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Elektroakustische Vorrichtung zum Umformen von aufeinanderfolgenden
Lauten in eine Folge von mechanischen Bewegungen, die der Aufzeichnung von Lauten
dienen Bekannt sind verschiedene Formen von elektroakustischen Vorrichtungen, welche
das Frequenzspektrum der Mikrophonschwingungen in Teilschwingungen aufspalten. Letztere
werden gleichgerichtet und liefern so unvollständige Energieschwankungen, welche
elektromechanische Registriervorrichtungen, wie Oszillographen oder Relais, betätigen.
Diese bekannten Arten von Apparaten liefern Anzeigen der Energiekomponenten von
Lauten als Funktion ihrer Frequenz (Spektrographen) oder können. unter bestimmten
speziellen Bedingungen Relais betätigen als Funktion der festen Energiekomponenten
bestimmter Laute.
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Die bekannten Vorrichtungen sind nicht geeignet, um z. B. Sprachelemente,
wie einzelne Laute oder Lautgruppen (also Vokale und Konsonanten), in graphische
Elemente, also alphabetische oder registrierbare Symbole, zu verwandeln.
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In Wirklichkeit ist jeder Laut im allgemeinen und jede Lautgruppe
im speziellen eine Serie von akustischen Wellen (eine Summe von sinusförmigen
Wellen
nach der Theorie von F o u r i e r), welche das Gehör in ein Lautbild (eine Serie
von Impulsen in den entsprechenden Nerven) verwandelt.
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Physikalisch stellt ein Laut einmal einen Wellenvorgang in Luft dar,
zum anderen einen mechanischen oder korpuskularen Vorgang in den Nervensträngen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung reproduziert auf elektromechanischem
Wege bestimmte physikalische Funktionen des Ohres, des Nervensystems, des Gehirns
und der Muskeln. Sie spaltet das Frequenzspektrum einer Mikrophonschwingung (die
durch einen Laut vervorgerufen worden ist) in eine Anzahl n von Teilschwingungen
mit Hilfe von n Bandfiltern auf, deren mittlere Frequenzen f" sind und deren relative
Bandbreiten
von derselben Größenordnung sind wie die relativen Bandbreiten Qni der einzelnen
Frequenzbereiche des Schwingungsgemisches. Diese Teilschwingungen werden in Energieschwankungen
umgeformt mit Hilfe von Gleichrichterkreisen mit nachgeschalteten Tiefpaßfiltern,
deren Zeitkonstanten T" von derselben Größenordnung sind wie die Zeitkonstanten
Tn1 des aufzuzeichnenden Tones. Anschließend werden gewisse Differentialeffekte
dieser Energieschwankungen in elektrische Impulse umgeformt, von denen einzelne
Kombinationen zweidimensionale Oszillographen oder Relais betätigen können.
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Zweckmäßigerweise könnte man die Apparatur gemäß der Erfindung als
»Sonograph« bezeichnen, vom Lateinischen »sonus«, was »Laut« bedeutet, und vom Griechischen
»graph«, was »die Tätigkeit des Schreibens« bedeutet. Die Apparatur gestattet es,
bestimmte Typen von Lauten in bestimmte graphische Zeichen oder in charakteristische
fernübertragbare Impulse oder Signale umzuformen. Wenn es sich bei den Lauten um
Sprachlaute handelt, so kann die Apparatur als »phonetischer Sonograph« bezeichnet
werden. Enthält die Apparatur einen zweidimensionalen Oszillographen, so kann sie
als »Stenosonograph« bezeichnet werden. Enthält sie eine Schreibmaschine mit einzelnen
Typen, so kann sie als »Typosonograph« bezeichnet werden. ' Die grap'hisc'hen Produkte
des »Sonographen« können als »Sonogramme« bezeichnet werden. Die Methode kann man
»sonographisch« nennen. Die elektrischen Impulse können auf beliebige Entfernungen
durch Draht oder durch elektromagnetische Wellen übertragen werden, während die
erfindungsgemäße Apparatur gesprochene Worte in Telegramme verwandeln kann (Tele-
oder Rädio-Sonogramme).
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Die Fig. z bis 43 erläutern als Beispiele bestimmte, der Erfindung
entsprechende Konstruktionen.
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. Fig. r stellt das Frequenzspektrum der hauptsächlichen phonetischen
Elemente oder der Laute der französischen Sprache dar; sie .gestatten es, die relative
Bandbreite Q"1 der ausgesandten Laute für einen phonetischen Sonographen zu entnehmen:
Fig.2 zeigt den schematischen Aufbau eines phonetischen Stenosonographen mit sechs
Komponenten, d. h., das gesamte Sprachfrequenzgebiet ist, in sechs Komponenten-aufgespälten;
Fig, 3 zeigt die Hülllcurve der gleichgerichteten Wellenbänder, wie sie der Fig.
2 entsprechen; Fig. 4 zeigt den schematischen Aufbau eines theoretischen Typosonographen
mit vier Komponenten; Fig. 5 zeigt die elektrische Schaltung eines Sonographen mit
sieben Komponenten, dessen gleichgerichtete Wellenzüge in Fig. 6 dargestellt sind;
Fig. 7 und 8 zeigen im Aufriß und im Schnitt den Transformator für ein Bandfilter;
Fig. 9 ist -ein Schnitt durch ein elektromagnetisches Relais; Fig. ro..ist eine
Tabelle der Kombinationen für einen p'honetisc'hen _Typosonographen mit sieben Komponenten,
dessen Wellenbänder in Fig. ir dargestellt sind; Fig. r2 stellt die elektrische
Schaltung eines auf die Unterscheidung von fünf Vokalen beschränkten Typosonographen
dar; Fig. 13 zeigt die entsprechenden Schwingungen und Wechsel des elektrischen
Stroms; Fig. 14 zeigt die Wellenbänder; Fig. 15 zeigt ein Schema der Kombination
von Differentialrelais; Fig. 16 ist die Kennlinie einer Elektronenröhre, wie sie
in Fig. 12 enthalten ist; Fig. 17 und 18 zeigen abgeänderte Ausführungsformen der
Relais von Fig. z2; Fig. r9 bis 22 zeigen Schemata vont Kombinationen, die einen
Teil der Wellenbänder von Fig. 14 auswerten, wobei sie auf die Unterscheidung von
drei Vokalen beschränkt sind; Fig. 23 zeigt fünf Wellenbänder, die es gestatten,
sechs oder acht Vokale zu unterscheiden, entsprechend den Kombinationsschemata der
Fig. 24 und 25; in Fig. 26 sind sieben Wellenbänder dargestellt; Fig. 27 zeigt die
Sternschaltung der entsprechenden stenosonographisehen Spulen; in Fig.
28 ist die Sternschaltung von acht Komponenten dargestellt; in Fig.29 sind
verschiedene praktische Zahlenangaben, entsprechend den Schaltschemata, wie z. B.
dem in Fig. 5, zusammengestellt; in Fig. 30 sind fünf Wellenbänder dargestellt;
Fig.3i und 32 zeigen vereinfachte Darstellungen für die Unterscheidung einer begrenzten
Anzahl von getrennt ausgesprochenen Vokalen; Fig. 33 und 34 zeigen vier Komponenten;
Fig. 35 bis 38 zeigen- phonetische Stenosonogramme mit zwei und mit vier Komponenten;
Fig. 39 bis 43 zeigen im Aufriß und im Schnitt einen verbesserten zweidimensionalen
Oszillographen, geeignet für die Zusammenarbeit mit einem Stenosonographen mit sechs
Komponenten.
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Die Fig. r stellt das akustische Frequenzspektrum des Anfangteiles
von Wellenzügen dar, welche die hauptsächlichen phonetischen Elemente oder Laute
der französischen Sprache
wiedergeben. Der Grundton der männlichen
und der weiblichen Stimme sowie die je-
weiligen Frequenzumfänge sind rechts
oben : in der Figur angegeben. In der linken oberen Ecke der Fig. 1 sind neben der
Angabe einzelner Frequenzbandbreiten noch die jeweiligen relativen Bandbreiten Q
angegeben. Die Werte 2, 4, 6 ... 16 sind die Nummern derBandfilter, mit denen
dieSpektren der Sprachlaute experimentell ermittelt wurden (nur die geraden Zahlen
sind eingetragen). Man kann daraus ersehen, daß für Frequenzen zwischen 400 und
400o Hz die relative Bandbreite Q1 der ausgesandten Laute ungefähr von 1,5 auf 3
zunimmt (s. hierzu auch eine Veröffentlichung in »Helvetia Physica Acta«, Bd. XIX,
Fasc. 6 und 7 L19491, mit dem Titel Ȇber das akustische Spektrum von phonetischen
Elementen«).
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Andererseits kann der Bereich von go bis 3g0 Hz kaum unterteilt werden,
da die Tonhöhe des Sprechenden normalerweise zwischen diesen Grenzen schwanken kann,
in der Weise, daß die relative Bandbreite beträgt
und 4 f n = 390-90 = 30o Hz ist.
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Es gibt noch ein Band zwischen 40 und 8o Hz, welches- dazu beitragen
kann, die Verschlußlaute, wie z. B. die Konsonanten b und p, zu charakterisieren.
Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß die charakteristischen Grenzen
zwischen ou und o, o und a, a und un, un und u, u und i in der Nähe von
389, 720, 226o,
1750 und 250o Hz liegen. Infolgedessen kann das phonetische
Frequenzspektrum in acht Frequenzbänder aufgespalten werden, bei denen die mittleren
Frequenzen f" und die Grenzfrequenzen f" n+i etwa die folgenden sind:
| n ......... 0 1 2 3 4 5 6 7 8 |
| f n........ 6o 23o 55o iooo 150o 215o 3000 400o Hz |
| fn, " + 1. . 40 8o 38o 720 125o 180o 2500 3400 460o |
| 4 f n...... 40 3o0 340 530 550 70o goo i2oo Hz |
| Q, . . . . . . . . 1,5 0177 1,6 i,- 2,7 3 3,3
3,4 |
Die Bänder 1 und 8 können häufig weggelassen werden und manchmal auch andere Bänder
im Fall von vereinfachter Aufspaltung.
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Die Fig. 2 zeigt ein Schema des Aufbaues eines phonetischen Stenosonographen
mit sechs Komponenten, dessen Frequenzbänder in Fig.3 angedeutet sind.
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Der Wellenzug V1, der beispielsweise den Laut des Vokals e darstellt,
wird mittels eines Mikrophons und eines Verstärkers in eine elektrische Schwingung
V2 verwandelt. Diese elektrische Mikrophonschwingung V2 wird in sechs Teilschwingungen
V31 bis V36 verwandelt mit Hilfe eines Frequenzanalysators, der sechs Bandfilter
enthält, deren mittlere Frequenzen und deren Grenzfrequenzen in Fig. 3 angegeben
sind. Diese sechs Teilschwingungen werden gleichgerichtet und somit in sechs wechselnde
Halbwellenzüge (oder Energieschwankungen) V41 bis V46 umgeformt. Dieses geschieht
mit Hilfe von sechs Doppelweggleichrichtern mit ausschließenden sechs Tiefpaßfiltern.
Die Zeitkonstanten dieser Stromkreise werden in der Weise gewählt, daß die Schwankungen
des gleichgerichteten Stroms die Einhüllende der einen Seite des Wellenzuges reproduzieren.
Somit können diese Zeitkonstanten, im Fall der Wiedergabe von Sprachlauten in der
Größenordnung von 5 Millisekunden liegen, was die Eliminierung akustischer Schwingungen
höher als Zoo Schwingungen pro Sekunde und die Trennung der Schwingungen gestattet.
Jede Einhüllende des gleichgerichteten Stromes hat somit einen zeitlich veränderlichen
Anfangsteil und einen zeitliclh veränderlichen Endteil, zwischen denen in manchen
Fällen (in langen Vokalen) ein nahezu gleichbleibender Teil liegt. Diese den gleichgerichteten
Strom Einhüllenden werden in sechs Anfangsimpulse T1511 bis V516 verwandelt. Dieses
geschieht mit Hilfe von Stromkreisen, welche die ansteigenden und abfallenden Schwankungen
des gleichgerichteten Stromes differenzieren. Diese Stromkreise können Kopplungskondensatoren
und entgegengesetzt geschaltete Gleichrichter enthalten, wobei die Anfangsimpulse
z. B. positiv und die Endimpulse negativ sind.
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Die sechs Anfangsimpulse V511 bis V516 gehen durch die sechs im Stern
geschalteten Spulen B1 bis B6 eines zweidimensionalen Oszillographen. Durch ihre
Zusammenarbeit wird ein Schreibstift veranlaßt, ein Diagramm C1-6 auf einem Blatt
Papier, das eine Translationsbewegung Mp aus-. führt, zu schreiben.
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Dieses Diagramm kann entweder als ein lautkennzeichnendesSpektrogramminPol.ark
oordinatendarstellung oder als alphabetisches Symbol dienen.
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Die Resultierende V6 der Endimpulse, die aus V521 bis V526 gebildet
sind, kann dazu dienen, die Mikrophonschwingung V2 im Verstärker auf Null zurückzuführen,
um auf diese Weise den folgenden Wellenzug vom vorhergehenden zu trennen. Dieses
kann mit Hilfe eines Impulsgenerators geschehen, der einen sehr kurzen negativen
Impuls (von einigen
Millisekunden) dem Gitter einer Verstärkerröhre
zuführt,- jedesmal, wenn es die Resultierende h6 der Endimpulse empfängt.
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Die Fig. 4 zeigt den schematischen Aufbau eines theoretischen, phonetischen
Typosonograpfhen mit n=4 Komponenten. Der Generator der Anfang-und Endimpulse ist
ähnlich dem in Fig.2 dargestellten. Der zweidimensionale Oszillograph dagegen ist
durch einen Relaiskombinator und --integrator ersetzt. Die n Anfangsimpulse wie
T1511 bis T1514 können differenziert werden und jeweils zwei zusammengeleitet werden
bis maximal zu einer Kombination.
im vorliezenden Fall
also 11 12 bis 6162: Der Typenhebel einer Schreibmaschine kann durch ein Impulsrelais
1142 freigegeben werden, jedesmal wenn eine Anzahl S von in Serie geschalteten Kontakten,
wie es z. B. die zwei Kontakte 11s und 421 sind, gleichzeitig geschlossen werden
durch ebenso viele verschiedene Differentialrelais, wie .es il i2 und 414-. sind:
Die maximale Anzahl A von Impulsrelais, weiche mit
| D = 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 28 |
| S= 2;A = (#) .23.. A = 4 12 24 40 6o 84 112 144 18o
420 1512 |
| 3 .... .. , ... A = , 8 32 8o 16o 26o 448 672 960 264o 262o8 |
| 4 ............ ,.. A = 16 8o 24o 65o 112o 2o16 336o
2184o 34360o |
| 1o ... .. .... A = 1024 20.109 |
Diese Zahlen haben offensichtlich nur insoweit eine Bedeutung, als theoretische
Grenzwerte in Betracht gezogen werden. SämtlicheKom!binattionen von Differentialrelais
und in Serie liegenden Kontakten sind nicht ausführbar. Es ist im Gegenteil notwendig,
die entsprechende Kombination für jeden-einzelnen Laut in Übereinstimmung mit den
»Formanten« oder charakteristischen Frequenzbändern des Lautes auszuwählen. Diese
Bedingung schränkt die ausführbaren Kombinationen beträchtlich ein, wie später noch
beschrieben werden wird.
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Die Fig: 5 zeigt die elektrische Schaltung eines Sonographen mit n
= 7 Komponenten, dessen Frequenzbänder in Fig. 6 dargestellt sind.
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Die Mikrophonschwingung, die von dem Mikrophon Ml erzeugt wird, wird
von den- Röhren Ei und E2 verstärkt. Der Anodenstrom von E2 enthält sieben Bandfilter
7a = i bis 11 = 7, welche die Mikrophonschwingung in sieben Teilschwingungen,
wie es 01 ist, aufspalten. Letztere enthält einen veränderlichen Teil von der Dauer
t1, einen veränderlichen Endteil von der Dauer t3 und manchmal einen nahezu gleichbleibenden
Teil von- der Dauer t2. Die Zeitdauer t1 bei Sprachlauten ist gewöhnlich von der
Größenordnung von 5 bis 5o Millisekunden. Die Dauer t2 kann zwischen Hilfe von D
Differentialrelais und S in Serie liegenden Kontakten freigegeben werden kann, ist
also im vorliegenden Fall-
also `11 21 bis 52 62.
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Die maximale Anzahl P von Kontaktpaaren für die Differentialrelais
ist
im vorliegenden Fall
also i11 bis 12, oder 6,11 bis 620.
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Als Beispiel zeigt die untenstehende Tabelle die maximale Anzahl D
von Differentialrelais als Funktion der Zahl n der Komponenten (Anfangsimpulge und
Bandfilter), falls diese zwischen 2 und 1o liegt:
| n°........... 2 3 4 5 6 7 8 g 1o |
| D = C 2 ) . . . 1 3 6 10 15. 21 28 36 45 |
Des weiteren gibt die untenstehende Tabelle die maximale Anzahl vom Impulsrelais
(bzw. Schreibmaschinen-Typenhebeln) als Funktion der Anzahl von Differentialrelais
D und die Anzahl S von in Serie liegenden Kontakten an: 0 Millisekunden für Verschlußlaute
und mehreren Sekunden für die sehr langen Vokale schwanken.
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Jedes Bandfilter@enthält einen Transformator und zwei getrennte lndul-,tionswicklungea
Ln i und L"22 welche durch die Kondensatoren C" i und Cn 2 abgestimmt sind. Veränderliche
Widerstände Rnl und R" 2 gestatten, ' den Dämpfungskoeffizienten anzupassen. Die
Kopplung zwischen Lnl und L", ist veränderlich.
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Die Sekundärwicklung jedes der abgestimmten Transformatoren ist mit
zwei D.oppelweggleichrichterkreisen verbunden, welche die Widerstände Rns und R"
42 die Kondensatoren C", und C"4 und die Gleichrichter (z. B. Kristalldioden) Gn
i und G. 2 enthalten.
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Auf jeden Gleichrichter folgt ein Tiefpaßfilter mit den Widerständen
R., und R"6 und den Kondensatoren C, 5 und C" s. Die Konstanten R, -. C'
= T. dieser Kreise liegen zwischen etwa 2 und 5o Millisekunden. T, kann den
Wert von 5 Millisekunden für die Verschlußlaute --enthalten, und T2 bis T; können
zwischen 1o und 2o Millisekunden für die anderen Laute liegen.
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Auf -diese, Weise -werden die Teilschwingungen wie 0i. in Shwankungen
von, zwei entgegengesetzt gleichgerichteten Strömen (oder Energieschwankungen
)
wie 02 und 03 verwandelst, deren positive und negative Potentiale an den Enden der
Widerstände R"5 und R", in Erscheinung treten.
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Die Kopplungskondensatoren C"7, C", und C"o sieben die zeitveränderlichen
(zunehmenden und abnehmenden) Teile dieser Schwankungen heraus, worauf diese als
zeitlich veränderliche Impulse (Anfangs- und Endimpulse) 04 bis 07 an den Enden
der Widerstände Rn 1o bis R,12 erscheinen. Diese letzteren sind mit den, Kondensatoren
C" i0 bis C" 12 geshuntet und bilden weitere Zellen von Tiefpaßfiltern, Auf diese
Weise werden die nahezu gleichbleibenden Teile der Schwankungen des gleichgerichteten
Stromes eliminiert. Der Gleichrichter G., und der veränderliche Widerstand R. i.
sieben den positiven Anfangsimpuls 04 heraus, der sich in 08 verwandelt, während.
05 eliminiert wird. Der Gleichrichter G.4 wirkt in entgegengesetzter Richtung und
siebt den negativen Endimpuls 05 heraus, der sich in 09 verwandelt, wähnend
04 eliminiert wird. Der Gleichrichter G" 5 siebt den negativen Anfangsimpuls
0, heraus, der sich in 010 verwandelt, während der positive Endimpuls
07 eliminiert wird.
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Die von den Kondensatoren C. i. und C", gefilterten positiven Anfangsimpulse
0s werden von Röhren E., verstärkt, deren Anodenströme in Abwesenheit von Impulsen
(C-Verstärker) praktisch gleich Null sind, und gehen dann durch die Magnetablenkspulen
Bi, bis B71 hindurch, welche beispielsweise zu einem zweidimensionalen Oszillographen
oder zu den Differentialrelais, wie sie in den Fig. 2 und q. angebracht sind, gehören.
Diese Magnetablenkspulen haben selektive Eigenschaften für die Dauer der Impulse
und wirken entweder als mechanische Resonatoren für eine Infraschallfrequenz zwischen
etwa 2o und io Hz oder als mechanische Resonatoren für Infraschallfrequenzen zwischen
30 und 5 Perioden pro Sekunde, die durch elektrische Filter, die mit diesen
Relais verbunden sind, herausgesiebt werden. Auf diese Weise ist es z. B. möglich,
in rationeller Weise Verschlußlaute unterscheidbar zu machen. Eine geeignete Resultierende
der negativen Endimpulse 09 kann daher dazu dienen, einen kurzen negativen Impuls
(2 bis io Millisekunden) mit Hilfe eines Oszillators E4 zu erzeugen, um auf diese
Weise die Mikrophonschwingung durch Einwirkung auf das Gitter der Röhre E2 zum Stillstand
zu bringen. Dieses gestattet, die Silben in Laute aufzuspalten.
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Eine geeignete Resultierende der negativen Anfangsimpulse
01, kann entweder dazu dienen, die unerwünschten Intensitätsschwankungen
der Wellenzüge zu kompensieren oder dazu, die Impulse zu wiederholen, falls die
nahezu gleichbleibenden Teile eine bestimmte Dauer überschreiten. Diese Resultierende
kann auf das Gitter der Röhre Ei mit Hilfe eines Elektronenröhrengerätes ES einwirken,
Die Geräte E4 und E5 können den Vorrichtungen ähnlich sein, die für Kippschwingungsgeneratoren
oder für automatische Lautstärkenregelung bekannt sind. C$ dient zur Phasenregulierung
des Impulses 09. C2, C6 schalten die akustischen Frequenzen aus. R1 ist ein Lautstärkeregier.
R2, R6 sind Abschirmgitterspannungsregler. R7, C7 und R4, C4 sind Tiefpaßfilter.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen schematisch im Aufriß und im Schnitt einen
Transformator, wie er mit den Bandfiltern n = i bis n = 7 Verwendung
finden kann. Die primären und die sekundären Wicklungen i und 2 sind auf Bündeln
von lamellierten Blechen 3 und q. aufgespult, die symmetrisch an den gegenüberliegenden
Seiten eines Luftspaltes angeordnet sind, dessen Breite in der Weise variabel ist,
daß der Kopplungskoeffizient zwischen beispielsweise o,98 und 0,2 verändert werden
kann. Auf diese Weise kann die hindurchgehende Bandbreite innerhalb von weiten Grenzen
geändert werden.
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Fig.9 ist eine schematischeAnsicht eines elektrodynamischen Differentialrelais
im Schnitt, welches zwei Wicklungen wie Bil und B21 (Fig. 5) enthalten kann. Diese
Wicklungen sind in Form einer beweglichen Spule 8 angeordnet, welche in dem Luftspalt
eines permanenten Magneten 9 mit Hilfe eines Systems von Blattfedern zo aufgehängt
ist. Das Blattfedersystem liegt ineiner Ebene, die senkrecht zu der Bewegungsrichtung
der beweglichen Spule 8 steht. Da die Impulse 0, in der einen Wicklung stärker
als in .der anderen sind, werden entsprechend Kontakte wie 11, 12 oder 13, iq. geschlossen.
Diese Vorrichtung gestattet es, zum Unterschied von den üblichen elektromagnetischen
Relais, Differentialeffekte getreu zu reproduzieren, ganz gleich, ob sie gleichzeitig
oder mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung auftreten. Die Zeit, innerhalb deren
diese Relais ansprechen, kann zwischen o,z und mehreren Millisekunden variiert werden.
Kondensatoren C" is und C" i6 können dazu dienen, um relative Phasenverschiebungen
zwischen den Impulsen entweder zu kompensieren oder aber sie zu erzeugen.
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Die Fig. ro und ii zeigen eine Tabelle der Kombinationen für einen
phonetischenTyposonographen mit sieben Komponenten n = 0 bis n
= 6, der sechzehn Differentialrelais Doi bis D56 und zweiunddreißig Typenhebel
entsprechend der gleichen Anzahl von Lauten enthält. Dabei ist jeder dieser Typenhebel
so eingerichtet, daß er durch eine Serie von drei bis vier Kontakten ausgelöst wird.
So wird z. B. der Typenhebel für 6 ausgelöst durch das gleichzeitige Schließen der
drei Kontakte 21, 13 und 3q., die durch drei Differentialrelais Die, D13 und D34
betätigt werden. (Die Umkehrung der Indexziffern eines Differentialrelais deutet
die Umkehrung des Schließens des letzteren an.) Auf diese Weise ist es möglich,
aus der maximalen Anzahl D =:2i von möglichen Differentialrelais für sieben Komponenten
nur sechzehn herauszugreifen, ebenso werden von der maximal möglichen Anzahl A von
arbeitenden Relais, welche über 2ooo liegt, nur 32 benötigt.
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Die Fig. 12 bis 35 zeigen die elektrischen Schaltschemen und die Frequenzbänder
von phonetischen Typosonographen, weiche darauf beschränkt sind, durch- bestimmte
Vokale gesteuert zu werden (Sonograph für Vokale), und zwar in einer Anzahl von
5 oder 3 oder 6 oder B.
Entsprechend der Fig. r2 wird die von dem
Mikrophon 2 1 erzeugte Schwingung von einem geregelten Verstärker 22 verstärkt,
dann in vier Teilschwingungen, wie Vll und T112, in Fig. 13 aufgespalten.. Mikrophon
21, Verstärker 22, Bandfilter C11, L11, L21, R21 usw. sind analog den bereits
zu Fig. 5 beschriebenen. Der Gleichrichter G11 entspricht dem Gleichrichter G",
in Fig. 5. Dieses geschieht mit Hilfe von vier Bandfiltern n = i bis n = 4, deren
Frequenzbänder in Fig. 14 dargestellt sind. Stromkreise, welche die Gleichrichter
G11 bis G14, die Widerstände R41 bis R42, die Kondensatoren C41 bis C44 und die
Tiefpaßfilter enthalten, welohe aus den mit den Kondensatoren C51 bis- C54 parallel
geschalteten Widerständen R51 bis R54 bestehen, verursachen die vier- Umformungen
des gleichgerichteten Stromes entsprechend T121 und T122. Diese werden mit Hilfe
der Kopplungskondensatoren C61 bis C64 und der veränderlichen Widerstände R71 bis
R74 in Anfangs- und Endimpulse. wie T131, V41 und T132, V42, verwandelt. Die Gleichrichterröteren
G21 bis G24, deren Kennlinien in der Fig. 16 dargestellt sind, sieben die Anfangsimpulse
V51, T752 heraus und verstärken sie. Die .drei Differentialrelais D12, D23 und D34
sprechen auf Differenten in den Impulsen an, welch letztere aus den aufeinanderfolgenden,
entsprechenden Frequenzbändern angeordneten Komponenten entstehen. Die Stromkreise
für -die einzelnen Vokale, wie 0u, O, A, E und I, werden geschlossen, wenn zwei
in Serie liegende Kontakte an-zwei verschiedenen Differentialrelais gleichzeitig
durch die Wirkung des entsprechenden, vor dem Mikrophon ertönenden Vokales geschlossen
werden. Die Kombinationen des Differentialrelais sind unter Berücksichtigung der
Richtung in der Fig. 15 angegeben. Die Zeitkonstanten der beschriebenen Stromkreise
können zwischen 2o und ioo Millisekunden gewählt werden. Bei großen Zeitkonstanten
wird ein gesprochenes Wort nur durch die in ihm enthaltenen Vokale wirken, so wird
z. B. kein Unterschied bemerkbar sein, wenn die Vokale E, 0, I, A oder das ganze
Wort »Veronika« ausgesprochen wird.
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Entsprechend der Fig.17 kann jedes doppelt gewickelte, polarisierte
Relais, wie D12, durch gewöhnliche Relais mit zwei Windungen ersetzt werden.
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Entsprechend der Fig. i8 kann jedes doppelt gewickelte Differentialrelais
durch ein polarisiertes Relais mit einer Einzelwindung ersetzt werden, indem man
von Brückenschaltungen, die Gleichrichter G15, G16, G25 und G26 enthalten; Gebrauch
macht. In Fig. 18 werden die Schwingungen,. die von zwei Bandfiltern L15, L25 und
46, L26 geliefert werden, gleichgerichtet durch die Gleichrichter G15, G16,
analog wie in Fig. 5. Die durch die Gleichrichter G25, Ges sortierten, ansteigenden
Impulse werden über die veränderlichen Widerstände R15, R16 auf die Gitter von zwei
Röhren gebracht (durch Pfeile angedeutet), zwischen deren Anoden die Differenz der
Impulse erscheint, welche eine Relaisspule durchfließt. Jedes doppelt gewickelte
Differentialrelais kann durch ein polarisiertes Relais mit einer Einzelwicklung
- ersetzt werden, indem man von einer Brückenschaltung Gebrauch macht, die die Gleichrichter
G15, G253 Ges enthält sowie die Widerstände R85, R86 bzw. R95, R96, die paarweise
abgeglichen sind. Somit gestatten die Abgriffe an den Potentiometern R15, R16 der
Relaiswicklung Impulse zuzuführen, die die Differenz dei ursprünglichen Impulse
ausdrücken.
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Die Fig. i9 bis 22 zeigen Tafeln von Kombinationen von Differentialimpulsen
an, ähnlich denen der Fig. 12, und 15, die jedoch in der Weise vereinfacht sind;
daß sie nur auf drei Vokale, wie 0U, 0, I, 0U A, I oder 0, A, E, A, E, I ansprechen.
Für diesen Zweck genügt es, drei Bandfilter; wie n.= I, 3, 4 oder 2, 3, 4 und zwei
Differentialrelais, wie D13,- D34- (0U, A, I) oder D23, D34 (0, A' E) vorzusehen,
um verschiedene Vokale unterscheiden zu können.
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In der Fig. 23 sind fünf Frequenzbänder dargestellt.
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Die Fg.24 zeigt die entsprechenden Kombinationen von drei Differentialrelais
D12,- D23, D451 welche es gestatten, sechs Vokale 0U 0, A, U, E, I mit Hilfe einer
Serie von zwei Kontakten zu unterscheiden. " Die Fig.25 zeigt die Kombination von
vier Differentialrelais, welche mit Hilfe der fünf Frequenzbänder der Fig. 23 in
einer Serie von drei Kontakten gestattet, acht Vokale 0U, Ö, Ö, A, U, E, E, I zu
untersoheiden.
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Die Fig. 26 und 27 zeigen die sieben Frequenzbänder und die Überkreuzschaltung
von sieben Magnetspulen eines zweidimensionalen Oszillographen, welche die Verwendung
eines phonetischen Stenosonographen mit sieben Komponenten ebenso wie von bestimmten,
graphischen Zeichen, die von .dem Schreibstift 52 auf dem Papier 5i hervorgebracht
werden, gestatten. Der Schreibstift kann mit Tinte oder "auf elektrochemischem,
thermöelektrischem oder irgendeinem anderen Wege der direkten Beschriftung arbeiten.
Er kann auch durch ;eine Methode des photographischen Schreibens, z. B. durch Verwendung
eines speziellen Kathodenstrahl-Oszillographen mit sieben Komponenten, ersetzt werden.
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In der gleichen Weise ist in- Fig.28 die Anordnung eines phonetischen
Stenosonographen mit acht Komponenten in Form eines achteckigen Sternes dargestellt.
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Fig. 29 gibt einige 'praktische Zahlenwerte wieder, die dein elektrischen
Diagramm von Fig. 5 entsprechen..
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Die Fig. 31 zeigt eine elektroakustische Anordnung ähnlich der von
Fig. 25, aber begrenzt auf die Verwendung- bei Vokalen oder langen Konsonanten,
die getrennt ausgesprochen werden mit dazwischenliegenden Pausen. In diesem Falle
kann die Apparatur vereinfacht und die Elektronenröhren weggelassen werden. Sie
kann als Sonograph für buchstabierte Vokale bezeichnet werden. Sie. enthält fünf
Bandfilter, deren Resonanzkurven
in Fig.3o dargestellt sind. Kopplungen
können vorgesehen sein mit Hilfe von veränderlichen Widerständen R. 2, oder
aber es können kapazitive Kopplungen mit hoher Zeitkonstante (ioo Millisekunden)
verwendet werden. Ungeachtet der Einfachheit der Apparatur kann unter bestimmten,
bei der Aussprache einzuhaltenden Bedingungen unterschieden werden zwischen Vokalen
wie 0U, O, A, IN, EU, U, E, I, indem dabei nur fünf Differentialrelais D12 bis D51
Verwendung finden. Die Änderungen des gleichgerichteten Stromes V"2 werden nicht
nach der Zeit, sondern nur nach der Länge differenziert. Phasenverschiebungen zwischen
zwei differenzierten Variationen, wie V"3 und V.14, deren Unterschied
V", ist, können durch Verwendung von Kondensatoren C"5, die hns als Unterschied
ergeben, kompensiert werden.
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Um eine größere Energie zur Steuerung zu erhalten bei einer kleineren
Anzahl von buchstabierten Vokalen, kann die Schaltung von Fig. 32 Verwendung finden.
Sie enthält vier Bandfilter, deren Bänder in Fig. 33 angedeutet sind, und vier Differentialrelais
D12 bis D41. Auf diese Weise wird eine Teilschwingung Wnl in WI 2 anschließend in
W"3 und W"4 verwandelt, und zwar mit Hilfe von gleichrichtenden und verstärkenden
Elektronenröhren Gn 3. Die Resultante der phasenverschobenen Ströme Wne (oder
Wn7, wenn die Phasendifferenz mit Hilfe der Kondensatoren C., und C., aufgehoben
ist) zwischen zwei Impulsen W1 4 und W1 5
betätigt ein Differentialrelais
D12.
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Die vier Filter, deren Bänder in Fig.33 angedeutet sind, können einen
zweidimensionalen Oszillographen mit vier über Kreuz stehenden Komponenten i bis
4, wie in Fig. 34 angedeutet ist, betätigen. Die Bewegung des Papiers geschieht
in Richtung der strichpunktierten Linie 5. Die Komponenten werden nach der Zeit
differenziert mit Hilfe einer Schaltung, ähnlich der in Fig. 5 dargestellten.
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Für die Registrierung von anderen als spezifisch phonetischen Lauten
kann eine' Anzahl n von Bandfiltern benutzt werden, welche von den bisher angegebenen
abweicht. Es können z. B. mittlere Frequenzen f" Verwendung finden, wobei das Verhältnis
von zwei aufeinanderfolgenden mittleren Frequenzen den konstanten Wert
hat und die relative Bandbreite in gewissen Grenzen ungefähr
beträgt. Das Verhältnis K kann gleich dem Bruch einer ganzen Zahl gewählt werden,
wie 5/3 = 1,665 = eine große Sexte, $/5 = 1,6 = eine kleine Sexte, 3/2 = 1,5 = eine
Quint, 4/a = 1,33 = eine Quart, 5/4 = 1,25 = eine Terz oder endlich 'u/1:>
= i.o6@ = ein zroßer Halbton. Auf diese Weise ist es möglich, den Charakter von
Musik- und anderen Lauten zu reproduzieren. Im großen ganzen wird die relative Bandbreite
Q, des sonographischen Empfängers von derselben Größenordnung sein als die (Q,1)
des Lauterzeugers.
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Es ist möglich, .den phonetischen Inhalt der Laute zu beseitigen und
die Tonhöhe der Stimme oder die Erregung des Sprechenden in Erscheinung zu bringen.
Hierzu kann ein Steuersonograph verwendet werden mit vier über Kreuz verbundenen
Komponenten, die vier Frequenzbändern zwischen ioo und 4oo Hz entsprechen.
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Man kann einen Universalsonographen bauen, der es gestattet, die Frequenzbänder
zu variieren sowohl im Hinblick auf ihre Zeitkonstanten als auch auf ihre Kombinationen,
indem man einen vielpoligen Umschalter verwendet.
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Die Fig. 35 bis 38 zeigen verschiedene Lautaufnahmediagramme, die
mit Hilfe eines Stenosonographen mit vier über Kreuz verbundenen Komponenten, wie
in Fig. 33 und 34 gezeigt, aufgenommen sind. Die Fig. 35 gibt die Differentialspektrogramme,
welche sich bei zwei diametral gegenüberliegenden Komponenten i-3 und 2-4 ergeben.
Die Fig.36 zeigt Diagramme mit vier Lautkomponenten i bis 4, die viermal mit einer
Tonhöhe, die zwischen ioo und 25o Perioden pro Sekunde wechselt, wiederholt sind.
Die Fig.37 zeigt eine Art von stenosonographischem Alphabet, welches eine von unendlich
vielen Möglichkeiten darstellt.
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Die Fig. 38 reproduziert verschiedene Silben. Die Fig.39 bis 43 zeigen
die verbesserte mechanische Konstruktion eines Stenosonographen mit sechs Komponenten,
der einem Teil der Fig. 2 entspricht. Die Nadel ist dabei mittels eines federnden
Kugelgelenkes aufgehängt, das Papier wird automatisch vorwärts bewegt.
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Die Apparatur enthält eine bestimmte Anzahl n von elektrodynamischen
Antriebspaaren ioi und i02, 103 und 104, 105 und io6, die regelmäßig in Sternform
rund um den Schaft 107 des Schreibstiftes io8 angebracht sind. Die Anzahl n kann
2, 3, 4, 5 usw. betragen. Jedes Paar enthält zwei Antriebe, wie ioi und i02, die
einander gegenüberliegend angeordnet sind. Der zwischen den Achsen eingeschlossene
Winkel beträgt 2 Grad. Bei der jetzigen Konstruktion sind drei Antriebspaare vorgesehen,
mit anderen Worten sechs Antriebe insgesamt, und die Winkel betragen 6o°.
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Jeder Antrieb, wie z. B. ioi, enthält eine bewegliche Spule io9, die
mittels eines Federsystems i i o, i i i in dem Luftspalt eines permanenten Magneten
i i2 aufgehängt ist. Jede bewegliche Spule besteht aus zwei Wicklungen 113 und ii4.
Wenn eine Wicklung 113 von einem elektrischen Wechselstrom, von Schall- oder Infraschallfrequenz,
durchflossen wird, vollführt die Spule eine Translationsschwingu-ng von der Amplitude
a. Diese Schwingungen werden mit Hilfe von steifen Stößeln 115 und biegsamen Stahldrähten
1i6
und 117, die eine in allen Richtungen gelenkige Lagerung, welche
frei von Spiel und Abnutzung ist, bilden, auf den Schreibstift io8 übertragen. Die
Nadel ist mittels eines Systems von gebogenen Blattfedern 118 bis i2o aufgehängt,
welches eine elastische, axiale Lagerung darstellt. Die erwähnte gelenkige Lagerung
hält den Drehpunkt i2r der Nadel io8 in der Achse 107 und gestattet diesem Drehpunkt
eine federnde Bewegung entlang dieser Achse. Auf diese Weise werden die Translationsschwingungen
der Spulen, wie es z. B. iog ist, in vergrößerte Ausschläge der Spitze- der Nadel
1o8 umgeformt, die einer Biegung des Schreibpapiers 122 folgen und gleichzeitig
einen gewissen Druck auf das Papier ausüben kann.
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Die Blattfedern, welche die Nadel tragen, befinden sich in ihrer Ruhestellung
in einer Ebene, die senkrecht zu der Achse der Nadel steht. Jede Blattfeder kann
eine bestimmte Anzahl von Kreissektoren und ringförmigen Segmenten enthalten.
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Die Aufhängung der beweglichen Spule iog kann zwei parallele Systeme
mö und iii .enthalten, die aus Blattfedern, ähnlich der mit 118 bis i2o bezeichneten,
bestehen. Die Blattfedern können regelmäßig in Sternform in einer Anzahl von 3,
4, 5, 6 usw. angeordnet sein.
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Um den Antrieb der Nadel io8 dynamisch auszubalancieren, können zwei
Paar von diametral gegenüberliegenden Windungen, wie 123, 125 oder 124, 1z6, hintereinander
oder parallel geschaltet von demselben elektrischen. Wechselstrom durchflossen werden.
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In der beschriebenen Ausführungsform können die zwölf Windungspaare,
wie 123, 124, von sechs verschiedenen elektrischen Wechselströmen durchflossen werden,
und zwar gleichzeitig oder mit einer Phasenverschiebung. Auf diese Weise schreibt
die Nadel zweidimensionale Diagramme, die eine getreue Wiedergabe der resultierenden
Einwirkung von sechs Komponenten darstellt.
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Die Nadel io8 kann hohl sein und als Tintenkanal dienen. Die Tinte
wird dabei von einem Behälter 127 durch das biegsame Rohr 128 zugeführt. Da der
Drehpunkt 121 dabei in der Nähe der Verbindung der Nadel io8 mit dem biegsamen Rohr
128 liegt, stört letzteres die Bewegung der Nadel nicht. Die Nadel kann einen biegsamen
metallischen Draht enthalten, der die Spitzen der schwingenden Nadel automatisch
öffnet oder schließt. -Das Schreibpapier 131 kann von rechteckiger Form .und um
den starren Zylinder 133 gewickelt sein. Dieser Zylinder kann außer einer Drehbewegung,
die ihm durch ein angetriebenes Reibrad 134 vermittelt wird; eine Translationsbewegung
ausführen, die ihm durch das -Rad 135, welches. in eine schraubenförmige Nut 136
der starren Welle 137 eingreift, erteilt wird. Die Nadelspitze schreibt in bezug
auf ihre Ruhelage eine schraubenförmige Linie auf dem Papier. Wenn das Papierblatt
132 abgewickelt wird, stellt sich diese Linie als Folge von ,geneigten und parallelen
Linien dar; wie sie als 1-2, 2-3 ... 5-6 in der Fig. 43- dargestellt sind. Eine
Vorrichtung für die automatische Auswechslung des Papierblattes kann vorgesehen
sein. Auf diese Weise ist eine ununterbrochene Registrierung über eine Zeitdauer,
die ein Vielfaches einer Zehnstundenperiode beträgt, möglich. Die Registrierung
beginnt dabei immer wieder von neuem auf einer Folge von Blättern von genormter
Größe.
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Zu diesem Zweck ist der Zylinder 133 mit einem axialen Schlitz 138
versehen, dessen Länge die gleiche ist wie die Länge des Papierblattes 131 und dessen
Breite den Bruchteil eines Millimeters beträgt. Eine Papierrolle 139, die dazu geeignet
ist, das Material für einige Hundert oder Tausend von Papierblättern zu liefern,
ist im Innern des Zy-
linders 133 vorgesehen. Das Ende des Papiers 122 tritt
durch den Schlitz 138 aus, schlingt sich in einer vollen Windung um den Zylinder
133, tritt durch den gleichen Schlitz wieder ein, geht um zwei Paare von- Antriebsrollen
14o bis 143 herum und bildet abermals eine volle Windung in dem Raum zwischen dem
Zylinder 133 und der Papierrolle 139. Ein Messer 144, welches von dem Nocken 145
betätigt wird, schneidet das Papier ab und gibt das Ende 146 nach vollzogener- Rufschreibung
frei.
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Der Vorgang der automatischen Auswechslung vollzieht sich wie folgt:
Nachdem die Nadel io8 das Diagrammblatt 122 beschrieben hat; greift das Zahnrad
147 oder 1471 in ein gezahntes Antriebsrad 148 oder 1481 ein. Die Rollen 14o bis
143 veranlassen das Papier, um eine- Strecke entsprechend der Breite eines Abschnittes
vorzurücken. Die entsprechende Bewegung wird dem Umfang des Zylinders durch ein
Treibrad 134 erteilt. Gleichzeitig ändert ein Kommutator die Richtung des Stromzuflusses
zu dem elektrodynamischen Antriebe toi bis io6. Daraufhin wird der Abschnitt des
Papiers durch den nächsten Abschnitt ausgewechselt, die Drehrichtung des Treibrades
134 ändert sich, und der Zylinder kehrt in der entgegengesetzten Richtung in seine
Ausgangsstellung zurück. Die Beschriftung des ersten Abschnittes vollzieht sich
auf den Linien 1-2 bis 5-6 des Blattes 131, diejenige des folgenden Abschnittes
auf den gegenläufigen Linien des Blattes 132. Die Beschriftung der jeweils ersten
Linie eines Blattes 131 oder z32 vollzieht sich, während der.Zylinder 133 stillsteht
und das Papier sich relativ zu dem Zylinder und zu der Spitze der Nadel mit einer
Geschwindigkeit bewegt, die der Umfangsgeschwindigkeit des Zylinders gleich ist.
Es wäre auch möglich, Differenzen zwischen den Umfangsgeschwindigkeiten des Zylinders
und des Papiers auszunutzen.
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Als Ergebnis erhält man eine intermittierende Aufzeichnung auf einer
Folge von genormten Papierblättern, wobei das Messer 144 automatisch das vollgeschriebene
Blatt abtrennt, das durch den ringförmigen Schlitz 149 in der Wand 15o des Zylinders
133 herausgezogen werden kann.
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Um die Papierrolle 139 auszuwechseln, können die Schrauben 152 und
153 gelockert werden, so daß die Träger 154, 155 um die Zapfen 156 und
157
gedreht werden können; auf diese Weise kann der ganze Zylinder 133 mitsamt seinem
Inhalt völlig herausgenommen werden.
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Die Blattfedern 118 bis I2o können Teile aufweisen, die aus geschlitzten,
ringförmigen Segmenten bestehen. Dieses gestattet die Rückstellkraft der Feder durch
Verschieben der Schrauben in den Schlitzen zu regulieren.
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Die mechanischen Kennzahlen des Oszillographen können derart sein,
daß er die zwischen 5 und 5o Perioden pro Sekunde liegenden Infraschallfrequenzen
exakt wiedergibt. Dieses kann dadurch geschehen, daß das Trägheitsmoment der mit
der Nadel io8 verbundenen Massen und die Stärke der Federn 11o und. 111 in der Weise
gewählt wird, daß die mechanische Resonanz des Oszillographen oberhalb von 5o Schwingungen
pro Sekunde liegt. Diese mechanische Resonanz kann mit Hilfe von resonanzverhindernden,
elektrischen Filtern neutralisiert werden.
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Die obengenannten. mechanischen Bedingungen können leicht erfüllt
werden, da der Oszillograph normalerweise Infraschallfrequenzen wiedergibt.
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Zusammenfassend ist das erfindungsgemäße Gerät, welches Sonograph
genannt wird, im wesentlichen eine Vorrichtung, welche die Schallfrequenzen eines
Lautes in Impulsgruppen von Infraschallfrequenz, entsprechend den veränderlichen
Teilen des Lautes, umformt. Wenn der Mittelwert der Frequenz eines Lautes bei 25oo
Perioden pro Sekunde liegt, so beträgt die entsprechende Frequenz des Sonographen
etwa 25 Perioden pro Sekunde, ist also ioomal kleiner.
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Auf diese Weise kann die Bewegung des Schreibpapiers eines Stenosonographen
mit einer reduzierten Geschwindigkeit, die im Mittel irgendwo zwischen 5 und i cm/sec
liegt, erfolgen. Außerdem ist eine elektrische Druckmaschine, die fünfundzwanzig
Anschläge pro Sekunde ausführen kann, verwendbar. Die Zufuhr des Papiers und die
Betätigung des Druckorgans kann durch Differentialimpulse gesteuert werden. Das
Vorrücken des Papiers kann auf diese Weise zwischen den eigentlichen Registrierzeiten
geschehen.