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Vorrichtung zur Erzeugung von Motor geräuschen beim Betrieb von Modelleisenbahnfahrzeugen
1. Die in der Hauptanmeldung beschriebçne Vorrichtung zur Brzeugung von Motor geräuschen
beim Betrieb von Modellautomobilen kann in modifizierter Form auch für Alodelleisenbahnfahrzeuge
Verwendung finden.
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Fur Modelldampflokomotiven sind bereits Vorrichtungen bekannt, mit
deren Hilfe die Auspuffgeräusche von Dampflokomotiven nachgeahmt werden können.
Für Modelle von Schienenfahrzeugen (Lokomotiven, Triebwagen usw.) mit Verbrennungsmotoren
ist eine entsprechende Vorrichtung bislang unbekannt.
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Nachfolgend wird eine Vorrichtung beschrieben, die geeignet ist,
die Motorgeräusche von Schienenfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren nachzuahmen.
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2. Durch die explosionsartige Vcrbrennung des Treibstoff-LuSt-Gemisches
in den Zylindern von Verbrennungsmotoren entsteht ein markantes Geräusch, das vom
menschlichen Ohr als eine Art "Ton" wahrgenommen wird, dessen Frequenz durch die
Motordrehzahl und die Zahl der Zylinder bestimmt wird. Dieser "Ton" allein ergibt
jedoch noch nicht das charakteristische Motorgeräusch. Erst durch zusätzliche Geräusche,
die durch Vibrationen sowie an den Ventilen, in der Auspuffanlage und an anderen
Stellen entstehen, wird aus dem nTon" das charakteristische Motorgeräusch.
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Bei Geschwindigiceits- und Belastungsänderungen der Fahrzeuge verändert
sich das Motorgeräusch. Die Weise, wie sich das Motorgeräusch verändert, ist abhängig
von der Art der Kraftübertragungseinrichtung.
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Kleine Fahrzeuge arbeiten oft mit mechanischer Kraftübertragung.
Bei Erhöhung der Geschwindigkeit erhöht sich die Motordrehzahl und damit die Frequenz
des "Tons" des Motorgeräusches, bis die Motordrehzahl und die Frequenz des "Tons"
beim Schalten in einen höheren Gang abrupt absinkt, um sich bei weiterer Geschwindigkeitserhöhung
wieder zu erhöhen, usw. Das Motorgeräusch verändert sich also bei diesen Schienenfahrzeugen
etwa wie beim Automobil.
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Bei größeren Schienenfahrzeugen wird die mechanische Kraftübertragung
nicht angewendet. Hier finden u.a. hydraulische und elektrische Kraftübertragungen
Verwendung. Das mit diesen Arten der Kraftübertragung verfolgte Ziel ist es, den
Motor möglichst immer im optimalen Drehzahlbereich zu halten. Es lassen sich hier
keine prinzipiellen Regeln formulieren, wie sich beim Erhöhen und Vermindern derGeschwindigkeit
des Schienenfahrzeugs die Motordrehzahl und damit die Frequenz des "Tons" des Motorgeräusches
ändert(vergl. auch die angegcbene Literatur).
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Bei allen Fahrzeugen wird jedoch bei Erhöhung der Belastung das Iotorgeräusch
lauter, bei Verminderung leiser.
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3. Die Nachahmung der Notorgeräusche geschieht folgendermaßen: Der
durch die Abfolge der Verbrennungsknalle entstehende "Ton" wird durch ein Inlpulssignal
nachgeahmt. Die Vorrichtungen zur Erzeugung von Impulssignalen - Impulssignalgeneratoren
- werden in der Fachliteratur ausfiihrlich beschrieben: Multivibratoren, Sägezahngeneratoren,
Sperrschwinger, Sinusgeneratoren und Oszillatoren (die zwei letztgenannten mit nacllgeschaltetem
Impulsformer) sowie andere Schaltungen.
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Für die Nachahmung der zusätzlichen Geräusche, die durch Vibrationen
sowie an den Ventilen, in der Auspuffanlage und an anderen Stellen entstehen, wird
ein durch einen xreißrausch- oder Störrauschgenerator erzeugtes Kauschsignal verwendet.
Das Rauschsignal wird durch einen Vibratogenerator,) wie er aus der Musikelektronik
bekannt ist, in seiner Amplitude ausgesteuert bzw. amplitudenmoduliert. Die Vibratofrequenz
sollte genau dieselbe oder wenigstens näherungsweise dieselbe sein wie die Frequenz
des "Tons" des Motorgeräusches.
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Die Nachahoung der Geräuschänderung beim Erhöhen und Vermindern der
Geschwindigkeit ist bei den meisten Schienenfahrzeugen problematisch.
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Bei den wenigen Modellen von Fahrzeugvorbildern mit mechanischer
Kraftübertragung sind die Ceräuschänderungsvorgänge einschließlich der Schaltvorgänge
auf dieselbe Weise nachzuahmen wie bei Automobilen. Dies wurde in der Hauptanmeldung
schon beschrieben.
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1) Die Terminologie ist in der Elektronik nicht einheitlich.
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Schaltungen zur Erzeugung eines Amplituden-Vibratos werden manchmal
auch als Tremolo-Generatoren bezeichnet.
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Weitaus die meisten Schienenfahrzeugmodelle sind Nachbildungen von
Sciencnfahrzeugen mit hydraulischer oder mit elektrischer Kraftübertragung. Eine
exakte Nachahmung der Geräuschindrungsvorgänge bei erhöhung oder Verminderung der
Fahrtgeschwindigkeit ist hier wenig sinnvoll. Da die Käufer von Nodelleisenbahnen
häufig nur sehr geringe Renntnisse über das Drehzahlverhalten der Verbrennungsmotoren
von Schienenfahrzeugen besitzen, können sie derartige Feinheiten schwerlich würzigen.
Sie würden aus ihrer Unkenntnis heraus die vielfach als willkürlich und wenig "logisch"
erscheinenden Goräuschänderungsvorgänge beim Beschleunigen und Verzögern des Schienenfahrzeugs
sogar eher als falsch beurteilen. Der erhöhte technische Aufwand für eine exakte,
den einzelnen Fahrzeugtypen mit ihren vielfältigen Kraftübertragungsformen speziell
angepaßte Nachahmung der Geräuschänderungsvorgänge ist außerdem kaum zu vertreten.
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Die in Bezug auf einen" subjektiv richtigen" Eindruck und vertretbaren
technischen Aufwand optimale Steuerung des Motorgeräusches ist die folgende: Die
Frequenz des "Tons" des Motorgerausches sowie die Vibratofrequenz wird in Abhängigkeit
von der Fahrspannung in der Weise geregelt, daß bei niedrigster Fahrspannung die
Frequenz niedrig und bei höchster Fahrspannung die Frequenz hoch ist. Die Frequenzinderung
darf aber nur so groß sein, daß es den subjektiven Vorstellungen des Zuhörers nicht
widerspricht.
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Die Lautstärke wird ebenfalls fa«spannungsabhängig geregelt: laut
bei hoher Spannung, leise bei niedriger Spannung.
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Durch die bei hoher Geschwindigkeit und/oder starker Belastung des
tiodellfahrzeugs notwendige hohe Fahrspannung wird damit das von Zuhörern bei diesem
Fahrzustand subjektiv erwartete Motorgeräusch eines mit hoher Leistung arbeitenden
Motors - llolle Drehzahl, große Lautstärke - erzeugt.
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Das Umgekehrte gilt für niedrige Geschwindigkeiten und/ oder geringe
Belastungen bei niedriger Fahrspannung.
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4. Ausführungsformen 4.1 In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung,
die sich vollstandig in die Fahrzeugmodelle einbauen ßt, im Blockschaltbild dargestellt.
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Darin ist (i) die Fahrschiene, die gleichzeitig der Stromzuführung
dient1 so u.a. zur Stromversorgung des Bahrmotors (2). (3) ist ein Brückengleichrichter.
Der Impulssignalgenera wor (6) - ein Multivibrator, Sägezahngenerator, Sperrschwinger,
Sinusgenerator, Oszillator mit ggf. nachgeschaltetem Impulsformer oder eine andere
Schaltung zur Erzeugung von Impulssignalen - erzeugt das Impuls-signal, das den
"Ton" des otorgerDusces nachahmt. Die Schaltung des Impulssignalgenerators ist so
aufgebaut, daß die Frequenz des Impulssignals in Abhängigkeit der zugeführten Spannung
geregelt wird.
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Der Rauschgenerator (4) - ein Weißrausch- oder Störrauschgenerator
- erzeugt das Rauschsignal, das der Nachahmung der zusätzlichen Geräusche eines
Motors dient. Das Rauschsignal wird durch den Vibratogenerator (5) in seiner Amplitude
ausgesteuert (amplitudenmoduliert). Der Vibratogenerator ist so geschaltet, daß
sich die Vibratofrequenz wie die Frequenz des Impulssignals in Abhängigkeit von
der zugeführten Spannung ändert. (Die Schaltung låßt sich vereinfachen, indem man
die Frequenz des Vibratogenerators durch den Impuls signalgenerator steuert.) Das
von (6) sowie von (4) und (5) erzeugte Tonfrequenzsignal wird im Verstarker (7)
gemischt, verstärkt und dem Lautsprecher (8) zugeführt. Die Wiedergabeleistung des
Verstärkers wird in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung geregelt.
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Von Bedeutung ist die Methode der Stromversorgung. Sie beeinflußt
u.a. die Empfindlichkeit der Vorrichtung in Bezug auf Störungen (u.a. durch den
Fahrmotor des Modells) sowie deu Schaltungsaufwand bei einzelneii Komponenten der
Vorrichtung.
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Bei der in Fig.1 dargestellten Methode der Stronwersorgung werden
sämtliche Komponenten über die an den Schienen (1) sowie am Motor (2) anliegende
Fahrspannung mit Spannung versorgt.
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Bei niedriger Fa}lrgeschwilldigkeit der Modelle kann die Fahrspannung
auf Werte von weniger als 5 Volt sinken.
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Rauschgeneratoren, die mit derart niedrigen Versorgungsspannungen
arbeiten, erzeugen nur eine sehr niedrige Rauschsignalspannung. , Die dann notwendige
hohc Verstärkung erfordert aufwendige Verstärkerschaltungen, die besonders empfindlich
für Störungen durch den Fahrmotor des Modells sind. Von Vorteil ist deshalb eine
andere Methode der Stromversorgung, bei der der Rauschgenerator mit seinem geringen
Leistungsbedarf über eine Batterie oder einen Batterie-Akku (exakter: Zusammenschaltung
von Primärelementen oder von Sekundärelementen) von relativ hoher Spannung (z.B.
15 V) mit Strom versorgt wird. Eventuell können auch Impulssignalgenerator und Vibratogenerator
auf diese Weise mit Strom versorgt werden. Die Fahrspannung dient dabei weiterhin
als Steuerspannung für die Frequenz. Der Verstärker Init seinem hohen Leistungsbe
darf wird tklTei wçeiterhin über die Fahrspannung mit Strom versorgt. In Fig.2 ist
nun die Methode der Stromversorgung durch Fahrspannung sowie durch Batterie bzw.
Batterie-Akku gleichzeitig dargestellt. An (9) liegt die Fhrspannung an, Schaltungsblock
(10) umfaßt die Komponenten Brückengleichrichter, Rauschgenerator, Vibratogenerator,
Impulssignalgenerator und Verstärker, (ii) ist der Lautsprecher und (12) die^Batterie
bzw. der Batterie-Akku.
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In Fig.3 ist eine weitere Methode der Stromversorgung dargestellt.
Die Batterie bzw. der Batterie-Akku ist hier durch einen Spannungswandler bzw. Spannungsvervielfacher(16)
ersetzt. Diese ICompollente (16) setzt die an (13) anliegende Fahrsauiung auf den
gewünschten Wer4ierauf. Sie versorgt den Rauschgenerator, den Vibratogenerator und
den Impulssignalgenerator njit der gewünsclten Betriebsspnnung. Da die von ilir
mit Spannung versorgten Komponenten nur einen geringen Leistungsbedarf haben, läßt
sie sich so klein gestalten, daß sie sich selbst in kleinen Nodellfahrzeugen unterbringen
litt. In Fig.3 umfaßt der Schaltungsblock (i4) die Komponenten Brückengleichrichter,
Rauschgegerator, Vibratogenerator, Impulssignalgenerator und Verstarker.
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(15) ist der Lautsprecher.
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Bei der in Fig.4 dargestellten Methode der Stromversorgung wird die
an (17) anliegende Fahrspannung durch den Spannungswandler bzw. Spannungsvervielfacher
(18) auf eine höhere Spannung heraufgesetzt und damit die im Schaltungsblock (19)
vereinigten Komponenten Rauschgenerator, Vibratogenerator, Impulssignalgenel-ator
und Verstärker mit Spannung versorgt.
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(20) ist der Lautsprecher, (22) die Stromzuführung für die Betriebsspannung,
(21) die Stromzuführung für die Regelspannung,die die Frequenz des Impulssignalgenerators
und Vibratogenerators sowie die Lautstärke regelt. Da hier der Spannungswandler
bzw. Sparlungsvervielfacher für eine wesentlich höhere Leistung ausgelegt werden
muß und damit auch wesentlich voluminöser wird als bei jener Stromversorgungsulethode
nach Fig.3 , ist diese Methode hauptschlich für Fahrzeugmodelle größeren Maßstabs
geeignet.
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4.2 In Fig.5 ist im Blockschaltbild eine weitere Ausführung der Vorrichtung
dargestellt. Sie besteht aus einem stationären, mit der Schienenanlage elektrisch
verbundenen Teil ('6) sowie aus einem nicht-stationären, in das Fahrzeugmodell eingebauten
Teil (25), der u.a. den Lautsprecher enthilt.
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(23) ist die Fahrschiene, die auch als Stromzuführung zu den Modellfahr>.eugen
dient. (24) ist der Fahrreglcr.
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Der Stationäre Teil (26) dient der Erzeugung der Tonfrequcnzspanllung.
Er besteht aus den RomponAnten Rauschgene rator (35), Vibratogenerator (36), Impulssignalgenerator
(33), Verstrer (34). Die Stromversorgung erfolgt über die Fahrspannung. Da die Fahrspannung
oft nicht den idealen Wert zum Betrieb der einzelnen komponenten (33), (34), (35),
(36) besitzt - so beispielsweise wenn die Fahrzeugmodelle nit niedriger Geschwindigkeit
fahren - ist die Komponente (32) eingebaut, die aus einem Spannungswandler bzw.
Spinnungsvervielfacher sowie einem Spannungsregler besteht und die Fahrspannung
auf einen geeigneten Wert heraufsetzt, auf diesem Wert begrenzt und sie über die
Leitung (32b) den Komponenten (33), (34), (35), (36) suführt.
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Die Regelung der Frequenz von Impuissignalgenerator und Vibratogenerator
sowie der Wiedergabe lautstärke erfolgt in Abhängigkeit von der Fahrspannung, Die
Fahrspannung wird hierzu den Koinponenten (33), (34) und (36) über die Leitung (32a)
zugeführt.
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Das im Impulssignalgenerator (33) erzeugte Impulssignal sowie das
im Rauschgenerator (35) erzeugte und im Vibratogenerator (36) in der Amplitudc ausgesteuerte
(amplitudenmodulierte) Rauschsignal werden im Verstärker (34) gemischt sowie verstärkt
und dann über die Kondensatoren (37) in die Fahrschiene (23) eingespeist. Das Modellfahrzeug
nimnit über
Stromabnehmer (30) die Fahrspannung sowie die der Fahrspannung
überlagerte Tonfrequenzspannung ab. Die Tonfrequenzspannung wird dem Lautsprecher
(29) über den Kondensator (28) zugeführt. Dieser ist so bemessen, daß er den Lautsprecher
vorder Fahrspannung (Glcichspannung oder 50 Hz-Wechselspannung) schützt, für die
höherfrequente Tonfrequenzspannung aber durchlässig ist. Der Motor (27) besitzt
eine ausreichende Induktivitätr um vor der Tonfrecjuenzspannung geschätzt zu sein.
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Außer der oben dargestellten Methode der Stromversorgung gibt es
weitere Methoden. So kann zur Stromversorgung in den Teil (X6) ein Netzteil eingebaut
werden. Die Komponente (32) fällt dann weg. Die dem Teil (26) weiterhin zugeführte
Fahrspannung dient dann nur noch zur Regelung von Frequenz und Lautstärke.
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Die Stromversorgung kann auch derart erfolgen, daß die Komponenten
(33), (35) und (36) über Batterie bzw. Batterie-Akku mit Strom versorgt werden und
die Komponente (34), der Verstärker, über die Fahrspannung mit Strom versorgt wird.
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4.3 Die in Abschnitt 4.2 beschriebene Ausführungsform kann variiert
werden, um die bei Schienenfahrzeugen mit mechanischer Kraftübertragung typischen
Geräuschänderungen beim Erhöhen und Vermindern der Fahrgeschwindigkeit sowie beim
Schalten nachzubilden. Die Regelung der Frequenz des Impulssignalgenerators und
des Vibratogenerators erfolgt bei dieser dritten Ausführung nicht über die Fahrspannung,
sondern über zwei spezielle Regelwiderstände (je einen für den Impulssignalgenerator
und den Vibratogenerator). Die Regelwiderstände sind mit dem Fahrregler mechanisch
gekoppelt. In Fig.6a-c sind die Zusammenhange wiedergegeben, die sich bei der beschriebenen
mechanischen Kopplung zwischen Fahrspannung (a), Widerstandswert eines Regelwiderstandes
(b) sowie der
Frequenz von Impuissignalgenerator bzw. Vibratogenerator
(c) in Abhängigkeit von der Reglerstellung ergeben. Die dargestellten Zusammenhänge
gelten für Modelle von Schienenfahrzeugen mit einem mechanischen 4-Gang-Getriebe.
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Natürlich können auch die für andere Arten der raftübertragung typischen
Geräuschänderungsvorgänge beim Erhöhen und Vermindern der Fahrgeschwindigkeit durch
eine Regelung des Impulssignalgenerators, des Vibratogenerators und des Verstärkers
mit Regelwiderständen (die den jeweiligen Erfordernissen anzupassen sind) nachgeahmt
werden. Es ist vorteilhaft, die Regelwiderstände mit dem Fahrregler mechanisch zu
koppeln. Aber auch Ausführungen, die eine separate Bedienung der Regelwiderstände
erlauben sind verwirklichbar.
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4.4 Die in Abschnitt 4.2 und 4.3 beschriebenen Ausführungen der Vorrichtung
lassen sich noch um eine Komponente erweitern, die ein Tonfrequenzsignal erzeugt,
das das Geräusch der Pfeife von echten Schienenfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren
nachahmt. Schaltungen zur Erzeugung eines Tonfrequenzsignals, das einem Pfeifton
ähnelt, sind in der Fachliteratur beschrieben.
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Die Pfeif-Komponente wird in den stationären Teil der Vorrichtung
eingebaut und auf dieselbe Weise wie der Rauschgenerator mit Strom versorgt. Über
einen Schalter wird sie an die Verstärkerkomponente angeschlossen. Beim Betätigen
des Schalters wird das Pfeifsignal dem Verstärker zugeführt, verstärkt und über
den Lautspiecher im Fallrzeugmodell wiedergegeben. (Befindet sich das Fahrzeug gerade
in Fahrt, wird das Pfeifsignal gemeinsam mit dem Motorgeräusch wiedergegeben,) Entsprechend
wie die Pfeifkompouente lassen sich noch weitere Tonfrequenzsignale erzeugende Komponenten
zufügen: Komponenten zur Erzeugung eines Huptones, eiens Glockentones usw.
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Literatur zum Problem der Kraftübertragung: llenschel - Lokomotiv
- Tascllenbuch, Ausgabe 1960, Kassel 1960, S. 171 ff.