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Verfahren zur Wnamikregelung in Niederfrequenzübertragungsanlagen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Dynamik in Niederfrequenzübertragungsanlagen,
zur Reintonaufzeichnung von Tonfilmen u. dgl., bei dem in bekannter Weise von den
Nutzschwingungen abgeleitete gleichgerichtete Spannungen zur Regelung herangezogen
werden. Bei solchen Verfahren ist es häufig erwünscht, die Nutzschwingungen erst
dann dem Verstärker, in dem die Regelung vorgenommen wird, zuzuführen, wenn der
Regelvorgang bereits eingesetzt hat oder gar schon vollendet ist. Dies bedeutet
also, daß: ein Verzögerungsstromkreis für den Nutzübertragungsweg vorgesehen sein
muß.
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Die zu diesem Zweck bisher bekannten Verzögerungsverfahren arbeiten
entweder nach einem elektrischen, einem mechanischen oder auch einem ,akustischen
Prinzip. So ist auch schon vorgeschlagen worden, die erforderliche Verzögerung dadurch
herbeizuführen, daß der Ton erst aufgezeichnet und dann wiedergegeben wird. Bei
diesem Verzögerungsverfahren ist es von großer Bedeutung, daß die durch die Verzögerung
eintretende Verzerrung so gering wie irgend möglich ist. Aus :diesem Grunde ist
der Gedanke, erst den Ton aufzuzeichnen und dann wiederzugeben, nachteilig, weil
eine Aufzeichnung mit nachfolgender Wiedergabe stets Verzerrungen mit sich bringt:
Aus diesem Grunde ist es vorzuziehen, die gewünschte Verzögerung auf elektrischem
Wege, und zwar dadurch herbeizuführen, daß die Nutzschwingungen über eine künstliche
Leitung .geschickt werden. Die Schwierigkeit der Anwendung dieses Verfahrens liegt
in der hohen Geschwindigkeit aller elektrischen Wellen. Die für eine ausreichende
Ver7ögerung, erforderlichen künstlichen Leitungen werden außerordentlich lang und
dementsprechend teuer. Es läßt sich rechnerisch nachweisen, daß etwa drei oder mehr
Spulen und Kondensatoren bei einer solchen künstlichen Leitung je Wellenlänge der
höchsten Frequenzen, die übertragen werden müssen, vorzusehen sind. - Wird diese
höchste Frequenz mit io ooo Hz angenommen und wird eine Verzögerung von o,o5 Sekunden
zugrunde gelegt, so ergeben o,05 X 10 000 ---- 500 @Vellenlängen.
Dies
bedeutet, daß. i 5oo Spulen und i joo Kondensatoren benutzt werden n Üssen.
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Da die i\utzschwingungen durch alle diese Schaltelemente hindurchgehen
müssen und jedes Glied einen unvermeidlichen Verlust mit sich bringt, so ergibt
sich eine sehr große Dämpfung, die durch keine Verstärkung wieder gutgemacht werden
kann. Aus diesem Grunde ist auch das elektrische Verzögerungsverfahren in der Praxis
bisher noch nicht angewendet worden.
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Wenn man, wie dies ebenfalls bereits bekannt ist, die Verzögerung
auf mechanischem Wege, z. B. durch Stäbe, durch die die Nutzschwingungen zwecks
Verzögerung geleitet werden, erreichen will, so ergeben sich andersartige Schwierigkeiten.
Die erwähnten Stäbe besitzen Fortpllaiizungsgeschu-in.digkeiteil des Schalls, die
frequenzabhängig sind. Die Verluste lindern sich mit den Frequenzen. Dies bedingt
starke Verzerrungen der zu übertl"<igeIlden ScliwiIl"ilIigen.
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Die bisher besten Ergebnisse sind mit Verzögerungsleitungen, die mit
Wellen des Hörbereiches arbeiten, erzielt worden. Jedoch auch hierbei ergeben sich
Schwierigkeiten, da die kleinste zu übertragende Hörfrequenz etwa 5o Hz und die
höchste etwa das zoofache davon beträgt. Die Verzögerungselemente müssen daher ein
verhältnismäßig breites Band einwandfrei übertragen.
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Gemäß der Erfindung werden die Nachteile der bekannten Verfahren dadurch
vermieden, daß in dem Hauptübertragungsweg der 1\Tutzfrequenzen eine als Träger
der Nutzfrequenzen dienende Ultraschallübertragungsleitung vorgesehen ist, die derart
ausgebildet ist, daß die Nutzfrequenzen zur Modulation der von einem Ultraschallwellengenerator
erzeugten Schwingungen benutzt werden, daß weiterhin die modulierten Schwingungen
einem zur Wiedergabe der Ultraschallwellen geeigneten Gerät zugeführt werden, daß
dieses diese Wellen über eine akustische Verzögerungsleitung einem Mikrophon zusendet
und daß die Nutzfrequenzen nach Gleichrichtung der Ultraschallfrequenz dem im Übertragungsweg
liegenden Regelkreis, dessen übertragungsmaß in bekannter Weise in Abhängigkeit
von dem 'Mittelwert der Nutzfrequenzschwingungen geregelt wird, zugeführt werden.
Wenn Hörfrequenzen bis zu io ooo Hz einer Ultraschallwelle von ioo ooo Hz überlagert
werden, dann ergeben sich Frequenzdiiferenzen von etwa zo4@o. Wenn daher das übertraguilgsilledium
eine frequenzabhängige Dämpfung besitzt, so ist die Gesamtänderung der übertragenen
Schwingungen nicht wesentlich. Ganz anders liegen jedoch die Verhältnisse, wenn,
wie es bei der Übertragung mit im Hörbereich liegenden Schwingungen der Fall ist,
die kürzesten Wellen eine zoomal höhere' Frequenz als die längsten Wellen aufweisen.
Die Übertragung mittels modulierten Ultraschalls hat außerdem noch den Vorteil,
daß die Übertragungselemente mit schmalen Bandbreiten, also als abgestimmte Geräte,
arbeiten können, so daß die Dämpfung gering gehalten werden kann.
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Zur Ausführung der Erfindung kann ein Schwingungserzeuger benutzt
werden, der eine konstante Welle von etwa ioo ooo Hz erzeugt. Die zu übertragenden
akustischen Wellen modulieren die Leistung dieses Schwingungserzeugers. Die sich
dabei ergebenden modulierten hochfrequenten elektrischen Ströme wnerden einem Ultraschallgerät
mit verhältnismäßig breiter Abstimmung zugeführt, das Wellen mit einer Frequenz
von 9o ooo bis i io ooo ausstrahlt. In einer geeigneten Entfernung ist ein Mikrophon
aufgestellt, in welchem entsprechende Spannungen erzeugt werden. .Es tritt jedoch
eine Verzögerung zwischen beiden Geräten ein, die der Zeit entspricht, in der die
Wellen von einem Gerät zum anderen gelangen. Die Mikrophonströme werden dann verstärkt
und demoduliert mit dem Erfolg, daß die Hörfrequenz um den gewünschten Zeitbetrag
verzögert wieder in Erscheinung tritt. .
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Es hat sich herausgestellt, daß Ultraschallwellen in der Luft oft
so stark gedämpft werden, daß deren Anwendung wenig empfehlenswert ist. Befinden
sich geringe Mengen von Wasserdampf oder Kohlensäure in der Luft, so tritt eine
starke Dämpfung ein. Diese ist am kleinsten in einem monatomaren Gas, z. B. Argon.
Es ist sonst noch von Vorteil, ein schweres Gas zu verwenden, da.die Fortpflanzung
in ihm langsamer vor sich geht, so daß die Distanz zwischen Sender und Empfänger
geringer sein kann. Das schwere Gas kann ferner auch unter Dfuck angewendet werden.
Da es also von Vorteil ist, anstatt Luft ein schwereres Gas zu verwenden, so l,äßt
sich, wie aus, der Ultraschallmeß.techlük bekannt, zwischen Sender und 'Empfänger
ein Rohr anbringen, das mit dem gewünschten Gas angefüllt ist und unter Druck gesetzt
werden' kann.
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Um Störungen zwischen den direkten Wellen und den voll den Rohrwandungen
reflektierten zu vermeiden, wird das Rohr vorteilhaft mit eiliein absorbierenden
Stoff ausgekleidet. Der Rohrdurchmesser soll etwa zehn oder mehr Wellenlängen der
zu übertragenden Wellen betragen.
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An Hand der Abbildungen soll das Verfahren gemäß der Erfindung näher
veranschaulicht werden. Die Abb. i zeigt eine Schaltungsanordnung zur Schallaufzeichnung,
bei
der das Verfahren gemäß; der Erfindung angewendet wird. Die Regelung erfolgt hierbei
auf rein elektrischem Wege innerhalb eines Regelverstärkers. Die Abb. 2 zeigt eine
Schaltung sa.nordnung'zur grundg e;räuscharm eis; Schallaufzeichnung von Tonfilmen.
Hierbei erfolgt die Regelung am Blendenregler. Die Abb.3 zeigt die Bauart eines
Senders für Ultraschallwellen, die auch in ähnlicher Form bei einem Mikrophon benutzt
-werden kann.
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In der Abb. i is.t-das die Schallwellen aufnehmende Bändchenmikrophon
mit i bezeichnet. Seine Ströme werden dem Verstärker 2 zugeführt, von wo aus sie
zum Modulator 3 gelangen. Diesem Modulator «-erden von dem Schwingungserzeuger ¢
erzeugte Ultraschall--wellen von z. B. ioo ooo Hz zugeführt, die durch die vom Verstärker
2 kommenden Tonströme moduliert werden. Diese modulierten Schwingungen gelangen
zu einem Gerät 5, das ein Kristall- oder ein anderes Wiedergabegerät darstellt,
z. B. einen elektromagnetischen oder einen Bändchenlautsprecher, der auf .den Ultraschallwellenbereich
abgestimmt ist. Der Anspruchbereicli des Wiedergabegeräts 5 muß, so groß sein, daß
auch die Seitenbänder, die durch die Modulation der Trägerfrequenz geschaffen werden,
einwandfrei abgestrahlt werden. 6 ist das die modulierten Ultraschallwellen aufnehmende,
auf diese abgestimmte Mikrophon. Die gestrichelt dargestellte Strecke zwischen'
den Geräten 5 und 6 kann in einer Röhre eingeschlossen, sein. Die Übertragung kann
auch mittels des Strahles eines Reflektors oder unter Benutzung einer dem Gerät
5 zugeordneten Linse erfolgen. Die - Ströme des Mikrophons 6 werden dem Gleichrichter
7 zugeführt, in dessen Ausgangskreis die dem Nutzschall entsprechenden Schwingungen
wieder auftreten und über den Dynamikregler 8 dem Übertragungsweg, Verstärker io
und Schallaufzeichner i i, zugeführt werden.
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Die vom Gleichrichter g abgegebene Spannung be.einfluß@t die Regelgitterspannung
im Kompressor 8 derart, daß, die Verstärkung großer Amplituden abnimmt und die Verstärkung
kleiner Amplituden zunimmt, wodurch der Volumenumfang der übertragenen Schwingungen
zusammengedrückt wird. Mit Rücksicht auf die Verzögerung im Filterkreis des Gleichrichters
und auf die Notwendigkeit, den Kompressor zur Übertragung der Nutzschwingungen vorbereitet
zu haben, ehe die zü beeinflussenden Schwingungen diesen erreicht haben, ist es
notwendig die Gitterspannung am Kompressor zu ändern, ehe die . Hörfrequenzen vom
Mikrophon i zum Kompressor 8 gelangen. Die Verzögerung in dem Ultraschalluftweg
ist so gewählt, daß dieses Ziel erreicht wird. Die Ultraschallschwingungen pflanzen
sich mit derselben Geschwindigkeit wie gewöhnliche Schallwellen fort, und es ist
deshalb nur ein verhältnismäßig kurzer Weg erforderlich, um die Schallwellen so
lange zu verzögern, bis der Regelstromkreis zu ihrer Aufnahme bereit ist. Die Zeitspanne,
die für diese Verzögerung notwendig ist, darf nicht geringer sein als die durch
die erforderlichen Schaltelemente in dem Gleichrichter g, in dem die Regelspannung
gewonnen wird, eintretende Verzögerung.
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Das Ausführungsbeispiel nach Abb.2 entspricht im wesentlichen dem
Beispiel nach Abb. i, nur mit dem Unterschied, daßder Regelstrom durch einen grundgeräuschfreien
Verstärker und Gleichrichter 12 zum Blendenregler 13 führt, der dazu dient, den
ungebrauchten Teil ;einer Tonaufzeichnung im Gerät 11 zu schwärzen. Der Weg der
aufzuzeichnenden Nutzschwingungen entspricht dem in der Abb. i dargestellten.
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Anstatt eine offene Luftstrecke zu benutzen, kann diese Strecke .auch
in ein Rohr verlegt werden. Obwohl ein Rohr geringen Durchmessers benutzt werden
kann, so ist doch, um Interferenzen zu vermeiden, vorzuziehen, eine Röhre größeren
Durchmessers zu verwenden. Das Rohr soll .etwa einen Durchmesser aufweisen, der
zehn oder mehr Wellenlängen entspricht, damit eine Dämpfung infolge Reibung an den
Wandungen nicht eintreten kann. Diese Dämpfung ist mit der Frequenz veränderlich
und unter Umständen groß genug, Schwierigkeiten bei der Übertragung zu schaffen.
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Um Reflexionen an den Rohrwandungen zu vermeiden, die störende Interferenzwirkungen
bei den Ultraschallwellen hervorrufen können, wird die Wand des Rohres innen mit
Filz oder einem ähnlichen Stoff bekleidet. Um die Dämpfung weiterhin herabzusetzen,
wird das Rohr ,anstatt mit Luft mit einem Gas geringer Viscosität, hohem Molekulargewicht
und gleichförmiger Zusammensetzung gefüllt. Am besten entspricht diesem Zweck ein
monatomares Gas. Bei der Benutzung von Mischgasen würden ebenso wie bei der Benutzung
von Luft beträchtliche Verluste entstehen, insbesondere wenn Unrein igkeiten vorhanden
sind. Bei Verwendung eines Gases xnit geringer Viscosität wird die Dämpfung herabgesetzt.
Hohe Dichte und hohes MoIekulargewicht sind insofern von Vorteil, als das Rohr kürzer
gehalten werden kann, weil die Geschwindigkeit des Schalls in Gas umgekehrt proportional
der Quadratwurzel seines Molekülargewichtes ist. Die Verkürzung des Rohres setzt
auch die Absorption herab. Schweres Gas hat noch den weiteren Vorteil, daß es mehr
Energie vom Tongerät 5
aufnimmt. Ähnliche Vorteile werden 'mit Preßgas
erreicht. Der erhöhte Druck setzt die Dämpfung herab, weil die Dichte vergrößert
wird, ohne daß die Viscosität verändert wird.
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Als recht zweckmäßig hat sich Argongas mit einer Dichte von 1,38 für
die übertragung der Ultraschallwellen herausgestellt.
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Um weiter die Übertragung zwischen Schallsender 5 und Empfänger 6
zu verbessern, kann ein trichterartiges Rohr vorgesehen sein, wie dies bei Lautsprechern,
die für die Abstrahlung von Hörfrequenzen bestimmt sind, üblich ist. Gegenüber den
für Hörfrequenz bestimmten Trichtern besteht der wesentliche Unterschied darin,
daß bei Ultraschall der Trichter sehr kurz mit großer Öffnung ausgeführt werden
kann. In der Abb. 3 ist eine solche. Bauart dargestellt. Die Membran 17 wird mittels
eines piezoelektrischen Kristalls oder eines entsprechenden Mittels von Ultraschallfrequenz
erregt. Der Membran 17 ist eine Platte 18 mit einer Anzahl von konischen ciffnungen
i9 in Honigwabenanordnung zugeordnet. Die Ultraschallwellen vereinigen sich wieder
im Rohr 14, nachdem sie in den konischen Bohrungen 16 expandiert sind. Eine ähnliche
Anordnung kann auch am Mikrophon benutzt werden.
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Die Wichtigkeit einer solchen Verbesserung der Kopplung zwischen dem
schwingenden Element und dem übertragenen Medium beruht nicht nur in der Verbesserung
der Energieübertragung, sondern auch darin, daß die meisten elektroakustischen Vorrichtungen,
die mit Unterschallfrequenzen arbeiten, verhältnismäßig scharf abgestimmt sind und
die Trichteranordnung sowie die Benutzung von schwerem Gas die Abstimmung verbreitern.
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Wenn die Sendeeinrichtung unebene Wellen aussendet, z. B. wenn die
Membran nicht groß genug ist gegen die Wellenlänge, kann ein akustischer Sender
benutzt werden, der in den Eingang des Rohres ebene Wellen hineinschickt. Dies läßt
sich z. B. mittels eines parabolischen Reflektors erreichen. Es können auch im Rohreingang
eine Anzahl von Kanälen vorgesehen sein, die die einzelnen Wellen in Phase bringen
und sie zu einer einzigen ebenen Welle vereinigen.