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'Schaltung zur Dynamikregelung Gegenstand des Patents 738 932 ist
ein Verfahren zur Dynamikregelung, bei elektroakustischen Schallübertragungen, bei
welchem eine von den Nutzamplituden abgeleitete, in einer Hilfsschaltung erzeugte
Steuerspannung einem zur selbsttätigen amplitudenabhängigen Regelung des Übertragungsmaßes
dienenden Regelglied aufgedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl zwischen
den Nutzamplituden und der Steuerspannung als auch zwischen dieser und den durch
das Regelglied bewirkten Änderungen des Übertragungsmaßes eine logarithmische Abhängigkeit
geschaffen wird und daß die Einstellung des Regelgrades durch Aufdrücken eines veränderlichen
Teiles der Steuerspannung auf das Regelglied erfolgt.
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Gegenstand des Hauptpatents ist weiter eine Schaltung zur Dynamikregelung,
bestehend aus einem im Übertragungsweg eingeschalteten Regelglied und einer diesem
zugeordneten Hilfsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hilfsschaltung ein
Glied zur Erzeugung einer nach Maßgabe der Dezibelwerte der Nutzamplituden sich
ändernden
Steuerspannung vorgesehen ist und daB das Regelglied'
aus einem nach einem Exponentialgesetz arbeitenden Glied, z. B. einer Exponentialröhre;
besteht, wobei die Hilfsschaltung über..cin Potentiometer zur Abzweigung eines regelbaren
Teiles- der Steuerspannung an das Regelglied angeschlossen ist.
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Die bei natürlichen Schallereignissen auftretenden Lautstärkeunterschiede
können bekanntlich bei der Aufzeichnung bzw. Übertragung .nach Umsetzen der Schallschwingungen
in elektrische Schwingungen nicht oder nur ganz ausnahmsweise aufrechterhalten werden,
weshalb es im allgemeinen notwendig ist, vor der Aufzeichnung bzw. Über= tragung
die Dynamik der elektrischen Schwingungen gegenüber der Dynamik der ursprünglichen
Schallschwingungen, wenn diese z. B. von einem Orchester herrühren, erheblich herabsetzen
(Dynamikeinengung).
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Um bei der Schallwiedergabe die Dynamik der aufgezeichneten Schwingungen
zu erweitern,. muß die Verstärkungswirkung der Wiedergabevorrichtung in Abhängigkeit
von der bei der Aufzeichnung bzw. Übertragung vorgenommenen Einengung der Dynamik
geregelt werden.
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Es ist bekannt, zu diesem Zweck die Verstärkung der wiederzugebenden
Schwingungen mit Hilfe einer von diesen Schwingungen selbst erzeugten Steuerspannung
zu beeinflussen, die die Dynamik nach einer bestimmten gewünschten Gesetzmäßigkeit
ändert.
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In gewissen Fällen, z. B. bei der Wiedergabe von Schallereignissen
mittlerer Tonstärke, ist es möglich, die Dynamik -der ursprünglichen Schallschwingungen
wiederherzustellen. In vielen Fällen gelingt dies indessen mit Rücksicht auf die
vorherrschenden akustischen Verhältnisse bei der Wiedergabe nicht. Außerdem erweist
es sich in Anbetracht der begrenzten Leistungsfähigkeit der Lautsprecher- und Wiedergabevorrichtungen
im allgemeinen als unmöglich, die ursprüngliche Dynamik wiederherzustellen.
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. Treten z. B. während der Wiedergabe Töne oder Geräusche auf, die
von den Zuhörern oder von der Umgebung herrühren, .dann ist es notwendig, um wiedergegebene
Schallschwingungen kleiner Lautstärke überhaupt noch hören zu können, die kleinsten
Lautstärken der- wiederzugebenden Schallereignisse beliebig zu vergrößern. Nun gibt
es indessen eine bestimmte Grenze für den Höchstwert der Lautstärke, die einwandfrei
wiedergegeben werden kann. Da eine etwaige Steigerung der kleinsten Lautstärke nicht
zur Folge haben darf, daß die größte Lautstärke den -zulässigen Höchstwert überschreitet,
hat man bereits vorgeschlagen, z. B. bei Dynamikeinengung eine Regelung der Dynamik
durch Drehen der Regelkennlinie um ' einen Punkt, der z. B. dem zulässigen Höchstwert
der Lautstärke entspricht, vorzunehmen. Es sind indessen bisher keine Schaltungen
bekanntgeworden, mit deren Hilfe z. B. die selbsttätige Erweiterung der Dynamik
während der Wiedergabe beliebig geregelt werden kann unter Aufrechterhaltung eines
geradlinigen Verlaufs der Regelkenn-Linie im logarithmischen Koordinatensystem und
unter Aufrechterhaltung eines gleichbleibenden Höchstwertes der Lautstärke.
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Dis Erfindung betrifft eine solche Schaltung und ist insbesondere
für solche Regelschaltungen bestimmt, bei denen die Erweiterung der Dynamik sich
über den ganzen Lautstärkebereich der Schwingungen stets in Übereinstimmung mit
der logarithmischen Empfindlichkeitskennlinie- des menschlichen Ohres abspielt,
d. h. Regelschaltungen, in denen die Dynamik durch Steuerung der Verstärkung der
elektrischen Schwingungen in einer Verstärkervorrichtung mit Exponentialkennlinie
mittels einer von den Schwingungen erzeugten Steuerspannung, die sich proportional
mit den Dezibelwerten der Variationen der Amplituden der Schwingungen abspielt,
geregelt wird.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine solche Regelung
-nur dann möglich ist, wenn gleichzeitig mit der Änderung der Dynamik eine logarithmische'
Änderung der Verstärkung vorgenommen wird.
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In Auswertung dieser Erkenntnis wird erfindungsgemäß die Schaltung
zur Dynamikregelung nach Patent 738 932; bei der in einer Hilfsschaltung zur Erzeugung
einer nach Maßgabe der Dezibelwerte der Nutzamplitude sich ändernden Steuerspannung
ein linearer Potentiometer zur Abzweigung eines regelbaren Teiles der Steuerspannung
zwecks Einstellung des Regelgrades vorgesehen ist, so ausgebildet, .daß dieses lineare
Potentiometer mit einem dem Übertragungsweg zugeordneten logarithmischen Potentiometer
zur Einstellung der Lautstärke derart stark gekoppelt ist, daß bei einem bestimmten
Wert der Nutzamplitude eine durch Einstellung des linearen Potentiometers erzeugte
Änderung des Verstärkungsgrades durch zwangläufige Einstellung des logarithmischen
Potentiometers ausgeglichen wird.
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Es ist zweckmäßig, zur Voreinstellung der durch das lineare Potentiometer
geregelten Steuerspannung ein drittes Potentiometer, das dem linearen Potentiometer
angeschaltet ist, zu verwenden. Zum Einstellen der höchsten Lautstärke der wiedergegebenen
Schallschwingungen auf einen beliebigen gleichbleibenden Höchstwert kann ein dem
logarithmischen Potentiometer angeschaltetes viertes Potentiometer benutzt werden.
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Falls eine Hilfsaufzeichnung - bei Wiedergabe mittels Tonfilm - oder
ein Hilfssignal für das Erzeugen der Steuerspannung verwendet wird, ist es möglich,
die Lautstärke der Schwingungen, deren Verstärkung .durch eine Änderung der Erweiterung
der Dynamik nicht beeinflußt wird, beliebig zu wählen. Es ist ferner möglich, die
Verhältnisse so zu wählen, daß die Lautstärke, bei welcher die Steuerspannung den
Wert Null annimmt, dem Wert höchster Lautstärke der Schwingungen entspricht. In
diesem Fall wird der Höchstwert gleichbleibend sein, wenn die Dynamiksteigerung
geändert wird. Soll dagegen die kleinste - Lautstärke aus irgendeinem -Grund gesteigert
werden, so kann diese Steigerung einfach durch Regelung
des linearen
Potentiometers bewirkt werden. Eine Regelung der Dynamikerweiterung in dieser Weise
ist jedoch mit :dem Nachteil verbunden, daß die durch den Wiedergabeverstärker erzeugte
Verstärkung plötzlich steigen wird, falls die Steuerspannung aus irgendeinem Grund,
z. B. wegen eines Fehlers in der Einrichtung, nicht erscheinen sollte.
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Aus dem zuletzt genannten Grund empfiehlt es sich, die Verhältnisse
so zu wählen, daß die Steuerspannung den Wert Null annimmt, wenn eine Schwingung
vom kleinsten Wert erscheint, d. n. derart, daß die Verstärkung von Schwingungen
mit diesem Wert durch eine Änderung des Expansionsgrades nicht beeinflußt wird.
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Das Wesen der Erfindung soll im folgenden an Hand des in Abb. i schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert werden. A1 und A2 sind
die Anschlußklemmen des Eingangsstromkreises a einer Exponentialröhre V zur Verstärkung
elektrischer Schwingungen, die den erwähnten Klemmen zugeführt werden. P2 ist ein
der Röhre V vorgeschaltetes logarithmisches Potentiometer zur Einstellung des Verstärkungsgrades
der Röhre V auf einen beliebigen Wert. P1 ist ein lineares Potentiometer, das in
den Stromkreis b eines zur Erzeugung der obenerwähnten Steuerspannung dienenden
Hilfsstromkreises eingeschaltet ist. Bi und B2 sind die Anschlußklemmen des Stromkreises
b. Der. durch den erwähnten, in an sich bekannter Weise erzeugten Hilfsstrom hervorgerufene
Spannungsabfall im Potentiometer P1 wird über das Potentiometer P2 dem Steuergitter
der Exponentialröhre V aufgedrückt.
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Abb. 2 zeigt gräphisch den Verlauf der Dynamik der ursprünglichen
Schallschwingungen und die Dynamik der wiedergegebenen Schallschwingungen. Die in
Dezibeleinheiten ausgedrückten Lautstärkeänderungen der ursprünglichen Schallschwingungen
sind auf der Abszissenachse aufgetragen. pp ist die kleinste Lautstärke, ff die
größte Lautstärke. Die Schallintensitäten w der wiedergegebenen Schallschwingungen
sind durch die Ordinaten in einer logarithmischen Skala dargestellt, und der Nullpunkt
ist beliebig gewählt, derart, daß er mit der größten Lautstärke wf der wiedergegebenen
Schallschwingungen zusammenfällt.
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In Abb.2 ist beispielsweise angenommen, daß die elektrischen Schwingungen,
in welche die Schallschwingungen zwecks Übertragung oder Aufzeichnung umgesetzt
worden sind, einer logarithmischen Kompression unterworfen worden sind. In diesem
Fall sind die Kurven für die Dynamik -der ursprünglichen Schallschwingungen und
für die Dynamik der wiedergegebenen Schallschwingungen gerade Linien.
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Werden die Schallschwingungen mit ihren ursprünglichen Intensitätsunterschieden,
z. B. bis zum Betrag von 7o Dezibel, wiedergegeben - was einer vollständigen Expansion
entspricht -, so fällt die erwähnte Kurve mit der Geraden i in Abb. 2 zusammen,
und die kleinste Lautstärke wp 1
liegt dann 7o Dezibel unterhalb der größten
Lautstärke wf.
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Wenn man annimmt, die kleinste Lautstärke müsse auf einen Wert wp
2 entsprechend- einer Intensität von 4o Dezibel gesteigert werden, während
die größte Lautstärke auf einem gleichbleibenden Wert gehalten werden soll, dann
wird die Kurve, die die Abhängigkeit zwischen der Intensität der ursprünglichen
Schallschwingungen und der Intensität der wiedergegebenen Schallschwingungen ausdrückt,
durch die Gerade 2 in Abb. 2 dargestellt. Der Übergang von dem durch die Kurve i
auf den durch die Kurve 2 dargestellten Zustand wird in folgender Weise erreicht:
Durch beliebige Einstellung des Potentiometers P1 in Abb. i wird die Steuerspannung
der Röhre V geändert, derart, daß die Dynamik der wiedergegebenen Schallschwingungen
von 7o Dezibel auf 4o Dezibel verringert wird. Da gemäß den obenerwähnten Voraussetzungen
die Maßnahmen derart getroffen sind, daß die kleinste Lautstärke w. 1
durch
die Regelung mittels des Potentiometers Pl nicht beeinflußt wird, so ruft die erwähnte
Änderung der Dynamik der wiedergegebenen Schallschwingungen eine Verminderung auf
3o Dezibel der größten Lautstärke wf hervor, was einer Verschiebung des Punktes
wt auf den Punkt wt in Abb. 2 entspricht. Die Abhängigkeit der Dynamik der ursprünglichen
Schallschwingungen und der Dynamik der wiedergegebenen Schallschwingungen wird dann
durch die Gerade i' dargestellt. Um diese erwähnte Verschiebung der größten Lautstärke
auszugleichen, ist es notwendig, die Expansionskurve von der Lage i in die Lage
2 in Abb. 2 parallel zu verschieben. Das geschieht durch Einstellung des Potentiometers
P2 derart, daß die Verstärkungswirkung der Röhre V einer Steigerung von 3o Dezibel
der der größten Lautstärke entsprechenden Änderung unterworfen wird.
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Die obenerwähnte Regelung kann auch dadurch erreicht werden, daß die
Einstellung der beiden Potentiometer in der umgekehrten Reihenfolge stattfindet,
d. h. derart, daß die Gerade i erst durch Einstellung des Potentiometers P2 in die
Lage ä verschoben wird, wonach die dadurch bewirkte Steigerung der größten Lautstärke
auf den Wert wf' ausgeglichen wird dadurch, daß das Potentiometer P1 so eingestellt
wird, daß die größte Lautstärke von wf' auf wf verringert wird.
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Erfindungsgemäß werden die obenerwähnten Einstellungen auf den beiden
Potentiometern P1 und P2 zum Zweck einer Regelung des Expansionsgrades unter Aufrechterhaltung
einer größten Lautstärke gleichbleibenden Wertes gleichzeitig vorgenommen, und zwar
derart, .daß die Einstellung des einen Potentiometers zwangläufig eine entsprechende
Einstellung des anderen Potentiometers hervorruft, was in bekannter Weise, z. B.
durch mechanisches Zusammenschalten der Stellarme der beiden Potentiometer, sichergestellt
werden kann.
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Wird zum Erzeugen der Steuerspannung ein besonderes Steuersignal verwendet,
dessen Amplituden
den in Dezibeleinheiten ausgedrückten Änderungen
des übertragungskoeffizienten der Aufzeichnungs- bzw. Sendervorrichtung proportional
sind, dann kann erfindungsgemäß eine Steuerspannung, die unmittelbar vom Steuersignal
erzeugt wird, zur Regelung der Expansion mittels des Potentiometers P1 verwendet
werden. Sind die Amplituden des Steuersignals nicht proportional zu den Änderungen
des erwähnten Übertragungskoeffizienten, sondern ändern sie sich in einer anderen
beliebigen Abhängigkeit von dem Koeffizienten, dann ,gelingt es, durch eine dieser
Abhängigkeit entsprechende Umwandlung aus dem Steuersignal eine Steuerspannung zu
erzeugen, deren Änderungen sich proportional zu den in Dezibeleinheiten ausgedrückten
Änderungen des erwähnten Übertragungskoeffizienten abspielen.
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Kommt kein Steuersignal vor, so wird die Steuerspannung, wie erwähnt,
durch die aufgezeichneten bzw. übertragenen elektrischen Schwingungen selbst erzeugt,
und zwar in einer Weise, die von der Art, in welcher die Kompression bei der Aufzeichnung
bzw. Übertragung der Schwingungen vorgenommen worden ist, abhängig ist. Ist die
Kompression mittels einer Kompressionsvörriehtung-oder einer ähnlichen Vorrichtung.
vorgenommen, so daß die Amplituden sich innerhalb eines gewissen Intervalls proportional
zu dem in Dezibelei.nheiten ausgedrückten übertragungskoeffizienten der Aufzeichnungs-
bzw. Sendervorrichtung ändern, dann kann die Steuerspannung erfindungsgemäß unmittelbar
bei Gleichrichtung eines Teils - der betreffenden Schwingungen in- der Wiedergabevorrichtung
erzeugt werden.
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Wurde bei der Aufzeichnung des Schalles die Kompression in der Weise
vorgenommen, daß die in Dezibeleinheiten ausgedrückten Amplitu.denänderungen der
elektrischen Schwingungen sich proportional zu den ebenfalls in Dezibeleinheiten
ausgedrückten Änderungen des übertragungskoeffizienten der Aufzeichnungsvorrichtung
ändern, dann kann die Steuerspannung aus den Amplituden der erwähnten Schwingungen
dadurch abgeleitet werden, .daß ein Teil dieser Schwingungen durch eine logarithmische
Umsetzungsvorrichtung und einen Gleichrichter- geleitet wird. Diese Steuerspannung,
die durch das Potentiometer P1 geregelt wird, steuert die Dynamikexpansion derart,
daß sie sich genau -in Übereinstimmung mit den zwei Linien i., a gemäß Abb. a abspielt,
welche die im physiologischen Sinne beste Annäherung an die Lautstärkenunterschiede
des natürlichen Schallereignisses ergeben.
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Eine Einrichtung nach der Erfindung kann auch in den Fällen verwendet
werden, in denen die Kompression nach einer willkürlichen Funktion der Schallintensitäten
gesteuert worden ist. In diesem Fall müssen die elektrischen Schwingungen in' der
zur Wiedergabe verwendeten Einrichtung einer beliebigen Umsetzung in Abhängigkeit
der erwähnten willkürlichen Funktion unterworfen werden', bevor die Steuerspannung
zur Steuerung der Expansion der elektrischen Schwingungen in der oben beschriebenen
Weise abgeleitet werden kann.