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Sende und Empfangseinrichtung für Unterwasserschallwellen.
Eine der wesentlichsten Schwierigkeiten beim Bau und Betriebe von Sendern und Empfängern für Schallwellen in Flüssigkeiten besteht darin, dass die Bewegungsamplituden der Flüssigkeitsteilchen beim Schallvorgang klein und die Druckamplituden gross sind, während bei allen bekannten Arten der Erregung derartiger Sender oder der nutzbaren Abdämpfung derartiger Empfänger die erregende bzw. abdämpfende Kraft mit gutem Wirkungsgrad nur beim Vorhandensein grösserer Bewegungsamplituden ausgenutzt werden kann.
Von den Lösungen, die man für dieses Problem zu finden versucht hat, ist insbesondere diejenige bemerkenswert, bei welcher zwischen den Angriffspunkt der erregenden bzw. abdämpfenden Kraft und das an die Flüssigkeit grenzende Strahlergebilde ein besonderes Schwingungsgebilde (Stimmgabel, Ring o. dgl. ) eingefügt wird, welches die kleinen Bewegungs- amplituden der Flüssigkeit in grössere Bewegungsamplituden übersetzen soll.
Derartige Sender und Empfänger wurden bisher meist derart betrieben, dass die erregende Kraft zwischen zwei Punkten des Schwingungsgebildes, beispielsweise zwischen den Zinken einer Stimmgabel. zur Wirkung kam, deren Bewegungsrichtung im Winkel, und zwar vorzugsweise in einem rechten Winkel zur Bewegungsrichtung des Strahlergebildes stand, wobei die Masse und elastische Kratt im Schwingungsgebilde über alle Teile desselben gleichmässig verteilt war.
Bei den Schwingungsgebilden mit gleichmässig verteilter Masse und elastischer Kraft ist es erfahrungsgemäss nur schwer möglich, bei den für den Unterwassersignalverkehr in Betracht kommenden Frequenzen eine brauchbare Kraftübertragung auf das Strahlergebilde
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setzung ungünstig auf die Kraftübertragung.
Erfindungsgemäss werden demgegenüber Schwingungsgebilde als Zwischenglieder zwischen der Angriffsstelle der erregenden bzw. abdämpfenden Kraft und dem Strahlergebilde verwendet, bei denen Masse und elastische Kraft derart im Schwingungsgebilde verteilt sind, dass die Massen nur zum Teil direkt, zum Teil aber erst unter Vermittlung der Träger der elastischen Kraft mit dem Strahlergebilde in Verbindung stehen.
Dabei wirkt nach der Erfindung die Kraft am Schwingungsgebilde derartig, dass ihre Angriffsstellen auf die beiden Massengruppen verteilt sind. und die gewünschte Amplitudenübersetzung wird dadurch erzielt, dass der am Strahlergebilde wirkende Massenteil des Schwingungsgebildes dem über die elastischen Glieder mit dem Strahlergebilde verbundenen Massenteile gleich ist, oder grösser ist als derselbe, wobei zu beachten ist, dass in die am Strahlergebilde angreifende Masse ein Teil der Masse des Strahlergebildes selbst und eine von der Grösse dieses Gebildes abhängige, rechnerisch zu bestimmende Flüssigkeitsmasse mit eingeht. Greift die erregende Kraft an mehr als zwei Massenteilen des Schwingungsgebildes an, so muss der am Strahlergebilde wirkende Teil so gewählt sein, dass er von allen Angriffsstellen der erregenden Kraft die relativ kleinste Bewegung besitzt.
Während bei einer derartigen Anordnung einerseits der Vorteil gewahrt ist, dass die durch die gegenläufige Bewegung der Massenteile des Gebildes bedingte grosse Amplitude an den Angriffsstellen der erregenden oder empfangenden Kraft ausgenutzt wird, fällt die Winkelübertragung der Kraft weg und die genaue Einstellung des Verhältnisses der Amplituden an den Angriffsstellen der Kraft und dem Strahler-
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besondere Kopplungsglieder einzuschalten.
Die Fig. i und 2 zeigen in schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen das Schwingungsgebilde aus zwei Massen und zwischen ihnen angeordneten elastischen Trägern besteht, und zwar stellt Fig. i einen elektromagnetischen Sender oder Empfänger, Fig. 2 einen Mikrophonempfänger dar. In den Figuren bezeichnet a eine Membrane, welche den vorderen Abschluss eines Gefässes t bildet. An der anderen Seite ist das Gefäss durch den Deckel d geschlossen. Das Schwingungsgebilde ist dargestellt durch die Massenteile Mi und m2, welche durch die elastischen Bügel f miteinander verbunden sind. Die Masse Mi ist derart an der Membrane befestigt, dass alle ihre Teile nach Grösse und Phase dieselben Bewegungen ausführen wie der zugehörige Teil der Membrane.
In der Fig. I ist der Massenteil Mi als Anker eines Elektromagneten ausgebildet ; der Massenteil ! bildet den Kern des Elektromagneten und ist zum Zwecke der Erregung oder Stromabnahme mit den Wechselstromwicklungen 1fJ versehen, welche von den Zuleitungen r aus gespeist werden oder Strom in sie abgeben. In der Fig. 2 ist zwischen den beiden Massen die Körnerfüllung eines Mikrophons angedeutet. Die kreisförmige Zone z soll lokal vereinigt den Betrag an mitschwingender Wassermasse andeuten.
Aus den Figuren ist ersichtlich, dass die erregende bzw. abdämpfende Kraft an den beiden Massenteilen angreift, von denen der eine gleichzeitig der Schallplatte angehört. Die relativen Amplitudengrössen der beiden Massenteile gegeneinander sind bestimmt durch das Verhältnis ihrer Grösse.
Es ist ersichtlich, dass die Bewegungsamplitude an den Stellen, an denen die erregende bzw. abdämpfende Kraft angreift, unter allen Umständen grösser sein muss, als die Amplituden der an das Wasser grenzenden Masse, da sie sich aus der Bewegung dieser Masse und aus der zu ihr hinzutretenden Bewegung der anderen Masse zu einer Summe zusammensetzt. Diese Addition wird in der Mehrzahl aller Fälle nicht algebraisch, sondern vektoriell sein, weil durch die Abgabe von Energie an der einen oder der anderen Masse eine Phasenverschiebung der Bewegungen der Masse gegeneinander auftritt. Die Vektorsumme bleibt aber unter allen Umständen grösser als jeder einzelne Summand, weil die Phasenverschiebung nicht mehr als go0 betragen kann.
Wichtig für die Praxis ist insbesondere der Fall, in welchem die Amplitude der Masse M : : ; grösser als die der Masse ml, die Masse ml also grösser als die Masse ist. Diese Bedingung wird praktisch immer erfüllt sein müssen, wenn man ein genügendes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Weg der Kraft und der Bewegungsamplitude des Strahlergebildes erzielen will.
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Transmitting and receiving device for underwater sound waves.
One of the most important difficulties in the construction and operation of transmitters and receivers for sound waves in liquids is that the amplitudes of motion of the liquid particles during the sound process are small and the pressure amplitudes are large, whereas in all known types of excitation of such transmitters or the usable attenuation of such receivers, the excitatory or damping force can only be used with good efficiency when larger movement amplitudes are present.
Of the solutions that have been tried to find for this problem, the one in which a special oscillation structure (tuning fork, ring or the like) is inserted between the point of application of the exciting or damping force and the radiator structure adjacent to the liquid is particularly noteworthy which is supposed to translate the small movement amplitudes of the liquid into larger movement amplitudes.
Such transmitters and receivers have so far mostly been operated in such a way that the exciting force is between two points of the oscillation structure, for example between the prongs of a tuning fork. came into effect, the direction of movement of which was at an angle, preferably at a right angle to the direction of movement of the radiator structure, the mass and elastic force in the oscillation structure being evenly distributed over all parts of it.
In the case of oscillating structures with evenly distributed mass and elastic force, experience has shown that it is difficult to achieve a usable force transmission to the radiator structure at the frequencies that are considered for underwater signal traffic
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settlement unfavorable on the power transmission.
According to the invention, on the other hand, vibrational structures are used as intermediate links between the point of application of the exciting or damping force and the radiator structure, in which the mass and elastic force are distributed in the vibratory structure in such a way that the masses are only partly directly, but partly only through the intermediary of the carrier of the elastic Force connected to the radiator structure.
According to the invention, the force acts on the oscillation structure in such a way that its points of attack are distributed over the two mass groups. and the desired amplitude translation is achieved in that the mass part of the oscillating structure acting on the radiator structure is equal to or greater than the mass part connected to the radiator structure via the elastic members, whereby it should be noted that in the mass acting on the radiator structure a part of the The mass of the emitter structure itself and a liquid mass that is dependent on the size of this structure and is to be determined by calculation are included. If the exciting force acts on more than two parts of the mass of the oscillating structure, the part acting on the radiator structure must be selected in such a way that it has the smallest movement of all points of application of the exciting force.
While with such an arrangement the advantage is preserved on the one hand that the large amplitude caused by the counter-rotating movement of the mass parts of the structure is used at the points of application of the exciting or receiving force, the angular transmission of the force is eliminated and the exact setting of the ratio of the amplitudes is necessary the points of application of the force and the radiator
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to switch on special coupling elements.
FIGS. I and 2 show a schematic representation of exemplary embodiments of the invention in which the oscillation structure consists of two masses and elastic supports arranged between them, namely FIG. 1 shows an electromagnetic transmitter or receiver, FIG. 2 shows a microphone receiver Figures a denotes a membrane which forms the front closure of a vessel t. On the other side, the vessel is closed by the lid d. The oscillation structure is represented by the mass parts Mi and m2, which are connected to one another by the elastic bracket f. The mass Mi is attached to the membrane in such a way that all its parts, according to size and phase, execute the same movements as the associated part of the membrane.
In FIG. I, the mass part Mi is designed as an armature of an electromagnet; the mass part! forms the core of the electromagnet and is provided with the alternating current windings 1fJ for the purpose of excitation or current draw, which are fed from the supply lines r or deliver current into them. In Fig. 2, the grain filling of a microphone is indicated between the two masses. The circular zone z is supposed to indicate the amount of oscillating water mass.
It can be seen from the figures that the exciting or damping force acts on the two mass parts, one of which belongs to the record at the same time. The relative amplitude sizes of the two parts of the mass to each other are determined by the ratio of their size.
It can be seen that the movement amplitude at the points where the exciting or damping force acts must be greater under all circumstances than the amplitudes of the mass bordering the water, since it results from the movement of this mass and from the to the movement of the other mass that is added to it to form a sum. In the majority of all cases this addition will not be algebraic, but vectorial, because the release of energy at one or the other mass causes a phase shift of the movements of the masses with respect to one another. The vector sum remains larger than each individual summand under all circumstances, because the phase shift cannot be more than go0.
The case in which the amplitude of the mass M::; greater than that of the mass ml, i.e. the mass ml is greater than the mass. This condition will practically always have to be fulfilled if one wants to achieve a sufficient transmission ratio between the path of the force and the movement amplitude of the radiator structure.