren
zur- Schwingungserzeugung dienen, insbesondere Gasentladungsstrecken (Glimmlampen)
entsprechender Leistung. Besonders geeignet sind solche mit geheizter Kathode wegen
ihrer höheren. Konstanz und Leistung, zumal wenn sie außer der Anode und Kathode
noch eine oder mehrere Hilfselektroden zu Steuerungs- und sonstigen Zwecken enthalten.
Alle diese Röhren können sowohl in bekannter Weise in der sog, Kippschwingschaltung
verwendet werden oder auch in anderer Weise, z. B. wie in Abb. 2 dargestellt, zur
Amplitudenmodulation. In Abb. 2 bedeutet 38 eine solche Gasentladungsstrecke mit
Steuerelektrode. Sie wird von einem Wechselstrom von z. B. 5o Hertz
durchflossen.
An das Steuergitter wird eine Hilfsfrequenz von beispielsweise 3oHertz gelegt. Diese
Hilfsfrequenz kann entweder wie in Abb. i durch einen; Generator 8 oder wie in Abb.
2 durch eine Kippschwingungsanordnung erzeugt werden, die aus der - geheizten oder
ungeheizten - Glimmlampe 41, der Kapazität 4o und dem Widerstand 39 besteht und
ihre Energie aus einer Gleichstromquelle i i entnimmt, die wie in Abb. i durch Gleichrichtung
gebildet sein kann. Die Anordnung der Elemente 39, 40, -4i und i T in Abb.2 stellt,
auch für sich betrachtet, das Prinzip der zuvor erwähnten Schaltungen für Kippschwingungen`
dar. An die Schaltung nach Abb.2 sind hinter den Sekundärklemmen 4 5 des Transformators
dieselben Elemente anzuschließen wie in Abb. i hinter 4, 5. Eine andere Schwingungserzeugungsart,
die sich für den vorliegenden Zweck besonders gut eignet, ist das Überlagerungsprinzip,
wobei die zu überlagernden Schwingungen noch im Hörgebiet liegen können und als
Kippschwingungen oder mit Hilfe von umlaufenden Maschinen erzeugt werden können.
Die Schaltung ist dabei grundsätzlich nicht von der der Abb. i und 2 verschieden;
es treten lediglich an Stelle der niederen Frequenzen von etwa 5o bzw.
30 Hertz höhere, die sich um die Frequenz der tiefsten Harmonischen unterscheiden,
z. B. 5ooo und 5oio Hertz. Die in den Schaltungen ohnehin vorgesehenen Verzerrungselemente
14, i5, 38 bewirken, daß sich auch die Differenztöne ausbilden, die in den nachfolgendenResonanzkreisen
ausgesiebt werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird von der Erzeugung
kontinuierlicher Wechselströme durch Maschinen, Röhren o. dgl. ganz abgesehen, und
es werden nur gedämpfte Schwingungen erzeugt. Die Vorrichtung ist in Abb. 3 schematisch
dargestellt. Es bedeutet darin 43: eine Gleichstromquelle, 44 einen Schalter, der
im Rhythmus der Glockenschläge eingeschaltet wird und als Umschalter die in dem
Kondensator 45 enthaltene Ladungsenergie denkesonanzgebilden 46, 47 und 48 zuführt.
Es entstehen dadurch gedämpfte Schwingungszüge, welche summiert in dem Lautsprecher
32 in Schall umgesetzt werden. Wie im Falle der Abb. i so werden auch hier im allgemeinen
mehr als drei Resonanzgebilde Verwendung finden. Um die Anzahl der erzeugten gedämpften
Frequenzen zu erhöhen bzw. um verwickeltere Schwingungsgebilde zu erhalten, kann
es von Vorteil sein, die Kreise untereinander ganz oder teilweise zu koppeln, wie
dies in Abb. 3 durch die Kopplung 49 dargestellt ist. Da die Dämpfung der Glockenschwingungen
sehr gering ist, müssen auch die Resonanzgebilde geringe Dämpfungen besitzen, wenn
ein glockenähnlicher Schalleindruck erzielt werden soll. Soweit dies für besonders
hohe Anforderungen nicht durch möglichst verlustarme Dimensionierung der Kreise
möglich ist, können die Resonanzkreise ganz oder teilweise mit Röhrenschaltungen
oder ähnlich wirkenden Vorrichtungen versehen sein, die die Dämpfung reduzieren.
In Abb. 3 ist für einen Kreis eine solche Dämpfungsreduktion beispielsweise dargestellt
durch die Röhre und die Rückkopplung 5o. Dabei kann die Röhre verhältnismäßig klein
dimensioniert werden, so däß die eingangs aufgestellte wirtschaftliche Forderung
erfüllt bleibt, da nur eine verhältnismäßig geringe Energie in die Resonanzkreise
nachzuliefern ist, um die Abklingdauer etwas zu verlängern.
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'In der bisherigen Beschreibung wurde nur die Nachbildung des Klanges
einer Glocke beschrieben. Um ein Geläute aus mehreren Glocken nachzubilden, ist
es nicht erforderlich, die ganze Vorrichtung mehrmals anzuwenden, es können vielmehr
sehr viele Teile der Vorrichtung gemeinsam für mehrere Glockentöne verwendet werden,
und hierin liegt ein besonderer wirtschaftlicher Vorteil. In Abb. i sind zwei Anschlüsse
4, 5 vorgesehen, an welchen eine Verzweigung zu einer zweiten Vorrichtung angelegt
werden kann, derart, daß die davor liegenden Teile i bis 16 beiden Vorrichtungen
gemeinsam sind, während die dahinter liegendenTeile getrennt und teilweise verschieden
dimensioniert sind, um verschiedene Töne zu erhalten. In gleicher Weise wie die
zweite können dritte usw. Vorrichtungen bei 4, 5 angeschlossen werden. Da die Glockentöne
eines Geläuts zumeist harmonisch gewählt werden, sind auch viele Teiltöne gemeinsam.
Man kann nun auch Resonanzgebilde gleicher Teiltöne verschiedenen Glockentönen gemeinsam
machen. Theorie und Versuch zeigen, daß kein Unterschied des akustischen Eindrucks
besteht, wenn die Quellen der Teiltöne wechseln. Es ist also belanglos, für welchen
einzelnen Glockenton der Teilton bestimmt ist. Da die Anschlagzeitpunkte zweier
verschiedener Glockentöne nicht zusammenfallen, -,verden also ein und demselben
Resonanzkreis zwei verschieden an- und abklingende Energiewellen zugeführt. Diese
schwingen in dem Resonanzkreis ebenso, wie wenn sie sich aus verschiedenen Kreisen
kommend nachträglich mischen würden. In Abb.4 ist noch ein Schaltschema gegeben,
wie für den grundsätzlichen Fall der Anordnung nach Abb.3 ein und derselbe Schwingungskreis
mehrfach angestoßen werden kann. Der Kreis besteht aus der Kapazität 57 und der
Induktivität 58. Die Kondensatoren 52 und 53 können durch den Um-
Schalter
54 zu beliebigen Zeiten ihre aus der Stromquelle 56 entnommene Ladungsenergie an
den Schwingungskreis abgeben und sind so dimensioniert, daß ihre Zuschaltung die
Eigenschwingung des Kreises nicht merklich ändert.
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In Abb. 5 ist ein Beispiel dargestellt, wie ein großer Trichterlautsprecher
in einen Kirchturm fest eingebaut werden kann. Dabei kann die Richtwirkung solcher
Lautsprecher ausgenützt werden und durch Konzentration der Schallstrahlung eine
große Schallreichweite erzielt werden. Da es zumeist im Wesen des Geläuts liegt,
nach allen Richtungen zu klingen, kann die Schallrichtung durch Drehen des Trichters
periodisch gewechselt werden, wobei ein Schalleindruck entsteht, wie man ihn auch
bei * Windschwankungen an Geläuten hat. Durch die gemeinsame Ausnutzung der Resonanz
und Richtwirkung der Lautsprecher ist es möglich, mit verhältnismäßig geringen Energien
und dementsprechend gering dimensionierten Vorrichtungen großeSchallwirkungen zu
erzielen und somit gegenüber den althergebrachten Glokken erhebliche wirtschaftliche
Vorteile zu erreichen.