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Einrichtung zur elektroakustischen Aufnahme und Messung von Schalleistungen
mittels Resonatoren
Die einwandfreie Umwandlung von Klanggebilden oder reinen Tönen
in elektrische Strom-bzw. Spannungsänderungen bereitet dann keine Schwierigkeiten,
wenn die vom Schablaufnahmorgan, z. B. einem Mikrophon, erzeugten äquivalenten Spannungen
groß sind im Vergleich zu den hereits in dem gesamten Zug der Aufuahmegeräte vorhandenen
Störspannungen. Von diesen Störungen ist das Rauschen der ersten Verstärkerstufe,
wie es durch den Schroteffekt und den quantenhaften Aufbau des Stromes selbst bedingt
ist, die wesentlichste. Durch diese in der Aufnahmeapparatur selbst vorhandene Störung
wird die untere Grenze, bis zu der noch einwandfreie Schallaufnahmen bzw. Messungen
möglich sind, bestimmt. Diese Grenze liegt im allgemeinen bei etwa 25 bis 30 Phon,
d. h. kleinere Schallenergieen lassen sich auf dem üblichen Wege über Mikrophon
und Verstärker überhaupt nicht genau feststellen oder messen.
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Es ist nun aber in vielen Fällen erwünscht, z. B. exakte Schallmessungen
und Analysen auch unterhalb der genannten Grenze auszuführen, gegebenenfalls bis
zu Lautstärken, die im Bereich der Reizschwelle des Ohres liegen. Solche Messungen,
die unterhalb der durch den Geräuschpegel der Meßapparaturen bedingten Lautstärke
liegen, konnten auf direktem Wege bisher nicht durchgeführt werden. Das im folgenden
beschriebene Verfahren zeigt nun einen besonders vorteilhaften Weg, wie auch in
diesem Gebiet der kleinen Lautstärken bis hinunter zum Nullpunkt
der
Phonskala, also bis zur Reizschwelle des Ohres, exakte Messungen durchgeführt werden
können. Solche Messungen sind u. a. auch dort notwendig, wo es sich darum handelt,
die einzelnen oft sehr kleinen Komponenten eines Geräuschspektrums zu untersuchen.
Wenn auch die einzelnen Komponenten in ihrer Lautstärke sehr klein sind, so kann
ihre Gesamtheit doch in vielen Fällen, z. B. beim Tonfilm, von wesentlicher Bedeutung
für das Klangbild sein.
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Bei der Messung von Schallvorgängen mittels eines geeigneten Verstärkers
wird verlangt, daß von dem Mikrophon an den Eingang der ersten Verstärkerröhre eine
Mindestspannung geliefert wird, um über den Geräuschpegel, d. h. über die Geräuschspannung
im Verstärker -selbst zu kommen.
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Die bekannten gebräuchlichen Mikrophone sind aber nicht in der Lage,
bei geringen Schalleistungen unter 25 bis 30 Phon diese verlangten Mindestspannungen
abzugeben.
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Es ist nun an sich bereits bekannt, bei der Schallaufzeichnung oder
Schallanalyse einzelne Töne rein akustisch durch Resonatoren zu verstärken, so daß
ihre Energie nach erfolgter Verstärkung zur Auslösung irgendwelcher Vorgänge ausreicht.
Es ist ferner auch schon bekannt, diese Methode für die Zwecke der Tonaufzeichnung
zu benutzen, derart, daß eine Vielzahl von verschieden abgestimmten Resonatoren
vorgesehen ist, so daß jeder einzelne Resonator einen bestimmten Ton verstärkt,
der dann in einer besonderen Tonspur aufgezeichnet wird. Es ist jedoch ohne weiteres
ersichtlich, daß ein solches Verfahren nur für eine eng begrenzte Zahl von Tönen
durchführbar ist, daß es aber zur Analyse, Messung oder Aufzeichnung von beliebigenTongemischen
oder Geräuschen praktisch versagen muß, da die Anzahl der notwendigen Resonatoren
untragbar ansteigen würde.
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Die Erfindung geht aus von solchen Einrichtungen zur elektroakustischen
Aufnahme, die gegebenenfalls auch für Messungen benutzbar sind, mittels Mikrophon
und Verstärker von Schallleistungen, die vor ihrer akustischelektrischen Umwandlung
durch Luftresonatoren akustisch verstärkt werden. Die Aufnahme oder Messung eines
größeren Frequenzbereiches auch sehr kleiner Schalleistungen ohne eine untragbar
große Vielzahl von Resonatoren wird erfindungsgemäß ermöglicht durch die Verwendung
von Luftresonatoren mit stetig veränderlicher Resonanz, derart, daß Tongemische
kleiner, unter dem Störpegel der Meß- bzw. Aufnahmeapparatur liegender Lautstärke
in den jeweils resonierenden Frequenzanteilen über den Störpegel hinaus verstärkt
werden.
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Luftresonatoren stetig veränderlicher Resonanz an sich und ihre Verwendung
für andere Aufgaben der akustischen Meßtechnik werden als bekannt vorausgesetzt.
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Während der Aufnahme bzw. Messung des Klangbildes wird also bei der
praktischen Ausführung der Erfindung die Resonanzlage des Resonators im ganzen Gebiet
des in Frage kommenden Frequenzbereiches verändert, so daß für jeden Teilton die
Resonanzlage durchlaufen wird. Nach der erfolgten akustischen Verstärkung über den
Störpegel von etwa 30 Phon hinaus wird dann der betreffende Teilton wie üblich von
einem Mikrophon aufgenommen, weiter verstärkt und der Aufnahme- bzw. Analysenvorrichtung
zugeführt.
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Ausführungsbeispiele für das angegebene Verfahren und die dazu -verwendeten
Vorrichtungen sind nachstehend beschrieben.
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Als Resonator dient ein Rohr, in dem der Boden in Längsrichtung des
Rohres verschiebbar angeordnet ist, so daß bei einer Verschiebung des Bodens längs
der Rohrachse in zeitlicher Folge ein bestimmter Frequenzbereich durchlaufen wird.
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Es werden hierbei die einzelnen Frequenzkomponenten des gesamten zu
untersuchenden Tonbereiches nacheinander zur Resonanz kommen und über einen nachfolgenden
Verstärker in einem Anzeigeinstrument zur Anzeige gelangen. Zwischen Verstärker
und Anzeigegerät kann noch ein Filter eingeschaltet sein, das den Zweck hat, die
vom Resonanzrohr etwa noch verstärkten Oberwellen vom Meßgerät fernzuhalten. Bei
der Registrierung der Meßergebnisse läßt sich für den beschriebenen Fall eine besonders
zweckmäßige Ausbildung dadurch erreichen, daß der Registrierstreifen mit dem verschiebbaren
Kolben verbunden ist, so daß jedem Punkt auf dem Registrierstreifen eindeutig eine
Kolbenstellung und damit eine bestimmte Frequenz zugeordnet ist. Die einzelnen Meßwerte
sind also auf dem Registrierstreifen automatisch den betreffenden Frequenzen zugeordnet.
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In weiterer Ausbildung dieser Vorrichtung ist an Stelle eines einseitig
offenen Rohres ein Helmholtzscher Resonator verwandt, dessen Abschlußplatte mit
einer kleinen Öffnung versehen ist. Infolge der losen Ankopplung des Resonators
an den freien Raum werden bei dieser Anordnung besonders scharfe Resonanzen erhalten.
Im übrigen ist die Wirkungsweise der Anordnung die gleiche wie vorangehend beschrieben.
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Bei den vorgenannten veränderlichen Resonatoren wird vorausgesetzt,
daß die Verschiebung des Kolbens im Roher geräuschlos erfolgt. Da eine solche geräuschlose
mechanische Verschiebung auf Schwierigkeiten stößt, wird eine weitere Ausführungsform
eines veränderlichen Helmholtzschein Resonators vorgeschlagen, bei dem die Änderung
des Resonatorraumes völlig geräuschlos vor sich geht. Zur Änderung des Resonatorraumes
wird hierbei eine Flüssigkeit benutzt, deren Oberfläche in bekannter Weise mit Hilfe
von kommunizierenden Röhren durch ein Zufluß rohr gehoben oder gesenkt werden kann.
Das Mikrophon befindet sich in diesem Falle in einer Wand des Resonatorraumes; es
kann auch auf beliebige andere Art, z. B. an einem Rohr frei hängend in dlem Resonator
hohlraum angeordnet sein.
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Die Flüssigkeit kann sich auch in einem Druckzylinder befinden, der
durch einen Kolben abgeschlossen ist. Durch Bewegung des Kolbens wird
die
Flüssigkeit nach Belieben in der gewünschten Höhe in dem Resonator eingestellt.
Die Bewegung des Kolbens kann hierbei durch Schablonen gesteuert werden, wobei die
Resonanz des Resonators nach einer beliebigen Funktion von der Längsbewegung der
Schablone in Abhängigkeit steht.
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Wird nun die steuernde Schablone, wie in dem Eingangsbeispiel beschrieben,
mit dem Registrierstreifen zwangläufig verbunden, so kann z. B. erreicht werden,
daß auch eine nichtlineare, z. B. eine logarithmische, Teilung der Frequenzskala
erhalten wird.
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In ähnlicher Weise kann die Veränderung des Resonatorraumes nach
einer beliebigen Funktion erfolgen, wenn der Flüssigkeitsbehälter eine bestimmte,
z. B. trichterförmige, Form erhält, so daß die Oberfläche der Flüssigkeit, die z.
B. durch einen Schwimmer angezeigt wird, in einer bestimmten gewünschten Abhängigkeit
von der Resonanzfrequenz des Resonators gebracht wird.
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Da eine scharfe Resonanz bekanntlich nicht nur von der Länge des
benutzten Resonatorrohres, sondern auch von dessen Durchmesser abhängt, ist es nicht
zweckmäßig, für sehr ausgedehnte Frequenzbereiche ein und dasselbe Rohr zu benutzen.
Es empfiehlt sich vielmehr, je nach den vorliegenden Frequenzbereichen Resonatoren
mit verschiedenen Durchmessern zu verwenden. Bei einer Anordnung, wie sie für diesen
Zweck in Frage kommt, sind an einem drehbaren Revolverkopf Resonatoren von verschiedenen
Durchmessern angebracht, die wahlweise durch Drehung des ganzen Kopfes um seine
Achse mit dem eigentlichen Drucl;empfänger in Verbindung gebracht werden können,
wobei jedoch wiederum durch Verschieben des Kolbens in jedem einzelnen Resonator
die Resonanzlage stetig veränderlich ist.
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Bei einem Helmholtzschen Resonator mit verschiebbarem Boden, dessen
Abschlußplatte einen ltevolverkopf mit verschieden langen Rohransätzen trägt, können
die Rohransätze wahlweise vor die Öffnung des Resonators gebracht werden. Sie l)estimmen
durch die eingeschlossene Luftmasse den Frequenzbereich des Resonators.
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Da ein Helmholtzscher Resonator am günstigstern wirkt, wenn die eingeschlossene
Luftmasse der Kugelform nahekommt, wird eine weitere Ausführungsform zur Messung
kleiner Lautstärken vorgeschlagen, bei der als veränderlicher Resonator ein annähernd
kugelförmiger Luftraum verwendet wird. Der Luftraum wird hierbei durch eine Gummiblase
oder eine Gummihaut gebildet, die die Öffnung eines Flüssi,gkeitsbehälters abschließt.
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Je nachdem, wieviel Flüssigkeit dem völlig gefüllten Behälter entzogen
wird, z. B. durch eine Pumpe, d. h. also je nach der Größe des mehr oder minder
unter Atmosphärendruck liegenden Druckes der die Blase umgebenden Flüssigkeit, kann
die Größe des von der Gummihaut eingeschlossenen Luftraumes verändert werden, indem
der äußere Atmosphärendruck die Gummiblase mehr oder minder nach innen in das Gefäß
ausbaucht. Man erhält auf diese Weise einen annähernd kugelförmigen Resonator, an
den z. B. am unteren Ende das Mikrophon angebracht sein kann.