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Elektrischer Kompensator zur RichttHtgsbestimmung von Energiewellen.
Ein elektrischer Kompensator ist eine Vorrichtung, um in einem oder mehreren elektrischen Strömen eine geeignete. Phasenverzögerung hervorzurufen, derart, dass diese Ströme, die durch das Eintreffen von Energiewehen in zwei oder mehr Empfängern auftreten, miteinander in Phare gebracht werden. Der elektrische Kompensator kann verwendet werden, um die Richtung von Wellen strahlender Energie, insbesondere von Schallwellen zu bestimmen.
In den Zeichnungen ist Fig. 1 eine schematische Darstellung der Grundlagen des elektrischen Kompensators in der Anwendung auf zwei Empfängereinheiten. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die die Grundlagen der Verwendung des elektrischen Kompensationsschalters zeigt, sowie die Verbindung für zwei Empfängereinheiten. Fig. 3 ist eine Aufsicht auf den Schalter und die Verbindungen für zwei Empfängereinheiten. Fig. 4 ist ein Querschnitt und zeigt den Bau des schematisch in Fig. 3 dargestellten
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für zwei Reihen von zwölf Empfängereinheiten mit einer Darstellung des Schalters. Fig. 6 ist ein Schaubild der Sehalterscheibe und der elektrischen Verbindung eines Kompensators für zwei Reihen von je zwölf
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kommen.
Im allgemeinen wird die Energie zuerst auf einen der Empfänger auftreffen, bevor sie auf den andern Empfänger auftrifft ; wenn in beiden Empfängern Ströme ausgelöst werden, wird der in dem einen dem in den andern in der Phase voreilen. Wenn man nun bei dem voreilenden Element geeignete Mittel einführt, um den Strom zu verzögern, ist es möglich, die Ströme beider Elemente in Phase zu bringen.
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kräftiger ansprechen wird, als wenn die beiden Ströme ausser Phase wären.
Der Betrag, um den die Ströme in den Empfangselementen phasendifferent sind, hängt von der Richtung der Quellen der Wellenenergie in bezug auf die Verbindungslinie der Empfangselemente ab, so dass der Betrag der Verzögerung, der eingeführt werden muss, um sie in Phase zu bringön, benutzt werden kann, um den Winkel zwischen der Richtung der Wellenquelle und der Empfängerlinie zu bestimmen.
Für zwei Empfänger können auch zwei getrennte Übertrager verwendet werden, besonders wenn die Übertrager für Hörempfang bestimmt sind, z. B. wenn Telephonempfänger als Übertrager dienen.
Bei zwei Telephonempfängern kann jeder für ein Ohr verwendet werden. Wenn bei dieser Anordnung
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bundene Leitung einführt, kann der von ihm erzeugte Ton um einen solchen Betrag verzögert werden, dass er mit dem Ton in dem andern Ohr in Phase ist. unter diesen Umständen wird der Ton für das Gefühl in einer Mittelebene durch den Kopf des Beobachters lokalisiert erscheinen oder er ist. wie man sagt, in die Gehörsmittelebene eingestellt.
Das subjektive Gefühl für diese Mitteleinstellung hat sieh
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dieser letzteren Anordnung wird die Richtung durch eine Ablesug an einer Teilung bestimmt, die der Einstellung der Verzögerungseinrichtung entspricht, und diese Einrichtung gekennzeichnet durch gleichzeitiges Auftreten maximaler Lautstärke und Einstellung in die Gehörmittelebene.
In den Zeichnungen ist die Erfindung an einer Ausfuhrungsform der Vorrichtung erläutert, die für die Bestimmung der Schallrichtung, insbesondere zur Bestimmung der Richtung des Schalls unter
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sind um ein bestimmtes Stück auseinandergeruckt. Die Mikrophone 1 und 2 haben eine gemeinsame Batterie 3. Das Mikrophon 1 ist auf die Primärwicklung 4 eines Transformators 5 und das Mikrophon 2 nuf die Primärwicklung 6 eines entsprechenden Transformators 7 geschaltet.
Die Sekundärwicklung 8
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wicklung 16 des Transformators 7 über eine Verzögerungslinie mit den in Reihe geschalteten Induktanzen 17, 18, 19 und den in Nebenschluss geschalteten Kapazitäten 20, 21, 22 an das rechte Empfangstelephon 23 des Hörers angeschlossen. Der Einfachheit wegen soll eine Induktanz, z. B. 9 mit ihrem
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eines Abschnittes mit dem Ende der Abschnittsinduktanz zu verbinden, kann er auch mit deren Mittelpunkt verbunden werden, wie in Fig. 2 dargestellt.
Die einzelnen Abschnitte sind so berechnet, dass jeder eine bestimmte Verzögerung in dem Strom
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Linien, die sie mit den entsprechenden Hörern 15 und 23 verbinden, die gleiche Anzahl Abschnitte haben, wird der Schall in der Gehörmittelebene erscheinen. Angenommen jedoch, dass der Schall in der Richtung der Verbindungslinie der Mikrophone, u. zw. zuerst auf den Empfänger 1 auftrifft, dann wird der Empfänger. ?
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Transformator 5 und dem Hörer 15 zwölf Verzögerungsabschnitte, jeder entsprechend 1 dm in Wasser eingeschaltet ist, dann wird der Schall in beiden Hörern gleichzeitig und der Schall wird in der Gehörmittelebene erscheinen.
Für jede Richtung zwischen der parallelen und der senkrechten Richtung wird die Zeit, die der Schall braucht, um von dem ersten zum zweiten Empfänger zu gelangen, zwischen der für 1 c ? K erforderlichen Zeit und der Zeit 0 liegen, so dass in die Linie zwischen 8 und 15 eine
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Winkeln geteilt sein kann, die die Richtung nach der Schallquelle mit der Verbindungslinie der Mikrophonempfänger bilden.
In Fig. 2 bedeuten 31 und 32 zwei passend voneinander entfernte Mikrophone und 33 und 3-/. die
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die periodischen Mikrophonströme hervorgerufenen elektromotorischen Kräfte den beiden Enden des Kompensators aufgedruckt werden. Der Kompensator ist mit fünf Abschnitten 37-4- ? dargestellt ; jedes Element enthält eine Indukta, nz 42 und eine Kapazität 43. Eine Anzahl ortsfester Bürsten sind paarweise angeordnet und mit 44-5o bezeichnet. Eine Reihe beweglicher Kontakte 56-75lmnn unter den festen Bürsten entlanggezogen werden. Die Kontakte So und 66 sind L-förmig und mit den Emp- fängern 33 und 34 des Kopfhörers entsprechend verbunden.
Diese L-förmigen Kontakte teilen das Leitungssystem derart, dass der Strom vom Transformator 35 durch den Telephonempfänger 33 und der Strom vom Transformator 36 durch den Telephonempfänger 34 geht, u. zw. unabhängig voneinander. da der Widerstand der Verbindung 76 von dem Verbindungspunkt der zwei Telephonempfänger zu dem
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die Selbstinduktion von dem Kontakt So kurz geschlossen ist, während der Strom von dem Transformator dz zu dem Telephonempfänger 34 nur durch einen Abschnitt (41) der Kompensatorlinie geht, da der Abschnitt 40 seine Selbstinduktion durch den Kontakt 66 kurz geschlossen hat.
Wenn jetzt die Kontaktreihe um ein Stück gleich dem Mittelstand zweier benachbarter Kontakte nach links geschoben wird, wird der Kurzschluss der Spule in Abschnitt 40 geöffnet. so dass der Strom von dieser Seite nun durch zwei Abschnitte 40 und 41 des Kompensators läuft. Diese Bewegung verändert die Zahl der mit dem Empfänger 33 in Reihe geschalteten Abschnitte des Kompensators nicht, da wohl der Abschnitt 88 kurzgeschlossen, hingegen aber der Abschnitt 39 eingeschaltet wird. Bei einer Bewegung der Kontaktreihe um einen weiteren Schritt gleich dem Mittelabstand zweier benachbarten Kontakte nach links bleibt nur noch ein Abschnitt der Linie mit dem Telephonempfänger 33 in Reihe, während bei dieser Bewegung die Zahl der mit dem Telephonempfänger 34 in Reihe liegenden Abschnitte unverändert bleibt.
Durch diese schrittweise Bewegung können alle Abschnitte der Linie in Reihe mit dem Telephon- empfänger 33 oder mit dem Telephonempfänger 34 gelegt werden, oder ein Teil in Reihe mit dem einen Telephonempfänger und der andere Teil mit dem andern. In der praktischen Ausführung ist die Zahl der Abschnitte in der Kompensatorlinie gewöhnlich grösser als die schematisch in Fig. 2 gezeigten und die Kontakte sind voneinander isoliert auf einer drehbaren Scheibe angeordnet.
Der für zwei Mikrophone gebaute Schalter ist in Fig. 3 dargestellt. Die Bezugszeichen 33 und 34
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Transformatoren 35 und 36 in derselben Weise wie in Fig. 2 dargestellt, verbunden sind. Die Kontakte 65 und 66 sind mit den Telephonempfängern 33 und 34 durch Bürsten 80 und 81 und Schleifringe. 82 und S3 verbunden. Diese entsprechen den Kontakten 65 und 66 der Fig. 2. Die Kontakte 56-64 und 67 7-75 entsprechen den gleichbezifferten Kontakten in Fig. 2.
Die Kontakte sitzen auf einer isolierenden Scheibe So, wie in Fig. 4 gezeigt, die gedreht werden kann und an ihrer oberen Fläche mit einer Winkel-
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von der festen Grundplatte 87 aus isolierendem Stoffe so gehalten. dass sie gleitende Berührung mit den Bürsten 80 und 81 haben. die ihrerseits an der drehbaren Scheibe 85 sitzen.
Wie in Fig. 3 dargestellt. ist die Verzögerungslinie dieses Kompensators in 22 Abschnitte geteilt,
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verbindet. Die Enden der Induktanz 42 sind mit der inneren und äusseren BÜrste 120 und 121 zweier benachbarten Bürstenpaare verbunden. Wie in Fig. 3 und 4 dargestellt. sind die inneren und äusseren Bürsten 120 und 121 paarweise in zwei konzentrischen Kreisen unter der Reihe der drehbaren Kontakte
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werden. Wie in Fig. 4 dargestellt, sitzen die Reihen von Bürstenpaaren 120 und 121 auf isolierenden Unterlagen an der festen Grundplatte 87.
Wenn die drehba, re Kontaktreihe die Stellung nach Fig. 3 hat, fliesst der Strom von der Sekundär-
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Bürstenpaares, dann durch den leitenden Kontakt, der mit diesem Bürstenpaare in Verbindung steht. zur inneren Bürste 120 und zur Induktanz 42 des Abschnittes 90, dann durch das Bürstenpaar 131 durch
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empfängers und durch die gemeinsame Rückleitung 114 zur Sekundärwicklung des Transformators.
In dieser Stellung der Teile sind elf Abschnitte der Verzögerungslinien des Kompensators in Reihe mit der Sekundärwicklung jeder der Transformatoren und der Kompensator wird deshalb einen recht-
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mittelebene bringen. Wenn der Schall schiefwinklig auftrifft und den Empfänger 81 zuerst erregt: muss man den Handgriff 65 des Kompensators drehen, so dass er die Platte 8- ? mit ihrer Kontaktreihe mitnimmt und mehr Abschnitte mit der Sekundärwicklung des Transformators 35 ud dem Kopfhörer 33 in Reihe legt und dafür Abschnitte von dem Teil der Linie wegnimmt, die mit der Sekundärwicklung des Transformators : 36 und dem Empfänger 34 in Reihe liegt.
Der Handgriff wird solange gedreht, bis der Schall dem Beobachter in der Mittelebene erscheint. Bei dieser Einstellung verzögert der mit der Sekundärwicklung des Transformators 35 in Reihe liegende Überschuss von Kompensa, torwicklungen den Strom derart, dass der Schall in den beiden Empfängern in Phase ist. Die Basislinie zwischen den Mikrophonempfängern 31 und 32 ist bekannt. Die durch, jeden einzelnen Abschnitt der Kompensatorlinien hervorgerufene Verzögerung ist bekannt, da sie aus den elektrischen Konstanten berechnet werden
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Verwendung in Kompensatoren für den deutlich hrbaren Tonbereich passen.
Angenommen, es sei eine zeitliche Verzögerung von t = 0#000065 verlangt, dann ist #LC = 0#000065 Sekunden (nach Gleichung 1)....... 4)
Nun soll das Ubertragungsgerät eine Impedanz von beispielsweise 260 Ohm hp. ben. Dann ist na. ch Gleichung (2)
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L = 0-0169 Henry........ 6)
Bildet man den Quotienten von (4) und (5), so erhält man
C = 0#25.10-6 f = 0#25 mf........ 7).
Die in Gleichung (6) und (7) gegebenen Werte sind die verlangten Werte der Induktanz und Kapazität für einen elektrischen Kompensator mit den verlangten Eigenschaften.
Es soll nun die von 30 Einheiten solcher Linien hervorgerufene Dämpfung untersucht werden :
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Linienabschmtt erhält und zeigen dabei auch, wie sehr die Stromstärke durch die Wirkung der Linien vermindert wird. Das Beispiel ist nur illustrativ und man kann leicht erheblich geringeren Spulen-
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' beizubehalten.
Beim Entwurf der Linien ist noch auf einen andern Punkt zu achten ; es ist nämlich wichtig, dass L'ie Verzögerung im wesentlichen unabhängig von den in der Tonquelle enthaltenen Frequenzen ist,
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j liesses Ergebnis erhält man am vollkommensten, indem man die Verzögerung auf den Abschnitt klein macht, indem-man also eine Verzögerungszeit auf den Abschnitt anwendet, die kleiner ist als die hier
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Verzögerungswert ist gross genug, um einen wohlfeilen Bau zu ergeben, und klein genug, um alle Frequenzen von weniger als 4000 Perioden in der Sekunde durchzulassen.
Sie lässt also alle Töne im deutlich hörbaren Frequenzbereich durch.
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zwölf in jeder Reihe : und Fig. 6 zeigt den Zusammenbau der verschiedenen Schalter und ihrer Verbindung, die in Fig. 5 schematisch angedeutet sind. 201-212 sind Anschlüsse, die mit zwölf in einer Reihe, z. B. Mi der Backbordseite einer Sehiffswand, angebrachten Mikrophonen verbunden sind, und 301-312
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iormatoren 217'-228 und 3Hy-. 328 fliesst. Die sekundären Spulen dieser Transformatoren sind mit S bezeichnet und bilden zwei Gruppen, die Steuerbord- und Backbordsekundärspulen genannt werden otlen.
Mittels eines Umschalters B können entweder die Steuerbordsekundärspulen oder die Backbordsekundärspulen mit den Kompensatorleitungen 401-412 verbunden werden. Die andern Enden der Sekundärspulen sind an eine gemeinsame Leitung 413 angeschlossen.
Wenn in Fig. 5 die Schalter B alle nach rechts gelegt sind, ist die Sekundärspule des Steuer-bordTransformators 217 an das eine Ende der siebengliedrigen Verzögerungslinie 501 angeschlossen. Die
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schlossen. An verschiedene Punkte der Verzögerungslinie sind mit Ill bezeichnete Kontakte angeschlossen, über die eine Bürste 521 bewegt werden kann. Die Bürste wird von einem Ring J. H getragen. Der elektrische Strom von den Sekundärspulen der Transformatoren -217 und 219 geht in die zwei Enden der Verzögerungslinie 501 und tritt durch die Bürste 521 in den Rign 531 aus. Der Strom von der Sekundärspule des zwischenliegenden Transformators 218 geht durch die feste Verzögerungslinie von drei Gliedern 502 unmittelbar zum Ring 531.
Auf diese Weise werden die Ströme von den Sekundärspulen
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Verschiebung der Bürste 521 lässt sich die zeitliche Verzögerung des Stromes vom Transformator 217 kleiner machen als die vom Transformator 218, während die Verzögerung des Stromes vom Transformator 219 um dasselbe Mass grösser wird, als die von 218, so dass, wenn die Sekundärspulen der Transformatoren 217, 218, 219 von drei Mikrophonen in gleichem Abstand erregt werden, Ströme von diesem Mikrophon, die ausser Phase sind, am Ring 531 in Phase anlangen können.
In ähnlicher Weise werden die Ströme aus den Sekundärspulen der Transformatoren 220, 221, 222 mit einander beim Ring J. 32
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lieh, dass die Ströme einerseits in den Ringen 531, 532 und anderseits in den Ringen 5. 33, 531 in Phase gebracht werden. Dies geschieht durch die zwei Verzögerungslinien 601 und 602, von denen jede aus in Reihe geschalteten Induktanzen 642 und parallel gelegten Kapazitäten 641 besteht. Die Ströme von
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Enden der Verzögerungslinie 601. Die verschiedenen Glieder dieser Verzögerungslinie haben Kontakte 611, über die eine mit dem Ring 631 verbundene Bürste 621 hinstreicht.
Bei geeigneter Einstellung der Bürste 621 an der Reihe der Kontakte 611 werden die Ströme, die im allgemeinen in den Ringen 531 und 3. 32 ausser
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lInd- 712 der beweglichen Kontaktreihe der Verzögerungslinie 701 verbunden. Die Ströme, die in die Kontakte 711 und 712 eintreten, müssen ebenfalls in Phase gebracht werden. Das geschieht in der aub Induktanzen 742 in Reihe und Kapazitäten 741 in Nebenschluss bestehenden Verzögerungslinie 701.
Diese Linie besteht aus 23. Abschnitten und jeder Abschnitt ist mit den oberen und unteren Bürsten 721 bzw. 722 zweier benachbarten Bürstenpaare verbunden, wie in dem Schema gezeigt. Die Verbindungen
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zum Telephonempfänger 803 fliesst, der andere dagegen von 712 nach rechts über die Verzögerungslinie und durch die Leitung 802 zum Telephonempfänger 804 geht. Diese Ströme, die durch die beiden Telephonempfänger fliessen, vereinigen sich dann in der gemeinsamen Leitung 805, die mit der Leitung 413 und von da mit der gemeinsamen Verbindungsleitung sämtlicher Sekundärspulen S der Transformatoren 217 bis 228 in Verbindung steht.
Durch diese besondere Anordnung der bewegliehen Kontakte wird in dem durch das eine der Telephone 803 und 804 gehenden Strom ein Verzögerungsübersehuss gegenüber den durch das andere Telephon gehenden Strom eingeschaltet, so dass diese beiden Ströme in Phase gebracht und eine reine Gehörmitteleinstellung erzielt wird. Die Ströme von den sechs Transformatoren 217 -222 sind beim Ring 631 durch die Verzögerungslinien 501, 502, 503, 504 und 601 bereits in Phase gebracht, so dass der Schall im linken Telephonempfänger einen Höchstwert hat, unabhängig von der Verzögerung- linie 701. Entsprechend sind die Ströme von den sechs Transformatoren 223 -228 beim Ring 632 in Phase gebracht.
Die Aufgabe der Linie 701, deren Enden mit den beiden Telephonempfängern verbunden sind, besteht insbesonders darin, die beiden Tonmaxima in den beiden Empfängern in Phase zu bringen und so den physiologischen Eindruck der Einstellung des Tones in die Gehörsmittellinie hervorzurufen.
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einstellung zu benutzen, wird der Schalter 810 im Stromkreis 811 geschlossen. Auf diese Weise werden die beiden Telephone parallel an den Verbindungspunkt der Leitung 801 und 80. 3 von den beiden Enden. der Linie 701 gelegt. Der Beobachter empfängt auf diese Weise keinen Eindruck einer Tonrichtung, aber, wenn die Kontakte der Linie 701 richtig eingestellt sind, so dass sie die Ströme von den Ringen 6. 31 und 632 in Phase bringen, dann hört der Beobachter einen Höchstwert des Tones in den Empfängern.
Es iit zu bemerken, dass dieselbe Einstellung der Kontakt der Linie 701, die eine Gehörsmitteleinstellung bei offenem Schalter 810 ergibt, auch ein Maximum ergibt, wenn dieser Schalter geschlossen ist. So können sich Gehörsmittel-und Höchstwertwirkung gegenseitig kontrollieren, indem man den Schalter S10 einfach schliesst und öffnet.
Während die Gehörsmitteleinstellung des Kompensators im allgemeinen angewendet wird, um die Richtung von Unterwasserschall, z. B. von Schiffsschrauben zu bestimmen, ist die Einstellung auf den Höchstwert angebracht, wenn der Schall solcher Art ist, dass die Gehörsmitteleinstellung schwierig ist, z. B. bei einer Schallquelle, die einen reinen Ton oder eine ausgehaltene musikalische Note hat.
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dargestellte Linie 701 ist insbesondere für Gehörsrichtungseinstellung bestimmt. Wenn nur ein Maximum verlangt wird, kann die Linie 701 durch eine Linie nach Art von 601, 602 und die zu einer solchen einfachen Linie gehörigen Leitungen 761, 762 ersetzt werden.
In Fig. 6 ist schematisch die Anordnung der verschiedenen Schalter für die Verzögerungslinie dargestellt. Die Schalter werden von einer gemeinsamen Welle 900 bewegt. Entsprechende Teile der Fig. 5 und 6 sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die festen Verzögerungslinien 502, 50, 506 und 508 sind am Fusse der Fig. 6 angedeutet. Die einstellbaren Verzögerugnslinien 501, 503, 505 und 507 sind um die vier unteren Kontaktplatten herumgelegt. Der kleine, mit 905 bezeichnete Pfeil an den Linien deutet an, dass sie rund um die Kontaktbahnen geführt sind.
Die Bürsten 527-524 werden von drehbaren Ringen 531-534 getragen und gleiten über Kontakt 511-514. Die Bürsten 51-5. 54 sind über die Leitungen 661-664 am entgegengesetzten Ende der entsprechenden Verzögerungslinie 601 und 602 verbunden. Die gemeinsame Rückleitung ist mit 47. 3 bezeichnet, entsprechend der gleich numerierten Leitung in Fig. 5. Die Ausbildung der Schalter für die zwei Verzögerungslinien 601 und 602. entspricht der der vier unteren Schalter, bloss dass elf statt sieben Kontakte vorhanden sind.
Der Schalter für die Linie 701 ist am oberen Ende dargestellt. Der allgemeine Aufbau diesem Schalters ist derselbe wie bei dem Schalter in den Fig. 3 und 4. Die Reihe der Kotnakte 711, 712 und 713 ist an der unteren Seite einer drehbaren Scheibe 770 befestigt. Die Schleifringe 782 und 783 sind entsprechend auf der Oberseite dieser Scheibe befestigt und machen Kontakt mit Bürsten 780 und 781, die mit den L-förmigen Kontakten 711 und 712 verbunden sind. Die Leitungen 761 und 762 sind mit den Schleifringen 781 und 783 verbunden. Abgesehen davon, dass diese Schleifringe und Bürsten nicht in Fig. 5 dargestellt sind, sind die Verbindungen in Fig. 5 die gleichen wie in Fig. H.
Die allgemeine Anordnung der Teile dieses Schalters ist die gleiche wie in Fig. 3 und Fig. 4, nur dass die elektrischen Ströme durch die L-förmigen Kontakte in die Verzögerungslinien eingestellt werden und die Telephone mit den Enden der Linien verbunden sind, während sie in dem Schalter nach Fig. 3 und 4in die Enden der Linien eingeführt werden und die Telephonempfänger mit den L-förmigen Kontakten verbunden waren.
Diese zwei Verbindungsarten sind gleichwertig.
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ist, so ist es doch klar, dass die Erfindung nicht auf diese bevorzugte Ausfilirungsform oder auf ihre Anwendung für Schallwellen beschränkt ist, sondern in andern Ausführungsformen und für andere Zwecke verkörpert werden kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrischer Kompensator zur Richtungsbestimmung von Energiewellell, insbesondere von Schallwellen, dadurch gekennzeichnet, dass in die von den elektrischen Empfängern der Energiewellen zu dem eigentlichen Aufnahmeapparat. führenden Leitungen Einrichtungen zur Phasenverschiebung (Verzögerungslinien) eingeschaltet sind, um die in diesen Leitungen fliessenden Ströme, die infolge des zeitlich verschiedenen Eintreffens der Wellen an den Empfängern phasendifferent sind, in Phase zu bringen.