AT88523B

AT88523B - Membrangeber für Unterwasserschallsignale.

Info

Publication number: AT88523B
Authority: AT
Original assignee: Signal Gmbh
Priority date: 1915-03-13
Filing date: 1916-08-10
Publication date: 1922-05-26

Description

Membrangeber für Unterwasserschallsignale.

Die Erfindung betrifft Sendevorrichtungen für Unterwasserschallsignale, bei welchen zwischen einem Schwingungserzeuger und einer als Membran wirkenden an das Wasser anstossenden Wand ein vorzugsweise auf die Periode der erregenden Kräfte abgestimmtes Übertragungsglied eingeschaltet ist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Übertragungsglied. Dies wird gemäss der Erfindung durch ein schwingungsfähiges System gebildet, bei dem die Masse und die elastische Kraft in verschiedene Teile des Schwingungsgebildes gelegt sind. Mit derartigen Einrichtungen lässt sich am vorteilhaftesten die theoretische Forderung für besten Wirkungsgrad des Senders erfüllen, wonach die durch Energieabstrahlung verursachte Dämpfung gleich der inneren Dämpfung des Senders sein soll.

In der praktischen Ausführung kann man zwei oder mehr getrennte Massen vorsehen, die durch ein oder mehrere elastische Glieder verbunden sind. Das Ganze ist so angeordnet, dass vorteilhaft die Verbindungslinie der beiden Schwerpunkte des Massenpaares in die Richtung der aufgezwungenen Amplituden fällt und die wirksame Federkraft des elastischen Verbindungsgliedes stets in der Richtung der Amplituden wirkt. Die Querschnittsform der Verbindungsglieder kommt als ausschlaggebend nicht in Betracht.

Die eine auf das Aussenwasser wirkende Masse kann gemäss der Erfindung mit einer Schallplatte verbunden oder auch durch eine Schallplatte selbst gebildet sein. Es kann aber auch als diese Masse die Bordwand mit dem anstossenden Aussenwasser selbst wirken. Weiterhin kann man zwischen der an das Wasser anstossenden Wand und der auf dieselbe wirkenden Masse elastische Zwischenglieder vorsehen.

In der Zeichnung sind entsprechend dem Vorstehenden verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens veranschaulicht. In allen Fällen ist angenommen, dass es sich um elektromagnetische Erregung handelt. Die Art der Erregung des Gebildes ist jedoch für das Wesen der Erfindung völlig gleichgültig ; die Erregung kann ebensogut durch Schlag, Stoss oder auf jede beliebige Art erfolgen.

In Fig. i ist die Bordwand oder eine an das Wasser B stossende Wand, welche den Radiator bildet, mit A bezeichnet. C ist der Erreger und D das Übertragungssystem. Gemäss der Erfindung besteht dieses aus zwei Massen M, M2, die durch einen elastischen Stab S miteinander verbunden sind. M1 ist die unter dem Einfluss der elektromagnetischen Erregung stehende Masse, während MI als Gegengewicht wirkt. Das Gegengewicht ist mit der Bordwand fest verbunden.

Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der als ausstrahlendes Organ statt der Bordwand eine Schallplatte P gewählt ist. In diesem Falle kann, ohne an der Wirkung etwas wesentliches zu ändern, auch das Gegengewicht, wie die Figur zeigt, ganz fortfallen.

Bei der Anordnung der Fig. 3 sind zwei Massen M, M2 vorhanden, von denen die der Membran benachbarte Masse M2 mit der Membran durch ein besonderes elastisches Zwischenglied H gekoppelt ist.

Für Empfänger sind die gleichen Gesichtspunkte massgebend wie für Sender.

Bei Schwingungsgebilden der beschriebenen Art, bei denen also zwei Massen durch elastische Stäbe derart verbunden sind, dass bei der Erregung des Senders in den Stäben Longitudinalschwingungen entstehen, ist bei gegebener Frequenz die im Sender auftretende Energiemenge

durch die Amplitude bzw. die Grösse der freischwiagenden Masse, bei dem dargestellten Beispiel also die Amplitude und die Masse des Elektromagnetankers bestimmt. Da die Lautstärke durch die aufgewendete Energiemenge bestimmt wird und ein gewisser Energieaufwand eine gewisse Masse des Ankers bedingt, ist durch die Forderung einer bestimmten Lautstärke auch eine bestimmte minimale Amplitude der genannten Masse vorgeschrieben.

Diese Amplitude muss durch rein elastische Dehnungen und Kompressionen des Stabes bzw. der Stäbe bestritten werden, welche die beiden Massen verbinden. Da die in Betracht kommenden Baustoffe, vorzugsweise Metalle, eine grössere Dehnung als etwa ein Tausendstel ihrer Länge nicht zulassen, ohne Formveränderungen zu erleiden, ist durch die Forderung einer bestimmten Amplitude gleichzeitig die Länge der verwendeten Stäbe bestimmt.

Werden die Stäbe aber einfach geradlinig ausgeführt, so gelangt man bei grösseren Energien zu sehr unbequemen Baulängen.
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wird vorzugsweise in der Weise verwirklicht, dass man von der als Grundplatte des Schwingungsgebildes dienenden Masse aus die Stäbe durch entsprechende Löcher oder Aussparungen in der anderen Masse freistehend bis zu der gewünschten Länge durchführt und am freien Ende ein Rohr von vorzugsweise demselben Material und demselben Querschnitt befestigt, das den Stah frei umgibt und an dem der Anker hängt. Es können auch mehrere Rohre konzentrisch ineinander verbunden werden.

Hierdurch wird erreicht, dass die beiden schwingenden Massen einander unabhängig von der Stablänge beliebig genähert werden können, was unter anderem auch bei Empfängern ein wesentlicher Vorteil ist.

In der Zeichnung ist Fig. 4 eine schematische Seitenansicht eines solchen Senders und Fig. 5 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 2 befestigt, welche das Feldeisen 3 eines Elektromagnets trägt. Den Polen des Elektromagnets gegenüber befindet sich die zweite Masse 4, welche gleichzeitig als Anker ausgebildet sein kann.

Mit der Masse : 2 sind Stiele 5, 5 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 eignen sich aber für den Zweck der Erfindung Stahlrohre. Die oberen Enden der Stiele sind durch Verschraubungen oder Verlötungen 7 mit dickeren Rohren 8 verbunden, welche die Stiele 5 umgeben und an deren unteren Enden der Anker 4 angehängt ist.

Wird der Elektromagnet im Takte der Eigenschwingung des Gebildes periodisch erregt,
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Form von ausgestrahlten Schallwellen auf das anstossende Wasser.

Vorzugsweise werden die Abmessungen der inneren und der äusseren Rohre 5 und 8 so gewählt, dass sie für gleiche Längen gleiche Dehnung-und Kompressionskräfte erzeugen, d. h. sie
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die Schwingungsamplituden des Ankers 4 geforderten Dehnungen und Kompressionen gleichmässig auf die Summe der Längen der inneren und äusseren Rohre und man erzielt für gleiche Baulänge des ganzen Apparates eine wesentlich kleinere spezifische Dehnung und umgekehrt.
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unterhaltene leer schwingende Energie für sich betrachtet stets so grosse Kräfte erzeugen, dass beliebig lange Stiele zerrissen oder doch durch übermässige Dehnung und Kompression beschädigt werden. Dies ist aber nur dann möglich, wenn ein entsprechendes Anwachsen der Amplitude zugelassen wird.

Die Grösse der zugelassenen Amplituden ist aber durch die Grösse des Luftspaltes zwischen Feld und Anker begrenzt. Man kann sich also gegen Zerreissen der Stiele sichern, indem man ihre wirksame Länge in ein entsprechendes Verhältnis zu dem Luftabstand zwischen Anker und Feld bringt.

Auch die letztbeschriebenen Anordnungen können als Empfänger ausgeführt werden ; sie können unverändert bleiben, falls elektromagnetischer Empfang gewählt wird. Will man jedoch mit Mikrophone o. dgl. empfangen, so kann man ein Druckmikrophon zwischen den Massen 3 und 4 anordnen.

Eine besondere Ausführungsform eines Schwingungsgebildes gemäss der Erfindung ist schliesslich eine solche, bei der die beiden Massen lediglich durch ein einziges als hin-und rück- wärtsführende Verbindung gestaltetes Bindeglied zu einem Schwingungsgebilde vereinigt sind. Die 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. 4 und 5 dargestellten Verbindungsglieder, d. h. es wird ein Stab konzentrisch in einem Rohr geführt, deren obere Enden miteinander und deren untere Enden mit je einem Massenteil verbunden sind.

In der Zeichnung sind zwei Beispiele dieser Ausführungsform dargestellt.

In Fig. 6 werden die beiden Massenteile gebildet durch die Magnetsysteme 9 und 10, die in den nichtmagnetischen Metallträgern 11 und 12 befestigt sind. Die Magnetsysteme sind vorteilhaft aus lamelliertem Eisen hergestellt. In dem Massenteil 9 ist der Stiel 13, beispielsweise durch Verschraubung befestigt. An seinem anderen Ende trägt dieser Stiel einen Kopf 14, an dem wiederum ein Ende eines den Stiel 13 umgebenden Rohres 15 befestigt ist. An dem zweiten Ende dieses Rohres sitzt der zweite Massenteil 10, der beispielsweise mit Hilfe einer geschlitzten und durch einen Schrumpfring gesicherten Verschraubung befestigt ist.

Zur Erregung und Polarisierung der Magnetsysteme dienen die beiden Spulenpaare 16, 16 und 17, 17, die möglichst frei vom Schwingungsgebilde von besonderen in der Figur nicht dargestellten Spulenträgern gehalten werden.

Das gesamte Gebilde ist im Beispiel der Figur an einer Schallplatte 18 befestigt.

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 unten zu liegen kommt und verstärkt den Polarisationsstrom des einen Systems gegenüber dem des anderen so, dass die Unsymmetrie der magnetischen Zugkraft die durch die Lage geschaffene Unsymmetrie ausgleicht.

Bei der zweiten dargestellten Ausführungsform eines mit nur einem Verbindungsglied der Massen versehenen Elektromagnetsenders kann einer Unsymmetrie des Luftspaltes von vornherein leicht begegnet werden. Zur akustischen Erregung der Membran dient dabei ein Elektromagnet mit geblättertem Eisenkern, der in zwei Teile zerlegt ist, die durch das elastische Zwischen-
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gewünschten Betriebsfrequenz gemacht werden kann.

In der Regel werden Blechpakete, die als Elektromagnetkerne dienen sollen, in rechteckiger Form hergestellt, und um zwei solche Kerne durch elastische Stiele miteinander zu verbinden, müssen daher wenigstens zwei, gewöhnlich aber vier Stiele verwendet werden. Da aber, wie bereits früher bemerkt, die in den Stielen auftretenden Kräfte bei nicht allzu grosser Dämpfung der akustischen Schwingungen ausserordentlich gross werden können, so müssen vorzugsweise diese Kräfte unmittelbar in der Richtung der Stiele auf die Membran übertragen werden, d. h. man erhält vier weit voneinander liegende Angriffspunkte zwischen Elektromagnet und Membran. Diese Befestigungsweise ist deshalb nicht günstig, weil es besonders bei höheren Frequenzen schwer oder gar nicht gelingt, die Schwingungsform des Grundtones der Membran rein zu erhalten.

Es bilden sich vielmehr immer, mehr oder weniger deutlich, unregelmässige Klangfiguren aus.

Dass eine Mehrzahl von elastischen Verbindungsstielen verwendet werden muss, ist auch deshalb ungünstig, weil die Verschraubungen der Stiele entsprechend vervielfältigt werden und damit die innere Dämpfung des Systems erhöht und die Betriebssicherheit vermindert wird.

Diese Nachteile werden nun dadurch vermieden, dass wiederum nur ein elastisches Verbindungsglied verwendet wird, welches die Membran nur in einem Punkt, vorzugsweise ihrem Mittelpunkt anfasst.

Als Elektromagnetkern wird ein aus Blechstreifen in an sich bekannter Weise gewickelter Ring benutzt, der in einer im wesentlichen normal zur Ringachse liegenden Fläche geteilt ist, und dessen Teile durch einen einzigen in der Achse des Ringes angeordneten Stiel miteinander verbunden sind. Die Trennungsfuge zwischen den beiden Teilen des Magnetkernes kann nun zwar in eine Normalebene gelegt sein, doch besteht dann wiederum die Möglichkeit, dass beim Auftreten von Transversalschwingungen des freischwingenden Feldteiles die zu vermeidende einseitige, d. h. unsymmetrische Annäherung der einander gegenüber liegenden Stirnflächen eintritt.

Um dieser Möglichkeit vorzubeugen, wird nach der Erfindung der Luftspalt als Kugelfläche ausgebildet, deren Halbmesser so gewählt wird, dass die Kugelfläche sich möglichst nahe der Kurve anschmiegt, in der sich der Anker bewegt, wenn er in Transversalschwingungen versetzt wird.

Die Erregungsspulen werden in radial verlaufende Nuten verlegt. Bekanntlich ist es vorteilhaft, das Magneteisen zunächst durch Gleichstrom zu polarisieren und dann durch. einen darüber gelagerten Wechselstrom die Erregung periodisch zu ändern. Zu diesem Zweck wird in jede Nut eine entsprechende Anzahl von Gleichstrom und von Wechselstrom führenden Windungen verlegt und die an der Innen-und der Aussenseite des Ringes austretenden Enden der Windungen werden durch eine beliebige Schaltung miteinander verbunden, welche die verlangte Erregung ergibt. Vorzugsweise werden nach der Erfindung die Wechselstromwindungen und die Gleichstromwindungen jede für sich zu geschlossenen Spulen vereinigt und die Jochteile der Spulen so angeordnet, dass immer eine Gleichstromspule mit einer Wechselstromspule abwechselt.

Endlich werden nach der Erfindung die radialen Teile benachbarter Spulen, die in einer Nut zusammenliegen, durch Umwickeln mit Band o. dgl. miteinander verbunden. Dadurch wird der Vorteil gewonnen, dass die Spulen zusammen ein sich frei tragendes sternförmiges Gebilde
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Spulen der Wicklung in der angedeuteten Weise miteinander verbunden, so lässt sich dieser
Erfolg sehr einfach dadurch erreichen, dass nur die aussen aus dem Feld hervortretenden Enden der Spulen durch einen entsprechend ausgebildeten Spulenhalter unterstützt werden. Die inneren Enden tragen sich dann frei oder umgekehrt.

In der Zeichnung zeigt Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen in der geschilderten Weise ausgebildeten Elektromagnetsender und Fig. 8 einen Schnitt nach 2-2 in Fig. 7.
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versehene Elektromagnetfeld. In Fig. 7 ist der Deutlichkeit der Darstellung halber nur eine Spule G eingezeichnet. In Fig. 8 erscheinen sämtliche Spulen. Sie sind abwechselnd mit G und W bezeichnet, womit angedeutet werden soll, dass beispielsweise die Spulen G mit Gleichstrom und die Spulen Ir mit Wechselstrom gespeist werden. Die radial liegenden Schenkel benachbarter Spulen sind durch Umwickeln mit Band y miteinander verbunden, so dass sämtliche Spulen ein starres System bilden, das von aussen durch Spulenhalter T, Fig. 7, getragen wird.

Die äusseren Stirnflächen des Ringfeldes E sind beispielsweise durch Verlöten mit Naben L und 0 verbunden. In der Nabe L ist konzentrisch zum Ringfeld E ein Stab P und in der anderen Nabe 0 ein Rohr Q verschraubt und die freien Enden sind durch eine Verschraubung K miteinander verbunden. Wird der Elektromagnet erregt, so nähern sich die beiden Feldteile E einander und demgemäss wird der Stab P verkürzt und das Rohr Q verlängert. Querschnitt und
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der Eigenton des Systems gleich der verlangten Betriebsfrequenz ist.

Die Nabe L kann auf eine, an das Schall übertragende Mittel, beispielsweise Wasser anstossende Membran fest gespannt werden. Nach der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Erfindung dient sie selbst als der mittlere starre Teil einer Membran und wird beim Betrieb wie ein Kolben auswärts und einwärts bewegt. Um dies zu ermöglichen, wird sie
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ganze Vorrichtung einschliessenden Haube X verbunden ist.

Wenn der freisehwingende Teil des Feldes E durch irgendwelche Einflüsse in Transversalschwingungen gerät, wird dadurch die Parallelität der beiden am Luftspalt einander gegenüber stehenden Stirnflächen des Ringkernes E aufgehoben, wenn der Luftspalt in einer Normalebene der Achse des Stiels P, Q verläuft. Dadurch können Betriebsstörungen verursacht werden, weil die Anzugskraft des Elektromagnets von der Breite des Luftspalts nicht unabhängig ist. Um diesen Mangel zu beseitigen, wird nach der Erfindung der Luftspalt als Kugel-oder Kegelfläche ausgebildet, deren Halbmesser oder Öffnungswinkel so gewählt wird, dass die Fläche sich möglichst nahe der Kurve anschmiegt, die der Magnetanker bei der Ausführung von Transversalschwingungen beschreibt.

Bei kleinen Amplituden der Transversalschwingung des Ankers bewegen sich alsdann die beiden Stirnflächen parallel zueinander.

Statt einer einfachen Hin-und Rückführung des elastischen Gliedes kann auch eine mehrfache, vorzugsweise durch Anordnung mehrerer ineinander befindlicher Rohre erreichte Hin-und Rück- führung Verwendung finden.

PATENT-ANSPRÜCHE : i. Membrangeber für Unterwasserschallsignale, dadurch gekennzeichnet, dass als Übertragungsglied ein oder mehrere schwingungsfähige Systeme verwendet werden, bei welchen die Masse und die elastische Kraft möglichst an verschiedene Teile des oder der Schwingunggebilde gelegt sind.

Claims

2. Membrangeber nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenglied aus zwei oder mehr getrennten Massen besteht, die durch ein oder mehrere elastische Glieder miteinander verbunden sind.

3. Membrangeber nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinie der Schwerpunkte der getrennten Massen mit der Richtung der aufgezwungenen Amplitude im Zwischenglied zusammenfällt. EMI4.5 das Aussenwasser wirkende Masse mit einer Schallplatte verbunden ist.

5. Membrangeber nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Zwischenglied unmittelbar mit einer an das Wasser anstossenden Schallplatte verbunden ist.

6. Membrangeber nach Anspruch i oder den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Aussenwasser wirkende Masse durch elastische Zwischenglieder mit der Bordwand oder Membran verbunden ist. <Desc/Clms Page number 5>

7. Membrangeber nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der beiden Massen geknickte Stiele verwendet sind, die aus einzelnen Teilen derart zusammengesetzt sind, dass ihre Teile in der Reihenfolge ihrer Verbindung zu gleicher Zeit abwechselnd auf Dehnung und Kompression beansprucht werden.

8. Membrangeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Zwischenglieder aus konzentrisch ineinander gelagerten Rohren, gegebenenfalls mit einem zentralen Stab bestehen, die an den aufeinander folgenden Enden nach Art eines kompensierten Pendels miteinander verbunden sind.

9. Elektromagnetischer Membrangeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) an Röhren (8) hängt, welche an den freien Enden von Stielen (5) befestigt sind, die mit der Feldmasse (2, 3) verbunden sind.

10. Membrangeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der inneren und äusseren Stielteile (5, 8) so gewählt sind, dass die von den Massen (2, 4) ausgeübten Dehnung-und Kompressionskräfte sich über die Summe der Stiellängen gleichmässig verteilen.

11. Membrangeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus der wirksamen Gesamtlänge der Stiele (5, 8) und der zulässigen elastischen Dehnung grösser gemacht ist als der Luftabstand zwischen den als Masse wirkenden. Teilen.

12. Membrangeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Hauptsache als Masse wirkenden Teile lediglich durch ein einziges hin-und zurückgeführtes Verbindungsglied zu einem Schwingungsgebilde vereinigt sind.

13. Membrangeber nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Verbindungsglied durch konzentrisch ineinander verlaufende Stäbe und Rohre gebildet ist.

14. Elektromagnetischer Membrangeber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erzielung eines gleichmässigen Luftspaltes mit gesondert regelbaren Stromkreisen vorgesehene Magnetsysteme vorgesehen und bei horizontaler Lage des Systems übereinander angeordnet sind.

15. Membrangeber nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Verbindungsglied durch die Mitte des nicht an der Membran befindlichen Massenteiles hindurchgeführt ist.

16. Elektromagnetischer Membrangeber nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Teil eines aus Blechstreifen in Ringform gewickelten, in einer im wesentlichen radial zur Ringachse liegenden Fläche geteilten Elektromagnetkernes in konzentrischer Stellung auf der Membran befestigt und durch ein in der Ringachse wirksames elastisches Glied (Stiel P, Q) mit dem anderen Teil verbunden ist.

17. Membrangeber nach Anspruch 16, bei welchem das elastische Glied ein in der Ringachse angeordneter Stiel ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennungsfläche der beiden Teile des Elektromagnets als Kugelfläche ausgebildet ist, deren Halbmesser näherungsweise gleich dem Krümmungshalbmesser derjenigen Kurve gewählt ist, in der sich der Anker des Elektromagnets bewegt, wenn er in Transversalschwingungen versetzt ist.

18. Membrangeber nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromspulen (G und Il) der Elektromagneten in radialen Nuten (N) des ringförmigen Magnetkernes (E) verlegt und derart miteinander mechanisch verbunden sind, dass sie durch einen ausserhalb des Ringkernes angeordneten Spulenhalter (T) freitragend unterstützt werden können.

19. Membrangeber nach Anspruch 16, bei welchem der Elektromagnet ausser einer Wechselstromwicklung mit einer Gleichstromwicklung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromspulen (G, G) und die Wechselstromspulen (W, W) nebeneinander abwechselnd derart verlegt sind, dass die radialen Schenkel jeder Wechselstromspule (W, W) mit den radialen Schenkeln zweier benachbarter Gleichstromspulen (G, G) gemeinsam zwei benachbarte Nuten (N) ausfüllen.