DE1523144A1

DE1523144A1 - Device to compensate for fluctuations in the speed of sound in water in water-borne sound devices using the Doppler principle

Info

Publication number: DE1523144A1
Application number: DE19641523144
Authority: DE
Inventors: Thiede Dr Phil Heinz
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1964-11-03
Filing date: 1964-11-03
Publication date: 1970-01-02
Also published as: DE1523144B2

Description

Vorrichtung zur Kompensation von Schwankungen der Schallgeschwindigkeit im Wasser in das Doppler-Prinzip ausnutzenden Wasserschallgeräten.Device to compensate for fluctuations in the speed of sound in the water in the Doppler principle using water-borne sound devices.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation von Schwankungen der Schallgeschwindigkeit im Wasser in das Doppler-Prinzip, insbesondere zur Messung des Weges und/oder der Geschwindigkeit von llasserfahrzeugen, ausnutzenden Wasserschallgeräten, die einen ins freie Wasser strahlenden Echosignalsender, einen die reflektierten Wellen aufnehmenden Empfänger und ein die Differenz zvrischen Sende-und Empfangsfrequenz bestimmendes Doppler-meßgerit enthalten, wobei eine vom durehfahrenen Wasser durchflutete feste Meßstrecke zum Erfassen der jeweiligen Schallg eschwindigkeit vorgesehen ist, aufgrund deren die Meßergebnisse korrigiert werden.The invention relates to a device for compensating for fluctuations the speed of sound in water into the Doppler principle, especially for measurement the path and / or the speed of marine vehicles, exploiting waterborne sound devices, One echo signal transmitter radiating into the open water, one reflected Waves receiving receiver and the difference between the transmission and reception frequency Determining Doppler meter included, one of which was flooded by the water that had passed through a fixed measuring section is provided for recording the respective speed of sound, on the basis of which the measurement results are corrected.

Es ist bekannt, mit einer Vorrichtung der genannten Art, einem sogenannten Doppler-Schallog, Weg und Geschwindigkeit eines schiffes über Grund zu messen, wobei der Weg als Zeitintegral -ler Geschwindigkeit gewonnen wird. Die mathematische Analyse der zur estimmung der Geschwrlndigkeit herangezogenen Frequenzabweichung der Empfangsfrequenz von der Sendefrequenz zeigt, daß dieser Wert der Frequenzabweichung # f nicht nur der Geschwindigkeit v dos Wasserfahrzeuges selbst, sondern auch der Sendefrequenz f und dem Kehrtwert der Schallgeschwindigkeit c im Wasser proportional ist, # f # # # fs.It is known with a device of the type mentioned, a so-called Doppler sound log to measure the distance and speed of a ship over the ground, whereby the path is obtained as a time integral -ler speed. The mathematical analysis the frequency deviation of the receiving frequency used to determine the speed of the transmission frequency shows that this value of the frequency deviation # f not only the speed v of the watercraft itself, but also the transmission frequency f and the reciprocal of the speed of sound c in water proportional is, # f # # # fs.

Nun schwankt der Wert der Schallgeschwindigkeit bekanntlich in Abhangigkeit von Temperatur und Salzgehalt des Wassers. So können beispielsweise Schallgeschwindigkeiten zwischen c = 1400 m/s und c = 1530 m/s auftreten, je nach Jahreszeit und Salzgehalt.As is well known, the value of the speed of sound fluctuates as a function the temperature and salinity of the water. For example, the speed of sound between c = 1400 m / s and c = 1530 m / s, depending on the season and salinity.

Das bedeutet, daß bei konstantgehaltener Sendefrequenz Meßfehler von + 4, 5 ß um einen Mittelwert auftreten können.This means that if the transmission frequency is kept constant, measurement errors of + 4, 5 ß around a mean value can occur.

Man hat deshalb Einrichtungen gebaut, die mit emperaturführlen den Einfluß der Temperatur auf die Schallgeschwindigkeit berücksichtigen. Das geschieht bei bekannten geräten derart, daß empfangsseitig der Temperaturgang der Schallgeschwindigkeit kompensiert wird, wobei zunächst eine den Salzgehalt bei definierter Temperatur berücksichtigende Eichung stattfinde. Diese Vorrichcungen sind aber aufwendig und befriedigen nicht.That is why facilities have been built which operate with temperature guides Take into account the influence of temperature on the speed of sound. This happens in known devices such that on the receiving side the temperature response of the speed of sound is compensated, first of all the salinity at a defined temperature taking into account calibration. These Vorrichcungen are expensive and do not satisfy.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche Vorrichtung zu schaffen, die unter allen vorkommenden Temperaturen und salzegehealten einen konstanten Quotienten fs/c ergibs. Dazu wird der kehrwert dieses Quotienten, die Wellehnlänge # = c/fs, als konstance Führungsgröße für einen Regelkreis herangezogen, in welchem sich dann die Sendefrequenz in Abhängigkeit von ter tats ehlichen schallgeschwindigkeit im Übertragungsmedium, dem Meer- bzw. Flußarasser, ändert. Die Aufgabe wird also erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der festen Meßstrecke ein KonstanG-, 4-Generator liegt, der die Sendefrequenz des Echosignalsenders bestimmt. Die teste Meßstrecke wird dabei von demjenigen Wasner durchflutet, in dem das Doppler-Prinzip zur Messung benutzt wird, während der Konstant-A-Generator aus zwei temperaturunabhänpig fest angeordneten Schallwandlern als Resonanzstrecke mis stehenden Wellen von einer oder mehreren halben Wellenlängen besteht und nach der an sich bekannten Weise (vgl. DBP 811 965) eines sich selbst erregenden Systemes arbeitet.The object of the present invention is to provide such a device to create the one under all occurring temperatures and salt-preserved ones constant quotient fs / c results. To do this, the reciprocal of this quotient is the Shaft length # = c / fs, used as a constant reference variable for a control loop, in which the transmission frequency is then depending on the actual sound speed in the transmission medium, the sea or river rider, changes. So the task becomes solved according to the invention in that a KonstanG, 4 generator in the fixed measuring section which determines the transmission frequency of the echo signal transmitter. The test Measuring section is flooded by the one Wasner in which the Doppler principle is used for measurement is used, while the constant A generator consists of two temperature-independent fixed arranged sound transducers as a resonance path mis standing waves from an or consists of several half wavelengths and according to the known manner (cf. DBP 811 965) of a self-exciting system works.

Die so Gewonnene Sendefrequenz kann man aber auch zunächst auf einen dem Konstanb Generator nachgeschalteten Frequenzvervielfacher oder-untersetzer schalten, ehe die dann daraus resultierende Frequenz den Echosignalsender erregt. Man wird diesen Weg insbesondere dann vorziehen, wenn die Anordnung des akustischen Teiles der Vorrichtung zur Kompensation von Schwankungen der Schallgeschwindigkeit im Wasser, die sich nach den Einbaumöglichkeiten am Wasserfahrzeug richten muß, eine akustische Beeinflussung des Empfängers fUr die Messung nach dem Doppler-Prinzip befürchten läßt.The transmission frequency obtained in this way can, however, first be switched to a frequency multiplier or reducer connected downstream of the constant generator before the frequency resulting therefrom excites the echo signal transmitter. This route is particularly preferred if The arrangement of the acoustic part of the device to compensate for fluctuations in the speed of sound in the water, which must be based on the installation options on the watercraft, gives rise to fear of an acoustic influence on the receiver for the measurement according to the Doppler principle.

Die beschriebene Vorrichtung läBt sich auch in einer Meßstrecke anwenden, deren Konstant-, 4-Generator nicht unmittelbar am Wasserfahrzeug angebracht ist, sondern in einem absenkbaren Schleppgerät angeordnet ist, das etwa in der Mitte zwischen Schiffsboden und Grund oder in sonst geeigneter Tiefe geschleppt wird. Das bietet insbesondere bei starken Temperaturgradienten den Vorteil, daß ein besserer Kompensationswert als in Oberflächennähe erzielt und bei unhterschiedlicher Schallgeschwindigkeit über der MeB-strecke des Schallogn der Schallgeschwindigkeits-Mittelwert benutzt wird.The device described can also be used in a measuring section, whose constant, 4-generator is not directly attached to the watercraft, but is arranged in a lowerable towing device, which is roughly in the middle is towed between the ship's bottom and the bottom or at any other suitable depth. This offers the advantage, especially in the case of strong temperature gradients, that a better Compensation value as achieved near the surface and at different speeds of sound over the MeB route of the sound log is the mean value of the speed of sound is used.

Anhand von in der Zoichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Konstant-1-Generator in einer ersten Ausführung, Fig. 2 einen Konstant - # -Generator in einer Alternativ-Ausführung.Based on the exemplary embodiments shown in the drawing the invention explained in more detail. 1 shows a constant 1 generator in one first embodiment, FIG. 2 shows a constant - # generator in an alternative embodiment.

In der Meßstrecke M der Fig. 1 wird ein Schwinger als Sender S erregt. Im Abstand d = 2 # = 4 # ist ortsfest ein Wandler als Empfänger E angeordnet, der an einen Verstärker V mit nachfolgendem Bandpaß BP angeschlossen ist. Der Bandpaß BP sorgt dafür, daß sich die Sendefrequenz fs nur in solchen Eigenfrequenzen erregen kann, die den vorkommenden Bereich der Schallgeschwindigkeit c Uberdecken. Hinter dem Bandpaß BP folgt eine Rohre R mit angeschlossenem Transformator TR, liber dessen Ausgang die Sendefrequenz fs zur Erregung des Echosignalsenders einerseits und zur Rückführung auf den Sender S andererseits ausgekoppelt werden.In the measuring section M of FIG. 1, an oscillator is excited as a transmitter S. At a distance d = 2 # = 4 #, a transducer is fixedly arranged as a receiver E, the is connected to an amplifier V with a subsequent bandpass filter BP. The band pass BP ensures that the transmission frequency fs is only excited in such natural frequencies which cover the occurring range of the speed of sound c. Behind the bandpass filter BP is followed by a pipe R with a connected transformer TR, over which Output the transmission frequency fs to excite the echo signal transmitter on the one hand and to Feedback to the transmitter S on the other hand, are decoupled.

Ein Zahlenbeispiel erläutert die Arbeitsweise der Vorrichtung näher.A numerical example explains the operation of the device in more detail.

Soll zB. eine Sendefrequenz fs im Bereich von 100 khz gewählt werden und ist ein Bereich der Schallgeschwindigkeit c von 1400 m/s bis 1530 m/s im Wasser W zu erwarten, so bedeutet das eine Zuordnung von 1465 m/s + 4, 5 % zu 100 kHz + 4, 5 %. Man errechnet eine mittlere Wellenlänge von # = 14,65 mm und erhält für 2# einen Abstand zwischen Sender S und Emofängter E von 29, 3 mm. Dieser Abstand wird fest eingestellt. Die in Fig. 1 nicht gezeigte mechanische Halterung wird dazu aus einem Material hergestellt, das im Temperaturbereich zwischen 0° und 30°C nur eine Ausdehnung von untergeordneter Bedeutung aufweistj z. B. aus Invar.Should e.g. a transmission frequency fs in the range of 100 khz can be selected and is a range of the speed of sound c from 1400 m / s to 1530 m / s in water W to be expected, this means an assignment of 1465 m / s + 4.5% to 100 kHz + 4.5%. Man calculates a mean wavelength of # = 14.65 mm and receives a distance between transmitter S and Emo receiver E of 29.3 mm for 2 #. This distance is set permanently. The mechanical holder, not shown in FIG. 1 is made of a material that is in the temperature range between 0 ° and 30 ° C has only one expansion of minor importancej z. B. from Invar.

Der Bandpaß BP ist so ausgelefgt, daß sich eine Begrenzung der sich orregenden Eigenfrequenzen auf den Freaquenzbereich von fs = 95 bis 105 kHz ergibt.The bandpass filter BP is designed so that there is a limitation of the or exciting natural frequencies to the frequency range of fs = 95 to 105 kHz.

Um zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Wasser Win der Meßstrecke M zu vermeiden, genügt ws, letztere in einmem Beipß anzuordnen.To avoid too high flow velocities of the water Win the measuring section To avoid M, it is sufficient to arrange the latter in an attachment.

Es ist nicht unbedingt nötig, wie in diesem Zahlenbeispiel ancl den Abstand der Meßstrecke rn gleich vier halben Wellenlängen zu wählen; man kann auch mehr oder weniger-allgemein n - halbe wellenlängen wählen, jedoch höchstens so viele, daR der Wert 100/n nicht kleiner wird al. s der Prozentsatz der manderung der Schallgeschwindigkeit c.It is not absolutely necessary, as in this numerical example To choose the distance of the measuring section rn equal to four half wavelengths; One can also choose more or less general n - half wavelengths, but no more than as many, that the value 100 / n does not become smaller al. s the percentage change in the speed of sound c.

Fig. Fig.

Anstelle des Empfängers E in 1 kann als Begrenzung der MeB-strocke M auch ein Reflektor RE benutzt werden, wobei clie Frre-Fig. gung des Senders S in der an sich bekannten Weise nach 0 erfolgt ; hierin is als Beispiel ein matir MW gewählt.Instead of the recipient E in 1, a reflector RE can also be used to limit the measuring strocke M, whereby the Frre-Fig. transmission of the transmitter S in the manner known per se 0 occurs; here a matir MW is chosen as an example.

Unter dAusnutzung der Impedanz des Wassers W, die für Eingenwerterregung der Pteßstrecke M bei n # # durch # # # gekennziechnet ist, wird eine Riickkopplungsschaltung unter Zwischenschaltung eines Bandasse BP aufgebaut, die so arbeitet, daß sich eine ganzzahlige Anzahl von stehenden # - wellenzügen als eigenwert aufbaut.Taking advantage of the impedance of the water W, that for single-value excitation the Pteß distance M is marked by # # # at n # #, becomes a feedback circuit built with the interposition of a Bandasse BP, which works so that a builds up an integer number of standing # - wave trains as an eigenvalue.

Im Rahmen der Erfindung läßt sich die Vorrichtung sinngemäß auch zur Regelung der Sendefrequenz bei Geräten anderer Art als zur Messung mittels des Dopplerprinzipes anwenden, wenn es darauf ankommt, Temperatur- und Salzgehalteinflüsse zu kompensieren.In the context of the invention, the device can also be used for Control of the transmission frequency for devices of a different type than for measurement using the Doppler principle use when it is important to compensate for temperature and salinity influences.

Claims

P a t e n t a n s p r U o h e 1. Device to compensate for Fluctuations in the speed of sound in water in the Doppler principle, in particular for measuring the path and / or the speed of watercraft, exploiting Water sound devices that emit an echo sounder emitting into the open water the reflected waves receiving the receiver and the difference between transmission and Doppler measuring device that determines the reception frequency, one of which is passed through Fixed measuring section flooded with water to record the respective sound speed is considered, on the basis of which the measurement results are corrected, by 8 that In the fixed measurement section (M) there is a constant # generator that determines the transmission frequency (fs0 of the echo signal transmitter is determined.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that between the constant - # generator and the echo signal transmitter a frequency multiplier or Frequency divider is switched.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring section (M) is arranged in a lowerable towing device.

L e r s e i t e