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Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung von Schallwellen.
Es sind Vorrichtungen zur Bestimmung der Richtung eines ankommenden Schallwellenzuges bekannt, bei denen entweder von den Erscheinungen der Sammlung oder Reflexion von Schallstrahlen Gebrauch gemacht oder das Prinzip der Interferenz angewendet wird, indem mehrere gegebenenfalls selbständige Empfänger in mehr oder weniger grosser Entfernung voneinander angebracht werden und aus der Zeitdifferenz des Eintreffens eines und desselben Impulses an den verschiedenen Empfängern die Richtung der Schallquelle mit Hilfe der Rechnung ermittelt wird. Bei allen diesen Vorrichtungen lässt man die den Schallvorgang im Medium begleitenden, also die im Schallfeld auftretenden Druckerscheinungen auf die Empfänger einwirken.
Diese Vorrichtungen dürfen also, wenn sie günstig wirken sollen, nicht klein gegen die Wellenlänge der verwendeten Frequenz sein, was bei Verwendung mehrerer Empfänger auf Grund des Interferenzprinzips ohnedies in den meisten Fällen ausgeschlossen ist. Die Ausführung und Handhabung dieser Vorrichtungen bietet daher ihrer Grösse wegen erhebliche Schwierigkeiten, und eine Verwendung derselben etwa nach Art eines Periskops bei Unterseebooten ist undenkbar.
Man kann aber Sehallwellen, beispielsweise solche unter Wasser auf zwei Arten in Erscheinung treten lassen, einmal, indem man sie, wie gesagt, in Gestalt von Druck auf ein nachgiebiges Gebilde wirken lässt, etwa auf eine Membran, hinter der ein leerer oder mit kompressiblen Stoffen gefüllter Raum sich befindet, zweitens aber, indem man die hin und her gehende Bewegung der Wasserteilchen beim Schallvorgang auf einen im Wasser angeordneten Gegenstand wirken lässt, der dieser Bewegung zu folgen vermag.
Die Erfindung. besteht dem Bekannten gegenüber darin, dass zur Bestimmung der Richtung eines Schallwellenzuges lediglich die im Gegensatz zu den allseitig sich ausbreitenden Druckvorgängen einseitige Richtung (d. h. die Polarität) der beim Schallvorgang auftretenden Bewegungsvorgänge des Mediums ausgenutzt, die nicht polaren, d. h. nicht gerichteten Druckvorgänge jedoch auf den Empfänger unwirksam gemacht werden. Erfindunggemäss benutzt man zu diesem Zwecke ein gleichfalls polares, also in einer bevorzugten Richtung wirkendes Empfangsgebilde, beispielsweise ein geeignet gebautes Mikrophon oder einen sonstigen Detektor mit einseitig bevorzugter Schwingungsrichtung seiner beweglichen Teile, oder auch ein akustisches Schwingungsgebilde mit scharf ausgeprägter Amplitudenrichtung, z. B. eine Stimmgabel.
Selbstverständlich kann man auch einen polar wirkenden Detektor in Verbindung mit einem polar wirkenden Schwingungsgebilde benutzen. Ein solches Empfangsgebilde wird im übertragenden Medium so angeordnet, dass die Druckkräfte des Schallvorganges von dem Detektor abgehalten oder gegenseitig ausgeglichen werden, dass dagegen der Detektor gegebenenfalls mit seinem Träger als Ganzes von den Bewegungsvorgängen mitgenommen wird, auf denselben also lediglich die durch die Bewegung des der Bewegung des übertragenden Mediums folgenden Empfangsgebildes ausgelösten Kräfte zur Einwirkung kommen.
Die Abmessungen des Apparates werden vorzugsweise so gewählt, dass der gesamte Empfänger die Schwere der durch ihn verdrängten Menge des übertragenden Mediums erhält, so dass er möglichst genau den Bewegungsamplituden desselben folgt,
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Stab o. dgl. befestigt, in einem Rahmen federnd aufgehängt oder sonst in geeigneter Weise an einem starren Träger derart angebracht sein, dass er den sehr kleinen Schallbewegungen der Wasserteilchen folgen kann. Zu beachten ist dabei, dass er bei den Drehungen nicht in langsame Torsionsschwingungen von so grosser Amplitude gerät, dass die untere Genauigkeitsgrenze der Richtungsbestimmung selbst überschritten und diese fehlerhaft beeinflusst wird.
Diese Bedingung ist infolge der Kleinheit'der Schallbewegungsamplituden sehr leicht mit bekannten technischen Mitteln zu erfüllen. Durch Drehung des Empfangsapparates kann man so den Detektor, je nachdem man seine bevorzugte Schwingungsrichtung mit der Richtung der Schallvorgänge im Schallfelde mehr oder weniger in Übereinstimmung bringt, zu stärkerem oder schwächerem Ansprechen bringen und daraus auf die Richtung des ankommenden Schalles schliessen.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht.
Fig. r und 2 zeigen einen gerichteten Empfänger, bei dem der Einfluss von Drucken auf den Detektor ausgeschaltet ist. Fig. 3 zeigt einen Empfänger, bei dem die auf den Apparat wirkenden Druckkräfte sich gegenseitig aufheben.
In Fig. i bezeichnet 1 den Ring, der so stark gewählt ist, dass aussen über ihn hinweg gehende Druckwellen bei den in Betracht kommenden Frequenzen keine merkliche Deformation desselben bewirken. In der Praxis genügen bei einem Ringdurchmesser von etwa 10 cm einige Quadratzentimeter Querschnitt. Der Ring trägt innen an beliebiger Stelle ein Mikrophon 2 mit einseitig gerichteter also polarer Wirkungsweise, z. B, ein normales Körnermikrophon mit Körnerkammer 3 und Plattenelektroden 4,. , Kugelhälften 5. 5 bilden mit dem Ring zusammen ein luftgefülltes Gefäss, das im Wasser eben keinen Auftrieb mehr besitzt.
Fig. 2 zeigt den gleichen Apparat in der Draufsicht mit abgenommener oberer Kugelhälfte.
Gelangt dieser Apparat in ein sich ausbreitendes Schallfeld, so können die in diesem Felde auftretenden Diuckkräfte auf den in dem luftgefüllten Raum befindlichen Detektor
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wellen begleitende Bewegungswelle aber wird der Apparat als Ganzes mitgenommen. Verläuft diese Bewegungswelle in Richtung der ausgezogenen Pfeile, bei der dargestellten Anordnung also in Richtung der Wirksamkeit des Mikrophons, so spricht dieses infolge der Trägheitswirkung
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Richtung von der Polarität des Mikrophons abweicht und am wenigsten, wenn die Bewegungswelle in Richtung der punktierten Pfeile ankommt.
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polar wirkender Detektor 4 angebracht.
Die mit dem Schallfeld sich ausbreitenden Drucke sind bei dieser Konstruktion in ihrer Wirkung auf dem Detektor zufolge ihrer Gleichphasigkeit an den Wänden 2,2 in jeder Lage ausgeglichen. Bewegt sich jedoch das gesamte Gefäss, einer etwa in Richtung der ausgezogenen Pfeile wirkenden Bewegungswelle folgend, hin und her. so wird einer der Stiele gedehnt, der andere aber gekürzt und das Gewicht mit dem Detektor gerät in Schwingungen in Richtung der Stiele d. h. in der Richtung, auf die der polare Detektor am stärksten anspricht.
Wirkt die Bewegungswelle beispielsweise in Richtung der gestrichelten Pfeile, so gerät das aus den Stäben und dem Gewicht bestehende Gesamtsystem in Transversalschwingungen und schwingt somit in einer Richtung, in welcher der Detektor nicht mehr anspricht.
Um den Einfluss der einfachen Schalleitung von dem Detektor auszuschalten, ist es vorteilhaft, ihn in einer Symmetrieachse des Systems zu befestigen, wie es in Fig. 3 angegeben ist.
Für den Empfang von Wellen bestimmter Länge kann man die Wirkungsweise des Apparates erhöhen, indem man das aus den Stäben und dem Gewicht bestehende System bezüglich der Longitudinalschwingungen der Stäbe auf die Frequenz der ankommenden Welle abstimmt. Dadurch wird das Schwingungsgebilde durch Resonanzwirkung bezüglich seiner
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werden, dass die Transversalschwingung des Gebildes, die bei dem Empfang in Richtung der gestrichelten Pfeile auftreten kann, weit von der Longitudinalschwingung abliegt, und deshalb nicht in gleichem Masse zur Ausbildung gelangt. Man kann im letztgenannten und in analogen Fällen naturgemäss auch Detektoren verwenden, die keine ausgesprochene Polarität der Wirkungsweise besitzen.
Einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt folgende Anschauung zugrunde :
Wenn in einem kontinuierlichen Medium ein schwerer und ein leichter Körper in
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so wird der leichte Körper die Bewegung des Mediums mitmachen, der schwere hingegen infolge seiner Trägheit seine Lage im Raume beibehalten. Wird ein solches System so gebaut, dass es eine bevorzugte Ausdehnung besitzt, also beispielsweise eine Fläche darstellt, indem man etwa in Luft in einem frei aufgehängten dicken Metallring eine Gummimembran ausspannt, so wird bei Bewegungen der Luft senkrecht zur Ebene des Systems die Membran durchgebogen, wohingegen der Ring im wesentlichen seine Ruhelage beibehält. Erfolgt die Luftbewegung parallel zur Ebene des Systems, also an beiden Seiten die Membran streifend, so bleibt auch diese in Ruhe.
Die Erfindung besteht also weiterhin darin, polare Systeme dieser Art, die aus einem dem Medium gegenüber schweren Konstruktionselement und einem mit diesem verbundenen leichteren Konstruktionselement bestehen, zur Bestimmung der Richtung von Schallwellen zu benutzen. Die Erfindung ist diesbezüglich gekennzeichnet durch Einrichtungen, bei denen beispielsweise eine oder mehrere Membranen oder Platten in sehr dicken und schweren Ringen oder Rahmen ausgespannt sind und an geeigneter Stelle, vorzugsweise in der Mitte einen Detektor, z. B. ein Mikrophon tragen, das möglichst leicht ausgeführt ist.
Die Zeichnung zeigt auch einige derartige Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischer Darstellung, und zwar ist in Fig. 4 ein gerichteter Schallempfänger mit nur einer Membran, in Fig. 5 ein solcher mit zwei Membranen dargestellt, beide Apparate in Horizontalschnitten.
In der Fig. 4 bezeichnet 6 einen dicken Metallring, in dem die Membran 7 ausgespannt ist. In der Mitte der Membran ist in einem Gefäss 8 ein Mikrophon 9 untergebracht, dem Strom mittels der dünnen isolierten Zuleitung 10 zugeführt wird. Wasserbewegungen, also beispielsweise Schallwellen in Richtung der gefiederten Pfeile biegen die Membran durch im Tempo ihrer Frequenz, bringen sie also in Schwingungen ; Bewegungen in Richtung der nicht gefiederten Pfeile lassen das System gänzlich in Ruhe.
In der Fig. 5 werden zwei Membranen 7 verwendet, deren Mitten durch das Mikrophongefäss 8 verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist das Gefäss selbst als Mikrophon ausgebildet, indem es aus zwei im wesentlichen starren Deckeln 11 besteht, zwischen deren Flanschen eine schwingungsfähige Membran- ? mit Elektroden 13 eingespannt ist. Das Mikrophon kann dabei auch als doppelt wirkendes Differentialmikrophon mit korrespondierenden Elektroden zu beiden Seiten der Membran ausgebildet sein. Die Wirkungsweise ist dieselbe wie oben, da die auf die Membran treffenden Schalldruckamplituden in jeder Lage des Systems an den Fusspunkten des starren Gehäuses ausgeglichen werden.
Derartig gerichtete Empfänger kann man sowohl stark gedämpft für Geräuschempfang, als auch scharf abgestimmt für Signale verwenden. Man kann erfindungsgemäss auch beide
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wodurch man bei der engen Kopplung der Membranen eine starke Verbreiterung der Resonanzkurve erzielen kann. Weiterhin kann man gemäss der Erfindung auch polar wirkende Mikrophone verwenden, wodurch die Unterschiede bei dem Maximum und Minimum der Lautstärke noch schärfer werden.
Statt der Membran kann man natürlich auch andere Gebilde, z. B. Traversen, Bänder o. dgl. verwenden.
Die besonderen Vorzüge derartiger Systeme sind darin zu sucl en, dass man eine sehr gute Kopplung des Mikrophons mit dem Medium (Wasser) erhält und dass die Unterschiede der Maxima und Minima besonders scharf werden.
PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung von Schallwellen durch Drehung des Empfangsgebildes, dadurch gekennzeichnet, dass ein polar wirkender Detektor oder ein
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des Schalldruckfeldes entzogen und lediglich durch Kräfte zum Ansprechen gebracht werden, die beim Schallvorgang infolge der Bewegung des der Bewegung des übertragenden Mediums
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