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Elektrostatischer Spiegeloszillograph Die Erfindung bezieht sich auf
einen elektrostatischen Spiegeloszillographen mit zwei oder mehreren stationären
Elektroden und einem in Längsrichtung derselben straff ausgespannten, den Spiegel
tragenden Band, das sich auf einem Teil seiner Länge dicht an den beiden oder mehreren
stationären Elektroden vorbei oder zwischen denselben erstreckt.
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Oszillographen der erwähnten Art wurden bereits für verschiedene Zwecke,
unter anderem zum Aufzeichnen von Schallschwingungen auf photographischen Filmen
vorgeschlagen und weisen gegenüber den gewöhnlichen elektromagnetischen Oszillographen
den Vorteil auf, daß die Stromwärmeverluste in Oszillographen sehr gering sind,
weshalb die Temperatur des Oszillographen und damit dessen Empfindlichkeit im wesentlichen
konstand sind, sowie daß die vor oder zwischen den festen Elektroden ausgespannte
Spiegelaufhängeanordnung, nämlich das erwähnteBand, sehr starke mechanische Beanspruchungen
erträgt und daher so straff gezogen werden kann, daß es, selbst wenn der Spiegel
bedeutend größer ausgeführt wird, als dies bei elektromagnetischen Oszillographen
angängig ist, dennoch möglich ist, die Eigenfrequenz des vom Band und vom Spiegel
gebildeten Schwingungssystems auf einen so hohen Wert heraufzusetzen, da,B die Eigenfrequenz
dieses Systems das Aufzeichnen der Schallschwingungen nicht störend beeinflußt.
Elektrostatische
Oszillographen weisen ferner den Vorteil auf, daß eine effektive Dämpfung des schwingenden
Systems in bequemer Weise erreicht werden kann, und zwar dadurch, daß das erwähnte
Band in zweckentsprechend geringer Entfernung von der Oberfläche der festen Elektroden
angebracht wird.
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Den bisher bekannten elektrostatischen Oszillographen haftet indessen
gegenüber den allgemein bekannten elektromagnetischen Oszillographen der Mangel
an, daß das schwingende System in. den elektrostatischen Oszillographen eine geradlinige
Hinundherbewegung ausführt, weshalb ein vom Spiegel reflektiertes Lichtstrahlenbündel,
das z. B. gegen einen vor einem Film vorgesehenen Schlitz gerichtet ist, durch welchen
der Film belichtet wird, im Verhältnis zum erwähnten Schlitz eine Schwingbewegung
ausführt, deren Amplitude unangesehen des Abstandes zwischen dem Spiegel und dem
erwähnten Schlitz genau dieselbe ist wie die Amplitude der Schwingbewegung des Spiegels.
Da der Abstand zwischen dem schwingenden Band des Oszillographen und den festen
Elektroden sehr gering, in der Regel nur ein geringer Bruchteil von z mm, ist, muß
bei der Anwendung von Oszillographen dieser Art zum Aufzeichnen von Schallschwingungen
entweder ein sehr schmaler Schlitz angeordnet werden, was die Wirkungsweise und
genaue Einstellung des Apparates sehr ungünstig beeinträchtigt, oder aber es müssen
optische Systeme zur Anwendung gebracht werden, mittels deren die Amplitude der
Schwingbewegungen des Lichtbündels vergrößert wird. Derartige optische Anordnungen
sind kompliziert und verursachen Lichtverluste.
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Die Erfindung erstrebt die Herstellung eines elektrostatischen Oszillographen,
in welchem die Schwingbewegung des schwingenden Systems eine Drehbewegung um die
Längenachse dieses Systiems ist.
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Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß der elektrostatische Spiegeloszillograph
derart ausgebildet, daß die stationären. Elektroden, denen bei der Benutzung einander
entgegengesetzt gerichtete, variierende, ein entsprechendes elektrostatisches Feld
hervorrufende Potentiale aufgedrückt werden, entweder,auf der gleichen Seite oder
an entgegengesetzten Seiten des Bandes derart relativ zu ihm angeordnet sind, daß
das Band durch das Feld in eine Schwingbewegung um seine Längsachse oder eine zu
dieser parallelen Achse versetzt wird.
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Zweckmäßig werden bei dem Spiegeloszillographen nach der Erfindung
zwei beiderseits der Schwingungsachse angeordnete Elektrodensätze vorgesehen, die
aus je zwei auf entgegengesetzten Seiten des Bandes angeordneten Elektroden bestehen,
denen bei der Benutzung entgegengesetzte Wechselpotentiale aufgedrückt werden. Die
sich diagonal gegenüberliegenden Elektroden der weiteren Elektrodensätze werden
dabei zweckmäßig untereinander elektrisch verbunden. Der Abstand zwischen Metallband
und Elektroden soll so gering sein, dali die dazwischenliegende Luftschicht stark
dämpfend auf das schwingende System einwirkt. Es ist hierfür beispielsweise ein
Abstand zwischen Band und wenigstens einer der Elektroden kleiner als o,o5 mm geeignet.
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Das Metallband kann. gegebenenfalls aus mehreren nebeneinander in
ein und derselben Ebene straff ausgespannten schmalen Bändern bestehen, über deren
flachen Seite der Spiegel befestigt ist. Gelangt nur ein einziges Metallband zur
Anwendung, kann der Spiegel gegebenenfalls einen integrierenden Teil desselben bilden.
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Die stationären Elektroden im Oszillographen werden am besten als
Metallplatten ausgeführt. Dabei ist es zweckmäßig, die auf derselben Bandseite beiderseits
der Schwingungsachse angeordneten Elektroden einander näherbar oder voneinander
entfernbar anzuordnen, um die Breite der Luftschicht zwischen Elektroden und Band
und damit die Dämpfung einzustellen. Die Luftdämpfung kann also durch Änderung des
Abstandes zwischen dem Band bzw. den Bändern und den Elektroden oder durch Änderung
des vor den Elektrodenflächen liegenden Teiles der Bandbreite geändert werden, um
die Dämpfung des schwingenden Systems innerhalb bestimmter Grenzen zu regeln.
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Bei der Anwendung elektrostatischer Oszillographen ist es bekanntlich
zweckmäßig, das elektrostatische System zu polarisieren. Hierfür wird in Ausgestaltung
der Erfindung das Metallband an eine Spannungsquelle angeschlossen, die die Polarisationsspannung
zwischen Elektroden und Metallband erzeugt.
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Gemäß bevorzugter Ausführungsform wird hierfür die Polarisationsschaltung
zweckmäßig derart ausgebildet, daß die elektrostatischen Felder zwischen dem Metallband
und den Elektroden der beiderseits der Schwingungsachse angeordneten Elektrodensätze
gegensinnig gerichtet sind und daß die Elektroden derart an die Steuerspannungsquelle
angeschlossen sind, daß die hierdurch hervorgerufenen Felder in den Elektrodensätzen
gleichsinnig gerichtet sind, oder umgekehrt die Polarisationsfelder gleichsinnig
und die Steuerspannungsfelder gegensinnig gerichtet sind.
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Es ist zweckmäßig, wenn in Ausgestaltung der Erfindung die Elektroden
an der dem Metallband zugekehrten Fläche oder umgekehrt das Metallband an der den
Elektroden gegenüberliegenden Fläche mit einer elektrischen Isolierschicht überzogen
wird.
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Gemäß bevorzugter Ausführungsform nach der Erfindung wird das Band
zwischen Haltern ausgespannt, deren dem Band zugekehrten Kanten nach einem Kreisbogen
gebildet sind, dessen Zentrum in der Mittellinie des Bandes, beispielsweise in der
Mitte des Spiegels liegt.
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Die stationären Elektroden des Oszillographensystems können in Ausgestaltung
der Erfindung auch aus halbleitendem Material hergestellt werden.
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Die näheren Einzelheiten der Erfindung sind aus der Beschreibung der
in der Zeichnung schematisch veranschaulichten Ausführungsbeispiele eines
Oszillographen
und eines Systems zur Umsetzung elektrischer Schwankungen in mechanische Schwingbewegungen
des Oszillographspiegels ersichtlich.
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Fig. i zeigt die Grundform des schwingenden Systems und die Elektroden
in einem Oszillographen in Vorderansicht; Fig.2 bis q. zeigen drei schematische
Querschnitte durch drei verschiedene Ausführungsformen derselben; Fig. 5 zeigt schematisch
eine besondere Ausführungsform eines Aufhängebandes im Grundriß; Fi.g. 6 und 7 veranschaulichen
schematisch zwei verschiedene Arten der Aufhängung eines Aufhängebandes; Fig. 8
zeigt eine Verbindungsanordnung für die Elektroden und das schwingende System des
Oszillographen, Fig. 9 eine geänderte Ausführungsform derselben und Fig. io einen
Längsschnitt durch eine Ausführungsform des Oszillographen.
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In Fig. i ist o ein aus Metall, z. B. Aluminium oder Duraluminium,
hergestelltes Band, das zwischen zwei Haltern h straff ausgespannt ist und einen
Spiegel s trägt. Die Dicke des Bandes kann innerhalb weiter Grenzen variiert werden,
wird aber im allgemeinen zwischen 0,0015 und 0,05 mm sein. Das Band
kann seiner ganzen Länge nach von gleicher Breite sein (vgl. Fig. i und 6) oder
von den Enden nach der Mitte zu ein wenig abnehmen, so daß die Seitenkanten desselben
konkav werden (vgl. Fig. 5).
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Die dem Band o zugekehrten Begrenzungskanten u (Fig. i) können entweder
geradlinig und rechtwinklig zu den Seitenkanten des Bandes sein (vgl. Fig. 6), oder
jede derselben kann ein Teil eines Kreisbogens sein, dessen Zentrum in der Mittellinie
des Bandes, zweckmäßig in der Mitte des Spiegels s liegt (vgl. Fig. 7). Bei dieser
letzteren Ausführung werden die Kanten des Bandes nicht so stark gespannt werden
wie die Mitte des Bandes, und das Band erträgt daher im ganzen eine hohe mechanische
Beanspruchung, ohne zerrissen zu werden.
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Mittels einer durch eine feste Anlage q geführten und in den einen
der Halter h eingeschraubten Schraube p kann das Band o nach Wunsch und Bedarf angezogen
werden.
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An der einen Seite (vgl. Fig. i und 2) oder an beiden Seiten des Metallbandes
o (vgl. Fig. 3) sind in geringer Entfernung von demselben Elektroden a und
b bzw. a, b, c und d angeordnet, denen bei der Benutzung des
Oszillographen variierende Potentiale aufgedrückt werden, so daß zwischen diesen
Elektroden ein variierendes elektrostatisches Feld hergestellt wird, welches das
Metallband um seine Längenachse x hin und her dreht.
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Die Wirkungsweise des Oszillographen erklärt sich am besten aus der
Betrachtung der Fig. B. Die variierenden Ströme oder Spannungen, die in Schwingungen
des Spiegels umgesetzt werden sollen, werden der primären Wicklung e eines Transformators
aufgedrückt, dessen sekundäre Wicklung f den Elektroden a und
b und, falls vier Elektroden zur Anwendung gelangen, ferner den Elektroden
c und d so angeschlossen ist, daß die beiden Elektroden je eines der an der einen
bzw. der anderen Seite der Schwingungsachse x angeordneten Elektrodensätze
a, c bzw. b, d entgegengesetzte Wechselpotentiale erhalten, d. h.
entgegengesetzten Enden der Sekundärwicklung f angeschlossen sind.
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Der Mittelpunkt der Wicklung f ist über eine Batterie g dem Metallband
c derart angeschlossen, daß letzterem eine konstante Grundspannung (Polarisationsspannung)
im Verhältnis zu den Elektroden a, b, c und d aufgedrückt wird. Dadurch
wird ein Polarisationsfeld zwischen dem Metallband c und den erwähnten Elektroden
hergestellt. Die dadurch entstehenden elektrischen Beanspruchungen des Metallbandes
sind an beiden Seiten der Schwingungsachse x gleich groß, weshalb das schwingende
System o, s nicht zur Drehung beansprucht werden wird.
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Wird von der Primärwicklung e eine Wechselspannung zugeführt, wird
letztere über die Sekundärwicklung f zu den obenerwähnten Elektroden übergeführt
werden, wodurch der Spannungsunterschied zwischen dem Metallband o und den Elektroden
a und b erhöht, während der Spannungsunterschied zwischen dem Metallband o und den
Elektroden b und c verringert wird, oder umgekehrt, und infolgedessen werden die
an jeder Seite der Schwingungsachse x liegenden Hälften des schwingenden Systems
zur Drehung in entgegengesetzte Richtungen beansprucht und infolgedessen gezwungen
werden, unter der Einwirkung der Wechselspannung zu schwingen.
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Wären die Elektroden c und d in Fig. 8 fortgelassen (vgl. Fig. i und
2), so wäre die Wirkung nur mit dem unwesentlichen Unterschied die gleiche gewesen,
daß die beiden, zu je einer Seite der Achse x liegenden Teile des schwingenden Systems
durch Aufdrücken der Polarisationsspannung gleich stark gegen die beiden Elektroden
a und b angezogen werden würden, ohne jedoch dadurch zum Drehen beansprucht zu werden.
Eine solche Drehbeanspruchung entsteht erst dann, wenn eine Wechselspannung, wie
oben erwähnt, eintritt.
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Die Anordnung nach Fig.9 unterscheidet sich von der Anordnung nach
Fig. 8 dadurch, daß die Batterie g nicht dem Mittelpunkt der Sekundärwicklung f,
das eine Ende der letzteren dagegen dem Mittelpunkt der Batterie g angeschlossen
ist, weshalb die zwischen den paarweise einander gegenüber angeordneten Elektroden
a, c bzw. b, d entstehenden Polarisationsfelder einander entgegengesetzte
Richtungen erhalten. Auch diese Anordnung wird jedoch bei Auftreten einer Wechselspannung
in der Wicklung f derart wirken, daß der Spannungsunterschied zwischen dem Metallband
und den Elektroden a und d erhöht wird, während gleichzeitig der Potentialunterschied
zwischen dem Metallband und den Elektroden b und c verringert wird, oder umgekehrt,
weshalb das schwingende System o, s auch in diesem Fall zum Drehen in
dieselbe
Richtung von beiden Elektrodensätzen beansprucht werden wird.
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Es ist oben angenommen, der Spiegel sei an einem einzigen Metallband
aufgehängt, das sich teilweise vor oder zwischen die Elektroden a und
b
bzw. a, b c und d erstreckt; das Metallband o kann aber auch
aus zwei zueinander parallelen Teilen (vgl. o' und ö ' in Fig. ,¢) oder aus mehreren
zueinander parallelen Teilen zusammengesetzt sein, die zweckmäßig in denselben Haltern
h (Fig. i) festgehalten werden.
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Es ist ferner ohne wesentliche Bedeutung für die Erfindung, ob die
Länge der Metallbänder o wesentlich größer ist als die Ausdehnung der Elektroden
in der Längenrichtung des Bandes. Das Verhältnis zwischen der Länge des Bandes und
der Ausdehnung der Elektroden in der Längenrichtung des Bandes kann innerhalb weiter
Grenzen variiert werden, und auch der Abstand zwischen den an ein und derselben
Seite des Bandes angeordneten Elektroden oder, was das gleiche ist, die Ausdehnung,
in welcher das Band über die demselben zugekehrten Flächen der Elektroden eingreift,
kann nach Bedarf variiert werden, und gegebenenfalls kann der Abstand zwischen den
auf ein und derselben Seite des Bandes angeordneten Elektroden verstellbar gemacht
werden.
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Um zu verhüten, daß bei Vorkommen großer Schwingungsausschläge des
Bandes o elektrische Funkenbildung oder Durchschlag zwischen dem Band o und den
Elektroden entsteht, kann man die dem Band zugekehrten Flächen derselben mit einem
elektrischen Isoliermaterial, z. B.- Glimmer, Lack oder Bernstein, bekleiden. Die
Elektroden können gegebenenfalls aus Materialien hergestellt sein, die elektrische
Halbleiter sind.
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Im Hinblick auf die Dämpfung der von der Luft zwischen dem Metallband
bzw. denMetallbändern o und den Elektroden verursachten Bewegungen des schwingenden
Systems wird es zweckmäßig sein, den kürzesten Abstand zwischen den Bändern o und
den Elektroden so klein zu machen, wie es unter Berücksichtigung einer zuverlässigen
Isolierung gegenüber den in Betracht kommenden Spannungen zulässig ist. Der erwähnte
Abstand wird zweckmäßig, nicht aber unbedingt notwendigerweise, kleiner gemacht
als o,o5 mm.
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Fig. io zeigt eine Ausführungsform des Oszillographen. Zwischen den
beiden Flanschen des Gehäuses sind die beiden Enden des Bandes 1, die längste Ausdehnung
rechtwinklig zur Ebene des Papiers, befestigt.
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Im Gehäuse sind zwei Stempel i und j vorgesehen, die
aus einem beliebigen Isoliermaterial, beispielsweise Bernstein, bestehen und in
deren beiden, einander zugekehrten Flächen die Elektroden a, b, c
und d eingelegt
sind. Jeder der Stempel ist ferner mit einem Metallreifen k versehen. Der obere
Stempel wird mittels eines Schraubenringes gegen das Band herabgepreßt, so daß der
Reifen k an zwei diametral entgegengesetzten Stellen das Band berührt. In dieser
Weise kann man das Band zu einer geeigneten Resonanz nach dem in Fig. 7 gezeigten
Aufspannverfahren straff ziehen, wonach der untere Stempel mittels des unteren Schraubenringes
fest gegen den oberen Stempel gespannt wird.
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Im oberen Stempel i ist ferner vor dem Spiegel s eine Lichtöffnung
ausgedreht, und der Oberteil des Gehäuses wird durch einen Linsenhalter abgeschlossen,
in welchem eine zweckentsprechende Linse angeordnet ist.
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Der Unterteil des Gehäuses wird durch eine Isolierplatte abgeschlossen,
auf welcher zweckmäßig ein Paar Klemmschrauben angeordnet sind, zu welchen die Zuleitungen
n und m geführt sind.
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Um den Luftabstand zwischen dem Band und den Elektroden einstellen
zu können, ist der Ring k zuerst in der Ebene der Elektroden geschliffen, wonach
zwischen dem Ring k und dem Stempel ein in der Zeichnung nicht gezeigter Ring, beispielsweise
aus Zinnfolie der für den Luftabstand gewünschten Dicke, vorgesehen ist.