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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 nach- zuweisen 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 akusti- schen Methoden, theils nach optischen, und walten uber die Ergebnisse keine Zweifel mehr.

Ein neuer Apparat, welcher nur die bekannten Ergeb- nisse bestatigen wtirde, hatte dnrum nur wenig Werth.

Die im Nachfolgenden beschriebene Sirene unterscheidet sich von den Apparaten ahnlicher A r t durch einige wesent- liche 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 auf- gestellt 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 ge- wahnlichen Uebelstand der Sirenen fast ganz zu heben, den Uebelstand niSmlich , dass eine bestimmte Tonhohe nicht genau beibehalten werden kann.

I

I. Beschreibung dee Apparates.

1. G r u n d f o r m d e s Appara t ee . - I n seiner einfach- sten 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;

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an, deren eines Ende festgeschraubt und mit einem Kupfer- draht leitend verbunden ist, deren anderes Ende aber abwech- selnd 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. Wenn 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 da- durch die Platte in regelmlssig wechselnder Folge angezogen und wieder losgelaasen werden. Die schwingende Bewegung aber erzeugt einen Ton.

Die Tonhahe oder die ihr entaprechende Schwingungs- zahl 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 Telephon- platte 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 Tele- phons T abhlngen. ’

2. D i e mehrfache S i rene mi,t p r i m l r e m St rom. - Ich habe eine Sirene bauen lassen mit fIinfzehn gezahn- ten 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 dommen muss, um dem jeweiligen Ton der Leiter zu entaprechen. Der Zwischenranm zwischen den einzelnen Rldern sowohl als

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zwischen den einzelnen Zihnen ist gleichmbsig mit einer sehr harten und isolirenden Masse ausgefillt. Der so ent- stehende 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 zusammen- halten, 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 ver- bunden; 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 entsprechen- den 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 Be- schrbkung der Anzahl Elemente bedingt dsnn nur, daes bei jedem Wechsel der W e r die Drahtverbindung bei den Klemmschrauben entaprechend gehde r t werden muaa

Die uchematirche Anordnung der Rader R, ,der Federn Ann. d. Php. n. Chm. N. P. XXIV. 43

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F, der Elemente P und des Telephons T ist in Fig. 8 gegeben.

3. Verwendung d e r Induct ionsstrbme. - I n man- chen 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 Schliessungsinductions- strbme, 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 be- treffenden Bades noch die Anzahl der Umdrehungen ken- nen miissen, welche die Axe in einer bekannten Zeit aus- filhrt.

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, ia t 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 Um- drehungen 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 An- fang 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

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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 Gas- motors. 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 klei- nen electrodynamischen Motor, wie z.B. mit dem Griscom- Motor, 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 fest- gemacht ist.

Endlich ist auf dieser niimlichen Axe noch ein Schwung- rad 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 beetim- mend ftir die Bildung des Tones ist offenbar weder die Breite des Zahnes noch diejenige der Lacke, sondern nur das Ver- hHltnies 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

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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 Klang- farbe. Mit jedem der RiLder ergab sich ein guter, angeneh- mer Ton, aber immcr erklangen zum Grundton noch einige harmonische Obertone.

So kommt zum Ton des vierten Rades, welcher den Ein- druck eines starken und tiefen Tones macht, noch seine Octave nnd die Doppeloctave, d. h. also 2 Tone, deren Schwingungszahlen mit derjenigen des Grundtones im Ver- hgltniss von 1 : 2 : 4 atehen. Von den beiden genannten Tonen ist besonders der erste Oberton stark.

Zu dem vom dritten Rad erzeugten Ton kommen haupt- siichlich 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 abgele- senen Ergebnissen such durch die optische Methode gelangt. Zu letzterer Methode bediente ich mich einee groseen Tele- phons, 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 vorge- achlagen hat. Im Rotationsspiegel gesehen, haben die Flam- men sehr charakteristische Formen, welche sich scharf von-

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einander unterscheiden, wenn man die verschiedenen Rader einschaltet.

I n jedem E’alle bestand das Flammenbild aus einer An- zahl scharf und leicht ersichtlicher , identischer Gruppen. Jede Qruppe entspricht einer Schwingung des Grund- tones. 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.

Im 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 enen ton . - Wenn man die Sirene, die Elemente und das Telephon zusammenstellt, wie oben an- gegeben 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 er- hBlt 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 dem- selben 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 Com- binationst6ne erhalten muss. Bekanntlich sind diese von

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H. v. Helmhol tz untersucht worden, und unterschied er znerst die Di f fe renz tone 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 entspre- chenden Rades mit arabischen Ziffern darunter schreibt, so werden sich folgende Zahlen entsprechen :

I I1 111 IV v VI V I I VII I Ix x XI XI1 24 27 30 32 36 40 45 48 54 60 64 72

und die Tone:

ci di ei A 91 01 hi ~3 dz -ea f a 9, werden Schwingungszahlen hsben, welche das niimliche Viel- fache der Zahlen der vorhergehenden Reihe sind; es seip dieses Vielfache.

I m Folgenden gebe ich einige der leichter erhiiltlichen Ergebnisse :

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 - n l ) , G = p p 1 8 = p ( 2 n , - - ) , 4 = p . 5 4 =p(? + IZ$) , 2) In. gleicher Weise erzeugen die Riider I und V I I die

Grundtbne c, e p . 2 4 I n, und h1 s p . 4 5 = n,, sowie die Combi- nationsthe air=p .21=p(n,-n1), und gesa=p. 69=p(~ ,+1~$) .

3) Die Riider III und VII ergeben el = p . 30 = nl ,

a1 = p . 4 0 .

hl=p. 45=%, nnd E=p. 15=p(%-?), 9ira=p.75=p (%+.%)a

-R. Weber. 679

4) Die Riider V und V I I I ergeben g1 = p .36 = n1 und c a = p . 4 8 = n,; sodann noch C = p . 1 2 = p ( n , - n l ) . c1 = p .24 = p (2 it, - %), (air.,) = p .84 = p (n, + R,) .

5) Die Rlrder I und IX geben c1 = p . 2 4 = n, und d2 = p .54 = n2 ; sodann die Tone e, = p . 30 = p (n, - nl),

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 . 84 = p (n , + 75) .

7 ) Die Riider I und XI 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 g1 = p . 9 0 = n 2 , sowie V ; ) = p . 6 6 = p ( n , - n 1 ) , (aia1)=p.42 = p ( n Z - 2 7 4 , G = p . 18 = p ( n 2 - 3 n l ) , (4, es3) = p . 114

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 , - nl ) , ea = p . 6 0

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

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

In diesem letzteren Fall waren die hohen Grundtbne nur schwach, wenn die gewbhnliche Drehgeechwindigkeit bei- behalten 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,

C = p . 6 = p (n, - 2n1), (US., 0,) = p . 78 = p (n, + nl) .

= P ( % + 3 ) .

= p (n, -%) 9 91=p - 36=p ( ~ ~ - 3 7 5 ) 9 ( f i 3 ) = p 132=p(n, +n1).

= p (nt - 2n1), c, = p . 48 = p (n, - 3 5 ) .

= p (n2 - 3) u. 8. w.

680 R. Weber.

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 Gehor- organ 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 Be- weis 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.

Neuchh te l , im Juni 1884.

1) v. Helmholtz , Pogg. Ann. 99. p. 497. 1856.

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