DE928057C

DE928057C - Frequenzanalysator

Info

Publication number: DE928057C
Application number: DES29536A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr-Ing Koschel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1952-07-30
Filing date: 1952-07-30
Publication date: 1955-05-23

Description

Frequenzanalysator Zur Messung und Sichtbarmachung elektrischer oder akustischer Schwingungsvorgänge ist es, wie in der Schaltungsanordnung nach Fig. I dargestellt, bekannt, das zu untersuchende, entweder an dem Klemmenpaar a, b liegende, oder wenn es sich um akustische Schwingungen handelt, von der Schallquelle an einem hochwertigen Mikrophon K erzeugte Frequenzgemisch über einen nachgeordneten verzerrungsfreien Leistungsverstärker V1 an die das Frequenzgemisch aufspaltenden Bandfilter F bis Fv zu führen. Am Ausgang jedes Filters ist ein Speicher Spl bis Spv angeordnet, der die von ihm durchgelassenen Wechselspannungen gleichrichtet und in einem Kondensator aufspeichert. Mit einem umlaufenden Nockenschalter SI werden die einzelnen Speicher nacheinander abgetastet und die jeweils abgetastete Gleichspannung über einen Modulator M in eine Wechselspannung z. B. mit der Frequenz 2500 Hz umgewandelt, in einem Verstärker V2 verstärkt und dem die senkrechte Ablenkung bewirkenden Plattenpaar einer Braunschen Röhren zugeführt. Ein dazwischengeschalteter Bandpaß B hält Störspannungen fern; durch eine in dem Gleichrichter Gl4 vorgenommene Gleichrichtung wird der Elektronenstrahl von der Nullage nur nach oben abgelenkt. Synchron mit dem Nockenschalter S1 läuft ein zweiter Nockenschalter S2, der dem die horizontale Ablenkung bewirkenden Plattenpaar der Braunschen Röhre eine der Frequenz f proportionale Gleichspannung verschiedener Größe übermittelt. Auf diese Weise erscheinen die von den Filtern abgegebenen Spannungsamplituden als verschieden lange senkrechte Linien nebeneinander auf einer gemeinsamen Grundlinie.
Bei der soeben beschriebenen Schaltungsanordnang zeigt sich abers daß bei Geräuschen Qft erhe5- liche Abweichungen der subjektiven Lautstärkeempfindung von der von Instrumenten angezeigten Lautstärke auftreten. Der Grund hierfür liegt in der Außerachtlassung der Lautstärkeempfindung des menschlichen Ohres. Die Ohrempfindlichkeit wird durch die in der Fig. 2 dargestellte Lautheitsfunktion von H. F l e t c h e r berücksichtigt und durch das von K. B r a u n angegebene Potenzgesetz E=k#pn näherungsweise erfaßt. Hierbei bedeuten E die Lautstärkeempfindung, p der Schalldruck und k eine Konstante. Der Exponent n ist von der jeweiligen Lautstärke abhängig. In der Fig. 2 ist zur Darstellung der Lautheitsfunktion in der Abszisse die Lautstärke, gemessen in Phon im linearen und in der Ordinate die Lautheit in Lautheitseinheiten, bier sone genannt, im logarithmischen Mäßstab aufgetragen. Ferner zeigt die Fig. 2 die durch das Potenz gesetz angegebenen, in der Zeichnung strichliert eingetragenen Näherungen für n=2, n=1 und n=½ bis 2/3.
Es sind bereits Schaltungsanordnungen bekannt, die bei der Messung -der Lautstärke die menschliche Ohrempfindlichkeit berücksichtigen. In all diesen Schaltungsanordnungen wurde ein Glied mit exponentiell verlaufender Charakteristik eingeschaltet, welches nur ein einziges festes n aufweist und daher nur für einen beschränkten Bereich eine näherungsweise Gültigkeit besitzt.
Die Erfindung sieht vor, einen Frequenzanalysator mit unmittelbarer Anzeige über das gesamte zu untersuchende Frequenzspektrum und Unterteilung des Frequenzspektrums in eine Reihe von Teilkanälen durch parallel geschaltete Filter mit Gleichrichtern und Speichermitteln in den Filterausgängen und Abtastung derselben so auszugestalten, daß ein nach der Funktion E = arbeitendes Glied, das den von der Lautstärke abhängigen Lautheitsexponenten n auf verschiedene Werte einzustellen gestattet, angeordnet ist. Zweckmäßigerweise besteht das nach der Funktion E=k#pn arbeitende Glied aus einer vorzugsweise linearen Gleichrichteranordnung, von der die Gleichspannung abgegriffen und mittels eines Schalters einem der jeweiligen Lautstärken mit unterschiedlichem n entsprechenden Exponentialschaltung zugeführt wird, und die Exponentialschaltung zur Erzielung eines Exponenten von n=½ bis 2/3 aus der Reihenschaltung eines ohmscher Widerstandes und eines Gleichrichters, zur Erzielung eines Exponenten n = 1 lediglich aus einem ohmschen Widerstand und zur Erzielung eines Exponenten fl = 2 aus der Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes und eines Gleichtrichters besteht, wobei von der jeweils verwendeten Exponentialschaltung ein die Lautheit jedes einzelnen Frequenzbandes anzeigendes Instrument gespeist wird. In Weiterentwicklung der Erfindung sind die Charakteristiken der gewählten Gleichrichter und die Größe der ohmschen Widerstände so gewählt, daß bei dem nach der Funktion E=k#pn arbeitenden Glied mit nur einem Schalter sowohl die Meßbereichseinstellung des die Lautheit der einzelnen Frequenzbänder anzeigenden Instrumentes als auch die Einstellung des Exponenten lt vorgenommen wird. Es empfiehlt sich, bei dem Frequenzanalysator gemäß der Erfindung eine wahlweise ein- und abschaltbare integrierende Anzeigevorrichtung vorzusehen, die die den Bandfiltern entnommenen Spannungen linear addiert.
Zweckmäßigerweise besitzt die zur Anzeige der Gesamtlautheit angeordnete Anzeigevorrichtung eine der physiologischen Zeitkonstante des Ohres entsprechende Eins teil zeit.
Die Erfindung wird an Hand zweier in den Fig. 3 und 4 dargestellter Schaltschemata, die als Ausführungsbeispiele aufzufassen sind, näher erläutert.
Die Schaltungsanordnung nach Eig. 3 ist analog derjenigen nach Fig. I aufgebaut, und es bedeuten hierin ebenso wie in Fig. I a, b das Eingangsklemmenpaar, K das Mikrophon, V1 den Leistungsverstärker, F1 bis FV die benötigten Bandfilter, Sp1 bis Spv die Speicher, M den Modulator, B das Bandfilter, V2 -den Verstärker, Gl den Gleichrichter, R die Braunsche Röhre und S1 und S2 die beiden Nockenschalter. G ist das in Fig. 4 ausführlich dargestellte, nach der Funktion E=k#pn arbeitende Glied, das den von der Lautstärke abhängigen Exponenten n- auf verschiedene Werte einzustellen gestattet, und J1 das zur Anzeige der Gesamtlautheit verwendete integrierende, mit einer der physiologischen Zeitkonstante des Ohres entsprechenden Einstellzeit versehene Instrument, das mittels des Schalters 54 in den Stromkreis nach dem Glied G eingeschaltet werden kann.
Statt der Nockenschalter kann zur Abtastung der Filter eine Röhrenschaltung, ein Kollektorschalter oder ein Elektronenschalter verwendet werden. Im letzteren Falle kann die Abtastfrequenz oberhalb des Analysierbereiches gelegt werden, damit werden die Genauigkeit des Spektrogramms und Schnelligkeit der Analyse, soweit es die Einschwingzeit der Filter zuläßt, gesteigert.
Die von dem in der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 dargestellten Modulator M abgegebene Spannung wird dem Klemmenpaar c, d zugeführt und gelangt über einen Vorwiderstand R an eine vorzugsweise linear arbeitende Gleichrichteranordnung Gl3, für die hier eine Graetzschaltung, in deren Diagonalzweig die für verschiedene n erforderlichen Exponentialschaltungen liegen, Verwendung findet.
Der Schalter S3 -schaltet neben dem für das die Lautheit jedes einzelnen Bandfilters anzeigenden Instrument J2 erforderlichen Vorwiderstände in Stellung I die Exponentialschaltung für n=½ bis 2/3, in Stellung II die Exponentialschaltung für n= = I und in Stellung III die Exponentialschaltung für n=2 ein. In der als Ausführungsbeispiel gewählten, in Fig. 4 dargestellten Schaltungsanordnung ist von der Möglichkeit, die Charakteristiken der gewählten Gleichrichter und die Größe der ohmschen Widerstände so auszuwählen, daß mit nur einem Schalter, dem Schalter 53, sowohl die Meßbereichseinstellung des Instruments J2 als auch die Einstellung des Exponenten n vor- genommen werden kann. Gebrauch gemacht. Die Exponentialschaltung und der Instrumentvorwiderstand besteht für n=½ bis 2/3 aus dem Gleichrichter Gl1 und den ohmschen Widerständen R1 und R2, für n=1 aus den ohmschen Widerständen R3 und R4 und für n = 2 aus den ohmschen Widerständen R5 und R6 und dem Gleichrichter Gl2.

Claims

PATENTANSPRÜcHE: I. Frequenzanalysator mit unmittelbarer Anzeige über das gesamte zu untersuchende Frequenzspektrum und Unterteilung des Frequenzspektrums in eine Reihe von Teilkanälen durch parallel geschaltete Filter mit Gleichrichtern und Speichermitteln in den Filterausgängen und Abtastung derselben, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach der Funktion E = k pn arbeiten des Glied, das den von der Lautstärke abhängigen Lautheitsexponenten n auf verschiedene Werte einzustellen gestattet, angeordnet ist; mit E ist dabei die Lautstärkeempfindung, mit p der Schalldruck und mit k eine Konstante bezeichnet.
2. Frequenzanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nach der Funktion E = k pn arbeitende Glied aus einer vorzugsweise linearen Gleichrichteranordnung besteht, von der die Gleichspannungen abgegriffen und mittels eines Schalters einer der jeweiligen Lautstärke mit unterschiedlichem lt entsprechenden Exponentialschaltung zugeführt wird.
3. Frequenzanalysator nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines Exponenten von n=½ bis '/s die Exponentialschaltung aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und eines Gleichrichters besteht.
4. Frequenzanalysator lladh Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines Exponenten von n=1 die Exponentialscha,lltung lediglich aus einem ohmschen Widerstand besteht.
5. Frequenzanalysator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines Exponenten von n=2 die Exponentialsc'haltung aus der Parallelschaltung eines ohmselen Widerstandes und eines Gleichrichters besteht.
6. Frequenzanalysator nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der jeweils verwendeten Exponentialschaltung ein die Lautheit jedes einzelnen Frequenzbandes anzeigendes Instrument gespeist wird.
7. Frequenzanalysator nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristiken der gewählten Gleichrichter und die Größe der ohmschen Widerstände so ausgewählt sind, daß mit nur einem Schalter sowohl die Meßbereicheinstellung des die Lautheit der einzelnen Frequenzbänder anzeigenden Instrumentes als auch die Einstellung des Exponenten n vorgenommen wird.
8. Frequenzanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine wahlweise ein- und abschaltbare integrierende Anzeigevorrichtung vorgesehen ist, die die den Bandfiltern entnommenen Spannungen linear addiert.
9. Frequenzanalysator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die znr Anzeige der Gesamtlautheit angeordnete Anzeigevorrichtung eine der physiologischen Zeitkonstante des Ohres entsprechende Einstellzeit besitzt.

Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 685 095.