DE1022397B

DE1022397B - Geschwindigkeitsmesseinrichtung auf Grund des Dopplereffekts

Info

Publication number: DE1022397B
Application number: DER19992A
Authority: DE
Inventors: Robert E Peterson
Original assignee: Raytheon Manufacturing Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1951-03-30
Filing date: 1956-11-13
Publication date: 1958-01-09
Also published as: DE1022397C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Mittel zum Messen der Geschwindigkeit eines sich in einem Strömungsmittel bewegenden Schiffs od. dgl. unter Ausnutzung des Dopplereffekts bei reflektierter Druckwellenenergie.

Es ist bereits bekannt, daß man die Geschwindigkeit eines im Wasser fahrenden Schiffs in bezug auf das Wasser bestimmen kann, indem man von dem Schiff aus durch das Wasser hindurch Schallwellen in einer zur Bewegungsrichtung des Schiffs parallelen Richtung aussendet und diejenigen Wellen empfängt, die von Unstetigkeiten im Wasser, z. B. Luftblasen, Verunreinigungen und thermischen Unterschiedlichkeiten, zurückgeworfen werden, woraufhin man die Frequenz der aufgefangenen Wellen dazu benutzt, zusammen mit den ausgesendeten Wellen eine Schwebung zu erzeugen. Der Frequenzunterschied variiert in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Schiffes, und daher kann man diese Geschwindigkeit mit Hilfe der Dopplerfrequenz messen.

Bis jetzt ist es erforderlich, als Reflexionspunkt den Meeresgrund oder zufällig auftretende Unstetigkeiten im Wasser zu wählen. Gemäß der Erfindung werden die Wellen dagegen auf einen Punkt in dem Medium fokussiert bzw. konzentriert, so daß an diesem Punkte eine Kavitation hervorgerufen wird, die in dem Strömungsmittel eine Unstetigkeit bildet, von der aus Energie auf einem höheren Niveau zu der Energiequelle zurückgeworfen wird, wo der Dopplereffekt beobachtet und gemessen wird, um die Fahrt des Schiffes zu ermitteln.

Das Fokussieren bzw. Bündeln des Druckwellenenergiestrahls erfolgt gemäß der Erfindung durch einen Übertrager üblicher Ausführung mit einer Linse aus einem Material, dessen Dichte größer ist als die Dichte des Wassers, sowie dadurch, daß man zuläßt, daß die Druckwellenenergie die Linse mit einer geringeren Geschwindigkeit passiert als es beim Wasser der Fall ist. Chloroform, das nahezu den gleichen akustischen Widerstand besitzt wie Wasser, ist ein solches Material, und für den erfindungsgemäßen Zweck ist dieses Material vorzugsweise in einem Gehäuse enthalten, das schalldurchlässige Fenster aus Gummi des Rho-c-Typs aufweist, um unerwünschte Unstetigkeiten, die von der Verwendung eines Materials zwischen der Schallenergiequelle und dem Wasser, das einen anderen akustischen Widerstand besitzt als Wasser, auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Der Strahl kann auch an einem vorderen Brennpunkt konzentriert werden, indem man die Berührungsfläche des sendenden piezoelektrischen Kristalls derart formt, daß ein konvergierender Strahl entsteht. Diese Wirkung wird mittels eines konkav geschliffenen Kristalls erzielt. Wenn man optimale Ergebnisse er-Geschwindigkeitsmeßeinrictitung
auf Grund des Dopplereffekts

Anmelder:

Raytheon Manufacturing Co.,
Waltham, Mass. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Holzer, Patentanwalt,
Augsburg, Philippine-Welser-Str. 14

Robert E. Peterson, Old Lyme, Conn. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

zielen will, kann es erforderlich sein, in Kombination mit dem besonders geformten Kristall eine Linse zu verwenden. Die Verwendung der besonderen Kristallform oder einer Linse für das Empfangskristall ist für das einwandfreie Arbeiten des Systems nicht wesentlich, und möglicherweise rechtfertigt die geringe theoretische Verbesserung praktisch nicht die Verwendung einer solchen Konstruktion an Stelle eines ebenen Kristalls ohne Linse.

Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines akustischen Logs, bei dem sich die Erfindung anwenden läßt;

Fig. 2 ist eine teilweise als Schnitt gezeichnete schematische Darstellung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 3 zeigt im Schnitt Einzelheiten einer Abwandlung der Mittel zum Konzentrieren von Druckwellenenergie;

Fig. 4 zeigt im Schnitt Einzelheiten einer weiteren Abwandlung der Mittel zum Konzentrieren von Druckwellenenergie;

Fig. 5 zeigt im Schnitt Einzelheiten einer weiteren Abwandlung der Mittel zum Konzentrieren von Druckwellenenergie.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung zum Messen der Geschwindigkeit gezeigt, mit der sich ein Schiff durch das Wasser bewegt; diese Einrichtung umfaßt zwei Übertrager 10 und 11, wobei der Übertrager 10 zum Senden und der Übertrager 11 zum Empfangen dient. Als Beispiel ist eine Signalquelle gezeigt, die einen Kristalloszillator 12 umfaßt, der mit einer Frequenz

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von 1 Megahertz arbeitet; der Oszillator wird kontinuierlich erregt und speist den Sendeübertrager 10. Die von dem Übertrager ausgesandten Ultraschallsignale werden durch ein noch zu beschreibendes Linsensystem konzentriert, um sie auf einen Punkt zu fokussieren, von dem aus die Energie zurückgeworfen wird, um von dem Empfangsübertrager 11 aufgenommen zu werden. Die Signale werden von dem Empfangsübertrager 11 zu einem Demodulator 14 geleitet. Bei die-

den an der Stütze 22 c· innerhalb der öffnung 23 α befestigten Kristall 21 α verteilt, um in dem Kabel 26 c eine elektrische Ausgangsleistung zu erzeugen, die durch die Schaltung nach Fig. 1 in eine Anzeige der 5 Fahrt des Schiffs verwandelt wird.

Den Gummi 24 kann man durch ein beliebiges anderes Material ersetzen, das annähernd den gleichen akustischen Widerstand besitzt wie Seewasser und die Schallwellen mit etwa der gleichen Geschwindigkeit

sem Demodulator handelt es sich zweckmäßigerweise io passieren läßt wie Seewasser. Bei dem Material der um ein Mischgerät, in dem die ausgesendeten und die Linse kann es sich um jedes Material handeln, das die empfangenen Signale gemischt werden, um die Unter- Schallwellen mit einer niedrigeren Geschwindigkeit schiedsfrequenz zu erzeugen, die dann durch den passieren läßt, als es bei Seewasser der Fall ist. Rechner 15, bei dem es sich um eine zur Frequenz- Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der zum Konzeti-

messung dienende Brückenschaltung handeln kann, 15 trieren der Druckwellenenergie dienenden Mittel, bei gemessen wird. Die Dopplerfrequenz und damit auch der die Linse 25 nach Fig. 2 durch einen hinter dem die Genauigkeit der Geschwindigkeitsanzeige wird Kristall 21 b angeordneten sphärischen Spiegel 31 erdurch die Temperatur, den Salzgehalt und den Druck setzt ist. Der Kristall wird durch einen Armstern 32 des von den Signalen durchlaufenen Wassers beein- unterstützt, und er ist in der Fortpflanzungsrichtung flußt. Diese Veränderlichen werden kompensiert, in- 20 in einem Abstand von der Oberfläche des sphärischen dem man die Schallgeschwindigkeit in dem Wasser Spiegels angeordnet, der größer ist als die Hälfte des mittels eines geeigneten Meßgeräts 16 bestimmt, das Radius des Spiegels. Eine dünne Wand 33 aus einem so ausgebildet ist, daß es eine proportionale Spannung schalldurchlässigen Material trennt den Übertrager liefert. Diese Spannung kann man an den Rechner 15 von dem Fortpflanzungsmedium, ζ. B. von dem Seeanlegen, der dafür sorgt, daß durch das Anzeigegerät 25 wasser. Der Raum zwischen der Wand 33 und dem 17 berichtigte Anzeigewerte angezeigt werden. Spiegel 31 ist mit Rizinusöl gefüllt, wie es bei 24 &

Einzelheiten der Übertrager gehen aus Fig. 2 her- angedeutet ist, oder man verwendet ein anderes vor, die die Übertrager 10 und 11 zeigt, welche an Material mit dem gleichen akustischen Widerstand einer Strebe 20 eines Schiffes befestigt sind. Der wie das Medium, in dem das Gerät benutzt werden Übertragerkristall 21 ist auf Stützen 22 auf beliebige 30 soll, z. B. Seewasser. Die von dem Kristall 31 abgeeignete Weise in einer öffnung 23 der Strebe an- gestrahlte Energie wird durch das Rizinusöl 24 b und geordnet. Der zwischen dem Kristall 21 und einem die Wand 33 hindurch in das betreffende Medium Fenster 24 liegende Teil der Öffnung ist mit einer hinein reflektiert, und zwar in Gestalt eines konver-Flüssigkeit gefüllt, die den gleichen akustischen gierenden Bündels, das sich bei 28 genügend stark Widerstand besitzt wie Wasser und sich zur Verwen- 35 konzentriert, um eine Kaviation hervorzurufen, dung in Berührung mit dem Kristall eignet. Im vor- Fig. 4 zeigt, wie man die gewünschte Konzentration

liegenden Falle wird Rizinusöl verwendet. Das Fenster dadurch hervorrufen kann, daß man den Kristall 21 24 besteht aus einem schalldurchlässigen Gummi, z. B. mit einer konkaven Fläche versieht, die Linse 25 nach Rho-c-Gummi, und es besitzt eine linsenförmige Öff- Fig. 2 fortläßt und an ihrer Stelle eine Wand 33 a aus nung, die mit einem Material 25, z. B. Chloroform, 40 schalldurchlässigem Material verwendet. Die Rizinusgefüllt ist, das die Druckwellen mit einer geringeren ölfüllung wird bei diesem abgeänderten Ausführungs-Geschwindigkeit überträgt als Wasser. Der Kristall beispiel beibehalten. Die konkave Fläche des Kristalls 21 ist über das Zweileiterkabel 26, das mit dem erzeugt einen konvergierenden Strahl 27 b von Druck-Kristall durch die Elektroden 26 α und 26 & verbun- energie, der ebenso wie bei den anderen Ausführungsden ist, an die elektrische Schaltung nach Fig. 1 an- 45 beispielen dazu neigt, eine Kavitation hervorzurufen, geschlossen. Der Empfangsübertrager 11 ist im Fig. 5 läßt erkennen, wie man den mit einer konwesentlichen ebenso ausgebildet wie der Sendeüber- kaven Fläche versehenen Kristall nach Fig. 4 mit der trager 10. Linse nach Fig. 2 kombinieren kann, um einen schärfe-

Während des Betriebes der Einrichtung pflanzen ren Brennpunkt zu erzeugen, als es jeweils allein mitsich die durch den Kristall 21 des Sendeübertragers 50 tels des geformten Kristalls 21 α oder der Linse 25 erzeugten Druckwellen durch das Rizinusöl und das möglich ist.

Gummifenster 24 hindurch fort, bis sie auf die Flüs- Es liegt auf der Hand, daß man den geformten

sigkeitslinse 25 auftreffen, wo ihre W^rellenfront je Kristall 21a auch zusammen mit dem sphärischen nach der Dicke der verschiedenen Linsenabschnitte um Spiegel 31 benutzen könnte, um einen scharf ausgeunterschiedliche Beträge verlangsamt wird. Hierdurch 55 prägten Brennpunkt zu erzeugen, bei dem eine größere entsteht ein konvergierender Strahl bzw. ein Bündel Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Kavitation 27, in dem sich die Energie zunehmend konzentriert, gegeben ist. Jedem Fachmann ist es bekannt, daß auch bis sie an einem Punkt 28 eine solche Intensität er- noch weitere Mittel zur Verfügung stehen, um Druckreicht, daß Kavitation bzw. Hohlsog auftritt. Wegen wellenenergie innerhalb eines Strömungsmittels zu der im Wasser auftretenden Dämpfungsverluste kann 60 konzentrieren.

es erforderlich werden, die akustische Leistung des Es sei bemerkt, daß man an den vorstehend be

Kristalls zu steigern, um die Kavitation hervorzurufen, oder die Linse für eine kürzere Brennweite auszulegen, wenn sich eine Steigerung der Leistung nicht
durchführen läßt. Die an dieser Stelle erzeugten 65 reflektierenden Medien 30 bilden eine ortsfeste Unstetigkeit, von der aus die Energie reflektiert wird, um
längs des Strahls oder Bündels 27 a zurückzukehren
und zu dem Aufnahmeübertrager 11 und dessen Linse
25a zu gelangen, welche die Energie gleichmäßig über 70

schriebenen Ausführungsbeispielen Abwandlungen und Abänderungen vornehmen kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Unter Ausnutzung des Dopplereffektes wirksame Geschwindigkeitsmeßeinrichtung, gekennzeichnet durch einen Druckwellengenerator (12),

ferner durch einen Sender (10) zum Abstrahlen der Druckwellenenergie in Form eines konvergierenden Strahlenbündels (27), dessen Konvergenzzone (28) innerhalb des Mediums, in welches die Druckwellenenergie abgestrahlt wird, einen Kavitationsbereich (30) hervorruft, weiterhin durch einen Empfänger (11) mittels welchem die am Kavitationsbereich reflektierte Druckwelle aufgenommen wird, und endlich durch einen Frequenzvergleicher (14), in welchem die Frequenzen der abgestrahlten und der reflektierten Welle miteinander verglichen werden.

2. Geschwindigkeitsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (10) zum Abstrahlen der Druckwellenenergie in einer akustischen Linse (24, 25) besteht, die mit dem Druckwellengenerator (12) wirkungsmäßig verbunden ist.

3. Geschwindigkeitsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Linse (24, 25) aus einem Werkstoff besteht, in welchem sich Druckwellenenergie mit niedrigerer Geschwindigkeit ausbreitet als in Wasser.

4. Geschwindigkeitsmeßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (10) zum Abstrahlen der Druckwellenenergie aus einer Chloroformlinse (25) besteht, die in einem aus Rho-c-Gummi gebildeten Körper (24) angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen