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Anordnung zur präzisen Messung von Schallgeschwindigkeiten Für die
Messung der Schallgeschwindigkeit werden im allgemeinen entweder Impulsverfahren
oder Interferenzanordnungen herangezogen. Die letzten insbesondere in den Fällen,
in denen hohe Genauigkeiten an die Schallgeschwindigkeitsbestimmungen gestellt werden.
Derartige Meßverfahren sind indessen recht kompliziert und bisher nur für stationäre
Anlagen angewendet worden. Besondere Probleme treten auf, wenn die Aufgabe zu lösen
ist, die Schallgeschwindigkeit mit einer hohen Präzision im Meerwasser in situ und
mit laufender Registriewug zu messen. Sie wird mit den bekannten Interferenzanordnungen
undImpulsverfahren nicht befriedigend gelöst.
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In den letzten Jahren sind indessen auch Anordnungen zur Schallgeschwindigkeitsmessung
bekanntgeworden, die von den zuvor stationär benutzten Anlagen abweichen. Sie dienen
verschiedenen Zwekken. Teils werden sie herangezogen zur Bestimmung von Entfernungen,
teils zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und auch zur Messung von Schallgeschwindigkeiten
in flüssigen Medien, insbesondere in Wasser. Unter diesen bekannten Anordnungen
befindet sich auch eine, bei der Ultraschallimpulse mittels eines Impulsverstärkers
über die Schallmeßstrecke so zurückgekoppelt werden, daß eine periodische Impulsfolge
resultiert, deren Periodendauer mit der Schallgeschwindigkeit im Schallmedium in
einem funktionalen Zusammenhang steht. Aus diesem Zusammenhang ist die Schallgeschwindigkeit
durch die Periodendauer der Impulsfolge bzw. aus ihrer Folgefrequenz zu messen.
Dies Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß seine Meßgenauigkeit dadurch begrenzt
ist, daß zum Beispiel bei Messungen der Schallgeschwindigkeiten im Meer, die in
diesem Medium vorkommenden Schallgeschwindigkeitsänderungen nur sehr geringe Periodendauer-
oder Frequenzänderungen der sich einstellenden Impulse herbeiführen.
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Es sind auch Meßanordnungen für den gleichen Zweck bekanntgeworden,
bei denen eine sinusförmige Wechselspannung über die Schallstrecke zurückgekoppelt
wird, wobei zur Bereichsfestlegung der sich einstellenden Wechselspannungsfrequenz
Filter im Verstärkerteil verwendet werden. Bei diesen Anordnungen wird jedoch zur
Vermeidung von Mehrdeutigkeiten sowohl eine Frequenz gewählt, deren Perioden dauer
etwa gleich der Laufzeit der Schallwelle in der Meßstrecke ist sowie Frequenzfilter
zur Beschränkung auf ein bestimmtes Frequenzintervall.
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Durch diesen Bemessungszwang zeigen solche Anordnungen ebenfalls nur
geringe Frequenzänderungen
bei den in der Praxis vorkommenden Schallgeschwindigkeiten
und haben darüber hinaus noch den Nachteil, daß Phasengänge des verwendeten Filters
die Frequenz der sich einstellenden Rückkopplungsschwingung wesentlich mit beeinflussen.
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Zur präzisen Messung von Schallgeschwindigkeiten, insbesondere in
situ im Meer, wird demgegenüber effindungsgemäß eine Anordnung vorgeschlagen, bei
der in dem Medium ohne wesentliche Bereichseinengung durch elektrische Filter nur
solche Frequenzen zugelassen werden, für die die Schallstrecke ein großes und ganzzahliges
Vielfaches der Schallwellenlänge im Medium ist. Dabei wird praktisch allein die
Laufzeit der Schallwelle in einer Meßstrecke zum frequenzbestimmenden Element einer
Rückkopplungsschaltung, in der die Schallstrecke den Rückkopplungsweg bildet.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt in einer Anordnung, die an Hand
der A b b. 1 bis 4 beschrieben wird.
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Die Ab b. 1 enthält einen Schallgeber S und einen Schallempfänger
E. Beide sind durch das Medium M voneinander getrennt, für das die Schallgeschwindigkeit
zu bestimmen ist. Für Schallgeber und Empfänger werden zweckmäßig piezoelektrische
oder magnetostriktive Materialien verwendet. Die Wegstrecke I zwischen S und E kann
dann relativ klein bleiben. Bei Wahl einer hohen Schallfrequenz, die im Regelfall
angestrebt wird und bei der die Länge der Schallstrecke ein möglichst großes Vielfaches
der erregten Schallwellenlänge im Medium wird, genügen für diese Wegstrecke einige
cm bzw. dm. Schallgeber S und Schallempfänger E werden in eine Verstärkungsanordnung
so eingeschaltet, daß die von E empfangenen Schallwellen des GebersS nach Verstärkung
auf die Endstufe des Schallgebers SV zurückgexoppelt
werden. Dadurch
entsteht bei ausreichender Verstärkung ein schwingungsfähiges System. Die Eigenfrequenz
dieses Systems bestimmt sich hinsichtlich des Frequenzbereiches zunächst durch die
Frequenz des durch das Medium möglichst stark gedämpften Schallgebers, die der des
Empfängers gleichzumachen ist. Des weiteren jedoch durch die Bedingung, daß die
von E empfangene und auf S zurückgekoppelte Wechselspannung gegenüber der Erregerspannung
des Schallgebers eine Phasenverschiebung von möglichst genau n 2 2s haben muß, wobei
n in der Regel eine große ganze Zahl ist. Diese Bedingung ist stets nur für bestimmte
Frequenzen erfüllt. Auf eine von diesen stellt sich das Schwingungssystem dann ein.
Es stellt die unter den vorgegebenen Bedingungen zustandekommende Eigenfrequenz
des Systems. dar.
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Um zu vermeiden, daß bei einer solchen Anordnung auf die Frequenz
auch die Amplitude der verstärkten Empfängerspannung in die Fixierung des schwingungsfähigen
Systems mit eingeht, wird in folgender Weise verfahren. Von der Ausgangswechselspannung
des SchallempfängersE wird sowohl eine RegelverstärkerstufeRV als auch eine als
Vorverstärker dienende Regelstufe RSt gespeist. Dadurch werden dem Empfangsverstärker
EV bereits fast konstante Spannungen zugeführt. Zur weiteren Stabilisierung der
Spannungsamplitude dient dann ein BegrenzerB, durch den aus der verstärkten Wechselspannung
eine zweckmäßig mäanderförmige Wechselspannung streng konstanter Amplitude erzeugt
wird.
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Die Begrenzerstufe muß so dimensioniert werden, daß durch diese Begrenzung
keine Phasenverschiebungen resultieren, die auftreten, wenn gemäß Ab b. 4 T1 ungleich
o gemacht werden würde. Es muß daher stets möglichst streng die Bedingung erfüllt
sein: r1 r>. Mit der mäanderförmigen Wechselspannung wird der Sendeverstärker
SV gespeist, in dessen Anodenkreis durch einen der bekannten innerhalb der Eigenfrequenzen
des Systems praktisch phasenunabhängigen, Tief- oder Bandpaß TP die sinusförmige
Grundwelle der Mäanderkurve wieder ausgesiebt und zur Speisung des Schallgebers
S verwendet wird.
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Durch diese Schaltungsweise ist bedingt, daß die Frequenz des schwingungsfähigen
Systems allein dadurch bestimmt wird, daß die Phase über die .Schallstrecke von
S nach E genau bzw. fast genau eine Phasenverschiebung von 71 .2 2 z aufweist, falls
in der übrigen Anordnung die Phasenverschiebung 0 ist, wobei Phasensprünge an dem
Geber und dem Empfänger in die Phasenbedingung von n 2 2a mit einbezogen sind. Ändert
sich daher im Medium M die Schallgeschwindigkeit, dann ändert sich notwendig auch
die Eigenfrequenz des gesamten Systems. Das System stellt daher eine Schallgeschwindigkeitssonde
dar. Die sich einstellende Eigenfrequenz ist ein Maß für die Schallgeschwindigkeit
im Medium und eine entsprechende Frequenzänderung ein Maß für eine ihr zugrunde
liegende Schallgeschwindigkeitsänderung, sofern die Wegstrecke konstant gehalten
wird.
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Das Verfahren gestattet wegen der hohen Frequenzstabilität der Anordnung,
die Messung der Schallgeschwindigkeit mit der gleichen Genauigkeit vorzunehmen wie
sie mit Interferenzverfahren erreicht werden kann.
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Wird die Wegstrecke zwischen E und S gleich dem n-fachen einer Grundwellenlänget,
gewählt, dann wird stets bei einer Änderung der Wegstrecke der
Länge I immer dann
ein Frequenzsprung auftreten, wenn die genannte Phasenbedingung durch eine Frequenz
erfüllt wird, für die eine Wellenlänge mehr oder weniger auf die Wegstrecke entfällt.
Die gleichen Frequenzsprünge treten bei einer entsprechenden Änderung der Schallgeschwindigkeit
auf. Diese Frequenzsprünge, die sich aus der Phasenbedingung: Wegstrecke gleich
n 2 2s, gleich (n + 1). 2 gleich (n 1 2) 2 z usf. ergeben, sind aus den Darstellungen
der Abb. 2 und 3, die die möglichen Eigenfrequenzenf des Systems als Funktion der
Schallgeschwindigkeit v zeigen, wiedergegeben.
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Soll daher mit der Schallgeschwindigkeftssonde ein weiter Bereich
der Geschwindigkeitsänderung erfaßt werden, dann ist es nötig, daß für die Anzeige
die Frequenzsprünge mitgezählt werden, damit bekannt ist, in welchem der Geschwindigkeitsintervallbereiche
A, B, C, . . ., , G (s. A b b. 3) die Messung erfolgt.
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Die Zählung der Frequenzsprünge kann nach bekannten Verfahren vorgenommen
werden.
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Um die durch die Eigenfrequenz des Systems gemessenen Schallgeschwindigkeitswerte
von einer im Meer versenkbaren Sonde an Bord eines Schiffes zu übertragen, wird
in folgender Weise vorangegangen.
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In den Sondenkörper wird ein vorzugsweise quarzstabilisierter Generator
OSz (s. Abb. 1) eingebaut.
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Er wird mit der Meßfrequenz, die durch das beschriebene schwingungsfähige
System gegeben ist, in bekannter Weise in einer Mischstufe Mi in eine Zwischenfrequenz
Zf umgewandelt, die sich bequem über das als einadriges Kabel auszubildende Trägerseil
fortleiten läßt. Diese wird am Ende des Trägerseils, vorzugsweise also an Bord eines
Schiffes, über einen Verstärker 17 einem FrequenzmesserFM zugeführt.
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In ihm werden Wechselspannungsfrequenzen in Gleichspannungen umgeformt
und als solche an ein Schreib- oder Zählgerät Schr in bekannter Weise zur laufenden
Registrierung angeschlossen. Über das gleiche Kabel kann über je einen Sperrkreis
Spi und Sp2 die Stromversorgung StrV der Verstärker in der Sonde von einem Netzgerät
WG aus erfolgen. Die beschriebene Meßwertübertragung bildet keinen Teil der Erfindung.
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Die Eigenfrequenz des Sondensystems würde gestört werden, wenn em
Teil der von S nach E gelangenden Schallwellen an eingebrachten Körpern reflektiert
würde. In diesem Falle entständen am Empfänger E Überlagerungen zweier Schallwellen.
die eine entsprechende Phasenverschiebung zur Folge hätten. Zur Vermeidung solcher
Phasenverschiebungen wird daher die Schallstrecke im Medium M entweder durch die
Geometrie der Anordnung so gestaltet, daß reflektierte Wellen merklicher Amplitude
nicht mit ins Spiel kommen können, oder und, indem die Wegstrecke durch Schall absorbierende
Wände ausgekleidet wird. Eine andere Möglichkeit besteht durch die Einbringung eines
Diaphragmas zwischen S und E, durch das ebenfalls verhindert werden kann, daß reflektierte
Wellen die Messung stören können.