DE1191720B

DE1191720B - Elektrodynamischer Impulsschallgeber fuer Echolotung

Info

Publication number: DE1191720B
Application number: DES74484A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Alfred Lackner; Dipl-Ing Karl Rosenwald
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-06-24
Filing date: 1961-06-24
Publication date: 1965-04-22

Description

Elektrodynamischer Impulsschallgeber für Echolotung Zur Echolotung in Gasen oder Flüssigkeiten wird ein kurzer und intensiver Schallimpuls benötigt. Die Laufzeit des Schallimpulses in einem Medium vom Austritt aus einem Schallsender über die Reflexion an einer im Weg der Schallwelle liegenden Grenzfläche bis zur Rückkehr zum Schallempfänger wird auf bekannte Art und Weise gemessen. Mit der Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in diesem Medium ist dann auch die vom Schall in der gemessenen Zeit zurückgelegte Wegstrecke bekannt und wird von einer Meßeinrichtung meist gleich als Wegstrecke, z. B. in Metern, registriert.
In Wasser hat sich zur Echolotung der magnetostriktive Schallgeber bewährt. Zur Lotung über Luftstrecken eignet sich dieser magnetostriktive Schallgeber schlecht, da er hier nicht imstande ist, die ihm zugeführte Schallenergie in größerem Maße auf die Luft zu übertragen. Der Grund für dieses Versagen liegt darin, daß sich die Schallwellenwiderstände der Luft und des schwingenden Magnetostriktionsmaterials etwa um den Faktor 105 unterscheiden. Als Schallwellenwiderstand eines Mediums gilt das Produkt aus seiner Dichte und der Schallgeschwindigkeit longitudinaler Wellen in diesem Medium.
Es sind bereits verschiedene auf dem elektrodynamischen Prinzip beruhende Einrichtungen bekanntgeworden, die als Schallempfänger oder Schallsender geeignet sind. Diese enthalten einen Permanentmagneten oder einen Eisenkern mit einer Erregerwicklung, in dessen Magnetfeld eine Tauchspule liegt, die mit einer beweglichen Membran verbunden ist. Andere Einrichtungen dieser Art, insbesondere für Unterwasserschallzwecke, bestehen aus einem mit Wechselstrom erregten Elektromagneten, der im Rhythmus des Wechselstromes eine Weicheisenschallplatte zum Schwingen bringt. Wesentlich für diese elektrodynamischen Einrichtungen ist die Verwendung von magnetisierbarem Eisen oder Permanentmagneten zur Erzeugung und Führung des magnetischen Feldes. Bei der Erzeugung von Schallimpulsen sehr kurzer Dauer und sehr steilem Druckanstieg, d. h. sehr hoher Leistung, wirkt sich die Verwendung von Eisen in einem Geber für Schallimpulse jedoch dämpfend und verzögernd aus. Zur Messung kurzer Wegstrecken, z. B. der Schüttguthöhe in Bunkern oder des Flüssigkeitsstandes in Behältern wie auch bei Reflexionsflächen, die den Schall stark absorbieren, sind diese bekannten Schallgeber daher ungeeignet.
Bei dem neuen elektrodynamischen Impulsschallgeber zur Echolotung mit einer elastisch gelagerten Membran und einer dazu gleichachsig und mit geringem axialem Abstand in einem Tragkörper angeordneten, mechanisch fest abgestützten elektrischen Antriebsspule wird der Nachteil der bekannten Einrichtungen vermieden. Die Lösung besteht darin, daß eine ringförmige Membran aus elektrisch gut leitendem Material vorgesehen und die Antriebsspule in einem Tragkörper aus Isoliermaterial angeordnet ist.
Durch die der Form der Antriebsspule entsprechende ebenfalls ringförmige Ausbildung der Membran stimmt der Verlauf des durch den Induktionsstrom in der Membran erzeugten Gegenfeldes im wesentlichen mit dem von der Antriebsspule erzeugten Feld überein. Da Antriebsspule und Membran einander auf diese Weise zugeordnet sind, können durch Stromänderungen in der Antriebsspule nur abstoßende Kräfte in der gemeinsamen Achsrichtung von Antriebsspule und Membran auftreten, die voll zur Schallerzeugung in Achsrichtung wirksam werden. Bei einer der üblichen sich über eine volle Kreisfläche erstreckenden Metallmembranen würden durch die Stromänderung in der Antriebsspule auch Induktionsströme in den Membranteilen entstehen, die der Antriebsspule in Achsrichtung nicht genau gegenüberstehen. Diese Induktionsströme würden aber keinen nennenswerten Beitrag zur Erhöhung der axialen Abstoßung zwischen Membran und Antriebsspule bringen, vielmehr lediglich zu Stromwärmeverlusten in diesen Membranteilen und somit zu einer Schallimpulsschwächung führen. Zudem wird durch die bei der Ringform gegenüber der üblichen Kreismembran eingesparten Membranteile die zu bewegende Masse der Membran verrringert, was wiederum die Schnelligkeit und Amplitude der Membranbewegung erhöht. Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen. Es zeigt F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel des neuen Impulsschallgebers in Draufsicht und Schnitt, F i g. 2 ein Schaltungsbeispiel des neuen Impulsschallgebers.
In F i g. 1 ist die bewegliche Membran mit M und die Antriebsspule mit A bezeichnet. Membran und Antriebsspule sind auf einem gemeinsamen Tragkörper T befestigt.
In F i g. 2 stellt 1 den Impulsschallgeber nach F i g. 1 dar. Über einen Schalter S läßt sich die Antriebsspule A des Impulsschallgebers 1 auf einen Ladekondensator C schalten, der seinerseits über einen Vorwiderstand R von einer Gleichspannungsquelle B gespeist wird.
Die Wirkungsweise des elektrischen Impulsschallgebers beruht auf der aus der Physik bekannten elektrodynamischen Abstoßung zwischen zwei entgegengesetzt fließenden elektrischen Strömen.
Der Strom in der Antriebsspule A entsteht durch die Entladung des Kondensators C nach Schließen des Schalters S. Die durch Induktion in benachbarten Stromleitern bewirkten Ströme haben nach dem Lenzschen Gesetz eine solche Richtung, daß sie dem sie verursachenden Strom entgegenwirken. Auf diese Weise treten in der Antriebsspule A und der Membran M zwei entgegengesetzt gerichtete Ströme auf, welche die gewünschte Abstoßung zwischen Membran und Antriebsspule hervorrufen. Voraussetzung für eine große Abstoßungskraft ist das Auftreten großer Ströme in Membran und Antriebsspule. Man stellt diese beiden Teile daher aus elektrisch gut leitenden Werkstoffen her. Das Auftreten unerwünschter Verluste wird vermieden durch die Verwendung eines Tragkörpers T aus Isolierstoff.
Mit dem Impulsschallgeber nach der Erfindung ist die Echolotung in Bunkern für Kohle, Erz und Gesteine bei allen Stück- bzw. Korngrößen durchführbar. Die Energie des abgestrahlten Schallimpulses ergibt auch bei stark absorbierenden Oberflächen noch ein ausreichendes, von einem Schallempfänger wahrnehmbares Echo.

Claims

Patentanspruch: Elektrodynamischer Impulsschallgeber zur Echolotung mit einer elastisch gelagerten Membran und einer dazu gleichachsig und mit geringem axialem Abstand in einem Tragkörper angeordneten, mechanisch fest abgestützten elektrischen Antriebsspule, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß eine ringförmige Membran aus elektrisch gut leitendem Material vorgesehen und die Antriebsspule in einem Tragkörper aus Isoliermaterial angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 376 596, 673 936.