DE1220291B

DE1220291B - Verfahren zur Richtungsbestimmung einfallender Schallwellenenergie

Info

Publication number: DE1220291B
Application number: DEA34866A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinrich Maass; Dr Heinz Thiede
Original assignee: Atlas Werke AG
Current assignee: Atlas Werke AG
Priority date: 1960-06-11
Filing date: 1960-06-11
Publication date: 1966-06-30

Description

Verfahren zur Richtungsbestimmung einfallender Schaliwellenenergle Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Richtungsbestimmung einfallender Schallwellenenergie in einem mehr oder weniger breiten Frequenzband, insbesondere im Wasser, durch Vergleich der Laufzeiten an zwei im Abstand voneinander liegenden Empfängeranordnungen durch Bildung zweier elektrischer Spannungen.
Die bekannten Verfahren verwenden bei Schall einer gegebenen Frequenz f eine Phasenmessung. Durch den Laufzeitunterschied am Ort der beiden Empfangsanordnungen entsteht nämlich eine Phasendifferenz d = 2asmy, # wobei d der Abstand der beiden Empfangsanordnungen, A= die Wellenlänge im Wasser und y der f Einfallswinkel ist.
Liegt als Schall nicht nur eine Frequenz f,, sondern ein Frequenzband f0 i d f vor, so sind auch Phasenanzeigeeinrichtungen in Form von Drehstrichanzeigen auf dem Schirm von Kathodenstrahlröhren bekannt, die die durch die unterschiedliche Wellenlänge im Gang der Phase bedingte Änderung durch gegeninnige elektrische Beeinflussung der Komponente der Drehstrichanzeige kompensieren, indem die Summe und Differenz der beiden einfallenden Gruppenspannungen gebildet und die Summe auf das eine Ablenksystem und die Differenz nach Drehung um 90" auf das andere Ablenksystem der Kathode gegeben wird. An deren Schirm entsteht dann ein Anzeigestrich mit einer Neigung entsprechend dem Einfallswinkel der ankommenden Schallwelle.
Abgesehen davon, daß dieses selbstkompensierende Verfahren nur bei Schallvorgängen relativ begrenzter Bandbreite sauber funktioniert, unterliegen die bekannten Verfahren, die auf einer algebraischen Summenbildung der beiden Empfangsspannungen beruhen, allen Störeinflüssen, die in der gesamten Bandbreite des Empfangskanals auftreten.
Der Empfangskanal ist meistens breiter als das zu beobachtende Schallfrequenzband, z. B. bei Wasserschallanlagen schon aus dem Grunde, weil die üblichen Ortungsanlagen die Verbreiterung des Frequenzbandes durch den Dopplereffekt berücksichtigen müssen.
Insbesondere ist es bei den bekannten Verfahren nicht möglich, ein charakteristisches Merkmal vieler Schallsignale der Wasserschalltechnik, nämlich die ImpulsdauerT zu berücksichtigen, insbesondere dann, wenn die Empfangsbandbreite größer ist als T Zur Richtungsbestimmung einfallender Wellenzüge eines breiten Frequenzbandes sind außerdem Methoden bekanntgeworden, bei denen Empfangs spannungen zweier Empfänger nach Methoden der Korrelationselektronik entweder direkt miteinander multipliziert werden und so unter Hin- und Herschwenken der Empfängergruppe zu einer Maximumpeilung benutzt werden oder bei denen die beiden Spannungen unter Einschalten eines 90"-Breitbandphasenschiebers miteinander multipliziert und unter Hin- und Herschwenken der Empfängergruppe zu einer Minimumpeilung benutzt werden. Auch sind korrelationselektronische Verfahren bekannt, um die eine Richtungsbestimmung ohne mechanisches Drehen der Peilgruppe durchzuführen, indem man eine variable Laufzeit hinter einen Empfänger schaltet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Richtungsbestimmung einfallender Schallwellenzüge, und zwar auch solcher eines breiten Frequenzbandes, mit Mitteln der Korrelationstechnik ohne mechanische Drehnung einer Empfangsanordnung und ohne variable Laufzeit in Form einer Art Drehstrichanzeige durchzuführen, wobei insbesondere bei Schallwellenzügen der Impulsdauer T dieses Merkmal durch die Integrationsdauer der Korrelationselektronik berücksichtigt wird und damit eine spezifische Nutz-zu-Stör-Verbesserung erzielt wird. Dies läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die beiden Spannungen nach den Regeln der Korrelationstechnik einmal direkt miteinander und zweitens unter Hinzufügung einer 90°-Phasenverschiebung zwischen beiden Spannungen miteinander multipliziert werden und daß die beiden Produktspannungen zur Integration in an sich bekannter Weise über Tiefpaßfilter den gekreuzten Ablenksystemen einer Kathodenstrahlröhre oder eines Kreuzspulinstrumentes zugeführt werden.
Durch die Tiefpaßfilter hinter den Multiplikationsstufen werden die Hochfrequenz- bzw. Zwischenfrequenzanteile weitgehend kurzgeschlossen, und es bleiben Gleichspannungsbestandteile übrig, die störspannungsfrei sind. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren lassen sich die korrelationstechnischen Verfahren auch auf Breitbandsignale anwenden. Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung werden deshalb als auszuwertende Wechsel spannungen Signalspannungen breiten Frequenzbandes aus der Beobachtung einer Geräuschquelle benutzt, die anschließend über ein oder mehrere Frequenzfflter gesiebt werden. Aber auch für tonfrequente Impulssignale hat das neue Verfahren Sinn, weil sich eine Störbefreiung erreichen läßt für eine auf die Impulslänge abgestimmte Zeitkonstante.
Für die Horizontalecholottechnik gibt es sogar die Möglichkeit, an Stelle der bisher verwendeten Sinusimpulse Geräuschimpulse zu verwenden, die über ein breiteres Frequenzband ausgedehnt sind, um damit zu erreichen, daß die Abhörbarkeit solcher Signale schlechter wird. In Anwendung der Echotechnik können somit nach einer anderen zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung als auszuwertende Wechselspannungen Echos dienen, die durch Aussendung von Ton- oder gefilterten Geräuschimpulsen zustande kommen.
Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht. Die beiden im Abstand d gekennzeichneten Empfänger sind mit a und b bezeichnet. Das Signal des Empfängers b wird einmal direkt, zum anderen nach Phasendrehung um 90°-benutzt.
Im Multiplikator 1 werden die beiden Signale a und b miteinander. multipliziert,. im Multiplikator 2 das Signale: mit dem Signal -des Empfängers b nach Phasendrehung um 90". Anschließend an die beiden Multiplikatoren sind Tiefpaßfilter 3,4 angebracht. Für den Fall, daß Dauergeräusche beobachtet werden, gibt man diesen Tiefpaßfiltern zweckmäßig eine -Integrationszeit von- einer bis mehreren Sekunden; für den Fall, daß Echo signale beobachtet werden, stimmt man die .Integrationszeit auf die Impulslänge T der Echosignale ab. Wie in der Zeichnung dargestellt, werden die-beiden gefilterten Signale auf die Ablenkt systeme einer Kathodenstrahlröhre 5 gescgaltet, wobei eine Auslenkung entsteht, die direkt der Phase ç der einfallenden Signale proportional ist. Für ein Geräuschband entspricht diese Phase der-Phase zwischen den in der Mitte des Geräuschbandes liegenden Tonsignalen.
Es entstehen bei Tonempfang an den Empfängern a und b die Signale u0 sin w ct) t und u0 sin (cit) t + ). u0 ist an beiden Empfängern gleich groß.
Es zeigt sich, daß hinter den Multiplikatorstufen außer den Wechselstromanteilee, die im Frequenzband 2fO:td f liegen, zwei gleichstromartige Anteile entstehen: u02 cos 97 und u02 sin 5o.
Durch die Tiefpaßfilter hinter den beiden Multiplikationsstufen, die auf die obere Grenzfrequenz ausgelegt sind, werden aber die HF- bzw. ZF-Anteile weitgehend kurzgeschlossen.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt, vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und andere Ausführungen möglich. Insbesondere läßt sich bei Geräuschebeobachtung die Kathodenstrahlröhre auch durch ein Quotientenmeßwerk ersetzen. Die Mittel zur Multiplikation sind nicht Gegenstand der Erfindung, vielmehr lassen sich für den vorliegenden Zweck bekannte Multiplikationsverfahren verschiedener Art anwenden, wie beispielsweise Hallgeneratoren, Röhrenschaltungen mit Quadriergliedern, Halbleiterelemente mit logarithmischen Kennlinien und ähnliche Einrichtungen. An Stelle einzelner Empfänger a und b lassen sich in bekannter Weise entsprechende Empfängergruppen verwenden.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Richtungsbestimmung einfallender Schallwellenenergie-- in einem mehr oder weniger breiten Frequenzband, insbesondere im Wasser, durch Vergleich der Laufzeiten an zwei im Abstand voneinander liegenden Empfänger anordnungen durch Bildung zweier elektrischer Spannungen, dadurch gekennzeichne t, daß die beiden Spannungen nach den Regeln der Korrelationstechnik einmal direkt miteinander und zweitens unter Hinzufügung einer 90°-Phasenverschiebung zwischen beiden Spannungen miteinander multipliziert werden und daß die beiden Produktspannungen zur Integration in an sich bekannter Weise über Tiefpaßfilter den gekreuzten; Ablenksystemen einer Kathodenstrahlröhre oder eines Kreuzspulinsftumentes zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als auszuwertende Wechselspannungen Signalspannungen breiten Frequenzbandes aus der Beobachtung einer Geräuschquelle dienen, die anschließend über ein -oder mehrere Frequenzfilter gesiebt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als auszuwertende Wechselspannungen Echos dienen, die durch Aussendung von Ton-oder gefilterten Geräuschimpulse zustande kommen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefpaßfilter auf die Impulslänge abgestimmt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 689 473, 705 417; s>Nachrichten-Technik«, 1958, Heft 1, S. 3 bis 11.