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Die electrische Sirene.

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R. bt'ebrr.
67 1
Y. D i e electtdsche Sitstme;
u r n R o b e v t Webet..
( H i e r i u Tnf. XI1 Fig. 1-9.)
Fur die Akustik sowohl als ftir die Theorie der Xusik
ist es von grosster Wichtigkeit, die Ursache des Tones nachzuweisen und die jedem Ton entsprechende Schwingungszabl
zu bestimmen, weil es sich aus diesen ergibt, in welcheni
VerhHltniss die T h e zu einander stehen. Die beziiglichen
Untersuchungen sind ausgefiihrt worden theils nach akustischen Methoden, theils nach optischen, und walten uber die
Ergebnisse keine Zweifel mehr.
I
Ein neuer Apparat, welcher nur die bekannten Ergebnisse bestatigen wtirde, hatte dnrum nur wenig Werth.
Die im Nachfolgenden beschriebene Sirene unterscheidet
sich von den Apparaten ahnlicher A r t durch einige wesentliche Punkte. E d e n s ist das in Schsingungen vcrsetzte
Mittel, zweitens die Art der Schwingungserzeugung von den
bisherigen verschieden, und drittens kannen Versuche und
Wirkung beliebig voneinander entfernt werclen. Diese Sirene
liefert auch einen experimentellen Beaeis der Gesetze iiber
die Combinationstbe, wie solche von H. v. H e l m h o l t z aufgestellt wurden. Edit den bislang bekannten Sirenen hat
diese gemein, dass nach Belieben einer oder mehrere Tone
erzeugt werden kannen, und dass das beztigliche Tonintervall
zum vorclus festgesetzt werden kann. Durch eine kleine,
leicht anzubringende Abanderung wird ee maglich, den gewahnlichen Uebelstand der Sirenen fast ganz zu heben, den
Uebelstand niSmlich , dass eine bestimmte Tonhohe nicht
genau beibehalten werden kann.
I. Beschreibung dee Apparates.
1. G r u n d f o r m d e s A p p a r a t e e . - I n seiner einfachsten Form beateht die Sirene an8 folgenden weeentlichen
Theilen: ein metallieches Zehnrad R (Fig. 7) ist anf einer
ebensolchen Axe A befeatigt und soll mit ihr um diese sich
drehen konnen. Auf dem Rand des Radee liegt eine Feder I;
R. Weher.
672
an, deren eines Ende festgeschraubt und mit einem Kupferdraht leitend verbunden ist, deren anderes Ende aber abwechselnd iiber einen Zahn und die darauf folgende LUcke gleitet.
Die Liicken alle sind mit isolirender Masse ausgefiLUt. Der
von der Feder F ausgehende Draht geht ,weiter nach einem
der Pole einer galvanischen Silule P. Ihr anderer Pol aber
ist direct mit einem Telephon T verbunden. Der electrische
Stromkreis ist also folgendermassen geschlossen: Ausgehend
von der Slule P, geht die Leitung nach dem Telephon T,
zur Axe A, nach dem Rad R,zur Feder I; und zuriick nach
dem anderen Pol der Slule. W e n n sich daher das Rad R
dreht, so wird der Stromkreis geschlossen oder offen sein,
je nachdem die Feder F auf einem der Metallzlihne oder
auf der isolirenden LUcke aufliegt. Im Telephon wird dadurch die Platte in regelmlssig wechselnder Folge angezogen
und wieder losgelaasen werden. Die schwingende Bewegung
aber erzeugt einen Ton.
Die Tonhahe oder die ihr entaprechende Schwingungszahl wird proportional sein erstens der Z B h n e d des Rades R
und zweiteus der Umdrehungsgeschwindigkeit der Axe A.
Die TonstiSrke oder die Schwingungsweite der Telephonplatte wird abhbgen von der S&ke des electrischen Stromes
und von der Art und Qualitiit des Telephons.
D i e ’ b g f a r b e oder die Zahl, HBhe und StiSrke der
Tone, welche sich dem Hauptton beigesellen, wird von der
Constanz des Elementes P, von der Beschaffenheit des Rades R
und der Feder F, sowie von der Art und Qualitilt des Telephons T abhlngen.
2. D i e m e h r f a c h e S i r e n e mi,t p r i m l r e m S t r o m .
- Ich habe eine Sirene bauen lassen mit fIinfzehn gezahnten U e r n , welche alle auf derselben Stahlrure festsitzen.
Jedes der Rlder hat 4 cm im Durchmesser, und stehen alle
gleichweit voneinander ab, nfimlich .um etwa 3 mm. Die
Zahl ‘der ZiLhne ist f#r jedes Rad eine andere; das erste
Rad hat deren 24, das zweite 27, daa dritte 90 und so fort,
jedes folgende Bad diejenigezahl, die ihm d o m m e n muss,
um dem jeweiligen Ton der Leiter zu entaprechen. Der
Zwischenranm zwischen den einzelnen Rldern sowohl als
’
R. Weber.
673
zwischen den einzelnen Zihnen ist gleichmbsig mit einer
sehr harten und isolirenden Masse ausgefillt. Der so entstehende Cylinder wurde dann s o r m t i g abgedreht, sodass
jeder Zahn eines jeden Rades sich scharf abgrenzte, ohne
aus der Masse herauszutreten.
An zwei Querstticken, welche die Axentrilger zusammenhalten, sind funfzehn Federn festgeschraubt. Jede einzelne
Feder liegt in der Ebene des entsprechenden Rades und
liegt mit dem nicht festgeschraubten Ende auf dieaem Rad
abwechselnd auf einem Zahn und einer isolirten Lticke
auf. Vor dem Cylinder, auf einem niimlicben Grundbrett
befinden sich ftinfzehn Klemmschrauben, welche durch DriShte
leitend mit dem featgeschraubten Federende verbunden sind.
Eine sechzehnte Feder schleift gegen die Stahlaxe und ist
andereneita mit einer sechzehnten Klemmschraube verbunden.
Nnch eben dieser Klemmschraube gelangt einer der vom
Telephon kommenden Drilhte; der andere Draht geht vom
Telephon nach dem Element.
Verfngt mnn nun tiber eine Anzahl von Elementen, welche
gleich ist dem Einfachen (oder einem Vielfachen) der h h l
der Rgder, so ist folgende Anordnung empfehlenswerth: die
negativen Pole sind unter sich und mit dem Telephon verbunden; der positive Pol jedes Elementes (oder jeder Reihe)
ist hingegen mit einer der Klemmschrauben verbunden und
durch sie rnit je nur einer der Federn 4 also rnit je nur
einem der Rgder R. Sol1 also nur eines der Riider einen
Ton erzeugen, so i a t nur durch eine der Klemmschrauben
die Verbindung herzustellen. Um mehrere Tbno eugleich zu
erhalten, sind mehrere der Elements durch die entsprechenden Klemmschrauben in den Stromkreis einzuschalten.
ER ist klar, dam die Anzahl der nothwendigen Elemente
such kleiner sein kann, als die Anzahl der RiLder, and nur
hkhstena gleich zu win braucht der Anzahl Riider, welche
zugleich einen Ton erzeugen sollen. Eine derartige Beschrbkung der Anzahl Elemente bedingt dsnn nur, daes bei
jedem Wechsel der W e r die Drahtverbindung bei den
Klemmschrauben entaprechend g e h d e r t werden muaa
Die uchematirche Anordnung der Rader R,,der Federn
Ann. d. Php. n. Chm. N. P. XXIV.
43
674
R. Weber.
F, der Elemente P und des Telephons T ist in Fig. 8
gegeben.
3. Verwendung d e r Inductionsstrbme. - I n manchen Flllen wird es passender sein, das Telephon nicht durch
primlren Strom, sondern durch Inductionsstrom zu erregen ;
so z. B., wenn der Widerstand im Stromkreis ein grosser ist.
Da die Qeffnungsinductionsstrbme von ktirzerer Dauer
und grbsserer Stgrke sind als die Schliessungsinductionsstrbme, so miissen sich erstere ganz besonders dazu eignen,
starke und reine Tbne zu erzeugen. Ich habe diese Tbne
nicht genauer untersuch t.
4. D a s Zlhlwerk. - Urn die Schwingungszahl eines
Tones zu bestimmen, kann man venchieden verfahren. I n
jedem Falle aber wird man ausser der Zlihneztrhla dea betreffenden Bades noch die Anzahl der Umdrehungen kennen miissen, welche die Axe in einer bekannten Zeit ausfilhrt.
Zu dieeem Zwecke trilgt die Axe der Sirene eine Schraube
ohne Ende, welche in ein Rad mit 150 Zlihnen eingreift. An
der Axe, welche diems Rad trlgt, und welche vertikal ateht,
iat oben noch eine weitere Scheibe befestigt. Diese ist auf
ihrem Umfange in 400 gleiche Theile getheilt, eodass also
zwei und ein halber Theil einer Umdrehung der Sirenenaxe
entsprechen. Der Einfachheit wegen kbnnen die auf der
Scheibe eingegrabenen Zahlen gleich die Zahl der Umdrehungen der Axe angeben. Die Axe der Scheibe hlilt
zwei voneinander unabhgngige Zeiger, welche beide fiber die
Scheibe hinauaragen und iibereinander liegen. An Stelle
der marketragenden Platte befinden sich zwei Schieber,
welche gewbhnlich die beiden Zeiger anhalten. Zu Anfang einer beatimmten Secunde kann der eine der Zeiger
durch den Schieber frei gemacht werden, und nun geht dieeer
mit der Scheibe herum. Nach einer ebenfalls beliebigen,
aber mi beatimmenden Zeit kann auf dieselbe Weise der
andere Zeiger frei gemacht werden, ohne daae wieder die
Umdrehnngsgeechwindigkeit der Axe im geringeten gelindert
Wthde. Der Abstand der beiden Zeiger in Verbindung mit
R. Weber.
675
der bestimmten Zeit und ZILhnezahl erlaubt die Bestimmung
der Schwingnngszahl.
5. D e r Motor. - Die Sirenenaxe kann durch irgend
einen Motor in Drehung versetzt werden. ' Ich benutzte zu
meinen Versuchen gewbhnlich das Schwungrad eines Gasmotors. Ee geniigt also, dass zu diesem Zwecke am einen
Ende der Axe eine Rolle mit Schnurlauf angebracht werde.
Die Sirene kann auch getrieben werden mit einem kleinen electrodynamischen Motor, wie z.B. mit dem GriscomMotor, der krgftig genug iet, um eine NILhmeechine zu
treiben. Die- beiden Maschinen kbnnen nebeneinander auf
einem gemeinschaftlichen Brett so befestigt werden, dass die
Axe der einen in der Verllngernng der Axe der anderen
Jiegt. Ein gabelfarmiger Fortsatz der Axe des Motors
greift in die Rolle, welche auf der Axe der Sirene festgemacht ist.
Endlich ist auf dieser niimlichen Axe noch ein Schwungrad angebracht, welches die Bewegung gleichfdrmig macht.
Dieser Motor in Verbindung mit der Sirene ist in Fig. 9
dargestellt.
Die Sirene wurde nach meinen Angaben von Hm.
Dr. N.H i p p , Director der Telegraphenfabrik in Neuenburg,
gebaut, der auch geneigt ist, auf Beetellung hin noch weitere
auszufilhren.
11. Versuche und Ergebnisse.
6. E i n f l u s s d e r B r e i t e d e r ZILhne. - Da die WLhne
der Rlder den Stromkreie jeweilen schliessen, und die mit
isolirender Masse geftillten Liicken denselben bfien nnd offen
halten, so folgt unmittelbar, dass die Breite der Zllhne die Dauer
dee Stromschlneses bedingt, ebenso wie die Breite der Lticken
die Daner der Unterbrechung bestimmt. Aber wirklich beetimmend ftir die Bildung des Tones ist offenbar weder die Breite
des Zahnes noch diejenige der Lacke, sondern nur das VerhHltnies beider Breiten. Ans diesem Gnmde habe ich vier
Bgder von gleicher GrBsee and gleicher ZBhnezahl schneiden
lassen; es waren je 40 Zllhne. Die rom Zahn nnd von der
Liicke eingenommepen m u m e waren aber verachieden bei
43*
676
R. Weber.
den einzelnen Radern, und zwar standen sie im Verhiiltniss
von 1: 12 beim ersten Rad, von 3: 12 beim zweiten, von 6 : 12
beim dritten, und von 9 : 12 beim vierten Rad.
Wenn dio iibrigen Versuchsbedingungen dieselhen blieben,
so gab jedes dieser 4 Rider denselben Ton nach Hohe und
Stlirke, aber die Tone waren verschieden nach ihrer Klangfarbe. Mit jedem der RiLder ergab sich ein guter, angenehmer Ton, aber immcr erklangen zum Grundton noch einige
harmonische Obertone.
So kommt zum Ton des vierten Rades, welcher den Eindruck eines starken und tiefen Tones macht, noch seine
Octave nnd die Doppeloctave, d. h. also 2 Tone, deren
Schwingungszahlen mit derjenigen des Grundtones im Verhgltniss von 1:2 :4 atehen. Von den beiden genannten Tonen
ist besonders der erste Oberton stark.
Zu dem vom dritten Rad erzeugten Ton kommen hauptsiichlich der erste und zweite harmonische Oberton (1 :2 :3);
dabei ist die Oberquinte (1:3) stlrker als die Octave (1 :2).
Der Gesammtton ist klarer als derjenige des vierten Rades.
Das zweite Rad ergab einen Ton, der mehrere leicht
wahrnehmbare Obertone enthielt : Zuniichst kommt die Octave
(1:2) nur schwach hinzu; am stirksten tijnt die Oberquinte
(1 :3) ; sodann die Doppeloctave (1:4) und ferner noch die
harmonischen Obertone 1: 5, und 1 :6, und 1:8.
Der vom ersten Rad erzeugte Ton scheint hoher zu sein
ale die anderen und dabei erheblich leiser. Die Octave des
Grundtones ist nicht hdrbar, hingegen ist die Doppeloctave
(1:4) leicht wahrnehmbar.
Ich bin zu diesen nlmlichen, durch das Gehor abgelesenen Ergebnissen such durch die optische Methode gelangt.
Zu letzterer Methode bediente ich mich einee groseen Telephons, dessen Magnet Stimmgabelform hat, und welches einen
etarken Ton gab. Auf dem Rand seines Mundsttickes habe
ich eine Manometerkapsel befestigt , wie solche H. KZInig
znm Stndium der Lnftschwingungen in Orgelpfeifen vorgeachlagen hat. I m Rotationsspiegel gesehen, haben die Flammen sehr charakteristische Formen, welche sich scharf von-
R. Weber.
677
einander unterscheiden, wenn man die verschiedenen Rader
einschaltet.
I n jedem E’alle bestand das Flammenbild aus einer Anzahl scharf und leicht ersichtlicher , identischer Gruppen.
Jede Qruppe entspricht einer Schwingung des Grundtones. Dann bestand gewohnlich jede dieser Gruppen aus
vier weniger scharf abgegrenzten ZBhnen; diese Z a n e
waxen von verschiedener Lilnge, je nach dem Bad, dern
dieselben entsprachen. - Das erste Rad ergab ZBhne, welche
alle gleiche Hohe, gleichen Werth hatten; der Gesammtton
setzt sich also zusammen aus dem Grundton und dem Ton
(1: 4), d. i. der Doppeloctave. - Bei Verwendung der anderen
Riider haben die Flammenzahne verschiedene Lange, indem
z. B. der erste und dritte langer sind ale der zweite und
vierte, oder der zweite und dritte knger sind als der erste
und vierte, und dabei zugleich der vierte der lsngste ist.
I m allgemeinen geben die Riider mit breiten Ziihnen
einen stlirkeren, aber weniger reinen Ton als die Rader mit
schmalen ZBhnen.
7. D e r e i n f a c h e S i r e n e n t o n . - Wenn man die Sirene,
die Elemente und das Telephon zusammenstellt, wie oben angegeben wurde, so gibt das Telephon leicht jeden irgend
einem der Rlider entsprechenden Ton, und die hohen T i h e
so leicht als die tiefen.
Wenn in denselben Kreis, fiir das namliche Telephon,
zwei oder mehr der Zahnrbder eingeschaltet werden, so erhBlt man im Telephon entsprechend zwei oder mehr Tbne.
8. C o m b i u a t i o n s t o n e . - Dadurch, dass man
in denselben Kreis zwei oder mehr Rlrder einschaltet, sendet
man zwei oder mehr electrische Wellensysteme nach demselben Telephon; diese Wellensysteme werden interferiren
wie es die Wellen im allgemeinen thnn. Es wird daher
neben den Eauptwellen noch eine Reihe von Wellen zweiter
oder dritter Ordnnng entstehen infolge dieser Interferenzen.
Diese Wellen h6herer Ordnnng werden ebenfalls alle auf die
Telephonplatte wirken und dadnrch h e n eptsprechende
Schallwellen erzeugen. Man erkennt so, dasa man die Combinationst6ne erhalten muss. Bekanntlich sind diese von
R. Weber.
678
H. v. H e l m h o l t z untersucht worden, und unterschied er
znerst die D i f f e r e n z t o n e von den Summationstanen.
In der That enhat man mit einem grossen Telephon
und einem Strom von 3 bis 4 Daniell fur jedes Rad der
Sirene geniigend starke Grundtone, um leicht einige der
Combinationsthe herauszuhoren. Diese Combinationstane
werden leichter wahrgenommen, wenn man die Grundtane so
W a l t , dass die Combinationstijne in der mittleren Region
der wahrnehmbaren T h e sich befinden, nnd wenn ausserdem
die Combinationstane mit den Grundtijnen nicht im Einklang
stehen. Nach einiger Uebung gelangt man dam, auch die
iibrigen Combinationstone aufzufassen.
Wenn man die Nummer des Yirenenrades mit einer
romischen Zahl bezeichnet, und die Zilhnezahl des entsprechenden Rades mit arabischen Ziffern darunter schreibt, so
werden sich folgende Zahlen entsprechen :
I I1 111 IV
24 27
30
v
32 36
VI V I I V I I I
40 45
48
Ix x
XI XI1
54
64
60
72
und die Tone:
ci di
A
hi
~3
dz -ea f a
9,
werden Schwingungszahlen hsben, welche das niimliche Vielfache der Zahlen der vorhergehenden Reihe sind; es seip dieses
Vielfache.
I m Folgenden gebe ich einige der leichter erhiiltlichen
Ergebnisse :
ei
91
01
1) Die Riider I und III geben die Grundtone: c1 =p .24=n1
und e, = p . 3 0 = na.
Sie eneugen die Combinationstane :
Cl=p. 6=p(na -nl),
G=pp18=p(2n,--),
4 = p . 5 4 =p(? IZ$), a1 = p . 4 0 .
2) In. gleicher Weise erzeugen die Riider I und V I I die
Grundtbne c, e p . 2 4 n, und h1 s p . 4 5 = n,, sowie die Combinationsthe air=p .21=p(n,-n1), und gesa=p. 6 9 = p ( ~ , + 1 ~ $ ) .
3) Die Riider III und VII ergeben el = p . 30 = n l ,
hl=p. 45=%, nnd E=p. 15=p(%-?), 9ira=p.75=p
+
I
(%+.%)a
-R.Weber.
679
4) Die Riider V und V I I I ergeben g1 = p . 3 6 = n1
und c a = p . 4 8 = n,; sodann noch C = p . 1 2 = p ( n , - n l ) .
c1 = p . 2 4 = p (2it, - %), (air.,) = p .84 = p (n, + R , ) .
5) Die Rlrder I und IX geben c1 = p . 2 4 = n, und
d2 = p . 5 4 = n2; sodann die Tone e, = p . 30 = p (n, - nl),
C = p . 6 = p (n, - 2n1), (US., 0,) = p . 78 = p (n,+ n l ) .
6 ) Die RBder I und X ergeben c1 = p . 24 = n, und
e2 =p.60 = n,; ferner noch 9,= p .36=p (n2- n,), c2 = p .48.
(ais,) = p . 8 4 = p (n, 7 5 ) .
7 ) Die Riider I und X I geben c, = p . 94 = n l , und
f a = p . 6 4 = % , sowie ferner u l = p . 4 0 = p ( ~ - n I ) , c2=p.45,
und (6,) ha) = p .88 = p (3 lil).
8 ) Die Biider I und XIII geben c1 = p . 24 = nl und
aa = p . 80 = % , und weiter (4, dir,) = p .56 = p (na - nl),
fl = p . 32 = p ( % - 2n1), c, = p . 48 = p (n, - (n2- 2n1)),
u1 = p . 4 0 , (des3, 4) = p .lo4 = p .(n2+ w , ) .
9 ) Die W e r I und X I V geben c1 = p . 2 4 = n1 und
g 1 = p . 9 0 = n 2 , sowie V ; ) = p . 6 6 = p ( n , - n 1 ) ,
(aia1)=p.42
G
=
p
.
18
=
p
(
n
2
3
n
l
)
,
(4,
es3)
= p . 114
= p ( n Z- 2 7 4 ,
=P(% + 3 ) .
10) Die Riider I und X V I ergeben c, = p . 24 = nl und
ds =p.lOS = n,, sowie (aWJ = p . 8 4 = p ( n , - n l ) , ea = p . 6 0
= p (n,-%) 9 91=p - 36=p ( ~ ~ - 3 7 59 )( f i 3 ) = p 132=p(n, +n1).
11) Die Riider I und X V I I geben cl = p . 24 = 7+ und
e S = p . 1 2 0 = n , , ferner c 3 = p . 9 6 = p ( n , - n l ) , g 2 = p . 7 2
= p (nt - 2n1), c, = p . 48 = p (n,- 3 5 ) .
12) Die Riider X I V und X V I I geben c3 = p . 9 6 = n, und
e, = p ,120 = n, , und noch den Combinationston c, = p .24
= p (n2 - 3) u. 8. w.
In diesem letzteren Fall waren die hohen Grundtbne
nur schwach, wenn die gewbhnliche Drehgeechwindigkeit beibehalten wurde; der Differenzton erstex Ordnung dagegen
erklang sehr stark, sogar vie1 stllrker ale die Omndtane.
Aber nicht nur die Combinationatiine zweier Grundtane
lassen eich untersuchen, sondern auch diejenigen fir drei
oder mehr GrundMne. Ein vorllidger Versuch lehrt schon,
+
+
R. Weber.
680
dass die Combinationstone dann sehr zahlreich werden, dabei
eine verhiiltnissmiisaig grosse Intensitit erlangen , und die
Grundtone dagegen schwiicher erklingen.
Vorliiufig gedenke ich auf diesen Theil der Untersuchung
spiiter zuriickzukommen.
9. Physiologische F r a g e . - Unter den Physiologen
war es lange eine offene Frage, ob die Combinationstone
wirklich und ausserhalb des Gehororganes existiren, oder ob
dioselben nur eine Gehorempfindung sind, welche im Gehororgan infolge gewisser mechanischer Stbrungen entstehen.
H. v. Helmholtz') hat im Jahre 1856 eine Theorie
der Combinationstone gegeben, welche von physiologischen
Fragen unabhllngig ist. Dieser Theorie hat er such einen
experimentollen Nachweis ftir das objective Vorhandensein
der Combinationstthe gegeben, indem er nachwies, dass eine
passend gespannte Membran mit dem Combinationston im
Einklang zum Schwingen gebracht werden kann.
Die mit der Sirene angeetellten Versuche, iiber welche
in 4 8 berichtet wurde, geben einen neuen und kiirzeren Beweis fiir die Richtigkeit der v. Helmholtz'schen Ansicht;
denn, wenn wir aus dem Telephon einen Ton haren, so muss
er von wirklichen Schwingen der Pltitte erzeugt, der Luft
mitgetheilt und uns zum Bewusstsein gebracht werden.
N e u c h h t e l , im Juni 1884.
1) v. Helmholtz, Pogg. Ann. 99. p. 497. 1856.
B e r i c h t i g u n g 6 n.
Bd.
,,
,,
x[x.
(C. Chrietianeen) p. 273 Z. 7 u. 8 liee
XXI. p..868 Z. 26 lies 7, atatt 11O.
Xxm. p. 303 Z. 6 lie8 0,06 etatt 0,6.
'p
etatt 8.
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