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Impuls-Echolotgerät für Unterwasserschall zur Anzeige der Richtung
und Entfernung reflektierender Objekte Die Erfindung geht aus von einem Impuls-Echolotgerät
für Unterwasserschall zur Anzeige der Richtung und Entfernung in einem Sektor befindlicher
reflektierender Objekte, wobei die Richtung aus der Phasendifferenz der von zwei
fest angeordneten Wandlern, deren Richtcharakteristik den gesamten Sektor erfaßt,
empfangenen Schallwellen, beispielsweise nach dem Summe-Differenz-Verfahren, bestimmt
und als ein entsprechend der Einfallsrichtung geneigter Strich auf den Leuchtschirm
einer Kathodenstrahlröhre angezeigt wird.
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Bei der Ortung mit elektromagnetischen Wellen ist es üblich, Reflektoren,
die sich in einem bestimmten Sektor, meist dem vollen Umkreis, befinden, auf einem
Bildschirm nach Entfernung und Richtung als aufgehellte Punkte anzuzeigen. Wegen
der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen (300000 km/sec)
ist es möglich, mit scharf gebündelter Richtcharakteristik nacheinander in Abständen
größer als die maximale Laufzeit der Ortungsimpulse in die einzelnen Richtungen
Impulse auszusenden und das Sende-Empfangs-System zwischen zwei Impulsaussendungen
um die Halbwertbreite der Richtcharakteristik zu drehen. Die Anzeige erfolgt auf
dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre, deren Elektronenstrahl im Takt der Impulsaussendung
auf einem Radius vom Schirmmittelpunkt zum Schirmrand abgelenkt wird, wobei dieser
Radius synchron mit der Drehung des Sende-Empfangs-Systems geschwenkt wird. Bei
einer anderen Anzeigeart wird eine radiale Schlitzblende synchron mit der Sendeempfangsanordnung
gedreht. Vor dieser radialen Schlitzblende rotiert mit hoher Geschwindigkeit synchron
mit den Impulsaussendungen eine Scheibe mit einer oder mehreren spiralförmigen Schlitzen.
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Bei Echoempfang leuchtet eine hinter den Blendenscheiben angeordnete
Lichtquelle auf, und auf einem Projektionsschirm vor diesen Scheiben wird das geortete
Objekt als Lichtpunkt nach Richtung und Entfernung angezeigt.
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Eine Ortung dieser Art ist mit Schallwellen unter Wasser nicht möglich,
da bei der geringen Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Wellen (etwa 1,5 km/sec)
die Zeit, die zum Ausloten eines Sektors benötigt wird, zu lang ist, um die Lage
der angeloteten Objekte zueinander richtig darzustellen. Ein bekanntes Impuls-Echolotgerät
für Unterwasserschall mit einer Panoramaanzeige besitzt einen fest angeordneten
Sendewandler mit einer scheibenförmigen Richtcharakteristik und einen drehbaren
Empfangswandler mit scharf gebündelter Richtcharakteristik. Synchron mit der Bewegung
des Empfangswandlers wir der Elektronenstrahl der Anzeigeröhre kreisförmig an den
Mittelpunkt des Bildschirmes und gleichzeitig entsprechend der Lotimpulslaufzeit
vom Mittelpunkt zum Bildschirmrand abgelenkt, so daß er effektiv im Takt der Lotimpulsaussendungen
in jeder Lotperiode einmal auf einer Spiralbahn vom Mittelpunkt zum Rand des Bildschirmes
geführt wird. Da bei diesem Verfahren alle Echosignale von gleich weit entfernten
Objekten in verschiedenen Richtungen gleichzeitig eintreffen, ist zur Erzielung
einer lückenlosen Anzeige erforderlich, daß der Empfangswandler während der Dauer
eines Lotimpulses wenigstens einmal um 360" gedreht wird.
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Die Impulslänge ist also nicht mehr frei wählbar, da der Umdrehungsgeschwindigkeit
rein mechanisch Grenzen gesetzt sind.
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Dieses Gerät arbeitet also mit verhältnismäßig langen Impulsen, die
die Meßgenauigkeit stark herabsetzen.
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Bekannte Impuls-Echolotgeräte mit einer Richtungsanzeige nach dem
Summe-Differenz-Verfahren benutzen zur Entfernungsanzeige ein zusätzliches Anzeigegerät,
beispielsweise eine rotierende Glimmlampe, eine zweite Kathodenstrahlröhre oder
ein Registriergerät. Bei diesen Geräten ist die gleichzeitige Ablesung der Meßwerte
sehr schwierig und eine Zuordnung der Richtungs- und Entfernungswerte bei Anwesenheit
mehrerer Reflektoren innerhalb des ausgeloteten Sektors praktisch nicht möglich.
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Die Nachteile der bekannten Geräte werden bei einem Impuls-Echolotgerät
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß zwecks Bestimmung
der Entfernung bei Echoempfang die Richtungsanzeige vom Mittelpunkt des Leuchtschirmes
bis
zu dessen Rand aufleuchtet, daß vor dem Leuchtschirm eine Blende mit einem kreisring-
oder spiralförmigen Schlitz angeordnet ist, der sich im Takt der Lotimpulsaussendungen
vom Mittelpunkt des Leuchtschirmes mit konstanter Geschwindigkeit der L;otimpulslaufzeit
entsprechend in jeder Lotperiode einmal zum Schirmrand bewegt, und daß vor dieser
Blende ein Bildschirm mit einer nachleuchtenden Substanz angeordnet ist, deren Nachleuchtdauer
der maximalen Laufzeit der Lotimpulse entspricht, so daß alle reflektierenden Objekte
innerhalb des Lotbereiches gleichzeitig als Lichtpunkte innerhalb jeder Lotperiode
nach Entfernung und Richtung abgebildet sind.
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Es sind dabei senderseitig zwei verschiedene Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Gerätes möglich.
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Bei der ersten Ausführungsform ist der Sendewandler fest angeordnet,
und seine Richtcharakteristik ist so breit, daß sie wie die Charakteristik der Empfangswandler
den gesamten auszulotenden Bereich erfaßt. Da auch die bekannten Echolotgeräte mit
reiner Richtungsanzeige nach dem Summe-Differenz-Verfahren oder mit getrennten Richtungs-
und Entfernungsanzeige im allgemeinen einen solchen Sendewandler besitzen, können
diese Geräte praktisch ohne Eingriff in den bestehenden Aufbau durch die Anordnung
einer Blende mit einem kreisring- oder spiralförmigen Schlitz, der sich im Takt
der Lotimpulsaussendung vom Mittelpunkt des Leuchtschirmes des Richtungsanzeigegerätes
mit konstanter Geschwindigkeit der Lotimpulslaufzeit entsprechend in jeder Lotperoide
einmal zum Schirmrand bewegt sowie eines Bildschirmes mit nachleuchtender Substanz
vor dem Leuchtschirm des Richtungsanzeigegerätes in ein erfindungsgemäßes Gerät
zur Anzeige der angeloteten Objekte innerhalb des Lotbereiches nach Richtung und
Entfernung auf einen Bildschirm verwandelt werden.
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Bei der zweiten Ausführungsform, die besonders zur Lotung großer
Entfernungen geeignet ist, besitzt der Sendewandler eine scharf gebündelte Richtcharakteristik,
die stetig oder schrittweise derart geschwenkt wird, daß der auszulotende Bereich
lückenlos überdeckt wird. Die Lotimpulse werden dabei schnell aufeinanderfolgend
in die verschiedenen Richtungen des Lotbereiches gesendet. Der Vorteil dieser Ausführungsform
besteht darin, daß mit verhältnismäßig geringer Sendeenergie große Entfernungen
gelotet werden können.
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Diese beiden Ausführungsformen werden im folgenden näher beschrieben.
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Erste Ausführungsform Der Sender hat eine so breite Charakteristik,
daß er gleichzeitig den gesamten Sektor bestrahlt. Dann genügt zur Ortung aller
Ziele ein Sendeimpuls genügender Stärke und Dauer. Man kann diesen Impuls nach einiger
Zeit wiederholen, frühestens jedoch nach der der Reichweite des Gerätes entsprechenden
Laufzeit.
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In diesem Falle werden alle Ziele gleicher Entfernung zur gleichen
Zeit von dem Sendeimpuls getroffen; ihre Reflexe treffen folglich auch wieder gleichzeitig
im Empfänger ein.
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Die Schlitzkurve muß also ein Kreis bzw. Kreisring sein, dessen Radius
proportional der Impulslaufzeit einstellbar ist.
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Trifft also zu einer bestimmten Zeit (z. B. bei Unterwasserschallortung
nach 2 Sekunden, entsprechend einer Entfernung von 1500 m) ein Echoimpuls im Empfänger
ein, so leuchtet auf dem Leuchtschirm für die Dauer des Impulses ein Leuchtstrich
auf, dessen Neigung dem Seitenwinkel des Zieles gleicht. Der Kreisschlitz der Blende
ist in diesen 2 Sekunden so weit ausgewandert, daß sein Radius - entsprechend dem
gewünschten Maßstab der Abbildung - der Entfernung 1500 m entspricht. Der Schlitz
läßt also von dem Leuchtstrich der Richtungsanzeige nur einen Punkt bzw. Fleck durch,
der auf dem vor der Blende angeordneten Bildschirm aufleuchtet und somit entsprechend
dem Abbildungsmaßstab die Lage des Zieles nach Richtung und Entfernung wiedergibt.
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In derselben Weise werden alle Ziele innerhalb des Lotbereiches des
Gerätes maßstabsgerecht abgebildet.
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Die Nachleuchtdauer der Bildschirmsubstanz entspricht mindestens der
maximalen Laufzeit der Lotimpulse. Dadurch erhält man eine gleichzeitige Abbildung
aller Reflektoren innerhalb des Lotbereiches auf dem Bildschirm, und es ist somit
neben der Bestimmung der Richtung und Entfernung der Reflektoren vom ortenden Schiff
auch unmittelbar die Lage der Reflektoren zueinander erkennbar. Die veränderliche
Blende kann beispielsweise aus zwei vielgliedrigen Irisblenden bestehen, die zwischen
sich einen nahezu kreisförmigen Ringspalt frei lassen.
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In Verbindung mit einer vergrößernden Projektion kann nach einer
zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ein fester kreisförmiger Blendenschlitz
gewählt werden; die von diesem Schlitz aus den aufleuchtenden Leuchtstrichen ausgeblendeten
Leuchtpunkte können über eine Optik veränderlicher Vergrößerung auf einen Bildschirm
geworfen werden.
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Die Vergrößerung der Optik wird proportional der Laufzeit bzw. der
Zielentfernung vergrößert, so daß die Ziele auf dem Bildschirm nach Seite und Entfernung
maßstabsgerecht dargestellt werden.
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Zweite Ausführungsform Die Sendecharakteristik ist scharf gebündelt
und wird mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeitw über den gesamten Seitenwinkelbereich
Y des Sektors verschwenkt. Damit die Ziele aller Seitenrichtungen angestrahlt werden,
muß der Sender während des Schwenkens der Charakteristik betrieben werden. Es genügt
jedoch, wenn jeweils nach Verschwenkung der Charakteristik um ihre Halbwertsbreite
f ein neuer Impuls gesendet wird, da ja dann der Sektor lückenlos angestrahlt wird.
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Im Interesse eines hohen Auflösungsvermögens und einer großen Reichweite
wird man die Charakteristik so scharf wie möglich bündeln. Der Sektor ist dann in
v Einzelsektoren mit den Öffnungswinkeln ç aufgeteilt ( v = v Andererseits wird
man die Dauer der Sendeimpulse z, so klein wie möglich wählen, um Energie zu sparen
und dann aus einem weiter unten aufgeführten Grunde. Die untere Grenze der Impulsdauer
18min wird empfangsseitig dadurch bestimmt, daß der Empfänger zum Einschwingen und
zur Seitenwinkelbestimmung nach dem Summe-Differenz-Verfahren eine bestimmte Zeit
(einige Wellenzüge) benötigt. Da man z. B. bei Unterwasserschallortung die Frequenz
der Wellen im Interesse der Reichweite nicht beliebig steigern kann, bestimmt sich
daraus die
kürzeste Sendeimpulsdauer, z. B. bei S = 30 kHz 2 und
20 Wellenzügen zu 3 msec.
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Aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit c und der Reichweite E ergibt
sich die größte Impulslaufzeit für 2E Hin- und Rückweg zu tlmax = c -Man kann nun
die Winkelgeschwindigkeit, mit der die Sendecharakteristik schwenkt, bzw. die für
eine Überstreichung des Seitenwinkelbereiches erforderliche Umlaufzeit in gewissen
Grenzen frei wählen.
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Die kürzeste Umlaufzeit Tu mi ri ist die, bei der die v einzelnen
Impulse der Dauer #s min lückenlos aufeinanderfolgen, d. h.: TUmin = v # #smin =
#/# # #smin.
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Daraus ergibt sich: # # #max = .
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TUmin #smin Der Gesamtsendeimpuls hat jetzt nicht mehr die Dauer
#smin, sondern #s = # # #smin; es wird also nur ein einziger, dafür breiterer Impuls
ausgesendet.
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Die längste Umlaufzeit Tu maz ist gleich der größten Impulslaufzeit;
größere Zeiten sind unnötig und unzweckmäßig.
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2E TUmax = temax = c # # #min = = = c/2 # #/E.
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TUmax temax Zwischen diesen beiden Grenzen (#min und #max) kann jeder
Wert # gewählt werden.
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Die Kurvenform des wandernden Blendenschlitzes soll wieder - wie
oben - der geometrische Ort aller Ziele sein, deren Echoimpulse gleichzeitig im
Empfänger eintreffen. Nun werden die Sendeimpulse aber hier - im Gegensatz zur ersten
Ausführungsform -nicht gleichzeitig in alle Seitenrichtungen ausgesendet, sondern
nacheinander in einer zeitlichen Folge, die sich aus der Schwenkgeschwindigkeit
w ergibt.
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Die Empfangszeit t eines Impulses setzt sich also additiv aus der
Sendezeit t8 und der Laufzeit t zusammen: t = ts +-tl.
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Dabei ist die Sendezeit mit dem Seitenwinkel gekoppelt durch die
Beziehung ts = #/#, während sich die Laufzeit in bekannter Weise aus der Entfernung
e und der Ausbreitungsgeschwindigkeit c bestimmt: 2e te = c Also ist: 2e t = #/#
+ c
Zu einem bestimmten Zeitpunkt t = const treffen also die Impulse von allen den
Zielen gleichzeitig ein, die der Gleichung 2e #/# + = t = const c genügen.
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Wie man aus der umgeformten Gleichung c e = - # # + c/2 # t 2# erkennt,
ist das eine archimedische Spirale mit der Steigung de c = -d# 2# und der zeitlichen
Zunahme de c dt 2 Das additive Glied 2 t, das die zeitliche Zunahme 2' der Entfernung
bestimmt, kann man bei der archimedischen Spirale auch als Drehung da auffassen:
c c e = - 2# #(# - #t) = - # 2# #(@ - ##).
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Dadurch bietet sich für die praktische Konstruktion der Blende die
einfache Möglichkeit, dem Schlitz die Form einer Spirale der Form c e = - # # 2#
zu geben und diese mit der Winkelgeschwindigkeit # im richtigen Drehsinn rotieren
zu lassen. Die Spirale würde dann aus einem radialen Strich bestimmter Seitenrichtung
einen Punkt herausschneiden, dessen Entfernung vom Zentrum bei richtigem Drehsinn
der Spirale wächst, bis er den der Reichweite des Gerätes entsprechenden Rand des
Bildschirmes erreicht hat.
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Dann muß sich die Spirale wiederholen. Die Wiederholung geschieht
am einfachsten dadurch, daß sich ein neuer Spiralarm an den vorigen anschließt.
Wenn auf der Kreisblende eine ganze Zahl, z. B. 1, 2, 3, 4 usw. von Spiralarmen
angeordnet ist, kann sich die Blende ununterbrochen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit
weiterdrehen. Durch die Forderung einer ganzen Zahl von Spiralarmen auf dem Umfang
wird die Zahl der Möglichkeiten für w eingeschränkt.
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Einerseits muß der Spiralarm mindestens über den Beobachtungssektor
reichen und soll für den Bereich von e = 0 bis e = emazE einen Seitenwinkelbereich
as erfüllen, der in der Form 360°/n darstellbar ist, wobei wieder eine ganze Zahl
ist: #s = 360°, 180°, 120°, 90°, 72°, ... für n = 1, 2, 3, 4, 5, ...
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Dann muß die Winkelgeschwindigkeit für die Seitenschwenkung der Sendecharakteristik
sowie für die Spiralblende so groß sein, daß ein Spiralarm genau in der der Reichweite
E entsprechenden maximalen Laufzeit tlmaz durchläuft, also: e Cote max Die oben
festgelegte obere Grenze für # (#max) wird also im Anwendungsfalle gar nicht erreicht,
wenn man von dem Vorteil einer einfachen drehbaren
Blende mit n
Spiralarmen Gebrauch machen will.
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Will man aus anderen Gründen aber trotzdem eine große Umlaufgeschwindigkeit
wählen, so muß man eine andere Blendenkonstruktion, z. B. mit Hilfe von Irisblenden
wie beim ersten Verfahren verwenden. Die Spiralen werden mit wachsendem # immer
flacher und nähern sich damit den Kreisschlitzen des ersten Verfahrens.
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Beiden Ausführungsformen ist eine Besonderheit eigentümlich: Wenn
zwei oder mehrere Impulse aus verschiedenen Seitenrichtungen gleichzeitig einfallen,
die Ziele also zufällig auf einer Blendenkurve liegen, versagt das Summe-Differenz-Verfahren
und liefert an Stelle der verschiedenen Seitenwinkel der Ziele nur einen Winkel,
d. h. auch nur einen Leuchtstrich, der aber keinem wahren Ziel entspricht. Die wahren
Ziele rücken also auf der Blendenkurve zusammen und ergeben ein Scheinziel.
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Da aber meist bewegliche Ziele vorliegen oder aber der Beobachter
sich relativ zu ihnen in Bewegung befindet, wird eine solche Koinzidenz von Zielen
nur kurzzeitig stattfinden. Die Wahrscheinlichkeit der Koinzidenz wird außerdem
durch äußerste Verkürzung der Impulsdauer und durch Erhöhung des Auflösungsvermögens
(scharfe Bündelung, hohe Impulszahl v) stark verkleinert.
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Zum Vergleich der beiden Ausführungsformen in energetischer Hinsicht
sei noch bemerkt, daß man beim zweiten Verfahren durch scharfe Bündelung, d. h.
Wahl einer großen Strahlerfläche im Vergleich zur Wellenlänge, die Energie und damit
die Reichweite stark erhöhen kann.
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Man kann aber auch bei der ersten Ausführungsform eine Gruppe aus
zahlreichen Einzelstrahlern verwenden und dadurch die abgestrahlte Energie erhöhen,
wenn man nur durch geeignete Dekompensation dafür sorgt, daß die Gesamtcharakteristik
so breit bleibt wie der Beobachtungssektor.
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Im folgenden sollen die beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Gerätes in einem Zahlenbeispiel für Unterwasserschallortung näher erläutert werden.
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Beispiel Allgemeine Angaben: Ausbreitungsgeschwindigkeit c .........
1500 m/sec Reichweite des Gerätes emax 4500 m Maximale Schallimpuls-Laufzeit (hin
und zurück) temax............... 6 Sekunden Schallfrequenz f ........... 30 kHz
Schallperiode T ............ 1/30 msec Schallwellenlänge 2 ........ 5 cm Empfangsimpulsbreite
#E = 20 T, TE zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu zu 0,67 msec Seitenwinkelbereich
#...... 90° Erste Ausführungsform: Halbwertsbreite der Sendecharakteristik #.......
# = 90° Schwenkgeschwindigkeit #s.. # Sendeimpulsbreite #s ....... #E = 0,67 msec
Impulsfolgeperiode T ...... 6 Sekunden Blendenkurve (Kreis) e[m] . . 750 t[sec]
Zweite
Ausführungsform: Halbwertsbreite der Sendecharakteristik #....... #/90 = 1° Impulszahl
pro Sektor v .... 90 Sendeimpulsbreite #s ....... #E = 0,67 msec Blendenkurve (Spirale)