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Schallapparat mit rein elastischer Kopplung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sender oder Empfänger für Schallwellen in Flüssigkeiten, bei welchen die Übertragung der Schallenergie zwischen einer an die schailübertragende Flüssigkeit grenzenden Fläche (Strahlungsorgan) und dem eigentlichen Sende-oder Empfangsorgan durch Vermittlung eines mit kompressiblen Medien (Gasen) gefüllten Raumes erfolgt. Einrichtungen dieser Art sind an sich bekannt, doch lassen sich mit ihnen bisher praktisch verwertbare Ergebnisse nicht erzielen, a is folgenden Gründen : Für die zu übertragende (sowohl aufzunehmende als abzugebende) Schallenergie
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Medmm in seinem conphas schwingenden Teil abwechselnd komprimiert und expandiert wird, und die Grösse der Druokschwankung, die hiebei auftritt.
Eine einfache Überlegung zeigt, dass von der Wellen- länge des Schallvorganges die Grösse des conphas schwingenden Teiles abhängig ist. Sein Volumen nimmt hiebei mit der dritten Potenz der Wellenlänge ab. Bei gegebener Frequenz und gegebener Art des Mediums, in. welchem die Strahlungsvorgänge erfolgen sollen, ist für eine. gegebene strahlende Fläche eindeutig das Verhältnis zwischen der Druckschwankung und Volumenänderung des conphas schwingenden Teiles des Mediums bestimmt. Ist die strahlende Fläche auf die verwendete Frequenz nicht abgestimmt, so macht sie, wenn sie empfangen soll, bei den Druckschwankungen eine Bewegung mit, die der Volumenänderung des Mediums entspricht.
Ist sie abgestimmt, so bewegt sie sieh je nach ihrer Dämpfung, mit einer mehr oder weniger grösseren Amplitude. Da nun die Dämpfung in ihrer Grösse immerhin in gewissen Grenzen bleiben muss, ist die Bewegungsamplitude der strahlenden Fläche selbst bei kleiner Dämpfung stets vergleichbar mit der oben beschriebenen des Mediums.
Bringt man diese Gesichtspunkte in Verbindung mit den Schallapparaten der eingangs beschriebenen Art, so zeigt sich, dass sie bei solchen bisher bekannten'Einrichtungen in keiner Weise berücksichtigt sind. Die das Kopplungsmedium enthaltenden Räume dieser Einrichtungen haben stets ein so erhebliches Volumen, dass es nach dem Vorausgegangenen zur Erzielung einer wirksamen Übertragung als viel zu gross bezeichnet werden muss, a'ich wenn man, wie ebenfalls schon vorgeschlagen wurde, das eingeschlossene Gas unter Druck halten würde, da dieser Druck eben wegen der Grösse des Raumes viel zu hoch sein müsste, als dass er praktisch in Frage kommen würde.
Demgegenüber besteht die Erfindung darin, dass der zwischen der strahlenden Fläche und dem eigentlichen Sende-und Empfangsorgan eingeschaltete, mit kompressiblen Medien gefüllte Raum sehr klein und flach gehalten ist. Unter sehr klein ist dabei zu verstehen, dass er je nach der Grösse des Strahlungsorgans nur in der Grössenordnung eines oder weniger Kubikzentimeter sein darf, ein Volumen, das beispielsweise als passend zu bezeichnen ist, wenn man Schall aus dem Wasser auf eine mit der strahlenden Fläche durch den das kompressible Medium enthaltenden Raum gekoppelte Mikrophonmembran übertragen und dabei eine feste Kopplung erzielen will. Wenn man loser koppeln will, muss man den Raum entsprechend vergrössern, hat es also in der Hand, die Festigkeit der Kopplung wunschgemäss zu regeln.
Ein zweites sehr einfaches und bei einem erfindungsgemäss bemessenen Kopplungsraum wirklich von Erfolg begleitetes Mittel zur Regelung der Kopplung besteht dann auch darin, dass man das eingeschlossene Gas mehr oder weniger unter Druck hält, der bei der Kleinheit des Raumes natürlich eine
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ganz andere Rolle spielt als in grossen Räumen und nur gering zu sein oder unerheblich gesteigert zit werden braucht, um die Festigkeit der Kopplung wesentlich zu erhöhen bzw. umgekehrt zu verringern.
Die eigentlichen Empfänger-oder Senderorgane können in allen Fällen mit besonderen Abstimmungsgebilden zusammenhängen, selbst solche darstellen oder auch ganz aperiodisch ausgeführt sein. Ebenso kann die strahlende Fläche ihrerseits einen Teil eines Abstimmungsgebildes darstellen oder selbst ein abgestimmtes Gebilde (Membran) sein, sie kann aber auch gänzlich periodisch eingerichtet sein.
Ferner können die elastischen Kräfte der die Energie aus der Flüssigkeit aufnehmenden Membran und der mit dem eigentlichen Sende-oder Empfangsapparat gekoppelten Membran gegebenenfalls zusammen mit den elastischen Kräften der angrenzenden Flussigkeits-und Gasmassen derart zueinander abgeglichen sein, dass das System nur eine ausgeprägte Eigenfrequenz besitzt, oder die Abgleiehung kann so erfolgen, dass das System zwei oder mehrere Kopplungsfrequenzen besitzt.
Ausserdem kann man erfindungsgemäss den Kopplungsraum so einrichten, dass sowohl bei höheren als bei tieferen Frequenzen als die ausgewählte die Kopplung zwischen den beiden Organen geringer wird, so dass man beispielsweise für den Fall des Empfangs nur einen bestimmten Periodenbereich empfängt, u. zw. zunächst ohne eine Abstimmung der Organe zu Hilfe nehmen zu müssen. Dies geschieht wie folgt : Wie bereits oben erwähnt, nimmt bei gleicher Kopplung das Volumen, welches man dem Kopplungraum vergleichbar machen muss, mit der Wellenlänge in der dritten Potenz ab.
Hat man also beispielsweise bei der Frequenz 2000 einen Kopplungsraum für eine gewisse Kopplung bemessen, so ist bei höher werdender Frequenz, d. h. für kleiner werdende Wellenlängen der Kopplungsraum zu gross, und es stellt sich mit wachsender Periodenzahl von selbst eine immer loser werdende Kopplung ein. Will man hiebei nun noch erreichen, dass auch bei tieferen Perioden der Apparat immer unempfindlicher wird, so verbindet man beispielsweise einen zweiten grösseren, mit Luft oder einem andern elastischen Medium gefüllten Raum mit dem Kopplungsraum durch eitle- bdet mehrere Drosselstellen derart, dass bei der gewählten Periodenzahl 2000 die Drosselung zum ändern Raum noch gut wirkt, dagegen bei tieferen Perioden immer schneller abnimmt.
Hiedurch erreicht man, dass der zweite Raum bei tieferen Perioden zu dem eigentlichen Kopplungsraum in seiner Wirkung hinzugerechnet werden muss. Dann tritt bei entsprechender Bemessung dieser Raumverhältnisse auch für die tieferen Perioden eine immer losere Kopplung ein. Bei höheren Perioden ergibt sich also von selbst eine losere Kopplung und bei tieferen Perioden erhält man sie durch die Anordnung des zweiten Raumes, der mit dem eigentlichen Kopplungsraum entsprechend durch Drosselung verbunden ist. Hienach kann der Empfänger nur für einen gewollten Bereich empfindlich eingestellt werden. Diese Einstellung kann man erfindungsgemäss auch durch Vorrichtungen zur Fernveränderung der Grösse des Kopplungsraumes oder der Drosselwirkung der Verbindungsstellen mit dem Hilfsraum ermöglichen.
Durch die Erfindung wird es aber vor allem auch möglich, das Übersetzungsverhältnis der Druckund Bewegungsamplituden an der strahlenden Fläche und am Sender oder Empfänger in weiten Grenzen beliebig einzustellen. Man braucht hiezu nur die strahlende Fläche und die Fläche, an der die Sendeoder Empfangsorgane wirken, in an sich bekannter Weise entsprechend zueinander zu bemessen.
Bei sehr kleinem Kopplungsraum (z. B. wenn sehr hohe Schallfrequenzen bei grossem Übersetzungs- verhältnis übertragen werden sollen) wird die Wandreibung des beim Schallvorgang bewegten Gases sehr gross, insbesondere an den enger werdenden Randteilen konisch ausgebildeter Gasräume, weil wegen der hohen Kompressibilität des Fällungsmittels die Teile desselben an den genannten Stellen sehr grosse seitliche Amplituden machen. Man verwendet deshalb vorteilhaft eine kombinierte Füllung des Kopplungsraumes aus nahezu inkompressiblen Medien (Flüssigkeiten) und stark kompressiblen Medien (Gasen), wobei das letztere z.
B. in einem besonderen geeigneten Gefäss so untergebracht ist, dass es mit einer möglichst grossen Oberfläche mit dem inkompressiblen Medium in Verbindung steht und dass seine Teile bei der Schwingungsbewegung sich im wesentlichen senkrecht zu dieser Oberfläche bewegen.
Eine weitere Verbesserung wird, unabhängig davon, ob es sich um kompressible Medien allein oder um die Kombination solcher mit inkompressiblen handelt, dadurch erzielt, dass man zur Kopplung Gase von geringer innerer Reibung verwendet, z. B. Wasserstoff, Ammoniak od. dgl. Man vermeidet
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des Mediumvolumens vorher bestimmt, also einer willkürlichen Bemessung nicht zugänglich ist.
Es gibt aber Fälle ; in denen dennoch eine gewisse Dämpfung nötig ist, z. B. wenn bei zur Signal-
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Apparates vorkommt. Erfindungsgemäss wird in solchen Fällen die Dämpfung solcher Apparate vergrössert, indem in den Kopplungsraum oder an seine Begrenzungen besondere Dämpfungsmittel ein- geführt sind, welche einen Teil der in dem Kopplungsraum schwingenden Energie verzehren. Ausser einer Reihe bekannter Dämpfungsmittel können vorteilhaft folgende angewendet werden : Die Wandungen des Kopplungsraumes können ganz oder zum Teil aus nachgiebigen Stoffen von grosser innerer Reibung hergestellt werden. Da dies oft aus konstruktiven Gründen nicht möglich ist, können die Wände auch mit derartigen Stoffen ganz oder zum Teil ausgekleidet sein.
Weiterhin können in den Kopplungsraum gitterartige, siebartige oder poröse Wände eingeschaltet sein, welche die bei dem Sehallvorgang bewegte Medium-
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Anordnungen, bei denen der Kopplungsraum nach dem Inneren des Apparates zu durch eine Membran abgeschlossen ist, sondern sie können mit Vorteil bei allen möglichen Ausbildungen angewendet werden, gleichgültig in welcher Form den Kopplungsräumen die Energie vom Innern des Apparates aus zugeführt oder entzogen wird.
Bei denjenigen Anordnungen, bei denen an dem Kopplungsraum eine Membran angeschlossen ist, welche ihrerseits mit dem eigentlichen Erregergebilde oder dem Detektor in Verbindung steht, kann abgesehen von den Schwierigkeiten, welche die Verwendung von besonderen Detektoren, insbesondere von Mikrophonen ganz allgemein bereitet, die Verwendung derselben unmittelbar. an der Begrenzung des Luftkopplungsraumes, und bei Sendern die Verwendung besonderer Erregergebilde an dieser Stelle, Komplikationen konstruktiver Art beim Bau derartiger Apparate bedingen.
Auch in akustischer Beziehung können sich aus der Verwendung zweier Membranen, von denen die eine das Strahlungsorgan, die andere der Träger des eigentlichen Empfangs-oder Erregergebildes ist, in so unmittelbarer Nähe beieinander,
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sich häufig labile und unklare Kopplungsverhältnisse zwischen den Membranen einstellen können.
Erfindungsgemäss werden diese Schwierigkeiten ganz oder zum Teil dadurch umgangen, dass man den Kopplungsraum auf einen zweiten mit Gas (Luft) gefüllten, den Schall übertragenden Raum elastisch einwirken lässt, welcher mit dem ersten durch eine gegebenenfalls durch eine nachgiebige Membran oder Platte geschlossene Öffnung von solcher Grösse in Verbindung steht, dass die Kopplungswirkung bei gleichzeitig guter Schallübertragjng bestehen bleibt, Dieser zweite Luftraum unterscheidet sich von dem bereits vorstehend erwähnten zweiten Luftraum, der lediglich zur Beeinflussung der Kopplung dient und keinerlei sonstige Funktionen übernimmt, grundsätzlich dadurch, dass in diesem Falle bei der Schallfortleitung der Schall seinen Weg über ihn nehmen muss.
Er kann also zunächst in einfachster Weise, wenn es sich um Empfänger handelt, als direkte Rohrleitung ausgebildet sein, welche zum Ohre des Hörenden weitergeführt ist. Hiebei ist die Verwendung einer zweiten Membran und eines besonderen Detektors überhaupt vermieden. Die Einrichtung kann dabei so getroffen sein, dass der an den Kopplungsraum sich anschliessende Luftraum als Resonator ausgebildet wird. Ferner kann man die beiden oben geschilderten Einrichtungen a-ich in der Weise kombinieren, dass man zwischen den Kopplungsraum und die Leitung oder zwischen diese und das Ohr einen Resonator einschaltet.
Die letztgenannten Einrichtungen beziehen sich auf direkten Schallempfang mit dem Ohr. Sie können in sinngemäss abgeänderter Form auch zur Aussendung von Schallwellen verwendet werden, indem man mit dem an den Kopplungsraum grenzenden Gasraum einen Schallerreger für Luftschallwellen von beliebiger, gegebenenfalls bekannter Art verbindet. Diese Verbindung kann so eingerichtet sein, dass der Schallerzeuger an die Stelle des Ohres beim Schallempfang tritt und die von ihm ausgestrahlte
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der Verwendung des Apparates als Unterwassersignalmittel, weil man dadurch in die Lage versetzt wird, konstruktiv einfache und billige Schallerzeuger z i verwenden und die von ihnen erzeugte Schallenergie in äusserst einfacher Form und doch mit gutem Wirkungsgrad auf das schallübertragende Medium weiter zu geben.
Als Schallerzeuger können naturgemäss auch die Sprachorgane dienen, so dass es mit dieser Einrichtung auch ermöglicht wird, in einfacher Form gesprochene Worte unter Wasser im Sprechverkehr zwischen Schiffen, Bojen, Tauchgeräten u. dgl. weiter zu geben.
Ebenso wie au die Stelle der Sprachorgane in dem vorgenannten Beispiel besondere Schall- erzeugungsapparato treten können, kann mm beim Empfang das Ohr auch durch eine Empfangsvorrichtung beliebiger Art ersetzen. Dieser Fall gewinnt Bedeutung bei der Aufnahme von Schallwellen, welche in einem deat Ohr des Hörenden nicht ohne weiteres zjtgängliehen Medium ankommen, und deren Beobachtung an einem O.'t erfolgen soll, z @ welchem hin die Verlegung von Schalleitungsrohren unzweck-
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beliebigen Stelle abbrechen, z.
B. schon in dem an den Kopplungsraum grenzenden Gasraum selbst, und an dieser Stelle einen die Schallwellen in elektrische Schwingungen umwandelnden Detektor (Mikrophon, Elektromagnet usw.) einschalten. Die Weiterleitung und Wahrnehmbarmachung der auf diese Weise
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Wenn man als Gasraum hinter dem Kopplungsraum einen Raum von an sich beliebiger Beschaffenheit verwendet, so erhält man im allgemeinen eine Apparatur, welche nur eine ausgeprägte Eigenschwingung besitzt, die gegeben ist durch die elastischen Eigenschaften des Strahlungsorganes und zum Teil auch des angrenzenden Kopplungsraumes, sowie durch die Masse des Strahlungsorganes und des beiderseitig angrenzenden Mediums. Ein in der Hauptsache einwelliges System erhält man auch dann, wenn man die elastische Kraft des Strahlungsorganes beispielsweise sehr gering macht und den an den Kopplungsraum grenzenden Gasraum als Resonator von ausgeprägter Abstimmung ausbildet.
Durch mehr oder weniger genaue Abstimmung dieses Gasraumes und des Strahlungsorganes aufeinander durch Variation des dmch die Grösse des Kopplungsraumes gegebenen Kopplungsgrades zwischen den beiden genannten Gebilden
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kann man erzielen, dass das System zwei ausgeprägte Schwingungen besitzt. welche mehr adel weniger nahe aneinanderliegen und deren Dämpfung bei gegenseitiger Abstimmung aufeinander durch die Summe der Eigendämpfung der beiden Einzelsysteme'bestimmt wird. Durch Kopplung von mehr als zwei Systemen der beschriebenen Art kann man mehr als zwei ausgeprägte Schwingungen im Sender oder Empfänger erzielen.
Bei den bisher beschriebenen Einrichtungen ist das den Kopplungsraum gegen das sehallüber- tragende Aussenmedium abschliessende Strahlungsorgan zwecks Erzielung einer grossen Strahlungdämpfung vorzugsweise von erheblicher Ausdehnung zu wählen, während die mit dem Detektor oder Erreger verbundene bzw. die die Verbindungsöffnung mit dem zweiten Kopplungsraum abschliessende
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jüngen. Dadurch wird bedingt, dass das Gas in dem Kopplungsraum ausser der in der Richtung gewiinsehten Schwingungsamplituden stattfindenden Bewegung in sehr erheblichem Masse der bereits erwähnten tangentialen oder seitlichen Bewegung unterliegt.
Diese letztere, die wie schon gesagt ist, keineswegs immer'gewollt ist, kann unter Umständen die erstgenannte Bewegung sogar überwiegen, so dass der akustische Vorgang äusserst kompliziert und unübersichtlich wird. Da ausserdem diese tangentiale Bewegung zwischen Flächen stattfindet, die einander äusserst nahe gegenüberliegen, ist die mit ihr verbundene Reibungsdämpfung vielfach so erheblich, dass sie störende Energieverluste verursachen muss, u. zw. häufig gerade in Fällen, wo sie ganz vermieden werden müssen, zum mindesten aber nicht in einem Betrage zulässig sind, wie er bei den vorgeschriebenen Verhältnissen tatsächlich auftreten kann.
Da aber eine gemischte Füllung des Kopplungsraumes oder eine Füllung mit Gas von geringer innerer Reibung nicht immer angängig ist, beispielsweise bei direkter Verbindung des Kopplungsraumes mit einer Schalleitung, so besteht auch die Aufgabe, den Kopplungsraum so gestalten zu können, dass diese Reibungsverluste vermieden werden. Sie wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Kopplungsraum örtlich von dem Strahlungsorgan getrennt und mit diesem über ein besonderes Zwischenglied akustisch verbunden wird. Dadurch gewinnt man überdies mehr Freiheit in der Ausbildung des Raumes überhaupt, insofern, als er nicht mehr von der Grösse des Strahlungsorgans, welches bisher eine seiner Wände bildete, mitbestimmt wird. Umgekehrt fallen auch gewisse Beschränkungen bei der Ausbildung des Strahlungsorganes weg, die bisher aus demselben Grunde bestanden.
Der Kopplungsraum kann also
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Das Verbindungsglied zwischen Kopplungsraum und Strählergebilde kann starr oder in bekannter Weise selbst als Schwingungsgebilde ausgeführt sein, wobei man dieses gegebenenfalls auch zur Amplitudenübersetzung nutzbar machen kann. Zweckmässig wird die Angriffsstelle des Zwischengebildes, ins-
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zu übertragenden Frequenz mit grösster Amplitude schwingt.
Bei der Verwendung eines besonderen Zwischengliedes zwischen Strahlungsorgan und Kopplungraum werden zweckmässig als Strahlungsorgan gerippte, versteifte oder kolbenartige Membranen verwendet. Es wird dadurch erreicht, dass die gesamte im Strahlungsgebilde schwingende Energie auf den Kopplungsraum übertragen, und die Ausbildung einer mehr oder weniger als Knotenpunkt wirkenden Zone an der Angriffsstelle des Zwischengliedes am Strahlergebilde vermieden wird.
Im übrigen kann der Kopplungsraum natürlich auch hier, wie bei den erst geschilderten Einrichtungen ausser beim Schallempfang auch bei der Schallerzeugung zur Energieübertragung zwischen dem Strahlergebilde und den weiteren Einrichtungen dienen und in beiden Fällen, also sowohl hinsichtlich der Verbindung mit dem Detektor bzw. der Aufnahmestelle wie auch der Verbindung mit dem Schallerzeuger genau so behandelt werden wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen, bei denen er unmittelbar an das Strahlergebilde grenzt.
Die Abmessungen des Kopplungsraumes brauchen nicht vollkommen unveränderlich sein, vielmehr kann man gemäss der Erfindung die Einrichtung auch hier so treffen, dass das Volumen des Kopplungsraumes verändert werden kann. Dadurch wird, abgesehen von einer bequemen Art den Kopplunggrad zu verändern, gleichzeitig eine kontinuierliche Abstimmbarkeit der Apparatur erzielt. Infolge der elastischen Eigenschaften der Gase stellt der Inhalt des Kopplungsraumes eine elastische Kraft dar, welche sich zur elastischen Kraft der angrenzenden Schwingungsgebilde addiert. Diese elastische Kraft kann durch die Veränderung der Grösse des Raumes in sehr weiten Grenzen verändert werden. und man erreicht dadurch eine sich in gewissen Grenzen bewegende Veränderbarkeit des ganzen Systems.
Die
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den Kopplungsraum aus zwei ineinander posaunenartig verschiebbaren Teilen herstellt, oder ihn auch auf der dem Strahlungsorgan abgekehrten Seite durch einen verschiebbaren Kolben verschliesst. Dieser
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Kolben kann seinerseits wiederum eine Membran oder ein anderes Schwingungsgebilde enthalten oder mit einer zu einer Schalleitung fühlenden Bohrung versehen sein.
Die örtliche Trennung des Kopplungsraumes von dem Strahlungsorgan bildet jedoch nicht das einzige Mittel zur Verminderung der Reibungsdämpfung in dem Kopplungsraum, sondern die Erfindung gibt noch ein zweites sehr einfaches Mittel zur Erreichung dieses Zweckes an die Hand. Dieses Mittel besteht darin, dass der Kopplungsraum selbst auf die Frequenz des Strahlungsolgans (Membran)
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oder sogar wesentlich grösserem Kopplungsgrad zwischen beiden der Kopplungsraum grösser und somit dh Reibungsdämpfung kleiner gemacht werden kann. Immer muss aber die Grösse des Kopplungsraumes noch sehr gering sein, damit überhaupt eine in Betracht kommende akustische Kopplung zwischen
Strahlungsorgan und dem Luftraum eintritt.
Dieses zeigt sich in der besonderen Art seiner Gestaltung, indem er auch dann noch im Verhältnis zu seiner Ausdehnung parallel zum Strahlungsorgan sehr flach sein muss. Zweckmässig wird auch hier die Konusform des Kopplungsraumes gewählt, doch sind auch ! andere Raumformen zulässig.
Die Abstimmung sowohl des Strahlungsorgans als auch des Gasraumes bedingt das Zustande- kommen einer Doppelwelligkeit des Schallapparates, und es ist Sorge zu tragen, dass bei der Aussendung oder dem Empfang eines bestimmten Tones (z. B. bei Signalverkehr) von den beiden auftretenden Kopp- lungsfrequenzen die eine mit diesem Ton (Signalton) übereinstimmt. Will man zwei verschiedene Töne I aussenden oder empfangen, so kann man die Schwingungsgebilde derart abstimmen und ihre Kopplung so bemessen, dass die beiden sich ergebenden Kopplungsfrequenzen mit diesen Tönen zusammenfallen.
Unter Umständen wird voiteilhaft beim Empfang eines bestimmten Tones oder einer bestimmten Ton- gruppe die Abstimmung beider Gebilde, des Strahlungsorgans (Membran) und des Gasraumes für sich allein unter Beincksichtigung ihrer Kopplung mit der verwendeten Frequenz in Übereinstimmung gebracht. Allgemein liegt alsdann die eine der Koppllngsfrequenzen oberhalb und die zweite unterhalb der verwendeten Signalfrequenz. Sie treten in der Resonanzkurve als Spitzen auf, zwischen denen sich eine Einsattelung befindet. Gesamtdämpfung und Kopplungsgrad werden dmn zweckmässig so gewählt, dass die Signalfrequenz in die Einsattelung der Resonanzkurve zu liegen kommt, wobei zu beachten ist, dass diese Einsattelung nicht wesentlich tiefer liegt als die beiden Spitzen der Resonanzknrve.
Auf diese
Weise erhält der Schallapparat, hinsichtlich seiner Frequenz einen vollkommen klaren Charakter. Er ist alsdann darauf eingerichtet mit dieser im vorstehenden hervorgehobenen Frequenz bevorzugt Töne auf- zunehmen oder auszusenden, besitzt als'o eine jederzeit nachweisbar und ein für allemal festgelegte
Betriebsfrequenz oder eine bestimmte Anzahl solcher Betriebsfrequenzen, die ein integrierendes Charakte- ristikum des Apparates sind.
Abgesehen davon, dass man durch Abstimmung des Gaskopplungsraumes (Resonator) auf die
Membran an sich bereits eine bessere Kopplung zwischen beiden erzielt als bei Nichtabstimmung beider aufeinander, kann man den Grad der Kopplung an sich wiederum einstellen durch die Grösse, u. zw. insbesondere die Höhe des Raumes. Je kleiner, d. h. niedriger oder flacher der Resonatonraum gemacht wird. um so enger ist die Kopplung desselben mit der Membran. Dadurch, dass man den Resouatorraum in seiner Grösse variabel macht, kann man den Kopplungsgrad auch während des
Betriebes einstellen.
Will man die Schallenergie aus dem Kopplungsraum oder zu ihm in Luft fortleiten, so kann man das in bequemer Weise dadurch erreichen, dass man ihn mit der Aussenluft durch eine Öffnung bestimmter
Grösse verbindet. Es ist hiebei zu beachten, dass bei gegebener Tonhöhe jeder Grösse des Resonatorraumes auch eine bestimmte Grösse dieser Öffnung entsprechen muss, u. zw. nimmt sie bei konstanter Tonhöhe mit abnehmendem Volumen, d. h. bei immer niedriger oder flacher werdender Gestalt des Resonator- raumes ebenfalls ab.
Bei der Foi stung der Schallenergie aus oder zu dem Kopplungsraum in Luft mittels einer Schall- leitung kann es nun voikommen, dass die Schalleitung eine störende Rückwirkung auf den aus Membran und Kupplungsraum gebildeten Schallapparat ausübt, derart, dass sie die Abstimmung und Dämpfung desselben verändert. Gerade wenn der Kopplungsraum auf die Membran abgestimmt ist, macht sich diese Rückwirkung der Schalleitung besonders störend bemerkbar. Jede Änderung der Rohrleitung bedingt alsdann eine Änderung der Abstimmungsverhältnisse. Gemäss der Erfindung kann auch dieser
Nachteil vermieden werden, u. zw. dadurch, dass zwischen Rohrleitung und Kopplungsraum bzw. Resonator ein freier Zwischenraum gelassen wird.
Werden mehrere Schallräume hintereinander geschaltet, z. B. hinter den Kopplungsraum noch ein besonderer Resonator, so muss der freie Raum zwischen diejenigen Teile des Schallweges eingefügt werden, die einerseits in ihrer Abstimmung konstant sein sollen und die anderseits lediglich die Funktion einer Weiterleitung des Sehalles auszuüben haben. Um die mechanische Kontinuität der Einrichtung zu bewahren, wird zweckmässig die durch den Zwischenraum geschaffene Unterbrechungsstelle durch
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen :
Fig. 1-3 Schallapparate mit flachem, nach dem Innern der Apparate stark verjüngten Kopplungraume.
Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der der Kopplungsraum mit aus Flüssigkeit und Gas kombinierter Füllung versehen ist,
Fig. 5-7 zeigen Ausführungsformen mit besonderen Dämpfungsmitteln im Kopplungsraume,
Fig. 8-10 Ausführungsformen mit an den Kopplungsraum angeschlossenem zweiten Gasraum, und
Fig. 11 eine Ausführungsform, bei der das Strahlergebilde und der Kopplungsraum an sich selbständig ausgebildete und angeordnete Teile bilden und durch ein weiteres Zwischenglied aufeinander wirken.
Fig. 12 zeigt eine Schallkapsel nach der Erfindung mit auf die Membran abgestimmtem Kopplungraume,
Fig. 13 die Resonanzkurve eines Schallapparates nach Fig. 12,
Fig. 14 eine Schallkapsel mit von dem Kopplungsraum örtlich getrennter Sehalleitung.
Fig. 1 zeigt einen Elektromagnetsender oder-empfänger, welcher im Wasser betrieben werden soll. Bei der Beschreibung der Wirkungsweise dieser Einrichtung ist angenommen, dass es sich um einen Empfänger handelt. Ohne prinzipielle Änderung könnte sie auch als Sender wirken. 1 ist die strahlende Fläche, welche ah Membran ausgebildet ist. Diese Fläche 1 schliesst das zylindrische Gehäuse 2 vom äusseren Wasser ab. Es ist an allen Seiten wasserdicht eingerichtet. Das Gefäss 1, 2 denke man sich von Wasser umgeben, während seine inneren Räume mit Luft angefüllt sind. 3 ist eine zweite Membran, die der Membran 1 gegenübergestellt ist.
Zwischen beiden ist ein schmaler, mit Luft angefüllter Kopplungsraum 4 angeordnet, dessen Volumen erfindungsgemäss sehr klein gehalten ist, u. zw. um so kleiner, je fester die Kopplung zwischen den beiden Membranen gewünscht wird. An der Membran 3 ist ein kleiner Anker 5 befestigt, der dem Elektromagneten 6 gegenüberliegt. Der Elektromagnet 6 ist durch eine Traverse 7 an der Gefässwand 2 befestigt. 8 ist eine Bohrung mit der Drosselstelle 9, welche den Raum 4 mit dem übrigen Raum 10 des Gefässes verbindet.
Will man beispielsweise aus dem Wasser den Ton 2000 empfangen, so muss man für eine leidlich feste Kopplung den Raum 4 unter 1 cm3 gross machen, unter der Voraussetzung, dass man der Luft dieses Raumes den normalen Druck von einer Atmosphäre gibt.
Der Abstand der beiden Membranen beträgt dann, selbst wenn ihr Radius nur wenige Zentimeter gross ist, nur einige Zehntelmillimeter. Man sieht, wie ausserordentlich klein dieser Kopplungsraum bei einigermassen fester Kopplung gewählt werden muss. Will man die Kopplung so warren, dass nur ein Teil der Druckschwankung des Mediums auf die Membran 3 übertragen wird, so kann man entweder den Raum um das entsprechende Mass vergrössern oder bei unter Druck stehender Luftfüllung deren Druck entsprechend verringern oder den Raum 4 mit dem Raum. M, der um ein Vielfaches grosser wie 4 ist, verbinden, wobei man die Verbindungsstelle so drosseln muss, dass der gewünschte Kopplungseffekt erreicht wird.
Wie bereits erwähnt, hat diese Drosselung den Vorteil, dass ihre Wirkung mit tieferen Frequenzen abnimmt, dass also der Apparat für tiefere Frequenzen unempfindlich wird. Weiterhin hat die Verbindung des Raumes mit dem Raum 10 den Vorzug der statischen Druckentlastung der Membran 3. Wenn der Empfänger im tieferen Wasser unter Druck kommt, wird die Membran 1 mehr oder weniger durchgebogen, wodurch in den Raum 4 insbesondere infolge seiner ausserordentlichen Kleinheit ein Überdruck entstehen würde, der seinerseits die Membran 3 und den Anker 5 bewegen würde. Dann träte aber eine Abstands- änderung zwischen dem Anker 5 und dem Elektromagneten 6 ein, wodurch eine unerwünschte Empfindleh- keitsänderung eintreten konnte.
Durch die Verbindung der Räume 4 und 10 mit Hilfe der Bohrung 8 wird erreicht, dass eine statische Druckänderung eine Bewegung der Membran 3 auf die Traverse 7 zu nicht zur Folge hat. Dieses ist ein weiterer Vorteil der Diosselverbindung. An Stelle des Elektromagneten 5, 6 könnte man sich auch ein sogenanntes Druckmikrophon oder ein Schüttelmikrophon oder ein irgendwie abgestimmtes Gebilde, welches den Empfänger enthält, angebracht denken, für das Druckmikrophon würde diese Veränderung des Abstandes auch schädlich sein.
Man kann natürlich auch in bekannter Weise zur Druckentlastung einen dritten Raum vorschalten (Vormembran). Auch kann man in bekannter Weise die einzelnen Glieder des Gebildes abstimmen und zwecks richtiger Dämpfung entsprechend zueinander bemessen. Man kann nun-durch entsprechende Wahl des Grossenverhältnisses der Membran 1 zur Membran 3 in bekannter Weise eine Amplituden- übersetzung vergrössernder oder verkleinernder Wirkung einführen. Bei Anwendung des Apparates im Wasser wird man im allgemeinen die Membran 3 kleiner als 1 wählen (wie in den Figuren dargestellt).
Stimmt man die Membran 1 auf den Ton ab, den man empfangen will und lichtet die Membran 3 so ein, dass sie selbst keine in Betracht kommende Eigenschwingung hat, so hat man ein einfaches ein-
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gegeben ist, dessen Nutzdämpfung bei gegebener Grösse der Membran 3 und bei gegebener Elektromagneten 5 und 6 durch die Kopplung des Raumes. 4 und die Übersetzung der Flächen 1 und 3 bestimmt wird. Bei Vergrösserung des Raumes 4 macht man dann die Nutzdämpfung kleiner, bei Verkleinerung des Raumes 4 macht man die Nutzdämpfung grösser. Man kann hiedurch in sehr bequemer Weise die
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raum zu variieren. Derartige Gruppierungen liessen sich noch vielerlei vornehmen oder hintereinander wiederholen.
Anstatt ebener Membranen können auch irgendwie anders gestaltete Flächen benutzt werden.
Anstatt eines Elektromagnetempfängers kann auch ein Mikrophonempfänger (Druck- oder Schüttel- mikrophon od. dgl.) oder jede andere Art von Empfängern benutzt werden. Man kann auch hiebei das Empfängerorgan selbst abstimmen.
In der Fig. 3 ist eine andere Vorrichtung gezeichnet, die eine Veränderung der Kopplung im Betrieb gestattet. Die Figur zeigt nur den eigentlichen Kopplungsraum. Mit dem Kopplungsraum 4 ist der Raum 12 verbunden, in welchem der Kolben 13 durch den ausserhalb des Empfängers herausragenden Griff 14 hin-und herbewegt werden kann. Durch Verstellung dieses Kolbens von fein auf irgendwelche, z. B. elektromagnetische Art und Weise, kann man so die Kopplung von fern veränderlich machen. Man könnte dies natürlich auch erreichen, indem man den Dluck der Luft im Raum 4 von fern beeinflussbar einrichtet.
Auf eine solche oder auch andere Art und Weise kann dann während des Betriebes die Kopplung durch den Raum 4 geändert werden. Handelt es sich hiebei um die Kopplung zwischen zwei Abstimmungsgebilden, so können die beiden auftretenden Kopplungsfrequenzen durch diese Änderung der Kopplung variiert werden. Handelt es sich um ein eintöniges Gesamtgebilde, so können hiedureh die Dämpfungen (Strahlungs-und Nutzdämpfung) zueinander verändert werden.
In der Fig. 4 ist noch ein Beispiel dargestellt für einen mit einer Kombination von Flüssigkeit und Gas gefüllten'Kopplungsraum. Der Raum zwischen den Membranen 1 und 3 ist in der Hauptsache mit einer Flüssigkeit 15 gefüllt. In diese eingebettet ist ein flaches Gefäss 16 mit biegsamen Wänden, dessen Innenraum 17 mit dem stark kompressiblen Medium (Gas) gefüllt ist. Die Flüssigkeit dient hiebei lediglich zur Übersetzung der Bewegung der Membran 1 auf die Membran 3 und wird nicht nennenswert komprimiert, während der mit Gas gefüllte Kopplungsraum zur Kopplung der beiden Membranen 1 und 3 dient. Man kann natürlich auch ähnliches erreichen, wenn man unmittelbar hinter der Membran 1 den Gasraum anordnet, der die Kopplung übernimmt und hinter diesem den Flüssigkeitsraum, der die Übersetzung übernimmt.
Bei der Beschreibung der in Fig. 5-7 dargestellten Ausführungsformen ist wiederum ein im Wasser zu betreibender Elektromagnetempfänger angenommen, doch kann die Beschreibung ohne prinzipielle Änderung sinngemäss auch auf einen Sender bezogen werden. An sich ist die Ausbildung des Kopplungsraumes die gleiche wie bei Fig. 1-3 und für gleiche Teile gelten gleiche Bezugszeichen.
Gemäss Fig. 5 ist im Innern des Gehäuses 2 eine kammerartige Aussparung 18 vorgesehen, welche gegen den Kopplungsraum 4 durch eine aus nachgiebigem Stoff bestehende und zur Vergrösserung der Dämpfung dienende Wand 19 abgeschlossen ist.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist die den Kopplungsraum 4 einschliessende Wand des Gehäuses 2 mit einer Belegung 2C versehen, welche aus nachgiebigen, grosse innere Reibung besitzenden Stoffen besteht.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist der zwischen den Membranen 1 und 3 vorhandene Kopplungsraum 4 zwecks Vergrösserung der Dämpfung mit siebartigen Unterteilungen 21 versehen. Im übrigen sind auch hier gleiche Teile durch die bereits in der Beschreibung aufgeführten Bezugszeichen belegt worden.
Gemäss Fig. steht der Kopplungsraum 4 über eine enge Bohrung 22, welche die Kopplungswirkung dieses Raumes nicht beeinträchtigt, mit einem zweiten Luftraum 23 zylindrischen Querschnitts in'Verbindung, an den eine zur Abhörstelle führende Hörleitung 24 angeschlossen ist. Die ankommenden Schallwellen werden bei dieser Einrichtung von der strahlenden Fläche über den Kopplungsraum 4 und den an diesen sich anschliessenden zweiten Gas-bzw. Luftraum unmittelbar auf das Ohr übertragen.
Die Ausführungsform nach Fig. 9 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 8 lediglich dadurch, dass der an den Kopplungsraum 4 sich anschliessende zweite Gasraum 23a als Resonator zwischen den Kopplungsraum 4 und die Gasleitung 24 eingeschaltet ist und mit letzterer durch eine enge Bohrung 22a in Verbindung steht.
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Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der durch den Kopplungsraum 4 und den sich anschliessenden zweiten Gasraum gebildete Schallweg bereits in diesem zweiten Räume durch einen eingeschalteten Detektor unterbrochen ist und die Schallwellen in Form von elektrischen Schwingungen weitergeleitet werden. In dem zweiten Luftraum 23b ist mittels einer ihn durchquerenden Ringmembran 25 ein Mikrophon 26 angeordnet, dessen Zuführungsleitungen mittels des Kabels 27 durch eine Stopfbüchse 28 wasserdicht eingeführt sind.
Gemäss Fig. 11 dient zur Verbindung des Kopplungsraumes 4b mit der Membran 1 ein besonderes Schwingungsgebilde 5-3, das aus zwei durch ein in der Richtung der aufgezwungenen Membranamplituden schwingendes Glied verbundenen Massenteilen besteht und auf einen bestimmten Ton abgestimmt sein kann oder nicht. Der Kopplungsraum 4b ist auf der der Membran abgekehrten Seite mit einem verstell-
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wiederum mit einer Schalleitung 24 in Verbindung. Um die von der Membran aufgenommene Energie möglichst vollkommen auf dieses Schwingungsgebilde zu Übertragen, wird die Membran durch Versteifungsrippen 36, die lediglich am Rande der Membran und unmittelbar um den mit ihr verbundenen Massenteil
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nicht entstehen können.
Der das Schwingungsgebilde 33 umgebende Raum 30 des Gehäuses 2 steht durch Öffnungen 81 mit der Aussenluft in Verbindung, um eine Kompression der in diesem Rum eingesohlossenen Luft zu verhindern. Der freie Spielraum zwischen den freien Massenteilen und der benachbarten Wand des Kopplungsraumes wird zweckmässig mit einer nachgiebigen Ringmembran abgeschloesen. die in sich starr gegenüber den Schallwellen im Kopplungsraum ist.
Bei der in Fig. 12 dargestellten Einrichtung mit auf die Membran abgestimmtem Kopplmgsraum ist die Abstimmung durch die von den Einrichtungen mit nicht ; abgestimmtem Kopplungsraum abweichenden Grössenverhältnisse des letzteren angedeutet. E ; bezeichnet wiederum 1 die als Strahlungsorgan dienende Membran, die das den Resonatorraum 4 enthaltende Gehäuse 2 abschliesst. Der Resonator-
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hindnrchlassenden Öffnung 22.
In der Fig. 13 ist eine Resonanzkurve eines derartig abgestimmten Schallapparates dargestellt, wie man sie erhält, wenn der Apparat als Empfangsapparat mit Schallwellen von allmählich ansteigender sekundlicher Schwingungszahl erregt wird. Die Abszisse enthält die Erregerfrequenz, die Ordinaten, die Lautstärke. Als Signalfrequenz ist die Frequenz n verwendet. Strahlungsorgan und Resonator sind hiebei auf die Frequenz n abgestimmt, und der Kopplungsgrad zwischen bei den ist'so gewählt, dass die Einsattelung s zwischen den beiden Resonanzspitzen nicht erheblich unter die maximalen Amplituden
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von unter sich nicht gleicher Frequenz mit demselben Empfangsapparat abzuhören oder Tonkomplexe aufzunehmen oder auszusenden, welche verschiedene Töne enthalten (Geräuschempfang, Telephonie).
Bei der Einrichtung nach Fig. 14, bei welcher der Einfluss der Schalleitung auf den Schalls parant ausgeschaltet ist, steht der Kopplungsraum 4, der durch die Membran 1 gesehlossenen Schallkapsel 2 wiederum über eine Öffnung 2. 2 der Blende 37 mit der Schalleitung 24 in Verbindung. Bei't befindet sich zwischen der Hinterwand des Gehäuses 2 und dem Leitungsrohr 24 ein Spalt, der die Rückwirkung des letzteren über die Öffnung 22 auf den Raum 4 verhindert. Als Abschluss des Innenraumes des Apparates gegen die Umgebung ist eine Haube 41 über das Gehäuse derart geschoben, dass sie sich mit ihrem Rande 43 an die Leitung 24 und mit dem Rande 44 an das Gehäuse 2 ringsum anlegt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Sende- oder Empfangseinrichtung für Schallwellen in Flüssigkeiten, bei welcher die Übertragung der Schallenergie zwischen einer an die sehallübertragende Flüssigkeit grenzenden Fläche (Strahlungsorgan) und dem eigentlichen Sende-oder Empfangsorgan durch Vermittlung eines mit kompressiblen Medien (Gasen) gefüllten Raumes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse dieses Raumes so gewählt ist, dass die durch den Schall in dem Raum erzeugten Druckamplituden von der gleichen Grössen- ordnung sind wie die Schalldrucke im Medium vor dem Raume.