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Empfänger für Unterwasserschallsignale.
Die Erfindung betrifft einen Empfänger für Unterwasserschallsignale derjenigen Art, bei welcher zwischen eine schallempfangende Wand, z. B. die Bordwand, und einen Empfangs-
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verstärkt, dass es beim Eintreffen von Schallwellen, deren Perioden der Abstimmung entsprechen, in Eigenschwingungen gerät.
Man hat bisher derartige Schwingungsgebilde vorzugsweise in Form von Stimmgabeln ausgeführt, die an einem Punkte kleiner Amplitude mit der Bordwand und einem Punkte grosser Amplitude mit dem Empfangsapparat gekoppelt waren. Bei Empfängern dieser Art fordert die Theorie, dass die Strahlungsdämpfung gleich der Xutzdämpfung gemacht werde, damit ein
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gebilde auf die Bordwand überträgt und in das Medium ausstrahlt, wenn es erregt wird, muss gleich sein derjenigen, welche es auf den Empfangsapparat überträgt.
Es hat sich nun gezeigt, dass es bei Benutzung von Stimmgabeln in der Regel nicht gelingt, einen gewollten Betrag von Strahlungsdämpfung zu erzielen. Ist nämlich die Kopplung zwischen der Stimmgabel und der Bordwand nicht so lose, dass sie praktisch wirkungslos bleibt, so bildet sich stets eine solche Schwingungsform aus, dass im Kopplungspunkt oder in unmittelbarer Nähe davon ein Knotenpunkt entsteht, so dass eine fast ungedämpfte Schwingung erhalten wird.
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die Strahlungsdämpfung innerhalb genügend weiter Grenzen auf jeden beliebigen, gewollten Betrag zu bringen.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Gebildes und die zur Unterhaltung von Eigenschwingungen erforderliche elastische Kraft, die in der Stimmgabel nicht getrennt sind, verschiedenen Teilen des Gebildes zugewiesen werden, indem zwei Massenteile durch ein federndes Gebilde verbunden werden, dessen wirksame Federkraft mit den aufgezwungenen Amplituden gleichgerichtet ist, wobei das Ganze vorzugsweise so angeordnet wird, dass die Verbindungslinie der beiden Schwerpunkte des Massenpaares gleichfalls in die Richtung der aufgezwungenen Amplituden fällt. In seiner einfachsten Form besteht ein solches Gebilde beispielsweise aus zwei Massen, etwa Kugeln oder Zylindern aus Metall, deren Schwerpunkte durch einen geraden, in die Richtung der aufgezwungenen Amplituden gelegten elastischen Stab miteinander verbunden sind.
Wird ein solches Gebilde frei beweglich unterstützt und akustisch erregt, so bildet sich in demjenigen Punkte des Stabes, in den der gemeinsame Schwerpunkt der beiden Massen fällt, ein Knotenpunkt aus, und die Schwingungen der beiden Massen sind der Phase nach um 1800 verschoben und ihre Amplituden sind den Massen umgekehrt proportional. Für die Bewegung der einen Masse ist also nur derjenige Teil des Gebildes massgebend, der auf der betreffenden Seite des Knotenpunktes liegt, und damit ihre Schwingung unverändert bleibe, ist nur Bedingung, dass der Knotenpunkt in Ruhe bleibe.
Das Grössenverhältnis der beiden Massen ist bei einem derartigen Schwingungsgebilde völlig der Willkür des Konstrukteurs anheimgegeben, insofern er bei gegebener Grösse der einen Masse für die andere jede beliebige Grösse wählen kann, wenn er gleichzeitig den Teil des elastischen Verbindungsgliedes der Massen, der zwischen Knotenpunkt und zu verändernder Masse liegt. Im umgekehrten Sinne ändert, so dass also beispielsweise
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des elastischen Verbindungsgliedes begleitet ist. Dabei bleibt die Lage des Knotenpunktes mit Bezug auf den gegebenen : : \1asseteil konstant.. \nstatt die beiden Massen durch einen einzigen elastischen Stab zu verbinden, kann man auch eine Mehrzahl solcher Stäbe anwenden, die für die
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ihrer Querschnitte gleich dem Querschnitt des einzigen Stabes ist.
Ebenso ist die erhaltene Eigenschwingung des Gebildes fast unabhängig von der Querschnittsform des Stabes. Man kann ihn also beispielsweise röhrenförmig oder kreuzförmig gestalten.
Wird das Gegengewicht fest mit einer Membran gekoppelt, die an ein schwingungsfähiges Medium, wie Wasser anstösst, also z. B. mit der Bordwand eines Schiffes, so ist das Gebilde so stark gedämpft, dass Eigenschwingungen überhaupt nicht mehr erkennbar sind. Dies gilt indessen
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die Dicke der Membran so gross, dass ihre Masse mit der Masse des Gegengewichtes vergleichbar wird, so nimmt die Strahlungsdämpfung ab.
In der Praxis dient in der Regel die Bordwand des Schiffes als Membran, deren Masse somit gegeben ist. Da aber die Bemessung der Masse des Gegengewichtes frei ist, so hat man bei diesem Gebilde ein Mittel in der Hand, die Strahlungsdämpfung zu bemessen und damit die Nutzdämpfung in ein bestimmtes gewolltes Verhältnis zu bringen, indem man die Masse des Gegengewichtes entsprechend wählt.
Endlich kann man auch das Verhältnis der Masse des Gegengewichtes zur frei schwingenden Masse so klein wählen, dass bei fester Kopplung des Gegengewichtes mit der Bordwand das Gebilde noch zu stark gedämpft ist und kann die Strahlungsdämpfung dadurch herabsetzen, dass man die Kopplung loser macht. Dabei kann die Kopplung ebenso wie die Verbindungsstange der beiden Massen aus einem elastischen Metallstabe bestehen, dessen Abmessungen und Materialeigenschaften die Festigkeit der Kopplung bestimmen. Diese Form, eine elastische Kraft zwischen dem Gegengewicht und der Bordwand einzuschalten, ist indessen nur dann leicht zu verwirklichen, wenn die Kopplung nicht zu lose werden soll, weil das Verhältnis des Querschnittes zur Länge des Stabes sonst so klein wird, dass er sich nicht in seiner Längsrichtung zusammendrücken lässt, ohne einzuknicken.
In solchen Fällen kann der Stab durch einen an einem Ende oder an beiden Enden an der Bordwand befestigten Balken ersetzt werden, der somit auf Biegung beansprucht wird und daher für gleiche elastische Kraft viel dicker ausfällt.
In der Zeichnung ist Fig. i eine schematische Ansicht eines Schwingungsgebildes nach der Erfindung, bei dem das Gegengewicht mit der Bordwand fest gekoppelt ist.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform, bei der das Gegengewicht mit der Bordwand durch einen elastischen Stab gekoppelt ist.
In Fig. i sind Gi und G2 die beiden Massen, die durch einen in die Richtung der aufgezwungenen Amplituden gelegten elastischen Stab E verbunden sind. Die Masse Gui, welche als die kleinere die grösseren Amplituden ausführt, trägt einen Empfangsapparat, beispielsweise ein Trägheitsmikrophon M und die als Gegengewicht dienende Masse G2 ist mit der Bordwand B fest gekoppelt.
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Störungsgeräuschen unterscheiden, kann es von Vorteil sein, ein gewisses Mass von Dämpfung in die Kopplung K selbst hineinzutragen. Dies kann in der Weise ausgeführt werden, dass der Kopplungsstiel K aus Blei oder einem ähnlichen Material hergestellt wird, das verhältnismässig viel innere Reibung hat.
Da die Amplituden der Töne, die empfangen werden, dem Wesen der Sache nach ausserordentlich klein sind, so zeigt sich, dass es nur bedingt zulässig ist, zur Verbindung der verschiedenen Teile des Gebildes untereinander und mit der Bordwand Verschraubungen anzuwenden.
Es ist aber gefunden worden, dass es stets möglich ist, mit Hilfe von Verschraubungen akustisch vollkommene Kontakte zu erhalten, wenn man die Verschraubungen so baut, dass die Achsen aller verwendeten Gewinde mit der Richtung der Amplituden zusammenfallen.
Wenn man zum Empfang ein zwischen den Massen anzuordnendes Druckmikrophon oder einen Elektromagneten verwenden will, so sind natürlich die Ausführungsformen nach Fig. i bis 2 nicht geeignet. Das Druckmikrophon sowohl wie der Magnet bedingen nämlich einen verhältnismässig geringen Abstand zwischen den beiden Massenteilen. Wollte man diese also durch einfache gestreckte Stäbe verbinden, so müsste man diese, um eine ausreichende Amplitude der freischwingenden Masse zu erzielen, so dünn machen, dass sie praktisch nicht brauchbar sind.
Die Erfindung besteht daher ferner darin, die Stäbe geknickt auszuführen und dies wird vorzugsweise in der Weise verwirklicht, dass man von der als Grundplatte des Schwingungsgebildes bzw. als Gegengewicht dienenden Masse aus die Stäbe oder Rohre gegebenenfalls durch entsprechende Löcher oder Aussparungen in der anderen Masse freistehend bis zu der gewünschten Länge durchführt und am freien Ende ein gegenläufiges bzw. entgegengesetzt sich erstreckendes Rohr befestigt, das den Stab frei umgibt und an dem die freischwingende Masse, beispielsweise der Magnetanker, hängt. Es können auch mehrere Rohre konzentrisch ineinander verbunden werden.
Hierdurch wird erreicht, dass die beiden schwingenden Massen einander unabhängig von der Stablänge beliebig nahe gegenüber gestellt werden können, was unter anderem auch bei Empfängern ein wesentlicher Vorteil ist.
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Vorzugsweise werden die Abmessungen der inneren und der äusseren Rohre so gewählt, dass sie für gleiche Längen gleiche Drehung und Kompression erfahren, was beispielsweise dadurch erreicht wird, dass sie aus gleichem Material hergestellt werden und gleiche Querschnitfe erhalten. Alsdann verteilen sich die die Schwingungsamplituden der freischwingenden Masse
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inneren und äusseren Rohre, und zwar zufolge der Gegenläufigkeit derselben in der Weise, dass die inneren Rohre beispielsweise auf Dehnung beansprucht werden, während gleichzeitig die äusseren auf Kompression beansprucht werden und umgekehrt.
Man erzielt somit bei geringer Baulänge des Apparates grosse relative Schwingungsamplituden der freischwingenden Masse gegenüber der als Gegengewicht dienenden Masse und kommt dabei mit einer wesentlich geringeren spezifischen Dehnung aus, als sie bei gleicher Baulänge mit einfachen gestreckten Stielen erforderlich wäre, um gleiche Amplituden zu erreichen. Ein Anwachsen der Schwingungsamplituden der freischwingenden Masse bzw. der Rohre in ihren Einzelteilen über die zulässige elastische Dehnung hinaus, das zur Zerstörung des Apparates führen müsste, lässt sich dabei leicht dadurch verhindern, dass man den Normalabstand zwischen den beiden Massenteilen kleiner macht, als der dem Produkt aus der wirksamen Gesamtlänge der Stäbe bzw. der Rohre und der zulässigen elastischen Dehnung entsprechen würde.
Der als Gegengewicht dienende Massenteil wirkt alsdann als Anschlag für den freischwingenden Massenteil, noch ehe die zulässige elastische Dehunng erreicht ist.
In der Zeichnung ist Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines solchen Elektromagnet- empfängers und Fig. 4 ein Schnitt durch die in Betracht kommenden Teile einer abgeänderten Ausführungsform.
An der Bordwand eines Schiffes oder einer beliebigen an das Wasser anstossenden Membran 1 ist eine Masse) befestigt, welche das Feldeisen 3 eines Elektromagnets trägt. Den Polen des
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gebildet sein kann. Mit der Masse sind Stiele J, fest verschraubt, welche parallel zur Richtung der aufgedrückten Amplituden angeordnet sind und Öffnungen 6 in der Masse 4 frei durchsetzen.
Die Form der Querschnitte der Stiele 5 kann beliebig sein. Am besten eigenen sich aber für den Zweck der Erfindung Stahlrohre. Die oberen Enden der Stiele sind durchVerschraubungen oder Verlötun,-en i mit dickeren Rohren 8 verbunden, welche die Stiele 5 umgeben und an deren inneren Enden der Anker 4 angehängt ist.
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Vorteile dieser Einrichtung bestehen darin, dass mehrfache Abstimmungen, Neben-und Obertöne, die bei Verwendung mehrerer Stiele leicht auftreten können, vollkommener vermieden werden.
Das Verbindungsglied wird vorteilhaft ebenso ausgeführt wie die in Fig. 3 und 4 dargestellten Verbinduhgsglieder, d. h. es wird ein Stab konzentrisch in einem Rohr geführt ; die oberen Enden von Stab und Rohr sind miteinander und die unteren Enden mit je einem Massenteil verbunden.
In der Zeichnung sind zwei Beispiele dieser Ausführungsform dargestellt, und zwar zeigt Fig. 5 einen Magnetempfänger, Fig. 6 einen Mikrophonempfänger.
In der Fig. 5 werden die beiden Massenteile gebildet durch die Magnetsysteme 9 und 10, die in den nicht magnetischen 1etallträgern 11 und 12 befestigt sind. Die Magnetsysteme sind vorteilhaft aus lamelliertem Eisen hergestellt. In dem Metallträger 11 ist der Stiel 13, beispielsweise durch Verschraubung befestigt. An seinem anderen Ende trägt dieser Stiel einen Kopf 14,
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Soll der Apparat in horizontaler Lage verwendet werden, so kann es vorkommen, dass infolge von Durchbiegung des elastischen Verbindungsgliedes 13, 15 der Luftspalt unsymmetrisch wird. Man dreht den Apparat alsdann vorteilhaft so, dass das eine Magnetsystem oben, das andere
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Unsymmetrie ausgleicht.
In der Fig. 6 sind die beiden Massenteile mit 19, 20 bezeichnet. In 19 sitzt der Stiel 21, an dessen anderem verdicktem Ende das Rohr 22 angeschraubt oder angelötet ist. Das andere Ende des Rohres ist mit dem Massenteil 20 verschraubt. Zwischen beiden Massenteilen befinden sich die Kohlenkörner eines Mikrophons, dessen eine Elektrode durch den Massenteil 19 gebildet ist. während die andere Elektrode durch eine isoliert auf dem Massenteil 20 aufgesetzte Ring- platte 9.'1 dargestellt wird. E" ist also hier beispielsweise ein Druckmikrophon dargestellt,
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Zwischenlagen. M aus weichem nicht leitendem Stoff verhindern das Herausfallen der Körner und eine weiche Membran 25 schliesst den Zwischenraum zwischen den Massenteilen nach aussen hin ab.
Auch dieses System ist auf einer Membran 26 befestigt.
Der in Fig. 5 dargestellte Apparat kann nicht nur als Empfänger, sondern auch als Sender verwendet werden, je nachdem man seine Spulen an ein Telephon oder an eine Wechselstrommaschine anschliesst ; die Anordnung der Fig. 6 dient im wesentlichen nur zum Empfang.
Statt einer einfachen Hin-und Rückführung des elastischen Gliedes kann auch eine mehrfache vorzugsweise durch Anordnung mehrerer ineinander befindlicher Rohre erreichte Hin-und Rückführung Verwendung finden.
PATENT-ANSPRÜCHE : I. Unterwasserschallempfänger, bei dem zwischen eine schallempfangende Wand, z. B. die Bordwand, und einen Empfangsapparat (Mikrophon) ein oder mehrere schwingungsfähige Gebilde eingeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Schwingungsgebilde aus zwei oder mehreren Massenteilen und im wesentlichen nur als elastische Teile wirkenden, diese Massenteile miteinander verbindenden Gliedern derart zusammengesetzt ist, dass die Amplituden der Eigenschwingung dieses oder dieser Schwingungsgebilde in allen ihren Teilen ihrer Richtung nach mit den aufgezwungenen Amplituden zusammenfallen.