DE224794C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

.- Ju 224794 KLASSE 74 d. GRUPPE

Vorrichtung zur Aufnahme von Schallwellen unter Wasser. Patentiert im Deutschen Reiche vom 12. Oktober 1909 ab.

Die bei der Übertragung von Schallwellen unter Wasser in Schiffen zur Anwendung gelangenden, zur Aufnahme der Schwingungen des umgebenden Wassers bestimmten Kohlenmikrophone sind Schwankungen ihrer Empfindlichkeit unterworfen. Man hat deshalb schon verschiedene mehr oder weniger erfolgreiche Änderungen an solchen Kohlemikrophonen vorgenommen, um dem Übelstande abzuhelfen.

ίο Von besonderer Wichtigkeit ist es, die er*, wähnte UnvoUkommenheit abzustellen, wenn auf beiden Seiten des Schiffes Mikrophone angebracht sind, und die Richtung der Herkunft der Schallwellen dadurch aufgefunden werden soll, daß man die Stärke der von den Empfängern zu beiden Seiten des Schiffes übertragenen Töne in einem oder mehreren Fernhörern miteinander vergleicht. In solchen Fällen kann eine Schwankung der Empfindlichkeit der Empfänger einen Irrtum über die Richtung, aus welcher der Ton kommt, verursachen.

Der Zweck der Erfindung ist, Empfänger für Unterwasserschallwellenübertragung herzustellen, welche Schwankungen der Empfindlichkeit weniger unterworfen sind als die bisher verwendeten Kohlemikrophone.

Um diesen Zweck zu erreichen, wird die an sich bekannte Tatsache benutzt, daß, wenn man einen in seiner Längsrichtung magnetisierten Nickelstab oder -draht einem veränderlichen Zug in seiner Längsrichtung aussetzt, dadurch Veränderungen in den magnetischen und induktiven Eigenschaften dieses Stabes oder Drahtes hervorgerufen werden und folglich auch Schwankungen in dem elektrischen Strom entstehen, der die Windungen einer um den Stab oder Draht gewickelten Drahtspule durchfließt. An Stelle von Nickel kann hierbei irgendein anderes magnetisches Metall verwendet werden, in welchem Änderungen des Zuges .Schwankungen in den magnetischen, und induktiven Eigenschaften hervorrufen; jedoch ist gefunden worden, daß Nickel das bestgeeignete Metall für den Zweck ist.

Von der erwähnten Tatsache ausgehend, besteht gemäß der Erfindung der Empfänger im wesentlichen aus einer den Nickelstab umgebenden Spule isolierten Drahtes. An Stelle eines Stabes kann auch ein Draht, ein Streifen oder ein Bündel von Drähten oder Streifen Ver-Wendung finden. An dem einen Ende eines solchen Nickelstabes wird eine Masse befestigt, um die Veränderungen des Zuges in diesem Stabe zu vergrößern, wenn das andere Ende des Stabes den Schallschwingungen ausgesetzt ist, die von dem umgebenden Wasser durch die Wand des Schiffes übertragen werden. Die Veränderungen, die infolge der Schwankungen. ■'. des Zuges in dem die Drahtspule durchfließenden Strom erzeugt werden, setzt ein Fernhörer in Laute um.

Wenn die zu dem Zwecke angewandte Masse

groß ist, so wird die Wicklung dadurch erzielt, daß die Bewegung des Endes des Stabes verhindert wird; wenn es jedoch erwünscht ist, Schallschwingungen von besonders schneller Folge zu erhalten, so ist es zweckmäßiger, das Verhältnis der angewendeten Masse zur Länge und zum Querschnitt des Stabes so zu bemessen, daß das System nahezu in Resonanz mit den zu empfangenden Tönen gebracht wird, da es

ίο sich durch Versuche erwiesen hat, daß dadurch die Intensität des Schalles in den Fernhörern erhöht wird. Dies vermehrt die Bewegung des Endes des Stabes, anstatt sie zu vermindern; der Erfolg ist jedoch insofern derselbe, als die Schwankungen im Zuge vermehrt werden.

Wenn für die erwähnte Masse ein elektrisch leitendes Metall verwendet wird, so kann es mit radial verlaufenden Schlitzen versehen werden, um die Wirbelströme zu verringern, d'e durch die Schwankungen der magnetischen und induktiven Eigenschaften des Stabes hervorgerufen werden.

Wenn der Stab zu biegsam ist, um selbst die . Masse in der gewünschten Lage zu tragen, so kann die Masse noch weiter durch Filz oder andere schallisolierende Stoffe, durch dünne, biegsame Drähte, rechtwinklig zum Stabe angeordnete Drähte oder auf irgendeine andere Weise gestützt werden.

Wenn das System resonant ausgeführt ist, so müssen die Stützen so ausgeführt sein, daß die freien Schwingungen des Systems in der Richtung der Zugschwankungen dadurch nur wenig gehemmt oder gedämpft werden.

Eine gute akustische Verbindung zwischen der Innenfläche der Schiffsseite und dem Ende des Stabes kann dadurch gesichert werden, daß man an dem Ende des Stabes eine Platte oder Scheibe befestigt, welche an der Wand des Schiffes angeschraubt wird. Diese akustische Verbindung wird noch wirksamer gemacht, wenn man eine plastische Masse, wie eine Mischung von Pech und Ricinusöl, oder eine ähnliche klebrige Masse zwischen diese Platte oder Scheibe und die Schiffswand streicht. Dadurch wird nicht allein die akustische Verbindung verbessert, sondern auch eine Gleichheit der Verbindung auf beiden Schiffsseiten erzielt.

Es ist vorteilhaft, einen Nickelstab zu verwenden, der. vorher auf helle Rotglut erhitzt und dann abgekühlt worden ist; bei einem So vorbereiteten Stabe werden die durch die Zugschwankungen hervorgerufenen Schwankungen der magnetischen und induktiven Eigenschaften . verstärkt und folglich der dem Gehör übermittelte Laut kräftiger.

Bei den bisher gebräuchlichen Einrichtungen wird auf jeder Seite des Schiffes ein Empfänger angebracht. Nach der Erfindung werden die Stäbe in diesen beiden Empfängern gleich oder möglichst gleich magnetisiert, damit die beiden Empfänger möglichst gleich empfindlich sind.

Die Nickelstäbe in den beiden Empfängern können auf verschiedene Weise gleichmäßig magnetisiert werden. Z. B. kann dies dadurch geschehen, daß Spulen gleicher Windungszahl in Reihenschaltung miteinander verbunden auf die Stäbe aufgebracht werden, wobei auch die Batterie und eine Drosselspule mit in Reihe geschaltet sind. Diese' Drosselspule besitzt eine solche Induktanz, daß sie den veränderlichen Strom, der in der magnetisierenden Spule jedes der Empfänger durch die Schwankungen des Zuges im Nickelstabe der magnetisierenden Spule des anderen Empfängers hervorgerufen wird, möglichst ausgleicht, so daß Laute, die vom Empfänger auf der einen Seite des Schiffes empfangen werden, im Fernhörer nicht gehört werden, wenn dieser mit dem Fernhörer auf der anderen Seite des Schiffes verbunden wird.

Wenn es aus irgendeinem Grunde zweckmäßig erscheint, einen Nickelstab von besonderer Stärke zu verwenden, so ist es vorteilhaft, ihn aus einer Anzahl von Drähten zusammenzusetzen, um das Entstehen von Wirbelströmen zu verringern.

In manchen Fällen ist es auch vorteilhaft, auf jeder Seite des Schiffes mehr als einen Empfänger anzubringen und diese leitend miteinander zu verbinden, wodurch es ermöglicht wird, den im Fernhörer vernommenen Ton zu verstärken; denn wenn man eine größere Anzahl voneinander gleichen Empfängern anwendet und sie an solchen Stellen der Schiffsseite, wo sie in jedem Augenbliek sich in der gleichen oder nahezu in der gleichen Schwingungsphase befinden, in der gleichen Weise mit der Schiffswand verbindet, so haben die in den Spulen aller dieser Empfänger induzierten Ströme dieselbe Phase; infolgedessen wirken alle Empfänger, da sie untereinander verbunden sind, in jedem Augenbliek in der gleichen Richtung auf die Membran des Fernhörers und verstärken dadurch die Stärke des im Fernhörer erzeugten Tones. Werden jedoch, wie bisher gebräuchlich, in derselben Weise angeordnete Kohlemikrophone verwendet, so erzeugen diese selbst infolge der in ihnen bestehenden Ungleichheiten und Unregelmäßigkeiten Phasenunterschiede, die nicht zu vermeiden und nicht zu beseitigen sind. Wenn daher mehrere solcher Kohlemikrophone zusammengeschaltet werden, so werden die Stromschwankungen keineswegs alle zugleich in gleicher Richtung auf die Membran des Fernhörers einwirken, so daß der vernommene Laut von einem Augenbliek zum anderen verstärkt oder abgeschwächt werden kann.

In der Zeichnung stellt Fig. τ einen Längs-

schnitt eines gemäß der Erfindung ausgeführten Empfängers dar, der an der Schiffsseite unter der Wasserlinie befestigt ist.

Fig. 2 ist eine Endansicht gegen den Empfänger nach Fig. i, gegen die Schiffsseite hin gesehen und unter Entfernung des Endes des Gehäuses.

Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung zweier

Empfänger mit der bisher bei Empfängern der

ίο gebräuchlichen Art benutzten Stromschaltung.

Fig. 4 zeigt die Stromschaltung, welche zweckmäßiger anzuwenden ist.

Fig. 5 zeigt in Seitenansicht und Fig. 6 in einem Schnitt nach der Linie 6-6 der Fig. 5 eine andere Befestigungsart des Empfängers an der Schiffsseite.

Fig. 7 zeigt im Längsschnitt eine weitere Befestigungsart des Empfängers am Schiffe.

Fig. 8 zeigt eine Änderung in der Art der Stützung der Masse.

Fig. 9 zeigt schematisch die Schaltung zwischen vier nahe aneinander befestigten Empfängern. ■ ' .

In Fig. ι und 2 ist 1 ein Nickelstab von 19 cm Länge und 2,53 mm Durchmesser, welcher zuvor auf helle Rotglut erhitzt und abgekühlt worden ist.

2 ist eine Spule von mit einfacher Seide umsponnenem Kupferdraht von 0,175 mm Durchmesser; dieser Draht ist in 2700 Windungen in vier Lagen auf den Nickelstab gewickelt.

3 ist ein zylindrischer Messingkörper von 2,1 cm Länge und 2,54 cm Durchmesser.

4 ist ein radialer Schlitz in dieser Masse, welcher zur Verringerung der durch die Änderungen der Magnetisierung hervorgerufenen Wirbelströme bestimmt ist.

Das Gewicht dieser Masse beträgt etwa 90 g. Die Enden des Nickelstabes sind mit Silber an der Masse 3 und an einer Eisenscheibe 5 von 2 mm Dicke und 8,3 cm Durchmesser verlötet. Diese Scheibe 5 ist mit drei Schrauben 6 am Rande 7 des Endes des zylindrischen Gehäuses 8 befestigt; letzteres ist zweckmäßig leicht und aus nichtleitendem Stoffe, wie Hartfiber, hergestellt ; das andere Ende dieses Gehäuses ist durch einen Pflock 9 aus gleichem Stoffe verschlossen.

Die Masse 3 (Messingkörper) wird von drei radialen Stegen aus Kupferdrähten 10 getragen ; jedes Drahtkreuz besteht aus drei Drähten von ι mm Durchmesser.

Jeder dieser Drähte ist mit dem einen Ende an einem Vorsprung 11 der Masse 3 verlötet; ; dieser Vorsprung hat 3 mm Länge und 3 mm Durchmesser. Die anderen Enden der Drähte 10 sind durch Löcher 12 in der Gehäusewand geführt und außen durch Kitt 13 gut befestigt. Die Enden der Drähte der Spule 2 auf dem .

Nickelstab sind durch Öffnungen des Gehäuses ; nach außen geführt und mit Fernhörern 14 verbunden, die in Reihe mit der Batterie 15 und einem Umschalter 16 liegen.

In Fig. ι und 2 sind die Scheibe 5 und das Gehäuse 8 mit der Wand 17 des Schiffes durch drei Schraubenbolzen 18 verbunden.

Zwischen der Scheibe 5 und der Schiffswand wird eine Mischung von Pech und Ricinusöl aufgetragen, bevor die Bolzen 18 eingeschraubt werden, so daß durch das feste Anziehen der Schrauben eine dünne Schicht 19 zwischen der Scheibe 5 und der Schiffswand sich ausbreitet. Die Mischung wird durch Erhitzung und Zusammenrühren von zwei Teilen Pech mit einem Gewichtsteil Öl bereitet.

Das vorbeschriebene Gerät ist wohl imstande, einen Ton aufzunehmen, der etwa 1200 Schwingungen in der Sekunde besitzt. In anderen Fällen, in denen die Masse des Stabes und der auf ihn gewundenen Spule im Verhältnis zur Größe der Masse klein ist, wird die Größe dieser Masse am besten durch folgende Formel bestimmt :

M = r T-T? R*

wobei M die Größe der Masse, / die Länge des Nickelstabes, A den Querschnitt des Stabes, q Youngs Konstante für das Material des Stabes, alles in absoluten Einheiten nach Zentimeter, Gramm und Sekunden, bedeutet; η ist die Schwingungszahl des Tones, mit dem das System resonant sein soll.'

Die Drahtspule 2 wird in Verbindung mit einem der gebräuchlichen, zweipoligen Fernhörer von etwa 70 Ohm Widerstand und einer Batterie von etwa sechs Volt benutzt.

In Fig. 5 und 6 ist die Befestigung des Nickelstabes an der Rippe 20 des Schiffes dargestellt.

Der Nickelstab 1 ist an einem kleinen, flachen Metallstück 21 befestigt, das eine Bohrung aufweist, durch welche ein Schraubenbolzen 22 hindurchgeht und die Metallplatte 21 mit der an der Schiffshaut 17 befindlichen Rippe 20 fest verbindet. .

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 geht der Nickelstab 1 durch eine kleine runde Metallscheibe 23 hindurch, aus welcher er ein wenig hervorsteht; der Stab ist mit dieser Scheibe durch Silber oder anderes Metall fest verlötet. Die Scheibe 23 hat am Umfange Ausschnitte, in welche ein Metallring 24 einpaßt. Mittels Schraubenbolzen 25, die in der Schiffshaut festsitzen, und Muttern wird der Ring 24 fest gegen die Scheibe 23 angezogen, die dadurch das aus der Scheibe vorstehende Ende des Nickelstabes 1 gegen die Schiffshaüt 17 anpreßt. Auf diese Weise wird eine unmittelbare akustische Verbindung zwischen dem Nickelstabe und der Schiffshaut hergestellt.

Werden zwei Instrumente, wie das in Fig. ι und 2 gezeigte, an den Schiffsseiten unter Benutzung einer der beschriebenen Befestigungsarten befestigt, so werden ihre Spulen 2 gewöhnlieh (wie in Fig. 3 gezeigt) hintereinander in Reihe mit der Batterie 15 und dem Fernsprechempfänger 14 durch irgendeinen geeigneten Schalter 25* verbunden, wodurch der Hörende imstande ist, den im Fernhörer hervorgerufenen Ton, wenn dieser Empfänger und die Batterie mit dem Empfänger auf der einen Schiffsseite verbunden ist, mit dem Ton zu vergleichen, der bei einer mit dem Empfänger auf der anderen Schiffsseite hergestellten Verbindung hervorgebracht wird. In diesem Falle ist es vorteil-. haft, daß die Impedanz der Spule auf dem Nickeldraht für einen Wechselstrom von der Frequenz des Tones, für den das Instrument sich am besten eignet, gleich ist der Impedanz des Fernhörers und seiner Verbindungsdrähte. Es ist zu beachten, einesteils, daß die Impedanz der Spulendrähte mit dem Grade der Magnetisierung des Nickelstabes und daher auch mit der Stärke des durch die Spule gehenden Batteriestromes schwankt, anderenteils, daß die Stromschwankungen, die durch die Veränderungen des Zuges im Nickelstab hervorgebracht werden, von dem Grade der Magnetisierung des Nickelstabes abhängen. Diese Stromschwankungen sind klein, wenn der Nickelstab entweder nur sehr wenig magnetisiert ist, oder wenn er sehr stark magnetisiert ist; bei einem mittleren Grade der Magnetisierung sind die Stromschwankungen am größten.

Um danach die besten Erfolge zu erzielen, ist es ratsam, nicht nur die Impedanz der Spule gleich derjenigen des Fernhörers und seiner Verbindungsdrähte zu _: machen, sondern auch die Stärke der Magnetisierung des Nickelstabes so zu wählen, wie sie durch Versuche. als die zweckmäßigste befunden worden ist.

Um mit Sicherheit eine gleiche Magnetisierung der beiden Nickelstäbe oder -drähte zu erzielen, wird zweckmäßig die in Fig. 4 dargestellte

Schaltung vorgenommen. ,

An den beiden Seiten 17, 17 eines Schiffes . sind zwei gleiche, gemäß der Erfindung eingerichtete Empfänger befestigt. Um jeden dieser Nickelstäbe der beiden Empfänger sind zwei Drahtspulen 2 und 26 gewickelt, von denen sowohl die Spulen 2 als auch die Spulen 26 jeweils gleiche Windungszahl und gleichen Drahtdurchmesser aufweisen. In der Zeichnung (Fig. 4) sind diese Spulen schematisch auf verschieden en Teilen jedes Nickelstabes dargestellt ; in Wirklichkeit ist es zweckmäßig, die Spulen 26 über den Spulen 2 anzubringen.

Die Spulen 26 sind in Reihe miteinander mit einer Batterie 27, mit einer Drosselspule 28 und mit einem Schalter 29 angeordnet, durch welchen der Stromkreis geschlossen oder unterbrochen werden kann. Die anderen Spulen 2 sind wechselweise mit dem Fernhörer 14 mittels des Umschalters 25* verbunden.

Es ist zweckmäßig, der Drosselspule 28 eine so große Induktanz zu geben, daß der veränderliche Strom, der in der magnetisierten Spule 26 auf dem Nickelstabe 1 durch die Schwankungen des Zuges im Nickelstabe hervorgerufen wird, so gering ist, daß diese Zugschwankungen keinen hörbaren Laut im Fernhörer hervorrufen, wenn. letzterer mit der um den ersten Nickelstab gewundenen Spule 2 verbunden wird.

Fig. 8 zeigt, wie die Masse 3 von Lagen aus tondämpfendem Stoff, wie Filz, getragen werden kann. Die Filzschichten 30 sind zwischen die Masse 3 und den Rand 7 des Gehäuses 8 eingelegt.

Fig. 9 zeigt schematisch vier gleiche Empfänger 31, 32, 33, 34 nahe beieinander angeordnet; diese können elektrisch miteinander verbunden sein, um den dem Gehör zuzuführenden Laut.zu verstärken. Die vier Empfänger 31, 32, 33, 34 sind an der Schiffsseite an Stellen befestigt, .die in der gleichen oder annähernd der gleichen Schwingungsphase liegen. Der Empfänger 31 ist mit dem Empfänger 32 und der Empfänger 33 mit dem Empfänger 34 in Reihe geschaltet; die beiden Paare sind zueinander parallel geschaltet. Auf diese Weise ist der Widerstand und die Selbstinduktion und folglich auch die Impedanz der verbundenen Gruppe von Empfängern, die gleiche wie der Widerstand, die Induktanz und die Impedanz je eines derselben, wenn sie gleichmäßig magnetisiert sind. Da nun die Schwankungen der Induktion in den Nickelstäben in jedem derselben gleich sind,, so sind auch die Schwankungen der elektromotorischen Kraft in den Polklemmen der verbundenen Empfängergruppe doppelt so groß als die Schwankung der elektromorischen Kraft in den Polklemmen einer der Gruppen. Auf diese Weise werden die Schwankungen des Stromes im Stromkreise verdoppelt.

Claims (3)

1. Patent-An Sprüche:

   i. Vorrichtung zur Aufnahme von Schallwellen unter Wasser, gekennzeichnet durch einen Stab oder Draht (1) aus magnetischem Stoffe, der von einer Drahtspule (2) umgeben sowie akustisch mit der Schiffswand (17) , verbunden ist und an seinem freien Ende eine Masse (3) trägt, derart, daß infolge der durch die Schallwellen erzeugten Zugänderungen in dem Stabe oder Drahte Schwankungen in den magnetischen und induktiven Eigenschaften des Stabes oder Drahtes und infolgedessen Stromschwankungen in der

   den Stab oder Draht umgebenden Drahtspule hervorgerufen werden, welch letztere mit einem Fernhörer (14) in Verbindung steht. . '
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an einem Ende des Nickelstabes oder -drahtes (1) angebrachte Masse (3) so bemessen ist, daß das System nahezu in Resonanz zu den zu empfangenden Tönen gebracht ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Schiffsseite ein magnetisierbarer Stab oder Draht angebracht ist, deren Primärspulen (26) in Reihe mit einer Stromquelle (27) und einer Drosselspule (28) liegen, während die auf die Stäbe oder Drähte aufgebrachten Sekundärspulen (2) mit Hilfe eines Umschalters (25*) abwechselnd an den Fernhörer (14) angeschlossen werden können.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.