DE1241731B - Auf die UEbertragungsgeschwindigkeit von akustischen Energien in einem fluiden Medium ansprechendes Geraet - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIs

Deutsche Kl.: 74 d - 6/15

Nummer: 1241731

Aktenzeichen: P 34213 IX d/74 d

Anmeldetag: 6. Mai 1964

Auslegetag: 1. Juni 1967

Die Erfindung betrifft ein auf die Übertragungsgeschwindigkeit von akustischen Energien in einem fluiden Medium ansprechendes Gerät mit einem elektroakustischen Sende - Empfangs - Wandler und einem Reflektor für ein akustisches Signal.

Bei der Eichung von Echolotgeräten werden Laufzeitunterschiede gemessen, die durch Distanzunterschiede zwischen definierten Reflexionsflächen und Abstrahlungsflächen entstehen. So ist beispielsweise eine sogenannte Echowaage bekannt, bei der ein umlaufender Arm bei Durchgang durch eine Nullstellung einen Sendeimpuls auslöst, und die Stellung dieses Arms wird im Augenblick der Ankunft des Echoimpulses durch eine Nachlaufeinrichtung sichtbar gemacht. Dieser Arm dreht sich beispielsweise mit einer konstanten Drehzahl von etwa 1500 U/min. Die Anzeige des Übertragungsweges wird durch die Winkelverschiebung von zwei Halbkreiselektroden erzeugt, wobei diese Winkelverschiebung verwendet wird, um einen Zeichenstift anzutreiben oder um eine lineare Anzeige zu erzeugen. Es ist weiterhin eine Impulsechoanlage zur Schallgeschwindigkeitsmessung und Absorptionsmessung bekannt. Es wird hier die Schallgeschwindigkeit in einem Übertragungsmedium gemessen, und es ist ein einzelner Wandler vorgesehen. Hierbei wird der Wandler mit einer konstanten Pulswiederholungsfrequenz erregt und die Anzeige der Übertragungszeit oder der Länge des Übertragungsweges wird durch die senkrechte Ablenkung an einem Oszillographen erzielt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zu schaffen, mit welchem bestimmte, sogenannte elasto-mechanische oder akustische Eigenschaften von fluiden Medien bestimmt werden können.

Erfindungsgemäß ist der Wandler mit einem Pulsgenerator verbunden, der eine Eigenfrequenz hat, die größer ist als die maximale Übertragungszeit der akustischen Energie zum Reflektor; und der Pulsgenerator ist nach einem Zyklus der Übertragung und Reflexion eines akustischen Energiepulses triggerbar, um einen weiteren Zyklus auszulösen, so daß die Frequenz des Pulsgenerators von der Übertragungszeit der akustischen Energie über den akustischen Weg zum Reflektor abhängt.

Es wird also ein Gerät mit einem akustischen Weg konstanter Länge vorgesehen, und es können mit diesem Gerät Laufzeitmessungen durchgeführt werden, beispielsweise im Meerwasser, und diese Laufzeitmessungen können zur Charakterisierung bestimmter physikalischer Größen, beispielsweise des Meerwassers an ganz bestimmten Stellen verwendet

Auf die Übertragungsgeschwindigkeit von
akustischen Energien in einem fluiden Medium
ansprechendes Gerät

Anmelder:

Plessey-UK Limited, Jlford, Essex

(Großbritannien) -

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser
und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,
München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:

Ralph Christopher Robertson, Chesters;

Robert Lawton Williamson, Jlford, Essex

(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 7. Mai 1963 (17 921)

werden. In vorteilhafter Weise ergibt-die Wiederholungsfrequenz des Pulsgenerators eine eindeutige Anzeige für die Übertragungszeit der akustischen Energie längs des bekanntes Weges.

In vorteilhafter Weise können der Wandler und der Reflektor durch einen oder mehrere Abstandhalter im Abstand voneinander gehalten sein, wobei diese Abstandhalter derart angeordnet sind, daß das umgebende fluide Medium unmittelbar durch den akustischen Weg zwischen dem: Wandler und dem Reflektor durchströmt.

In vorteilhafter Weise kann ferner eine zum Teil eine akustische Membran bildende Wandlerhalterung vorgesehen sein, und der Wandler kann an der der Hauptstrahlfläche abgekehrten Seite der Membran angeordnet sein. Dabei kann die Wandler- und Refiektoranordnung von einem Körper unter Bildung wenigstens eines Kanals getragen werden, wobei der Querschnitt des Kanals vom Wandler fort zunimmt. In vorteilhafter Weise kann hierbei ein Teil des Körpers ein Ende eines zylindrischen Gehäuses verschließen.

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3. 4

Die im vorstehenden aufgeführten Merkmale der ren Reflektorformen haben die Wirkung, das erwar-

Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung eines tete Anfangsecho im Verhältnis zu den nachfolgen-

Gerätes zur Bestimmung der Geschwindigkeit der den Echos zu verstärken.

Übertragung von akustischer Energie im Wasser dar- Die Oberfläche des Reflektors ist um mehrere gelegt werden, wobei dieses Gerät eine bevorzugte 5 Wellenlängen von der Oberfläche der Reflektor-Ausführungsform der Erfindung bildet. Die Beschrei- brücke 22 entfernt angeordnet, um Interferenzen zu bung soll unter Bezugnahme auf die Figuren der vermindern, die durch Echos vom Brückenkörper erZeichnung erfolgen. Es zeigt zeugt werden könnten.

F i g. 1 eine Seitenschnittansicht des Gerätes und Es ist zu erkennen, daß der akustische Weg, der an

Fig. 2 ein Schaltbild der elektrischen Teile, die io einem Ende von der Membran 17 und am anderen

einen Teil des Gerätes bilden. Ende von der Oberfläche des Reflektors 23 begrenzt

Das in Fig. 1 dargestellte Gerät besteht aus ist, eine feste Länge hat und daß der Reflektor einem abgedichteten rohrförmigen Gehäuse 10, das dauernd gegenüber dem Wandler ausgefluchtet ist.
die elektrischen Schaltungsteile 11 aufnimmt und F i g. 2 zeigt das Schaltbild der elektrischen Schaldas an einem Ende die Wandler- und Reflektor- 15 tungsteile 11 des Gerätes. Der Wandler 15 ist deranordung 12 trägt. Das Ende des Gehäuses 10 ist art geschaltet, daß dieser über eine Transistorstufe Tl mit einem Körper 13 verschlossen, der einen Teil angetrieben werden kann, und zwar durch eine Multider Anordnung 12 bildet, wobei die Verbindungs- vibratorstufe 30, die ein komplementäres Paar von stelle mittels Ringe 14 abgedichtet ist. Der Wand- Transistoren T 2 und Γ 3 aufweist. Die Frequenz des ler 15 ist eine Scheibe aus einem piezoelektrischen ao Multivibrators ist derart gewählt, daß diese etwas keramischen Material, welches eine Eigenresonanz- geringer ist als die geringste Pulswiederholungsfrequenz von etwa 5 MHz hat. Die Oberflächen die- frequenz, die im Betrieb erwartet wird. Der Betrieb ser Scheibe sind silberplattiert, um elektrische An- der Multivibratorstufe wird durch eine Triggerstufe Schlüsse zu schaffen. Die Scheibe ist mit einer dieser 31 gesteuert, die eine Spannungsschwelle hat, um Oberflächen mit der Fläche einer Aussparung ver- 25 ein Triggern des Multivibrators infolge von empfanklebt oder verkittet, die in der Wandlerhalterung 16 genen Geräuschen zu verhindern. Der Multivibrator ausgebildet ist, die ein Ende des akustischen Weges 30 erregt den Wandler 15 mit einem Anstoß, wobei bildet. Die Reststärke der Halterung 16 in der Um- jeder Anstoß des Multivibrators den Wandler 15 in gebung, des Wandlers bildet die Membran 17. Die Resonanz versetzt, wobei der Wandler 15 mit seiner Stärke dieser Membran beträgt etwa 0,005 Zoll. Ein 30 Eigenfrequenz von etwa 5 MHz schwingt. Der Trigeinzelner elektrischer Anschluß 18 führt von der gerkreis 31 kann den Multivibrator 30 nach etwa freien Fläche des Wandlers 15 durch einen abge- 50 Mikrosekunden triggern, nachdem jeder abdichteten Kanal 19 im Körper 13 zu den elektrischen gegebene Puls ein Empfangssignal von mehr als Schaltungsteilen 11. Die restliche Verbindung zum _etWa 0,7 V erzeugt, welches an der Basis des Transi-Wandler erfolgt über die Halterung 16 und den 35 sistors T 4 auftritt.

Körper des Instrumentes. Die Aussparung in der Das empfangene Echosignal, welches vom Wand-

Halterung 16 ist mit einem Dichtungsmittel 20 ge- i_er 15 _nach dem Durchgang durch den akustischen

füllt, um den Wandler zu schützen. Weg empfangen wird, der vom Wandler und vom

Der Körper 13 ist zur Halterung 16 hin abge- Reflektor 23 bestimmt wird, wird in einem Dreischnitten, um nach außen divergierende Kanäle 21 40 Stufen-Transistorverstärker 32 verstärkt, wobei diezu bilden. Diese Kanäle dienen dazu, der Hinterseite _Ser Verstärker die Transistoren TS, T 6 und Γ 7 aufdes Wandlers Wasser zuzuführen, so daß die Wasser- _wei_st _und wobei über jede Verstärkerstufe eine Rückdrücke, die auf den Wandler und dessen Membran kopplung erfolgt. Der Verstärker ist derart aufeinwirken, abgeglichen sind. Außerdem bilden diese gebaut, daß dieser eine Kurzwellenfiltercharakteristik Kanäle 21 Mittel, um Schallwellenenergie abzu- 45 hat, wobei empfangene Signale unter etwa 3 MHz leiten, die von der Hinterseite des Wandlers abge- _stark gedämpft werden. Niederfrequenzgeräusche, geben wird und die sonst am Wandler zu Interferen- die vom Wandler empfangen werden, werden auf zen führen würde. diese Weise in ihrer Amplitude stark vermindert. Die

Die Reflektoreinrichtung weist einen Brücken- Möglichkeit, daß diese Geräusche den Spannungskörper 22 auf, der einen Reflektor 23 hat, der mit 50 Schwellenwert erreichen, der erforderlich ist, um die dem Brückenkörper 22 ein Ganzes bildet. Der Triggerstufe 31 zu betätigen, wird dementsprechend Brückenkörper 22 ist in fester Abstandslage in bezug vermindert.

auf die Wandlerhalterung 16 mittels zweier oder Die Energiezuführung zum Gerät erfolgt über eine mehrerer Abstandhalter 24 befestigt, wobei diese Leitung 33, die mit einer entsprechenden Gleich-Harter aus einem Material gefertigt sind, welches 55 stromquelle verbunden ist, wobei eine Spannungseinen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizien- regelstufe 34 das Gerät gegen Störungen isoliert, die ten hat. Die genaue Weglänge zwischen dem Wand- über die Speiseleitung zugeführt werden können, ler und dem Reflektor 23 kann durch die Anzahl Dieser Spannungsregler, der von der Zusammenwirvon Beilagscheiben 25 bestimmt werden, die zwi- kung des Transistors T 8 und der Regeldiode Dl abschen die Enden der Abstandhalter 24 und die 60 hängt, dient ebenfalls dazu, in die Speiseleitung eine Brücke 22 eingesetzt werden. Signalkomponente mit der Wiederholungsfrequenz

Der Reflektor 23 kann eine ebene Reflexionsober- der Multivibratorstufe 30 einzuführen, wobei diese

fläche haben, wie es in der Figur dargestellt ist. Der Signalkomponente den Ausgang des Instrumentes

Reflektor 23 kann aber auch eine konvex gekrümmte darstellt. Ein einziges Leitungspaar ist lediglich er-

Oberfläche haben, wie beispielsweise eine Kugel- 65 forderlich, um das Gerät mit seiner Spannungsquelle

sektoroberfläche oder eine konische Oberfläche, und mit seiner Ableseeinrichtung zu verbinden,

deren Scheitel zum Wandler hin gerichtet ist, wie es Im Betrieb werden die Echopulse am Wandler 15

in den Fig. IA und IB dargestellt ist. Diese ande- etwa 100 Mikrosekunden (bei üblichen Abmessun-

gen) nach dem Senden empfangen. Die Echopulse werden verstärkt, um ein Signal an die Basis des Transistors T 4 abzugeben, welches eine Spannungsspitze von etwa 2 V hat, und zwar durch Ergänzung einer zweiten Halbschwingung des 5-MHz-Signals. Dadurch wird der Triggerkreis 31 betätigt, und dieser stößt den Multivibrator 30 an und löst einen neuerlich abgegebenen Puls aus. Die Triggerhöhe, auf die der Kreis 31 anspricht, ist derart, daß nachträgliche Geräusche oder ein Nachhall am Verstärkereingang den Multivibrator nicht anstoßen können, bis nicht ein Intervall von etwa 50 Mikrosekunden vom Augenblick der Abgabe des Pulses verstrichen ist. Am Ende dieses Intervalls sind die Nachhallgeräusche abgeklungen und der Multivibrator kann durch ein empfangenes Echo getriggert werden.

Das beschriebene Gerät ist insbesondere für eine Bestimmung der örtlichen Geschwindigkeit eines akustischen Signals in Seewasser geeignet. Die Bestimmung dieses Wertes ist von großer Bedeutung, beispielsweise bei ozeanographischen Forschungen, wobei die Struktur und der Aufbau des gesamten Wasserkörpers zwischen einem Schiff und dem Seegrund bekannt sein muß, damit die ermittelten Werte über Seegrundtiefen und über den Aufbau des Seegrundes in richtiger Weise interpretiert werden können. Das beschriebene Gerät gibt eine kontinuierliche Anzeige der akustischen Übertragungsgeschwindigkeit in Frequenzen, und zwar für das Wasser, in welches das Gerät zu irgendeiner bestimmten Zeit eingetaucht ist. Die Anzeige kann schnell abgelesen werden, beispielsweise durch einen Frequenzmesser, der nach Art eines Zählers aufgebaut ist. Die Anzeige kann aber auch dazu verwendet werden, um automatisch Korrekturen für die Ablesung anderer Instrumente zu erzeugen.

Der offene Aufbau des Gerätes erlaubt eine freie Zirkulation des Wassers durch den akustischen Weg. Dadurch wird ein schnelles Ansprechen auf Zustandsänderungen sichergestellt. Die Verwendung eines einzigen Wandlers zusammen mit einem gemeinsamen Hin- und Rückweg für die gesendete akustische Energie stellt sicher, daß eine Wasserströmung relativ zum Instrument keine Fehler erster Ordnung im Instrument erzeugt, und zwar bis zu Relativgeschwindigkeiten von etwa 60 Knoten.

Claims (5)

Patentan Sprüche:

1. Auf die Übertragungsgeschwindigkeit von akustischen Energien in einem fanden Medium ansprechendes Gerät mit einem elektroakustischen Sende-Empfangs-Wandler und einem Reflektor für ein akustisches Signal, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (15) mit einem Pulsgenerator (30) verbunden ist, der eine Eigenfrequenz hat, die größer ist als die maximale Übertragungszeit der akustischen Energie zum Reflektor (23), daß der Pulsgenerator (30) nach einem Zyklus der Übertragung und Reflexion eines akustischen Energiepulses triggerbar ist, um einen weiteren Zyklus auszulösen, so daß die Frequenz des Pulsgenerators (30) von der Übertragungszeit der akustischen Energie über den akustischen Weg zum Reflektor abhängt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (15) und der Reflektor (23) durch einen oder mehrere Abstandhalter (24) im Abstand voneinander gehalten sind, wobei diese Abstandhalter derart angeordnet sind, daß das umgebende fluide Medium unmittelbar durch den akustischen Weg zwischen dem Wandler (15) und dem Reflektor (23) durchströmt.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zum Teil eine akustische Membran (17) bildende Wandlerhalterung (16) vorgesehen ist und daß der Wandler (15) an der der Hauptstrahlfläche abgekehrten Seite der Membran (17) angeordnet ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler- und Reflektoranordnung (12) von einem Körper (13) unter Bildung wenigstens eines Kanals (21) getragen wird, wobei der Querschnitt des Kanals (21) vom Wandler (15) fort zunimmt.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Körpers (13) ein Ende eines zylindrischen Gehäuses (10) verschließt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1033 106;
Matauschek, »Einführung in die Ultraschalltechnik«, Berlin 1957, S. 290 und 291.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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