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Verfahren zur Aufzeichnung von Tonhöhenschwankungen oder kleiner Frequenzschwankungen
beliebiger anderer Frequenzvorgänge Zusatz zum Patent 681892
Das Hauptpatent
betrifft ein Verfahren zur Aufzeichnung der Melodiekurvenvon Sprache, Gesang und
Musik oder anderer beliebiger veränderlicher Frequenzv orgänge. Das Kennzeichen.dieses
Verfahrens besteht darin, daß die: durch ein Mikrophon in elektrische Spannungsschwankungen
umgewandelte Sprache o. dgl. durch ein nicht linear arbeitendes Verzerrungsglied
derart umgewandelt wird, daß in erster Linie der Grundton als Differenzton der harmonisch
zueinander liegenden Obertöne gebildet wird, danach durch Siebmittel dieser Grundton
herausgesiebt und die Obertöne abgeschnitten werden, und daß diese Wechselspannung
zur Steuerung eines Kippgerätes, - beispielsweise einer Thyratronanordnung, dient
und die in ihrer Amplitude von der Frequenz der Steuerspannung abhängigen Kippschwingungen
einem Kathodenstrahloszillographen zugeführt werden, dessen Anzeige fortlaufend
aufgezeichnet wird.
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Das für das Verfahren nach dem Hauptpatent ausschlaggebende Glied
besteht (vg1. Seite z, Zeile 41 ff. des Hauptpatents) aus
dem Kippgerät,
beispielsweise einer Thvratronanordnung, welches über einen Konden-. Bator und einen
Widerstand in bekannter Weise Kippschwingungen erzeugt, deren Frequenz durch die
Größe der Schaltelemente gegeben ist. Die Kippfrequenz wird nun gemäß dem Hauptpatent
etwas tiefer als die tiefste zu übertragende Frequenz gewählt, bei der -Aufzeichnung
von Männerstimmen beispielsweise etwa gleich 5o Hz, von Frauentimmen etwa gleich
ioo Hz. Auf diese Weise s s
können Tonhöhenschwankungen des Grundtones, die
sich über eine bis zwei Oktaven erstrecken, mit einer Genauigkeit von 3 bis 60J0
angezeigt werden.
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Diese Genauigkeit ist nun selbst dann. wenn man, wie es für das im
Hauptpatent beschriebene-\"erfahren bereits bekanntgeworden ist, vor das Thvratron
ein zweites Kippgerät einschaltet, welches die verzerrten Sprachschwingungen in
Spannungsspitzen konstanter Amplitude umformt, nicht ausreichend, wenn es sich um
die Aufzeichnung einer Grundtonfrequenz handelt, die sich zeitlich nur wenig, etwa
nur um einen halbenTon ändert. Dieser Fall liegt beispielsweise vor bei der Prüfung
der Konstanz der Tonhöhe eines gesungenen oder auf einem Musikinstrument gespielten
Tones. Die vorliegende Erfindung gestattet, solche Grundtonfrequenzschtvankungen
innerhalb eines kleinen Frequenzbereiches mit etwa der zehnfachen Genauigkeit aufzuzeichnen,
wie sie mit dem Verfahren nach dem Hauptpatent zu erreichen ist.
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Die Erfindung bezieht sich also auf ein Verfahren zur Aufzeichnung
von Tonhöhenschwankungen oder kleiner Frequenzschwankungen beliebiger anderer Frequenzvorgänge,
bei dem die Grund- bzw. Meßschwingung nach Umformung in eine elektrische Wechselspannung
zur Steuerung eines laufende Kippspannungen an sich, d. h. vor Einsetzen der Steuerung.
konstanter Frequenz und Amplitude erzeugenden Kippgerätes, beispielsweise einer
Thpratronanordnung, ver-#@rendet wird und mit einem Kathodenstrahloszillographen
laufend die bei dieser Steuerung entstehenden Kippschwingungen derart aufgezeichnet
werden, da ß die zur Auf7eichnung gelangende Teilamplitude von der Frequenz der
Steuerspannung abhängig ist, nach Patent 681 892.
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Erfindungsgemälä wird die Eigenfrequenz des zur Aufzeichnung dienenden
Kippgerätes wesentlich höher als die Grundton- bzw. Meßfrequenz (z. B. siebenmal
so hoch) gewählt und mittels einer zusätzlichen Steuervorrichtung (Helligkeitssteuerung
bzw. örtliche Steuerung) nur die Amplituden zurAufzeichnun- nutzbar gemacht, die
iif den jeweils nur innerhalb bestimmter Perioden (z. B. jeweils nur in der j. Periode)
der laufenden Kippschwingung liegenden Zeitpunkten der im Takte der Grundton- bzw.
1teßfrequenz erfolgenden Unterbrechungen dieser Schwingungen vorhanden sind, und
deren Größe in Abhängigkeit von der Grundton- bz«-. Meßfrequenz veränderlich ist.
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Zur Messung von Frequenzschwankungeii '' sind bereits Verfahren bekannt,
bei denen eine in ihrer Frequenz schwankende Spannung mit Hilfe eines frequenzabhängigen
Widerstandes in eine amplitudenniodulierte Spannung umgewandelt wird und aus der
Stärke des Amplitudenmodulationsgrades auf die Größe der Frequenzschwankung geschlossen
wird. Diesem Verfahren haftet grundsätzlich der Nachteil an, daß eine etwa neben
der Frequenzschwankung gleichzeitig auftretendeAmplitudenschwankung der zii untersuchenden
Spannung eine Fälschung des Messerergebnisses mit sich bringt. Dieser schädliche
Einfluß etwaiger Amplitudenschwankungen kann selbst durch komplizierte zusätzliche
Schaltmaßnahmen nur unvollständig beseitigt «-erden.
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Die Erfindung sei im folgenden an Hand der Abb. i bis 3 näher erläutert,
von denen die Abb. i und 2 beispielsweise Ausführungsformen eines Schaltschemas
zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigen, während das in Abb.3
dargestellte Kippspannungsdiagramm zur Erklärung der Wirkungsweise des in Abb. i
und 2 dargestellten Schaltschemas und damit zur Erklärung des Erfindungsgedankens
dient.
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In Abb. i wird die zu untersuchende Meßspannung den Eingangsklemmen
eines übersteuerten Verstärkers i zugeführt. Dieser Verstärker bewirkt eine starke
Verzerrung der Meßspannung und verwandelt diese rein sinusförmige Spannung in eine
rechteckige Spannung. Von dieser am Ausgang des Verstärkers i vorhandenen Rechteckspannung
werden nur die höherfrequenten Anteile in Gestalt von scharfen Spannungsspitzen
auf den Eingang eines Verstärkers 2 gegeben, was durch geeignete Wahl der Kopplung
zwischen den Verstärkern i und 2 erreicht werden kann, beispielsweise bei Widerstands-Kapazitäts-Kopplung,
sogenannte RC-Kopplung, durch Wahl kleiner Werte von C und R. Der Verstärker 2 bewirkt
gleichzeitig eine Verstärkung und eine Gleichrichtung, so daß an seinem Ausgang
genügend große kurzzeitige Gleichspannungsimpulse im Takte der Frequenz der Meßspannung
entstehen.
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Diese Impulse werden zur Steuerung eines Kippgerätes 3 verwendet.
Dieses besteht aus einem gittergesteuerten Thyratron d, das in bekannterweiseüber
einen in seinem Anodenkreis liegenden Widerstand 5, einen Kondensator
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und die Anodenbatterie ; an den Kondensatorklemmen eineKippspannung zurEntstehung
gelangen läßt, deren Amplitude und Kurvenform von der Größe von 5, 6 und der Anodenspannung
abhängen. Das Thyratron 4 wird nun durch eine Batterie 8 mit einer so großen negativen
Gittervorspannung betrieben, daß eine Selbstzündung allein infolge der _@nodenspannung
nicht eintritt: Eine Zündung erfolgt vielmehr immer nur dann, wenn einer der erwähnten
Steuerimpulse an das Gitter des Thyratrons gelangt. Durch einen solchen Impuls wird
die negative Gittervorspannung des Thyratrons kurzzeitig so weit ins Positive verschoben,
daß bei der vorhandenen Anodenspannung eine Zündung erfolgt. Wenn also keine Steuerimpulse
auf das Gitter des Thyratrons .4 auftreffen, werden, mit arideren Worten, im Kippgerät
3 überhaupt keine Kippschwingungen erzeugt.
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Die am Ausgang des Kippgerätes 3, d. h. an den Klemmen des Kondensators
6, vorhandene Kippspannung, die dieselbe Frequenz wie die Messung hat, wird nun
über ein nur die höherfrequenten Anteile der Kippspannung übertragendes Kopplungselement
(z. B. ein RC-Glied mit kleinen R- und C-Werten) auf den Eingang eines Verstärkers
9 gegeben, der nur die Phase des steilen Abfalls der Kippspannung, d. h. die Zündphase,
verstärkt und umpolt. Am Ausgang dieses Verstärkers erhält man daher sehr kurzzeitige
Impulse bzw. Spannungsspitzen.
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Diese Impulse werden zur Steuerung eines zweiten Kippgerätes io- benutzt.
Dieses hat einen dem Kippgerät 3 entsprechenden Aufbau; es besteht also im wesentlichen
aus einem Thyratron i i, einem Anodenwiderstand 12, einem Kondensator 13 und der
Anoden- bz-,v. Gitterbatterie 14 bzw. 15. Im.Gegensatz zu 4. ist das Thy ratron
i i selbstzündend, d. h. die von 14 gelieferte Anodenspannung reicht bereits bei
der im Ruhezustand vorhandenen, von der Batterie 15 gelieferten, schwachen
negativen Gittervorspannung aus, um die "Zündung des Thyratrons zu bewirken. Es
entsteht also eine laufende Kippschwingung konstanter Frequenz und Amplitude, Zoobei
die Prequenz, Amplitude und Kurvenform der Kippschwingung von der Bemessung der
Elemente i2, 13 und von derAnodenspannung abhängig sind.- Die Frequenz dieser `laufenden
Kippspannung wird durch entsprechende Bemessung der genannten Elemente weit höher
gewählt als die Meßfrequenz. Sie beträgt z. B. 2ooo bis 3ooo Hz bei einer Meßfrequenz
von 300 bis 400 Hz. Die laufende Kippspannung wird durch im Verstärker 9
erzeugte und auf das Gitter des Thyratrons gelangende, sehr kurzzeitige Impulse
im Takte der Meßfrequenz gesteuert, d. h. in ihrem normalen Ablauf plötzlich unterbrochen.
Hierbei ist es erforderlich, daß die laufende Kippschwingung jeweils nur einmal
zu Beginn jeder Meßperiode unterbrochen wird. Die steuernden Impulse müssen daher
bei einer Frequenz der. laufenden Kippspannung von z. B. 2ooo bis 3000 Hz
noch kurzzeitiger sein als 1/2,0o bis 113,0o Sek., sie müssen eine Dauer von etwa
';1a000 bis 1j.,0000 Sek. -haben. Im anderen Falle würde die laufende Kippspannung
nicht nur zum Beginn der, Meßperiode, sondern auch noch während der Meßperiode unterbrochen
werden.
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Die am Ausgang des Kippgerätes io vorhandene gesteuerte, laufende
Kippspannung wird in an sich bekannter @@'eise über eine Kompensationsschaltung
r_6 an die die horizontale Ablenkung bewirkenden Ablenkplatten 17 und i8 eines die
Kippspannung aufzeichnenden Braunschen Rohres ig gelegt, wobei die Platte 18 mit
der Anode 2o des Rohres verbunden ist, die ihrerseits an Erde liegt.
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Um zu erreichen, daß die Aufzeichnung immer nur während der Kippschwingungen
erfolgt, in deren Verlauf eine Zwischenunterbrechung stattfindet, wird die am Ausgang
des Kippgerätes 3 vorhandene Kippspannung, deren Frequenz gleich der Meßfrequenz
ist, dem Wehnelt-Zylinder :21 des Braunschen Rohres ig über einen Kondensator 22
zum Zwecke der Helligkeitssteuerung zugeführt. Dabei wird die negative Gleichvorspannung
des Wehnelt-Zylinders gegenüber derKathode 23 des Rohres mit Hilfe einer entsprechenden
Vorspannungsbatterie 24 so groß gewählt, daß eine Aufhellung des Braunschen Rohres
jeweils nur durch den höchsten Teil der steuernden Kippschwingung bewirkt wird.
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In Abb. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine örtliche Steuerung
dargestellt. Diese Abbildung unterscheidet sich von der Abb. i nur dadurch, daß
die am Ausgang des Kippgerätes 3 auftretende Kippspannung nicht dem l@'ehnelt-Zylinder
-2i des Braunschen Rohres, sondern über eine Kompensationsschaltung 25 den Ablenkplatten
26, 27 für die vertikale Ablenkung des Kathodenstrahles zugeführt werden.
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Im folgenden sei der Erfindungsgedanke an Hand der Abb: 3 noch näher
erläutert. In dieser Abbildung ist in der Abszisse die Zeit und in der Ordinate
die an die Horizontalablenkplatten 17 und iä des Braunschen Rohres gelangende Kippspannung
dargestellt. Ein diesem Diagramm ähnliches Bild würde unter der Annahme, däß die
Richtung der Kippspannung der Horizontalablenkung entspricht und die erwähnte Helligkeits-
bzw. örtliche Steuerung zunächst nicht vorhanden ist, auch auf dem Leuchtschirm
der Braunsehen Röhre erscheinen, wenn bei der Registrierung
eine
zeitliche Auseinanderziehung der einzelnen an sich aufeinanderliegendeti Leuchtstriche
erfolgt.
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Die Kippspannung läuft zunächst gleiche mäßig von links beginnend.
Die erste Steuerspannungsspitze unterbricht diesen gleichmäßigen Kippablauf in einem
Zeitpunkt der einem zufälligen Punkt -9 der Kippspannungskurve entspricht. Von da
ab läuft die Kippspannung mit konstanter Amplitude und Frequenz weiter bis nach
Ablauf einer Meßperiode, d. h. nach .l#,blauf der Zeit 30 in' Zeitpunl-zt
3 i die zweite Zündung durch die zweite Steuerspannungsspätze erfolgt und den Kippablauf
im Verlauf der siebenten Kippschwingung im Punkte e-2 unterbricht. Von da ab läuft
die Kippspannung wieder weiter; im Zeitpunkt 33 erfolgt die dritte Zündung durch
die dritte Spannungsspitze und die Unterbrechung im Punkt 34 usw. Ist die Periode
der Meßspannung kürzer, d. h. die Frequenz der Meßspan.nung höher, so erfolgt dieUnterbrechung
im Verlauf der Aufladungsphase cier siebenten Kippschwingung schon eher, etwa in
dein Punkt 3. Die jeweilige Kondensatorspannung im Augenblick der in clen Zeitpunkten
31, 33 usw. erfolgenden Zündungen oder, mit anderen Worten, die jeweilige
Länge der auf dein Schirm des Braunsehen Rohres sichtbaren Leuchtstriche 36-32,
37-3.1 usw. ist also ein -Maß für die Frequenz der Meßspannung.
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1lan erkennt ohne weiteres, daß die Genauigkeit der Aufzeichnung um
so größer wird, je höher die Frequenz der laufenden Kippspannung über der der Meßspannung
liegt. Denn je höher die innerhalb der Meßperiode 30 liegende Zahl der einander
gleichen Dreiecksfiguren ist, die der mit konstanter Amplitude und Frequenz laufenden
Kippspannung entsprechen, desto größer ist bei einer bestimmten Änderung von 3o
der absolute Unterschied der l.euchtstrichlängen 3 6-32, 37-3-1 usw. Stellt man
sich die einzelnen innerhalb der Meßperiode liegenden, einander gleichen Dreiecksspannungsfiguren,
deren Zahl in Abb. 3 beispielsweise 6 beträgt, zu einer großen Dreieckspannungsfigur
der sechsfachen Länge addiert, vor, so läßt sich. leicht erkennen, daß eine Längenänderung
von 30 um etwa 30/0, bei einer Einzelkippspannungsamplitude auf dem Leuchtschirm
von rund 9 cm deutlich sichtbar ist. . Die Erfindung gestattet also, kleine Änderungen
der Meßperiode, d. h. der Meß frequenz, die einer Änderung einer bestimmten, beispielsweise
der siebenten L euchtstrichlänge entsprechen, mit sehr großer Genauigkeit erkennbar
zu machen.
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Bei der Registrierung der interessierenden Leuchtstrichlängen kann
man so verfahren, dalli man bei zeitlich großer Auseinanderziehung die Längen 36-32,
37-34. usw. getrennt erkennen kann.
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In wirkungsvollerer Weise läßt sich die Registrierung jedoch, wie
bereits erwähnt, durch eine im Takte der -'\,leßfreqtienz erfolgende Helligkeitssteuerung
bzw. örtliche Steuerung des Braunschen Rohres erreichen.
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Die Helligkeitssteuerung wirkt derart, daß immer nur, um bei dem in
Abb. 3 dargestellten Beispiel zu bleiben, die siebenten Kippperioden finit den Spannungsspitzen
32, 3.1 usw., die infolge der durch die Steuerimpulse bewirkten Zwischenunterbrechung
der laufenden Kippspannung entstehen, beleuchtet werden, während die sechs Zwischenperioden
unsichtbar bleiben. Durch richtige Einstellung der negativen Gleichvorspannung des
Wehnelt-Zylinders wird dafür gesorgt, daß die Aufhellung des Braunschen Rohres stets
bei Beginn der Kipperiode einsetzt, in deren Verlauf die Zwischenunterbrechung erfolgt,
im Beispiel der Abb. 3 also jeweils bei Beginn der siebenten Periode.
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Die örtliche Steuerung wirkt in folgender Weise: Zur Zeit 28 hat die
Kippspannung am Ausgang des Kippgerätes 3 infolge der Zündung des Thyratrons 4.
ihren kleinsten Wert. Durch ihr Anwachsen werden die folgenden sechs Zwischenperioden
der laufenden Kippschwingung gleichmäßig in vertikaler Richtung (entsprechend der
Richtung der Zeitachse) verschoben, bis zur Zeit 3i im Punkte 32, der dem Höchstwert
der Kippspannung am Ausgang des Kippgerätes 3 entspricht, die maximale Verschiebung
erreicht ist. Im Punkte 3a wird gleichzeitig aber die Kippspannung 3 infolge der
Zündung des Thyratrons .4 durch die nächste Steuerspitze wieder auf ihren kleinsten
Wert herabgesetzt, und der Vorgang wiederholt sich in der genannten Weise, so daf,
die Leuchtstriche 36-32, 3-34 usw. immer an der gleichen Stelle des Leuchtschirmes
des Braunschen Rohres erscheinen. Die nicht interessierenden sechs konstanten Zwischenamplituden
brauchen daher bei photographischer Registrierung nur abgedeckt zu werden.