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Verfahren zur Beobachtung und Messung von frequenzmodulierten Vorgängen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beobachtung und Messung von frequenzmodulierten
Vorgängen, bei denen die Frequenz der Lichtblitze eines Stroboskopes um einen geringen,
einstellbaren Betrag von der Frequenz des zu beobachtenden Schwingers abweicht.
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Stroboskopische Einrichtungen, bei denen entweder eine rotierende
Scheibe oder eine Gasentladungslampe zur Erzeugung von Lichtblitzen dient, sind
bekannt. Sie eignen sich in besonderem Maße zur Beobachtung und Messung von mechanischen
Schwingungen, wenn das zu untersuchende Objekt mit einer Frequenz schwingt, die
über längere Zeit hinweg konstant ist. Man regelt die Lichtblitzfrequenz so ein,
daß sie entweder genau mit der Grundfrequenz der zu untersuchenden Schwingbewegung
oder mit einem. ganzzahligen, nicht zu kleinen Teil der Grundfrequenz übereinstimmt,
und erhält so ein zeitlich konstantes Bild der Bewegung. Gelegentlich ist es auch
zweckmäßig, die Lichtblitzfrequenz etwas verschieden von der Frequenz des Schwingers
zu machen, so daß aus dem scheinbaren Stillstand des Bildes ein langsamer Ablauf
des Bewegungsvorganges entsteht.
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Um ein stehendes Bild auch bei veränderlicher Frequenz des zu beobachtenden
Schwingers, also bei frequenzmodulierten Vorgängen zu erhalten, wird eine Wechselspannung
von dem Schwinger in an sich bekannter Weise abgeleitet und mit ihr das Stroboskop
synchronisiert. Bei Verwendung der
schnell folgenden Lichtblitzstroboskope
ergibt sich wiederum ein stehendes Bild. Seine Gestalt hängt von der Phasenlage
der Wechselspannung gegenüber dem Schwinger ab. Sie bleibt ohne Verwendung besondrer
Hilfsmittel mehr oder weniger dem -Zufall überlassen, so daß die reine Fremdsynchronisierung
mit einigen Nachteilen, behaftet ist. In vielen Fällen ist es erwünscht, daß bei
der Synchronisierung ein langsam veränderliches Bild erscheint, um Einzelheiten
des Bewegungsablaufes verfolgen zu können. Dies trifft z. B. auf die Beobachtung
der Stimmlippenbewegung des menschlichen Kehlkopfes zu, deren Frequenz selbst bei
den besten Sängern über einige Sekunden hinweg nicht genügend konstant gehalten
werden kann. Der gesungene Laut ist stets mehr oder weniger frequenzmoduliert. Ein
langsam veränderliches Bild, das bequem beobachtet werden kann, ist mit den beschriebenen
Mitteln nicht zu erreichen.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, den zu beobachtenden Vorgang oder
ein elektrisches Abbild über eine elektronische Impuls-Verzögerungsleitung an das
Stroboskop zu geben, um bei frequenzmodulierten Vorgängen ein langsam veränderliches
Bild zu erhalten. Das Verfahren ist jedoch nur mit einem verhältnismäßig großen
Aufwand an Schalt; mitteln gut zu realisieren. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
wird eine einfache und betriebssichere Einrichtung erreicht, die sich bereits im
praktischen Betrieb bei der Beobachtung der Stimmlippenbewegung bewährt hat.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Frequenzdifferenz mit einer an
sich bekannten trägerfrequenten Umsetzereinrichtung erzeugt wird, deren Generatoren
mit zwei verschiedenen Frequenzen schwingen. Erfindungsgemäß sind die beiden Generatorspannungen
sinusförmig, und die Modulatoren weisen genügend genau quadratische Kennlinien auf.
Einer weiteren Ausbildung entsprechend, erfolgt die Einstellung auf das zu untersuchende
Objekt bei selbsttätig schwingender Kippschaltung und die eigentliche Beobachtung
und Messung durch Fremdsteuerung der Kippschaltung mit einer trägerfrequenten Umsetzereinrichtung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Spannung des steuernden
Schaltelementes, beispielsweise eines Mikrophons, in einer trägerfrequenten Umsetzereinrichtung
ein wenig bezüglich ihrer Frequenz geändert und mit der so geänderten Spannung ein
Stroboskop gesteuert.
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Der Umsetzer besitzt als wesentliche Schaltelemente- zwei Gegentakt-
oder Doppelgegentaktmodulatoren, die von zwei getrennten Generatoren gespeist werden,
und einen Bandpaß. Am Ausgang des ersten Modulators treten die beiden Seitenbänder
der Spannung des steuernden Schaltelementes auf. Ein Seitenband wird vom Bandpaß
durchgelassen und dem zweiten Modülator zugeführt. Ist die Frequenz des zweiten
Generators gleich der des ersten Generators, so entsteht an den Ausgangsklemmen
des zweiten Modulators die ursprüngliche Spannung des steuernden Schaltelementes,
eventuell mit einer gewissen Phasenverschiebung. Die Frequenz der beiden Generatoren
unterscheidet sich jedoch um einen kleinen, einstellbaren Betrag, so daß das Frequenzband
am Ausgang des Umsetzers ein wenig gegenüber demjenigen am Eingang versetzt ist.
Die Spannung am Ausgang des Umsetzers dient zur Steuerung der Kippschaltung des
Lichtblitzstroboskopes.
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-Bei der Beobachtung eines Schwingers mit einem so eingerichteten
Stroboskop treten Schwebungen auf, so daß der Bewegungsablauf im einzelnen verfolgt
werden kann. Die eingangs erwähnte Schwierigkeit bezüglich der willkürlichen Phasenlage
fällt fort. Der mit dem Stroboskop beleuchtete Schwinger bewegt sich scheinbar sehr
langsam mit der Differenzfrequenz der beiden Generatoren; Einzelheiten im Bewegungsablauf
können verfolgt werden.
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Wenn die Spannung der beiden Generatoren sinusförmig ist und die Modulatoren
genügend genau eine quadratische Kennlinie aufweisen, wird die Spannung am Ausgang
des Umsetzers ein genaues Abbild der Spannung am Eingang mit dem einzigen Unterschied,
daß das Frequenzband p.m Ausgang gegenüber dem am Eingang verschoben ist, so daß
auch quantitative Untersuchungen über den . Bewegungsablauf des Schwingers möglich
werden.
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An Hand der Zeichnung wird ein schematisches Ausführungsbeispiel nach
der Erfindung für die Beobachtung von Stimmlippenbewegungen erläutert. In der Abbildung
stellt i ein Kehlkopfmikrophon dar, das am Hals der Versuchsperson angebracht ist.
Wenn die Versuchsperson singt, entsteht an den Mikrophonklemmen eine Spannung, die
mit dem Verstärker z auf einen passenden Betrag gebracht wird und an die Eingangsklemmen
des Doppelgegentaktmodulators 3 gelangt. Zwischen Verstärker 2 und Modulator 3 kann
man gegebenenfalls einen TiefpA legen, um Obertöne der Singstimme zu dämpfen. Der
zum Modulator 3 gehörende Generator q. schwingt mit der Frequenz fa. Am Ausgang
des Modulators 3 liegt ein Bandpaß 5, welcher allein das obere oder untere Seitenband
des vom Kehlkopfmikrophon gelieferten und verstärkten Vorganges durchläßt. Der Bandpaß
5 ist mit den Eingangsklemmen des Modulators 6 verbunden, der - vom Generator 7
mit der Frequenz fo ± 4 f gespeist wird. Der Tiefpaß 8 dämpft das obere Seitenband,
so daß an seinen Ausgangsklemmen ein Abbild der vom Mikrophon i gelieferten Spannung
mit dem Unterschied entsteht, daß deren Frequenzband um den relativ kleinen Betrag
+_ d f
verschoben ist. Die Spannung am Tiefpaß 8 gelangt zu _ einer Kippschaltung
9, die an die Lichtblitzlampe io angeschlossen ist. Mit der Lampe werden die Stimmlippen
beobachtet. Sie bewegen sich nun scheinbar langsam mit der Schwebungsfrequenzd f,
so daß Einzelheiten des Bewegungsablaufes bequem verfolgt und auch - photographiert
werden können.
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Die Lampe io leuchtet nur auf, wenn die Versuchsperson singt oder
spricht. Für den praktischen . Betrieb hat es sich als zweckmäßig erwiesen; vor
Beginn der eigentlichen Beobachtung die Kippschaltung
9 selbsttätig
als Multivibrator mit einer an sich beliebig gewählten Frequenz schwingen zu lassen,
um die vorteilhafteste Beleuchtung des zu untersuchenden Gegenstandes einstellen
zu können. Sobald dies geschehen ist, wird mit einem (nicht dargestellten) Schalter
die Kippschaltung an den Tiefpaß 8 gelegt, um die Schwebungen beobachten zu können.
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Das beschriebene Verfahren eignet sich zur Beobachtung und Messung
aller frequenzmodulierten Vorgänge, z. B. an Maschinenwellen, deren Winkelgeschwindigkeit
zeitlich nicht konstant ist und bei denen man Einzelheiten während einer Umdrehung
beobachten will.