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Unterwasserschallquelle mit Elektrodeneinheit Die Erfindung betrifft
eine Unterwasserschallquelle mit indestens einer isolierten und einer unisolierten
Elektrode; bei welcher zur Erzeugung von Schallimpulsen elektrische Energieimpulse
plötzlich entladen werden.
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Bisher wurden für Aufgaben, wie beispielsweise das Vermessen des Meeresbodens
und seines Untergrundes, das Verfolgen bzw.
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Aufspüren sich bewegender Körper, für die Navigation und das Suchen
von Wracks weitgehend Schallwellen verwendet. Dabei wurde eine Reihe der unterschiedlichsten
Schallquellen verwendet, zu denen Sprengstoffe, Propangaspatronen oder -abfeuereinrichtungen,
Quarzwandler, magnetostriktive Wandler und Funkenstrecken gehören. Die Erfindung
ist dem Gebiet der Funkenstrecken zugeordnet.
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Funkenerzeugende Unterwasserschallquellen besitzen zwei an Ende eines
Schleppseils voneinander getrennt angeordnete Elektroden. Zwischen den Elektroden
werden durch das sich zwischen ihnen befindliche Wasser elektrjische Energieimpulse
entladen.
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Die so herbeigeführte geneitladung ersegt Sehalivellen, deren Kenndaten
eine Funktion der Bauart der Funkenstrecke
und der durch sie zur
Entladung gebrachten elektrischen Energie sind. Solche Funkenstrecken lassen sich
in Abhängigkeit von der Anordnung der Erdelektrode in zwei Klassen einteilen.
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Bei der Funkenstrecke von eingehüllter Bauart ist die zweite oder
Erdelektrode genügend nahe an der ersten oder Hochspannungselektrode angeordnet,
damit die in Auswirkung der elektrischen Energieimpulse an der ersten Elektrode
sich bildende Plasmablase vor ihren Zusammenfallen bis zu der zweiten Elektrode
sich ausdehnt und so von der ersten zur zweiten Elektrode duroh das Plasma hindurch
ein unmittelbarer Stronfluss stattfindet. Bei einer solohen Einrichtung ist zur
Widerstandsanpassung ein induktionsarmer Stromkreis erforderlich, da das Plasma
selbst auoh einen so niedrigen Widerstand hat. Bei der zweiten oder nicht eingehüllten
Bauart von Funkenstrecken ist die Erdelektrode jenseits des Bereiches der maximalen
Ausdehnung der Plasmablase angeordnet. Bei dieser Klasse von Funkenstrecken muss
der in dem Entladungsbogen fliessende Strom auf seinem Wege zur zweiten Elektrode
ausserhalb der Plasmablase durch das Wasser hindurchfliessen, Infolge des Stromflusses
durch Wasser geht ein wesentlicher Teil der Energie verloren. Dieser verminderte
Wirkungsgrad ist bei nicht eingehüllten Funkenstrecken ein wesentlicher Nachteil.
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Zu den weiteren Nachteilen, die Unterwasserfunkenstrecken der vorerwähnten
beiden Klassen gemeinsam haben, gehören kurze Lebensdauer, niedriger Intensitätsausgang
und sohlechte Frequenzsteuerung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Unterwasserschallquelle
zu schaffen, die die vorerwähnten Nachteile vermeidet, bei der die Ausgangsintensität
bei den meistgewünschten Frequenzen auf ein Höchstmass zu steigern ist und bei der
eine Mehrzahl von Funkenstrcken so angeerdnet sind, dass der akustische Energieausgang
verstärkt wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Abstand
der beiden Elektroden voneinander so bemessen ist, dass bei einer Hochspannungsentladung
aus der kleinen, freiliegenden Fläche der isolierten Elektrode in Richtung aui die
unisolierte Elektrode zu um die freiliegende Fläche herum eine Blase entsteht, deren
maximale Ausdehnung kleiner ist als der Abstand zwischen den Elektroden.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Isolierkörper
der isolierten Elektrode eine Stärke aufweist, die derart vorbestimmt ist, dass
er mit im wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit wie die vorbestimmte Abnutzungsgeschwindigkeit
der Elektrode an seinem Ende zerfällt.
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Der Erfindungsgegenstand ist anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, in zur Teil schematischer
Darstellung, einer typischen Unterwasserfunkenstrecke naoh dem bisherigen Stande
der Technik, Fig. 2 teils einen Schnitt durch eine, teils eine Ansicht auf eine
einfache Ausführungsfori des Erfindungsgegenstandes, Fig. 3 einen Schnitt duroh
eine Hochspannungselektrodeneinheit, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten
Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei welcher eine Mehrzahl von Funkenstrecken
in einer Reihe angeordnet sind, Fig. 5 eine graphische Darstellung der relativen
Schwingungs-Frequenzkurven für Impulse aus unterschiedlichen Spannungen.
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Fig. i zeigt eine Funkenstrecke der nicht eingehüllten Bauart nach
dem Stande der Technik, wobei eine längliche Hochspannungselektrode
10,
ausgenommen an einem Ende, mit einem Isolator 15 bedeckt ist, der ein Isolierband
oder dgl. sein kann. Eine zweite Elektrode 19, die normalerweise Erdpotential aufweist,
ist von dem freiliegenden Ende der Hochspannungselektrode 10 entfernt angeordnet.
Der Abstand zwischen der Elektrode 19 und dem ireiliegenden Ende der Elektrode 10
ist vorbestimmt, um zu gewährleisten, dass sich die Elektrode 19 ausserhalb des
Bereichs der maximalen Ausdehnung der sich bei der Entladung um die Spitze der Elektrode
10 herum bildenden Plasmablase bei in det, um damit das vorerwähnte Problem einer
Schein-Widerstandsanpassung zu beheben. Daduroh, dass der grösste Teil der Elektrode
10 mit Isolierung 15 bedeckt ist und nur ein kleiner Teil dem Meerwasser ausgesetzt
bleibt, wird der aus der Elektrode 10 emittierte Strom am freiliegenden Ende konzentriert,
so dass beim Entladen von Impulsen hoher Energie über das Ende der Elektrode 10
an diesem Ende eine hohe Stromdichte entsteht, Die Elektroden 10 und 19 sind mittels
eines Koaxialkabels 13 an eine nicht dargestellte Hochspannungsquelle angeschlossen.
Wenn der Eletrode 10 von einer solchen Quelle ein Hochspannungsimpuls zugeführt
wird, bildet sich am freiliegenden Ende der Elektrode rasch eine Plasmablase, die
sich sehr schnell bis auf eine maximale Grösse, welche eine Funktion der entladenen
Energie und der Ausbildung, d.h. der Bauweise, der Funkenstreckeneinheit ist, ausdehnt.
Die Blase bildet sich durch ohmsches Erhitzen des Meerwassers bis zur Dampfphase,
und sie dehnt sich bis Ansteigen des Entladungsimpulses sehr rasch aus. Die Grösse
der Blase ist eine Funktion der Entladungsenergie und der Stromdidite ii Entladungsweg.
An der Elektrode 19 bildet sich keine Blase, da dort die Stromdichte nicht ausreichend
gross ist, um das Wasser in Dampf umzuwandeln. Mit dem Erweitern der Plasmablase
durch die Entladungsenergie erreicht sie eine Maximalgrösse, die in Fig. 1 durch
die den "Energienntzbereich" umschliessende, gestrichelte Linie dargestellt ; ist0
Die sattels einer Funkenstre@ke durch elektr@@@@@ Ertladung erzeugten nutzbaren
Schallwellen entstehen @@hrend der aufänglichen Ausdehnung
der Plasablase.
Die Grösse der Blase und die blitzschnelle Gesohwindigkeit ihrer Ausdehnung sind
bei den Kenndaten des erittierten Schalles wichtige Faktoren Die innerhalb dieses
Bereichs verbrauchte, die Blase bildende Entladungsenergie trägt zu dem erzeugten
Schall bei, jedoch geht sämtliche ausserhalb dieses Bereichs verbrauchte elektrische
Energie verloren. Der durch das Plasma fliessende Strom muss auf seinem Wege zur
Elektrode 19 ausserdem auch duroh die Meerwasserbereiche ausserhalb der Blase hindurchfliessen.
Dieser Stromfluss ist in Fig. 1 mit Hilfe der Linien 11 schematisch dargestellt.
Je grösser der Trennungsabstand zwischen den Elektroden 10 und 19 ist, um so länger
ist der Stromweg durch das Wasser und um so mehr Energie geht folglich verloren.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, die
in ihrer Bauweise einfach und in ihrer Arbeitsweise äusserst wirksam ist. Bei dieser
Ausführungsform ist eine Hochspannungselektrode 10 in einen Isolierkörper 15 mittig
angeordnet, wobei ein Koaxialleiter 19 zur Erregung der Elektrode 10 dient. Die
Erdelektrode 20 ist ein käfigartiges Bauteil, beispielsweise ein zylindrisches Gitterwerk,
bei welchem die Elektrode 10 im wesentliohen entlang der Achse des Zylinders angeordnet
ist. Der das Gitterwerk der Elektrode 20 von dem frei liegenden Ende der Elektrode
10 trennende Abstand ist gleich dem Radius des Zylinder und so vorbestimmt, dass
gewährleistet ist, da er nur wenig grösser ist als der in Fig @ 1 gezeigte "Energienutzbereich",
der gleich der maximalen Grösse der duroh die Energieentladung über dem Ende der
Elektrode 10 erzeugten Plasmablase ist. Die Eloktrode 20 muss einen hohen Prozentsatz
an offener Fläche aufweisen, da der Hauptzwenk d.r Funkenstrecke das Emittieren
von akustischer Energie ist und eine geschlossene Elektrode den Schall erheblich
dämpfen würde. Das Gitterwerk der Elektrode 20 ist so ausgebildet, dass es im wesentlichen
sämtliche während zur Entstehung der Plasmablase erzeugte akustische Energie durohlässt
und eine wirksame Erdelektrode bildet, die knapp ausserhalb
der
Plasmablase bei deren maximaler Ausdehnung angeordnet ist. Bei einer solchen Elektrodenanordnung
fliesst der Strom zwischen der Plasmablase und der Elektrode 20 nur über eine kurze
Strecke duroh das Meerwasser, so dass gewährleistet ist, dass der grösste Teil der
Entladungsenergie zum Bilden der Blase verwendet wird und nur ein sehr geringer
Teil ir Wasser ausserhalb der Blase verlorengeht. Obwohl die Elektrode 20 als sylindrischer
Käfig dargestellt ist, kann sie auoh in anderen Formen ausgebildet sein. Der zylindrische
Käfig wird jedoch bevorzugt, weil er aus nachstehend noch näher zu erläuternden
Vorteilen die Elektroden 10 und 20 in paralleler Anordnung zueinander enthält.
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Fig. 3 zeigt eine Elektrodeneinheit 25, die die Lebensdauer der Funkenstreckeneletroden
erheblich verlängert. Die Hochspannungselektrode 10 ist ein länglicher Stab aus
einem elektrisch leitenden Metall, beispielsweise Messing. Dieser ist mit einem
Isolator 15 überzogen, der um den Stab herum im Spritz- oder Pressformverfahren
geformt werden kann. Vorzugsweise ist das isolierende Material ein aufgeformter
@eoprenmantel, jedoch können auoh andere hochgradig widerstandsfähige Isolatoren,
wie beispielsweise Polyurethan, Nylon, Epoxyharze und dgl., verwendet werden, sofern
sie gute Bindungs- bzw. Hafteigenschaften aufweisen.
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Es ist bekannt, dass in Salzwasser betriebene Hochspannungselektroden
sich in einem durch die Energie der Entladung und die Anzahl der Entladungen bedingten
Ausmass abnutzen. Is wurde oben herausgestellt, dass es wesentlich ist, die gesamte
Hochspannungselektrode mit Ausnahme eines kleinen Oberflächenhereichs abzudecken
bzw. zu isolieren, damit der Stromfluss auf einen kleinen Bereich konzentriert und
somit eine zur Schaffung der Plasmablase hohe Stromdichte erzeugt wird. Wenn die
die Elektrode 10 bedeckende Isolierung 15 sehr dünn ist, ist es äusserst wahrscheinlich,
dass sie infolge der Hochspannungsentladungen bricht, auseinanderbröckeln und abfallen
wird, und
in diesem Fall werden dann grössere Oberflächenbereiche
der Elektrode 10 freigelegt, wodurch die Stromdichte herabgesetzt wird, bis eine
Plasmablase sich nicht mehr bilden bzw. entstehen kann. Wenn andererseits die Isolation
15 zu dick ist, bleibt sie bei der Abnützung der Elektrode 10 erhalten, die in die
Isolierung zurücktritt. In diesem Fall nimmt die Länge des Entladungsweges mit der
Zurücktreten des freiliegenden Endes der Elektrode 10 in die Isolierung 15 hinein
zu, bis der Stromweg zum Erzeugen einer Entladung zu gross wird, womit die Vorrichtung
zu diesem Zeitpunkt betriebsunfähig wird.
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Es wurde nun gefunden, dass es für den Isolator 15 einen Stärkenbereich
gibt, in welchem die beiden vorerwähnten Probleme daduroh gelöst werden, dass die
Abnutzung der Isolierung-mit im wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit wie die
Abnutzung der Elektrode 10 vor sich geht. Für die vorerwähnte Klasse von Isolatoren
werden die besten Ergebnisse dann erzielt, wenn die Stärke der Isolierung 15 annähernd
gleich dem Radius der Eloktrode 10 ist. Die Isolierung kann jedooh mehr oder weniger
hiervon abweichen und einen im Bereich des Anderthalb-bis Dreifachen des Durchmessers
der Elektrode 10 liegenden Durchmesser haben. Wenn die Abmessungen in diesem Bereich
liegen, erreicht an eine im wesentlichen gleichmässige Abnutzung der Elektrode 10
und des Isolators 15 mit einer daraus folgenden Verlängerung der Lebensdauer der
Elektrodeneinheit 25.
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An einem Ende der Elektrodeneinheit 25 ist ein wasserdichter elektrischer
Stecker 17 angebracht, der die Einheit 25 in ihrer richtigen Lage hält und ihren
elektrischen Anschluss bewirkt.
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Der Stecker 17 ist aus einem isolierenden Material, vorzugsweise aus
dem gleichen Material wie der Isolator 15, hergestellt, so dass es möglich ist,
die gesamte Einheit 25 in einem einzigen Arbeitsgang duroh Ausformen des Isolator
15 und des Steckers 17 auf die Elektrode 10 zu bilden. Auf dem Stecker 17 ist -eine
Wulst 18 vorgesehen, um die Einheit in ihrer zugehörigen Fassung sicher zu halten.
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Ein wesentlicher Vorteil der Elektrodeneinheit 25 und insbesondere
des Steckers 17 besteht darin, dass sich diese leicht entiernen und in kürzester
Zeit auswechseln lassen. Bisher wurden zu diesem Zweck abgedichtete Verbindungen
verwendet, die, bevor eine neue Elektrodeneinheit eingesetzt werden konnte, aufgeschnitten
werden mussten, um einen Verbindungsbolzen zu entfernen0 Dies war ein zeitraubender
Vorgang, und die gesamte Einrichtung war während seiner Durchführung betrisbsuniähig.
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Es wurde z.B. eine Elektrodeneinheit 25 hergestellt unter Verwendung
einer Messingelektrode 10 mit einem Durchmesser von ca. 4,5mm, auf die ein Neoprenmantel
mit einem Durchmesser von ca. 9s aufgeforit wurde. Die Nutzlänge der Einheit betrug
von dem Stecker 17 bis zur freiliegenden Spitze etwa 30cm. Eine solohe Einheit wurde
in der Einrichtung nach Fig. 4 verwendet, in der aus einer 4 kV-Quelle 2000 J entladen
wurden, wobei sich die Lebensdauer der Elektrode als ausgezeichnet erwies. Eine
Anzahl von auf diese Weise hergestellten Einheiten lieierte bei dieser Energiehöhe
über 100 000 Entladungen.
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Es wurde weiterhin gefunden, dass es für Funkenstrecken eine optimale
Betriebsspannung gibt. Fig. 5 zeigt in einer graphischen Darstellung zwei Kurven,
die den Frequenzbereich aus Entladungen von bis auf verschiedene Spannungshöhen
aufgeladenen Kondensatoren darstellen0 Die Kurve A stellt einen 4 kV-Impuls dar,
wobei zu bemerken ist, dass der abgeflachte Gipfel der Kurve im Niederfrequenzbereich
nahe 100 Hz liegt, der sich für seismische Unterwasserüberwachung als die am meisten
erwünschte Betriebsfrequenz verwiesen hat. Bei 100 Hz wird eine stärkere Durchdringung
des Meeresbodens erreicht, so dass also die Gesantergebuisse aus der seismischen
Überwachung vermehrt werden.
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Die Kurve B in Fig. 5 veranschaulicht einen höheren akustischen Ausgang
aus Impulsen von 10 bis 20 kV. Dieser gesteigerte akustische Ausgang verschiebt
sich in die höheren Frequenzbereiche hinein, als sie gegenüber einer mit Hilfe der
Kurve A
angegebenen 4 kV-Entladung erzeugt werden. Obwohl die Kurve
B im Ausgang eine höhere Relativamplitude aufweist, wird die Amplitudenerhöhung
durch die Verschiebung dieser Kurve auf die unerwünschten höheren Frequenzen mehr
als aufgewogen0 Die optimalen Betriebsbedingungen für eine Funkenstrecke bringt
demzufolge ein Impuls im Bereich von 4 kV aus einem Speioherkondensator mit hoher
Kapazität.
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Auf Grund der Tatsache, dass das meisterwünschte akustische Signal
mittels eines Impulses von annähernd 4 kV erzeugt wird, ist das Mittel zur Erhöhung
der Amplitude des Ausgangssignals in dem gewünschten Frequenzbereich nicht eine
erhöhte Spannung, sondern vielmehr die gleichzeitige Zündung mehrerer solcher Vorrichtungen0
Eine diesem Prinzip entsprechend. Einrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Hier sind
drei Elektrodeneinheiten 25 im Aufbau nach Fig. 3 linear in gleichem Abstand von
zu ihnen parallelen, tragenden Metallteilen 20 angeordnet, die in der Entladungseinrichtung
als Erdelektroden dienen. Die Halterung ist als ein im Querschnitt dreieckiger Rahmen
dargestellt, dessen Bestandteile aus elektrisch leitendem Metall, beispielsweiseaus
rostfreiem Stahl, bestehen, Verstrebungen 27 schaffen die erforderliche bauliche
Festigkeit, wobei mit den Verstrebungen 27 verschweisste Arme 28 die elektrische
Fassung 30 für jede Elektrodeneinheit 25 in ihrer richtigen Lage halten. Jede Elektrodeneinheit
25 ist mit Hilfe eines eigenen Kabels 13 an ein einziges Sammelkabel 29 und von
diesem über einen gemeinsamen Schalter an Energiequellen, üblicherweise an Kondensatoren,
angeschlossen, so dass ein gleichzeitiges Zünden der Elektrodeneinheiten as gewährleistet
ist.
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Ausser dem im Querschnitt dreieckigen Rahmen können auoh andere Ausbildungen,
wie beispielsweise der zylindrische Käfig nach Fig. 2, rechteckige Formen usw. verwendet
werden0 Wesentlich tst aber, dass dio Seitenteile 10 des Rahmens zu der Elektrodeneinheit
25 parallel angeordnet sind und dass der Mindestabstand
der Teile
20 von der jeweiligen Hochspannungselektrode etwas mehr als die maximale Ausdehnung
der Plasmablase ist.
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Aus den oben erörterten Gründen werden die Elektrodeneinheiten 25
und der z.B. in seinem Querschnitt dreieckige Halter 20 zueinander parallel gehalten,
wobei sich die Elektrode 10 von den Längsseitenteilen des Halters 20 im wesentlichen
in jeweils gleichem Abstand befindet. Mit dem Betrieb der Einrichtung nutzen sich
die Hochspannungselektrode 10 und der Isolator 15 mit im wesentlichen konstanter
und gleicher Geschwindigkeit ab.
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Dabei erhält die parallele Anordnung den vorbestimmten Abstand, der,
wie oben erwähnt, für den einwandfreien Betrieb der Einrichtung wesentlich ist.
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Ein vieradriges Kabel 29 mit Je einer für jede Elektrodeneinheit 25
eigenen Ader 13 und mit einer gemeinsamen Erdleitung ist so mit Neopren überzogen,
dass es die elektrische Energie liefern und zugleich als Schleppmittel für die Einrichtung
nach Fig. 4 dienen kann. Die duroh Stecker verbindbaren Elektrodeneinheiten 25 lassen
sich in weniger als einer Minute entfernen und ersetzen, was ein grosser Vorteil
ist im Hinblick daraui, dass der Zeitverlust auf ein Mindestmass herabgesetzt werden
kann, Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig 4 sind drei Elektrodeneinheiten
25 dargestellt, jedoch können in Abhängigkeit von der zu bewältigenden Aufgabe auoh
mehr oder weniger Elektrodeneinheiten verwendet werden0 Diese aus drei Elektroden
bestehende Funkenstreckenreihe ist eine passende und bequem zu handhabende Grösse,
die trotzdem im optimalen Frequenzbereich Sohallimpulse mit hoher Amplitude erzeugt.
Eine solche aus rostfreiem Stahl hergestellte Einrichtung kann oa. 200cm lang sein
und aui jeder ihrer drei Seiten eine Breite von oa. 25cm aufweisen bei einem Gesamtgewicht
von ca. 12,70 kg. Die Eingangsenergie kann pro Impuls zwischen 500 bis 7500 J schwanken,
wobei die Einrichtung in einer so schnellen Folge gezündet werden kann, wie sich
ihre elektrische Schaltung aufladen und auslösen lässt, d.h. üblicherweise ait vier
Impulsen pro Sekunde bei 500J,