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Die akustischen und elektrischen Constanten des Telephons.

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450
2. D i e akmstischen. und elektrischen. Constanten.
des l'e2ephon.s; vom M a x W i e n .
Die Grundbedingung fur die Deutlichkeit der Sprachubertragung durch ein Telephon ist die, dass die relative Amplitude
der verschiedenen Tone, aus denen die Sprache sich zusammensetzt, dieselbe bleibt, dass also alle Tone in demselben Verhiiltnis geschwacht reproducirt werden.
Die Einwirkung der Leitung und des Mikrophons als
Aufnahmeapparat sollen hier nicht besprochen, sondern es sol1
nur die Frage erortert werden, ob in dem Telephon selbst
- einerseits als elektromagnetischer bpparat, andererseits als
akustischer Appnrat betrachtet - Grunde fur eine verschiedene
Uebertragung von Tonen verschiedener Hohe rorhanden sind.
Der Ton des Telephons ruhrt von der Rewegung der
Platte her; die Kraft, welche die Platte bewegt, ist die magnetische Induction in dem Eisenkern der Telephonspule; die
Aenderungen der magnetischen Induction werden durch den in
der Spule fliessenden Wechselstrom bewirkt. Es kommen
daher hier folgende Fragen in Betracht: Wie andert sich fur
die verschiedenen Schwingungszahlen 1. bei gleicher elektromotorischer Kraft die Stromintensitat, 2. bei gleicher Stromintensitat die magnetische Induction, 3. bei gleicher magne-
tischer Induction die Amplitude der Platte.
Die Stromstarke hangt in bekannter m'eise von dem
Widerstand und der Selbstinduction ab, die Erscheinung wird
aber dadurch wesentlich complicirter, dass der ,,wirksame"
Widerstand und das ,,wirksame" Selbstpotential l) des Telephons
in hohem Maasse von der Schwingungszahl abhangig sind,
weil infolge der Foucaultstrome im Eisenkern der TelephonI) Fur einen Wechselstrom von gegebener Frequenz und Sttlrke
kann eine Spule mit Eisenkern in ihrer Wirkung auf den Strom stets
durch eine Spule ohne Eisenkern von passendem Widerstand ersetzt
werden. Der ,,wirksame" Widerstand und die ,,wirksame" Selbstinduction
der Spule mit Eisenkern ist gleich dem Widerstand und der Selbstinduction der ersetzenden Spule.
Akustische und elektrische Constanten des Telephons.
45 1
spde der Widerstand mit der Frequenz steigen, das Selbstpotential abnehmen muss. Ferner lasst sich von vornherein
iibersehen, dass die magnetische Induction mit der Schwingungszahl sinkt, weil die Foucaultstrome auf den mittleren Teil
des Eisenkernes eine Schirmwirkung ausiiben. Schliesslich
muss bei gleicher bewegender Kraft die Amplitude der Telephonplatte fur ihre Eigentone eine Anzahl von Maximis zeigen.
Die in der menschlichen Sprache vorkommenden Tone
beginrien bei den tiefsten iiberhaupt horbaren Schwingungszahlen, also etwa bei 16 in der Secunde, und gehen bei den
charakteristischen Tonen mancher Vocale und vor allem bei
den Zischlauten bis zu 10000 und dariiber.l) Zwischen diesen
Grenzen sollen die in Betracht kommenden akustischen und
elektrischen Grosseii bestimmt werden und zwar fur folgende
Telephone: 1. ein Bell'sches Telephon, 2. ein alteres TeIephon
von S i e m e n s & H a l s k e (Nr. 13306), 3. ein neueres Telephon
von S i e m e n s & H a l s k e (Nr. 353968), 4. ein Dosentelephon,
bezogeii von Apel-Gottingen, wie es bei der Nernst'schen
htethode zur Bestimmung der Dielektricitatsconstanten mit
Vorteil gebraucht wird. Die Verstandigung bei der Sprachubertragung war bei allen vier Telephonen nicht merklich verschieden. Die Vocale wurden rein wiedergegeben und auch
ahnliche Worte wie ,,Pfirsich" und ,,Vierzig" wurden uberall
mit voller Sicherheit unterschieden. Das altere S i e m e n s'sche
Telephon gab die Zischlaute nur sehr leise wieder. Die KlangfArbe hatte bei dem A p e l 'schen Telephon einen nastllen
Charakter .
Die zur Untersuchung dienenden Strome wurden clurch
die im voratehenden Artikel beschriebene Wechselstromsirene
1) Vgl. L. H e r r n a n n , Pflucer's Archiv 63. p. 1. 1893 und 83. p. 1.
1900. Ueber die Grosscnordnung der Schwingungszahlen, welche die
charakteristischen Tone der Zischlaute besitren, kann man in folgender
Weise einen Anhalt bekommen : Einc cmpfindliche Flarnme, die bei einer
Ausstrornnngsoffnung von 1 mm Weite unter dem hohen Gasdrucke von
26 cm Wasser functionirt, reagirt nicht merklich auf hohe gesungene Tiine,
wohl aber sehr gut auf Zischlaute. Mit der Edelmann'schen Galtonpfeife
untersucht, zeigte es sich, dass erst Tone mit uber 5000 Schwingungen die
Flarnme stark heeinflussrn, am empflndlichsten war sie fur Tone, die an
der Grenze der Horbarkeit und dariiber hinaus liegen, also etwa 50000
Schwingungen rnachen.
M. Wien.
erzeugt , die annahernd reine Sinusstrijme bis zu Frequenzen
von ca. 17000 zu liefern im Stande ist. Die Strome mit den
Schwingungszahlen 64 und 128 wurden von einem Sinusinductor
hervorgeru fen.
Die wirksame Selbsinduction und der wirksame Widerstand wurden nach der Maxw ell’schen Briickenmethode gemessen. Der durch das Bruckensystem gesnndte Sinusstrom
wurde so schwach genommen, dass die magnetische Induction
in dem Telephonelektromagneten nicht iiber den ersten linearen
Teil hinausging , das Selbstpotential mithin von der Stromstarke unabhangig war.l) Dies wurde in der Weise festgestellt,
dass bei Verdoppelung des Stromes die Briickeneinstellung
sich nicht andern durfte. Als Bruckeninstrument diente das
ebenfalls in der vorstehenden Abhandlung beschriebene B e l l a t i G i l t a y’sche Dynamometer. Die Resultate der Messungen an
den verschiedenen Telephonen waren folgende: N bedeutet die
Schwingungszahl, N = 0 constanten Strom, 7f‘ den wirksamen
Widerstand in Ohm und L’ die wirksame Selbstinduction in
Centimetern.
Siemens I
Bell
N W '
0 6,67
256 6,90
1000 9,.52
4000 21,7
8000 33,2
16000 37,5
L
.1,53.
3,28.
2,75.
2,42.
2,16.
W
186,6
loE 238.6
loe 422,6
lo6 963
lo6 1275
lo6 1457
L'
-
Siemens I1
W'
199,7
1,17. lo8 286,5
7 , 4 5 . lo7 586,2
3 9 7 . lo7 1494
2 , 9 4 . lo7 2100
2 , 3 0 . lo72590
L
-
Ape1
W'
96,2
1 , 9 3 . los 108,7
1 , 2 3 . los 159,O
8,87.lo7 329,7
6,8 lo7 482
5 , s , l o 7 609
.
L'
3,73. lo7
3,08.lo7
2 , 5 0 . lo'
1,96.lO"
1 , 6 3 . lo7
1) Messungen der Selbstinduction von Telephonen mit constantem
Strome nach der Maxwell'schenMethode, mie sie mehrfach (L. H e r m a n n ,
Pfliig.Arcb. 48. p. 543. 1891 und S t r e c k e r u. B i l l i g , Mitth. Telegraph.
1ng.-Bur. d. Reichspostamts 1896) ausgefiihrt sind, liefern Werte, die mit
den fur telephonische Strijme in Betracht kommenden sich nicht direct vergleichen lassen, besonders wenn die Intensittit des constanten Stromes nicht
iiusaerst gering gewahlt wurde. Ueberhaupt muss bei Messungen von
Grijssen, die fur Wechselstrom Giiltigkeit haben sollen, stets auch Wechselstrom derselben Schwingungszahl und Intensitat angewmd t werden.
Akustisclie und elektrische Constanten des l‘elephons.
453
Wir sehen, dass der wirksame Widerstand, entsprechend
dem grosseren Energieverlust clurch Wirbelstrome, mit wachsender Schwingungszahl stark ansteigt,bei demTelephon S i e m e n s II
sogar den 13 fachen Wert des wahren Widerstandes ( N = 0)
erreicht. Auf der anderen Seite nimmt das wirksame Selbstpotential ab, am starksten bei dem Telephon S i e m e n s I, wo
es etwa auf den fiinften Teil des Wertes fur die Schwingungszahl 256 sinkt. Die Selbstinduction fur N = 256 ist noch
wenig von den Wirbelstromen beeinflusst, wie Vergleichsmessungen mit N = 128 zeigten. Der Unterschied zwischen
den Werten bei N = 8000 und N = 16000 ist verhaltnismassig
gering: es nehmen merklich nur noch die aussersten Schichten
des Eisens an der Magnetisirung teil, und die Anzahl der
Kraftlinien ist nicht sehr vie1 grosser als wenn uberhaupt kein
Eisen vorhanden ware.
Indem wir mit H e l m h o l t z l) annehmen, dass die elektromotorische Kraft in dem Telephonstromkreise proportional der
Schwingungszahl
wachst, so ist die Stromstarke proportional
_ _
n / l W ’ 2 + n2-L2, worin n = 2 n N die Schwingungszahl in
2 n Secunden bedeutet. Wenn L’ gross gegen W’ ist, so
ist der Ausdruck merklich unabhangig von n, vorausgesetzt,
dass W-’ und L’ nicht von der Schwingungszahl abhangen.
Wie wir soeben gesehen haben, ist dies jedoch in hohem
Maasse der Fall: W ; steigt mit der Frequenz, L’ sinkt.
Letzteres ist bei hohen Schwingungszahlen von grBsserem Einfluss, sodass z. B. fur Telephon S i e m e n s I1 der Ausdruck
a / f F - + m fur N = 16000 3,4 ma1 so gross ist, wie fur
AT= 256, die Intensitat des entsprechenden Tones ware hiernnch (3,4)2= 11,5 ma1 griisser. Auf der anderen Seite sinkt
die magnetische Induction mit der Schwingungszahl proportional
L’ und damit die Amplitude der Platte und die Intensitat der
hoheren Tone. Bei dem Telephon S i e m e n s I1 wird aus
diesem Grunde die Intensitat des Tones N = 16000 mehr als
25 ma1 kleiner sein wie die des Tones 256 bei gleicher Intensitat des Wechselstromes.
Es machen sich hier offenbar zwei entgegengesetzte Einflusse geltend; ob sie sich vielleicht einmal in ihrer Wirkung
1) H. v. H e l m h o l t z , Wissensch. Abhandl. 1. p. 465.
454
112. W‘ien.
gerade compensiren, oder ob die hohen Tone relativ geschwacht
bez. verstarkt werden, hangt in den einzelnen Fallen von den
ausseren Umstanden, dem Widerstand und der Capacitat der
Leitung etc., ab, Jedenfalls spielt diese Aenderung der elektromagnetischen Constanten mit der Schwingungszahl bei der
Sprachubertragung durch das Telephon eine hervorragende
Rolle, und man darf nicht etwa einfach den Widerstand bei
constantem Strom nnd den nach der Maxwell’schen Methode
mit Stromschluss oder Oeffnung gefundenen Wert des Selbstpotentiales der Rechnnng zu Grunde legen.
Noch weitgehender ist der Einfluss der rein akustischen
Eigenschaften des Telephons. Hatte die Telephonplatte nur
einen einzigen Eigenton p , so wiirde die Amplitude der Platte
bei einer sinusfijrmigen bewegenden Kraft mit der Schwingnngs.________
zahl n in 2 7c sec umgekehrt proportional v(na - p 2 ) 2+ n2 k2)
sein, also fur p =n ein mehr oder weniger ausgepragtes Maximum
zeigen, je nach der Grosse der Dampfung K. Dieselbe hangt
von der Platte selbst, der Srt ihrer Befestigung und der Starke
des Telephonmagnets ab. Von den untersuchten vier Telephonen besass das Bell’sche Telephon die geringste, das
Apel’sche die starkste Dampfung.
Wenn man durch die Telephone mittels der Wechselstromsirene einen Sinusstrom hindurchschickt und seine Schwingungszahl allmahlich andert, so machen sich die Eigenttine der Telephonplatte durch stairkere Intensitat bemerkbar. J e nachdem dieselben
mehr oder weniger ausgepragt sind, und je nach der Dampfung
der Platte bewirken sie ein scharfes Aufgellen des Tones oder
ein langsameres Ansteigen und Wiederabfallen der Tonstarke.
Die tieferen Eigentijne sind deutlicher herauszuhoren wie die
hoheren. Die Maxima erstrecken sich meist uber einen ziemlich grossen Tonbereich , bis zu mehreren Hundert Schwingungen bei den hoheren Eigentonen. Die Schwingungszahlen
der Eigentone ergeben sich aus folgender Tabelle :
T a b e l l e 11.
Bell
Ape1
Siemens I
Siemens I1
1100
1060
720
750
2800
2500
2100
2350
Dariiber bei allen Telephonen
nwh mehrere schwricher aus5000, gebildete Eigentiine, vor allem
5400
bei dem Apel’schen Telephon.
!:::\
Bkustische und elektrische Constanten des 2Llephons.
455
Offenbar liegen samtliche Eigentone bei den S i e m e n s ’ schen Telephonen etwas tiefer, a19 bei den beiden anderen.
Eine auffallende Erscheinung ist, dass mehrfach bei den hoheren
Eigentonen statt eines ausgesprochenen Maximums 2 -3 Maxima
V O I ~ ziemlich gleicher Starke dicht beieinander auftreten. Besonders ausgepragt war dies bei den Eigentonen 5000 bez.
5400 der beiden S i e m ens’schen Telephone,
Eine andere Methode zur Untersuchung der Lage der
Eigentone und ihres Einflusses auf die Intensitat der durch
das Telephon reproducirten Tone besteht in der Messung der
schwachsten Strome, die einen noch gerade horbaren I’on in dent
Te‘elephon erzeugen. Derartige Untersuchungen sind schon mehrfach angestellt und dabei fur die eben noch merklichen Stromstarken sehr verschiedene, zum Teil ausserordentlich niedrige
Werte erzielt.’) Die Differenzen in den Resultaten durften
hauptsachlich darin ihren Grund haben, dass meistens statt
eines einfachen Sinusstromes der Wechselstrom eines Inductoriums mit spitzen Oeffnungsstromstossen verwandt wurde.
Diese Stromstosse werden ini Hortelephon nun noch gehort a),
wenn auch die mittlere Intensitat des ganzen Wechselstromes
sehr gering ist. Ein Analogon dazu wurde etwa in den Aufzeichnungen in eine Phonographenwalze zu finden sein, die
zu weit v o n dem Schreibstift entfernt ist, sodass nur die
grossten Excursionen eingekrazt werden.
Lord R a y l e i g h 3 ) hat mit einem Sinusinductor und f u r
1) Vgl. hieriibcr Lord R a y l e i g h , Phil. Mag. 38. p. 894. 1894.
2) Vielfach ist die Ansicht verbreitet und ich hnbe dieselbe eben-
falls vertreten, dass das H6rtelephon besonders empfiudlich fur ganz hohe
Tone sei, eine Ansicht, die hauptsSlclilich darauf begrundet war, dass bei
der Widerstandsmessuug zersetzbarer Leiter nach der F. K o h 1 r a u s c h ’ schen Rilethode auch bei verhaltnismassig starker Polarisation noch ein gutes
Minimum zu erzielen ist und die Lage desselben mit dem Minimum r o n
Stromen sehr hoher Wechselzahl iibereinstimmt. Das Hortelephon ist
jedoch, wie aus den weiter unten mitgeteilten Zahlen hervorgeht, fiir
Tone mit uber 10000 Schwingungen in der Secunde sehr unempfindlich:
dic Eiustellung erfolgt in Wirklichkeit auf dxs 3linimum der genannten
spitzen Stromstossr, die sehr schnell verlaufen und sich daher elektrisch
wie sehr schnelle Wechselstrome verhalten, wahrend sie akustisch das
bekannte charakteristische ,,Telephongerausch‘L erzeugen, das nnter U m standen die musikalischen Tiine des Telephonklanges iiberdeckt.
3) Lord R a y l e i g h , 1. c.
M. Wien.
45 6
h ohere Frequenzen mit den annahernd sinusformigen Stromen
gearbeitet, welche beim Anschlagen niagnetisirter Stimmgabeln
in zwischen den Zinken befindlichen Rollen inducirt. wurden.
E r erreichte auch hiermit nur Frequenzen bis zu 768, wobei
die Beobachtung wegen der sehr kurzen Dauer der Stimmgabelschwingung schwierig wurde. Seine Resultate fur ein Telephon
mit 70 Ohm Widerstnnd waren folgende:
N
128
Strom in
2800
10-8 Amp.
]
192
256
307
320
384
512
640
768
250
83
49
32
15
7
4,4
10
Dieselben sind mit meinen weiter unten mitgeteilten Werten
qualitativ in guter Uebereinstimmung.
Urn die Empfindlichkeit der vier Telephone fur verschiedene
Tonhohen festzustellen, wurde dsr Strom der Wechselstromsirene
in ein entferntes, moglichst ruhiges Zimmer geleitet und dort
durch geeignete Abzweigung die Reizschwellefur den betreffenden
Ton und die verschiedenen Telephone festgestellt. Die Resultate
sind in der folgenden Tsbelle angegeben. Dieselben beziehen sich
auf mein rbchtes Ohr und geben die Stromstarke in 10 -8 Amp.
an, welche einen Ton hervorrief, den ich beim Oeffnen und
Schliessen noch mit Sicherheit wahrnehmen konnte.
T a b e l l e 111.
Empfindlichkeit verschiedener Telephone.
256
1050
512
720
1024
1500
2030
2400
2800
150
4000
8000
16000
230
2500
12000
Ape1
Siemens I
Siemens I1
5000.10- 8
510
1800.10-5
220
26
1200.10- 8
150
13,5
40
098
z17
098
1135
2,4
3,O
210
190
1,7
175
3,o
610
-
18
30
130
-
-
70
70
170
700
1000
2200
50
-
30
400
1700
Akustische und elektrische Constanten des Telephons.
451
Das B ell’sche Telephon hat durchweg eine geringere
Empfindlichkeit, wie die anderen drei Instrumente , entsprechend
seinem geringeren Widerstand (vgl. Tab. 1, N = 0). Alle vier
Telephone zeigen eine besonders grosse Empfindlichkeit fur
die Strome zwischen den Schwingungszahlen 500 iind 3000;
sowohl nach der Tiefe wie nach der Hohe zu nimmt sie
schnell ah, sodass z. B. bei dern Bell’schen Telephon fur
N = 64 eine mehr als l0000fache Stromintensitat oder eine mehr
als 100 Millionen ma1 so grosse Stronienergie zur Hervorbringung eines eben merklichen Tones notwendig ist, wie fur
A’= 1024.
Dieser steile Abfall der Empfindlichkeit fur hohe und
tiefe Tone kann nicht etwa allein durch die akustischen Eigenschaften des Telephons, die Eigentone der Platte erklart werden:
zum weitaus grossten Teil ist er durch die verschiedene
Empfindlichkeit des menschlichen Ohres fur Tone verschiedener
Hohe bedingt. Auf die Schlusse, die man hierauf aus den
Versuchen ziehen kann, hoffe ich anderer Stelle eingehen zu
konnen.
Die fettgedruckten Zahlen der Tab. 111, welche die Maxima
der Empfindlichkeit fur das loetreffende Telephon angeben,
fallen im allgemeinen mit den oben direct bestimmten Eigentonen der Telephonplatte zusammen. Am deutlichsten zeigt
sich dies bei dem Bell’schen Telephon, das auch die geringste
Dampfung besitzt. Bei den beiden Telephonen von S i e m e n s
und H a l s k e zeichnen sich die Eigentone ebenfalls durch besonders geringe Stroniintensitaten aus , bei dem stark gedampften A p el’schen Telephon liegt jedoch das Maximum der
Empfindlichkeit AT= 1500 zwischen zwei Eigentonen ( N = 1060
und N = 2500).
Die wichtigsten charakteristischen Tone der menschlichen
Sprache fallen zwischen die Schwingungszahlen 500 und 3000,
wo alle vier Telephone die grosste Empfindlichkeit zeigen.
Dieser Umstand mag vie1 zur Deutlichkeit der Sprachubertrngung beitragen. Auf der anderen Seite sind die Unterschiede in der Empfindlichkeit fur verhaltnismassig kleine
Differenzen in den Schwingungszahlen gerade in diesem Gebiete sehr gross, weil die wichtigsteii Eigentone der Platte
in dasselbe fallen. Die relative Intensitat der hiiheren Tone
Annalen der Physik. 1V. Folge. 4.
30
458 M. Wien. Akustische und elektrische Constanten des Telephons.
muss infolge dessen sehr verschieden ausfallen, je nach dem
Telephon, das man gerade gebraucht. So verhalt sich z. B.
bei dem Bell'schen Telephon die Empfindlichkeit fur N = 256
zu der fir N = 4000 wie 2301 1050 - es sind absichtlich nicht
ausgesprochene Eigentone gewahlt - wahrend sich dasselbe
Verhaltnis bei dem Telephon S i e m e n s I1 zu 30/13,5 ergiebt. Bei 'gleicher Intensitiit des Tones 256 muss daher das
Siemens'sche Telephon den Ton 4000 ca. 100 ma1 so laut
ubertragen, wie das B ell'sche.
Bei klangvollem und lautem Hineinsprechen in das Mikrophon machen sich j a oft die Eigentone der Telephonplatte
unangenehm bemerkbar. Im allgemeinen ist jedoch bei diesem
wie bei jenem Telephon, bei hohen wie bei tiefen Stimmen
eine gute Versfandigung moglich. Es .kann dies nur durch
die erstaunliche Empfindlichkeit des menschlichen Ohres fur
das Charakteristische in den Vocalen und Consonanten erklart
werden, das noch nicht vollig verwischt ist, trotz der grossen
Veranderungen der Klangfarbe, die nach dem Qorstehenden
unzweifelhaft infolge der akustischen und elektromagnetischen
Kigenschaften des Telephons eintreten mussen.
A a c h e n , Physik. Institut der Technischen Hochschule,
December 1900.
(Eingegangen 20. December 1900.)
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