DE1267762B

DE1267762B - Schalleitung mit frequenzabhaengiger Laufzeit

Info

Publication number: DE1267762B
Application number: DEP1267A
Authority: DE
Inventors: Pierre Tournois
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1965-05-03
Filing date: 1966-04-30
Publication date: 1968-05-09
Also published as: US3435381A; FR1452050A; GB1131442A; NL6605950A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03k

Deutsche Kl.: 21g-34

Nummer: 1 267 762

Aktenzeichen: P 12 67 762.2-35

Anmeldetag: 30. April 1966

Auslegetag: 9. Mai 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schalleitung mit frequenzabhängiger Laufzeit zur Kompression elektrischer Signale in Form einer frequenzmodulierten Trägerwelle, mit einem Hohlleiter, an dessen beide Enden elektroakustische Wandlereinrichtungen angekoppelt sind und der mehrere Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Ausbreitungseigenschaften enthält.

Bekannte Schalleitungen dieser Art enthalten als Ausbreitungsmedium elastische Feststoffe in Form von Platten, Bändern, Drähten oder mehrschichtigen Strukturen. Es sind auch Schalleitungen bekannt, bei denen eine elastische Feststoffplatte auf beiden Seiten von zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Eigenschaften begrenzt ist.

Diese bekannten Schalleitungen werden insbesondere bei Radaranlagen zur Kompression von Impulsen verwendet, die bei verhältnismäßig kurzer Dauer mit großem Frequenzhub linear frequenzmoduliert sind. Die Frequenzabhängigkeit der Laufzeit reicht jedoch bei diesen bekannten Schalleitungen nicht aus, um auch bei Impulsen größerer Dauer, die mit kleinerem Frequenzhubbereich frequenzmoduliert sind, wie sie vor allem bei Sonaranlagen vorkommen, eine wirksame Impulskompression zu erzielen.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Schalleitung, die in einem gewissen Frequenzbereich eine sich sehr stark mit der Frequenz ändernde Laufzeit aufweist, so daß damit auch längere Impulse mit kleinerem Frequenzhubbereich wirksam komprimiert werden können.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß eine erste Schicht aus einem ersten fließfähigen Medium und eine zweite Schicht aus einem zweiten fließfähigen Medium in dem Hohlleiter übereinander so angeordnet sind, daß sie sich vom einen Ende des Hohlleiters zum anderen Ende erstrecken, daß das fließfähige Medium der ersten Schicht eine größere Phasengeschwindigkeit für Schallwellen als das fließfähige Medium der zweiten Schicht aufweist und daß die elektroakustischen Wandlereinrichtungen mit den beiden Enden der zweiten Schicht so gekoppelt sind, daß sie auf Grund der Signale eine Schalldruckwelle in den Medien der beiden Schichten erzeugen bzw. von diesen abnehmen.

Bei der erfindungsgemäßen Schalleitung breitet sich in der zweiten Schicht eine Druckwelle aus, deren Gruppenlaufzeit in einem bestimmten Frequenzbereich sehr steil mit wachsender Frequenz ansteigt. Dies ergibt eine sehr wirksame Impulskompression Für frequenzmodulierte Impulse, deren Frequenzhubbereich in diesem Frequenzbereich liegt.

Schalleitung mit frequenzabhängiger Laufzeit

Anmelder:

CSF-Compagnie generate de telegraphic sans FiI, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser
und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,
8000 München 60, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:
Pierre Tournois, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 3. Mai 1965 (15 518)

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 ein geschichtetes Medium nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise,

F i g. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Eigenschaften des geschichteten Mediums,

F i g. 4 die Wellenzüge, welche zwischen den Enden einer Leitung mit frequenzabhängiger Laufzeit ausgetauscht werden,

F i g. 5 ein erstes Ausführungsbeispiel der Leitung mit frequenzabhängiger Laufzeit nach der Erfindung mit Darstellung des inneren Aufbaus,

F i g. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Leitung mit frequenzabhängiger Laufzeit nach der Erfindung mit Darstellung des inneren Aufbaus und

F i g. 7 eine Teilansicht einer Kopplungsanordnung nach der Erfindung.

Wie später noch erläutert wird, enthalten die Leitungen mit frequenzabhängiger Laufzeit nach der Erfindung ein geschichtetes Medium, in welchem sich Schalldruckwellen ausbreiten. Die sich in einem ₍ solchen Medium ausbreitenden Wellen sollen als' »D-Wellen« bezeichnet werden, um sie von anderen bekannten Wellentypen zu unterscheiden.

F i g. 1 zeigt ein rechtwinkliges Bezugskoordinatensystem xyz und einen Abschnitt eines geschichten Mediums, das von unten nach oben einen fließfähigen Grundkörper 1 aufweist, der oben durch die .vr-Ebene

809 M8 341

begrenzt ist, eine fließfähige Schicht 2 der konstanten Dicke e und eine starre und polierte ebene Wand 3. In den dadurch abgegrenzten flüssigen oder gasförmigen Medien breiten sich skalare Schalldrücke aus, die von den drei Koordinaten und von der Zeit abhängen. Die Ausdrücke für diese Schalldrücke, die sich durch monochromatische Auflösungen der Ausbreitungsgleichung ergeben, sind Produkte von Funktionen folgender Form:
Im Grundkörper 1:

P₁ (x, y, z, t) = R, [X₁ (χ) ■ Y₁ (y) · Z₁ (r) · e>"].
in der Schicht 2:

P₂ (x, y, -, t) = R_c [X₂ (χ) ■ Y₂ (y) · Z₂ (r) ■ e*"]

in der üblichen komplexen mathematischen Schreibweise.

Die Ausdrücke für die D-Wellen, die sich im Inneren des geschichteten Mediums von F i g. 1 ausbreiten können, werden dadurch erhalten, daß im wesentlichen die Ausbreitung in der Richtung der x-Achse betrachtet wird und die Änderungen des Schalldrucks in der Richtung der r-Achse vernachlässigt werden. Die vorstehenden Lösungen nehmen dann die folgenden Formen an:
Im Grundkörper:

P₁ (x, .v, t) = R_c [A₁C «..'· · e J'¹-·' - **i] (1)

in der Schicht:

P₂(x.y.i) = R₁. [(A₂QJw

+ Aie~^Jw) _e./(.-ι-*.Yi] (2)

Wenn man die Stetigkeit der Drücke und der Normalgeschwindigkeiten an den beiden Begrenzungsflächen der Schicht 2 berücksichtigt, kann man die mathematische Bedingung für das Vorhandensein der D-Wellen ableiten. In dieser Bedingung treten die spezifischen Massen O₁ und «₂. die Ausbreitungsgeschwindigkeiten C₁ und C₂ und die Faktoren ^₁ und U₂ auf, welche für die beiden jeweils zusammenstoßenden Medien gelten. Die Faktoren H₁ und «,

sind mit den Wellenzahlen

k = ~ durch die folgenden Gleichungen verknüpft: «Ϊ = k' — K₁ , a₂ = K₂ — A. .

Die Bedingung für das Vorhandensein der D-Wellen ist durch die folgende Gleichung festgelegt:

da unendlich viele mögliche Querverteilungen der Druckamplituden in der y-Richtung bestehen. Die D-Welle weist nämlich eine Amplitudenverteilung auf, die sich im Inneren der Schicht 2 harmonisch ändert und sich in dem Grundkörper 1 in einer exponentiellen Abnahme fortsetzt. Die Gesamtheit der über die Abszisse χ verteilten Drücke breitet sich in der x-Richtung mit der Phasengeschwindigkeit C aus.

ίο In F i g. 2 sind die Tiefen Verteilungen der Schalldrücke ρ für D-Wellen der Ordnung O (a), der Ordnung 1 (b) und der Ordnung 2 (c) dargestellt. In dieser Darstellung ist zu erkennen, daß der Schalldruck an der starren Wand am größten ist und in dem Grundkörper exponentiell abnimmt. Wenn die Dicke des Grundkörpers durch einen darunterliegenden Sockel begrenzt ist, der von der oberen Seite ausreichend weit entfernt ist, kann keine Störreflexion auftreten.

In Fig. 3 sind graphisch die Eigenschaften der D-Wellen dargestellt, die sich in einem geschichteten Medium der angegebenen Art ausbreiten. Als Beispiel sind die Kurven für eine Schicht aus Schwefelhexafluorid (SF₆) und einen mit Luft gefüllten Grundkörper gezeichnet. Die auf der Abszisse aufgetragene Veränderliche ist der Parameter ^r-, wobei e die Dicke der Schicht, /' die Frequenz der D-Welle und C₂ die Phasengeschwindigkeit für das fließfähige Medium

' der Schicht 2 sind. Die Kurven -~- und ψ zeigen im normalisierten Wert die Frequenzabhängigkeit der Phasengeschwindigkeit und der Gruppengeschwindigkeit der D-Welle. Die Kurve ■— zeigt, wie sich

die Gruppenlaufzeit t_R ändert, die auf die Laufzeit τ einer mit der Geschwindigkeit C₂ durch die Schicht laufenden ebenen Welle bezogen ist. In der Darstellung sind zwei Kurvenscharen dargestellt, von denen sich die linke auf die Welle der Ordnung O und die rechte auf die Welle der Ordnung 1 beziehen.

Physikalisch kann die D-Welle in dem geschichteten

Medium durch eine ebene Schallwelle erregt werden.

welche unter des Einfallswinkels (-) in die Schicht 2 eintritt. Deshalb ist in F i g. 3 gestrichelt der Einfallswinkel (■> der die D-Welle der Ordnung O erzeugenden ebenenen Welle dargestellt. Der Wert dieses Einfallswinkels ergibt sich aus der Gleichung

sin (-) =

al «2

Daraus folgt, daß die D-Welle, welche durch die Wellenzahl k gekennzeichnet ist. sich in der Richtung der .Y-Achse ausbreitet, vorausgesetzt, daß ihre Phasengeschwindigkeit C mit den Phasengeschwindigkeiten in den Medien 1 und 2 durch die folgende Ungleichung verknüpft ist:

Es läßt sich zeigen, daß diese Ungleichung für mehrere Arten von D-Wellen erfüllt werden kann. Die die D-WeIIe erzeugende ebene Welle erleidet abwechselnde Reflexionen an der starren Wand 3 und an dem von der ebenen Grenzfläche zwischen den beiden fließfähigen Medien gebildeten akustischen Diopter. Die D-Welle ist die Summe aller in dem geschichteten Medium reflektierten und gebrochenen Wellen.

F i g. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leitung mit frequenzabhängiger Laufzeit nach der Erfindung. Sie enthält einen Schallhohlleiter mit rechteckigem Querschnitt, der aus einem quaderförmigen Trog 4 und einem mit schrägen Ansätzen 5 und 6 versehenen Deckel 3 besteht. Eine undurchlässige und sehr dünne Trennmembran 7 teilt den Hohlleiter in einen ersten Hohlraum 1. der ein erstes fließfähiges Medium enthält, und in einen zweiten Hohlraum 2. der ein zweites fließfähiges Medium

enthält, dessen Phasengeschwindigkeit kleiner als diejenige des ersten Mediums ist. Die Membran ist ein elastischer Film mit einem Young-Modul von weniger als 20 kg/mm². Beispielsweise kann man einen Polyäthylenfilm mit einer Dicke von 5 bis 10 μ verwenden. Die Stirnflächen des Hohlleiters sind innen mit nicht reflektierenden Schichten 8 und 9 ausgekleidet, und die Ansätze 5 und 6 sind an elektroakustische Wandler 10 und 11 angeschlossen, von denen nur die strahlende Fläche durch eine Schraffierung angedeutet ist. Der Aufbau wird durch eine Vorderwand ergänzt, die der besseren Darstellung wegen abgenommen ist. Die Höhe des Trogs 4 ist so gewählt, daß die D-Welle beim Auftreffen auf den starren Boden ausreichend gedämpft ist, und die Seitenwände des Hohlleiters liegen in einem Abstand, der sehr viel größer als die Dicke der Schicht ist. damit die Randeffekte möglichst klein gehalten werden.

Im Betrieb wird dem elektroakustischen Wandler 10 ein elektrisches Signal V,._: der in F ig. 4 gezeigten Art zugeführt. Dieses Signal erzeugt in dem geschichteten Medium eine Z)-WeIIe. die sich parallel zur .Y-Achse ausbreitet und am Ende der Leitung aus der Schicht austritt, wo sie von dem Wandler 11 aufgenommen wird, der das elektrische Signal V₅ abgibt. Der richtige Einfallswinkel wird mit Hilfe der beiden Ansätze 5 und 6 erhalten, welche die Anpassung der Phasengeschwindigkeiten zwischen den Wandlern und dem geschichteten Medium bewirken.

Das von der Leitung mit frequenzabhängiger Laufzeit abgegebene komprimierte Signal V₅ hat als Hüllkurve die Fourier-Transformation der Hüllkurve des Eingangssignals unter der Bedingung, daß die Trägerfrequenz des Signals V_K in dem Frequenzbereich, in welchem sich die Gruppenlaufzeit der D-Welle in Abhängigkeit von der Frequenz linear ändert, linearfrequenzmoduliert ist. F i g. 4 zeigt die Kompression eines Rechteckimpulses der Dauer T. der in einem Band I /' zu beiden Seiten der Mittelfrequenz/o linearfrequenzmoduliert ist. Der kornprimierte Impuls hat als Mittelwertsdauer den Kehrwert des Modulationsbereiches if, und seine Amplitude ist gegenüber dem Eingangssignal im Verhältnis [ T I /' erhöht, d. h. der Quadratwurzel des Streuungsfaktors.

Die Bemessung der Leitung mit frequenzabhängiger Laufzeit nach der Erfindung setzt voraus, daß man über die der F ig. 3 entsprechenden' Diagramme für alle paarweise kombinierten flüssigen oder gasförmigen Medien verfügt. Diese Diagramme lassen den Koeffizient Q = -,/ erkennen, welcher den Bereich I / bestimmt, in dem sich die Gruppenlaufzeit t_R in Abhängigkeit von der Frequenz linear ändert. Sie lassen ferner die maximale Abweichung ( I f_R), der Laufzeit t_R pro Längeneinheit der Leitung erkennen.

Ausgehend von dem Tür die Dauer des komprimierten Impulses vorgeschriebenen Wert berechnet man das notwendige Frequenzmodulationsband I/. Man wählt dann die beiden geeigneten fließfähigen Medien und berechnet die Mittelfrequenz /„ aus

der Beziehung Jo= λ ; da J_n und C₂ bekannt sind,

erhält man ohne Schwierigkeit die Dicke e der Schicht 2.

Dann ist nur noch die erforderliche Leitungslänge zu bestimmen, wobei man weiß, daß diese Länge Mi so beschaffen sein muß, daß die maximale kumulative Laufzeitdifferenz I t_R entlang der Leitung die folgende Dreigleichung erfüllen muß:

I t_R = T = m, ( I ί_Λ),.

Da man also T und ( I f_R), kennt, kann man die vorzusehende Leitungslänge leicht ableiten.

Als Beispiel sind in der nachstehenden Tabelle die wesentlichen Daten für vier Gasleitungen mit frequenzabhängiger Laufzeit zusammengestellt, mit denen ein 20-ms-Impuls zu einem Impuls von 200 us komprimiert werden kann, was einem Streuungsfaktor 100 entspricht.

(irunükörpcr

SF,, Sch« elelhexalluorid

Schicht
CO- Kohlendiowd

Luft

Helium .	/;, =	31 kHz	Vn	= 12 kHz	Vo	= 10.5 kHz
Helium		0.98 mm		= 4.7 mm	e	= 6.5 mm
C₁ = 963.6 m s	Mi =	1.8 m	Mi	= 5.6 m	Mi	= 9m
Luft	VlI =	7 kHz
	/■* ZZZ	3.7 mm
C₁ = 330 m s	M, =	4m
	C, =	131.5 ms		= 259 m s	C,	= 330 m s

In F ig. 6 ist eine andere Ausführungsform der Leitung mit frequenzabhängiger Laufzeit nach der Erfindung dargestellt. Sie besteht aus einem starren <*> spiralförmigen Hohlleiter, der aus einem Trog 4 und einem Deckel 3 zusammengefügt ist. Eine undurchlässige Membran 7 ist zwischen den übereinanderliegenden Kanälen vorgesehen, die mit dem Medium 1 bzw. dem Medium 2 gefüllt sind. An den Enden der Spirale sind wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 angepaßte Schallimpedanzen 8 und 9 und schräge Ansätze 5 und 6 angebracht.

An die Ansätze sind elektroakustische Wandler 10 und Il angeschlossen.

Diese Ausführungsform der Leitung mit frequenzabhängiger Laufzeit ermöglicht die Verringerung des Raumbedarfs, da der Hohlleiter spiralförmig aufgewickelt ist. Die im Fall von gasförmigen Medien verwendeten Wandler sind beispielsweise elektrodynamische Lautsprecher. Die Gastrennmembran ist ein biegsamer Film mit großer Elastizität und vernachlässigbarer Masse.

In Fi g. 7. in welcher die gleichen Bezugszeichen

die gleichen Teile wie in F i g. 5 bezeichnen, ist eine andere Ausfuhrungsform der Ansätze dargestellt, die zur Ankopplung der Wandler an die übereinanderliegenden Medien dienen. Jeder Leitungsabschluß weist zwei in Form eines symmetrischen V angeordnete Zweige auf, deren Kanäle 5 und 13 um den Einfallswinkel (-)„, zu beiden Seiten gegen die Normale N auf die Membran 7 geneigt sind. Der Kanal 5 ist mit dem Wandler 10 versehen, und der Kanal 13 endet in einer absorbierenden akustischen Last 12. Dieser Aufbau unterscheidet sich von demjenigen nach Fi g. 5 dadurch, daß die von der Membran 7 unter dem Einfallswinkel (-)_m reflektierte Welle absorbiert wird, damit sie den Betrieb der Leitung nicht stören kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Schalleitung mit frequenzabhängiger Laufzeit zur Kompression elektrischer Signale in Form einer frequenzmodulierten Trägerwelle mit einem Hohlleiter, an dessen beide Enden elektroakustische Wandlereinrichtungen angekoppelt sind und der mehrere Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen Ausbreitungseigenschaften enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Schicht (1) aus einem ersten fließfähigen Medium und eine zweite Schicht (2) aus einem zweiten fließfähigen Medium in dem Hohlleiter (4) übereinander so angeordnet sind, daß sie sich vom einen Ende des Hohlleiters (4) zum anderen Ende erstrecken, daß das fließfähige Medium der ersten Schicht (1) eine größere Phasengeschwindigkeit für Schallwellen als das fließfähige Medium der zweiten Schicht (2) aufweist und daß die elektroakustischen Wandlereinrichtungen (10,11) mit den beiden Enden der zweiten Schicht (2) so gekoppelt sind, daß sie auf Grund der Signale eine Schalldruckwelle in den Medien der beiden Schichten (1.2) erzeugen bzw. von diesen abnehmen.

2. Schalleitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine die Wellenausbreitung nicht beeinflussende elastische Membran (7). welche die beiden Medien (1,2) voneinander trennt.

3. Schalleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (4) an jedem Ende einen Ansatz (5,6) aufweist, dessen Achse (F₂, F₃) mit der Normalen auf die zweite Schicht einen Winkel (Q_m) einschließt, dessen Sinus der Quotient aus der Phasengeschwindigkeit (C₂) der in dem zweiten Medium (2) laufenden Schallwellen und der mittleren Ausbreitungsgeschwindigkeit (C) der Schalldruckwelle ist, daß die Ansätze (5,6) mit dem zweiten fließfähigen Medium (2) gefüllt sind und daß die Wandler (10, 11) an jeweils einen der beiden Ansätze angekoppelt sind.

4. Schalleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Ende ein zweiter Ansatz (13) angebracht ist, daß die ersten Ansätze (5,6) und die zweiten Ansätze (13) symmetrisch in bezug auf die Normale auf die zweite Schicht (2) angeordnet sind und daß am Ende der zweiten Ansätze (13) absorbierende Mittel (12) zur Absorption der von der zweiten Schicht (2) reflektierten Schallwellen angebracht sind.

5. Schalleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (10,11) aus dynamischen Lautsprechern bestehen, welche die Schalldruckwelle in der Nähe des zugeordneten Endes des Hohlleiters (4) erzeugen bzw. aufnehmen, und daß absorbierende Mittel (8, 9) zur Absorption der Schalldruckwelle an diesen Enden angebracht sind.

6. Schalleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die fließfähigen Medien (1, 2) Flüssigkeiten sind.

7. Schalleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die fließfähigen Medien (1. 2) Gase sind.

8. Schalleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (4) einen rechteckigen Querschnitt hat.

9. Schalleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (4) eine geradlinige Längsachse hat (Fi g. 5 und 7).

10. Schalleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (4) eine gekrümmte Längsachse hat (Fig. 6).

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Geophysics«, Vol. 18, Nr. 4, S. 844 bis 870 (Oktober

1953);
»The Journal of the Acoustical Society of America«,

Vol. 28, Nr. 6, S. 1165 bis 1176 (November 1956);
»IRE-Transactions on Ultrasonics Engineering«,

Vol. UE-7. Nr. 2, S. 53 bis 58 (Juni 1960).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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