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Vorrichtung zur quantitativen Messung von Schalldrücken in Gasen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur quantitativen
Messung von Schalldrücken in Gasen mittels einer mit Gleichlicht über einen Spalt
beaufschlagten Schlierenapparatur mit zwei Hohlspiegeln, bei der in der Abbildungsebene
hinter der Schlierenkante im Hellfeld das dem akustischen Signal proportionale optische
Signal durch opto-elektrische Sensoren ausgekoppelt und kontinuierlich wiedergegeben
und/oder registriert wird.
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Eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art ist in der DE-OS 30 13 776
beschrieben. Die bekannte Vorrichtung arbeitet mit einem parallelen Lichtstrahlbereich
zwischen den beiden Hohlspiegeln. Vorrichtungen der genannten Art haben den Vorteil,
daß die Schallwandlung massefrei und trägheitslos erfolgt. Der Nachteil der bekannten
Vorrichtungen
liegt darin, daß sie im Hörschallbereich eine geringere Empfindlichkeit haben als
übliche Mikrofone, und daß auch das Signal-Rausch-Verhältnis gegenüber üblichen
Mikrofonen schlechter ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung der genannten Art dahingehend
weiterzuentwickeln, daß Verbesserungen im Signal-Rausch-Verhältnis und bezüglich
der Empfindlichkeit erreicht werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß der Spalt,
die Schlierenkante und die Mittelpunkte der Spiegel sowie der optische Wandler in
einer Ebene angeordnet sind, die durch Spalt und Schlierenkante geht.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht
und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1a eine schematische Darstellung des Strahlenganges einer.
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ersten Ausführungsform der Vorrichtung senkrecht zu seiner Ebene;
Fig. lb die Vorrichtung nach Fig. la im Schnitt längs der Linie C-D in Fig. Ia.
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Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung senkrecht auf
ihre Ebene gesehen.
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Fig. 3 eine Ausführungsform ähnlich der nach Fig. 2 mit zwei entgegengerichteten
Strahlengängen.
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Fig. 1 zeigt schematisch den Strahlengang bei einer Vorrichtung, die
bei einer gegebenen Baulänge 1 einen verlängerten Lichtweg aufweist.
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Eine Gleichlichtquelle 1 beleuchtet mittels der Sammellinse 1a den
Spalt 2 in der Blende 2a, der im Brennpunkt des Hohlspiegels 3 im Abstand der Brennweite
f steht. Der daraus resultierende Strahlengang besteht aus parallelem Licht, welcher
einen Planspiegel 4 beaufschlagt, von dem er abgelenkt wird und auf einen weiteren
Planspiegel 4' gelangt, von diesem wieder abgelenkt wird und auf einen zweiten Hohlspiegel
5 fällt.
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Der zweite Hohlspiegel 5 erzeugt ein Beugungsbild des Spaltes.
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Eine Schlierenkante 6, die im Abstand der Brennweite f vom Hohlspiegel
5 angeordnet ist, blendet einen Teil nicht schallbeeinflußter Lichtintensität aus.
Hinter der Schlierenkante 6 befinden sich hintereinander ein Kollimator 7 und ein
optoelektrischer Wandler 8, der mit einem Vorverstärker verbunden sein kann. Das
vorzugsweise vorverstärkte Ausgangssignal wird auf einen Verstärker 9 aufgegeben,
dessen Ausgang hier auf einen Bandrecorder 10 aufgeschaltet ist, ebenso auch auf
einen akustischen Wandler zur Wiedergabe geschaltet sein kann.
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Der Spalt 2, die Mittelpunkte der Hohlspiegel 3 und 6 sowie die Mittelpunkte
der Planspiegel 4 und 4', die Schlierenkante 6 und der opto-elektrische Wandler
8 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, so daß. eine ebene Schallwelle mit
einer Ausbreitungsrichtung, die senkrecht zu dieser gemeinsamen Ebene steht, den
wirksamen Meßquerschnitt, der gegeben ist durch die Fläche der Fotodiode und den
Abbildungsmaßstab, gegeben durch den Abstand zur Schlierenkante 6 und der Brennweite
des Hohlspiegels 5, auf
seiner Länge gleichzeitig und mit gleicher
Phase durchsetzt und somit die Lichtablenkung und die damit verbundene Intensitätsänderung
proportional dem Lichtweg im ganzen Strahlengang beeinflußt.
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Ebene Schallwellen, die sich in der Ebene der in der Schnittebene
C-D liegenden Elemente ausbreiten, treffen nacheinander auf die Lichtstrahlen zwischen
den Spiegeln 3 und 4 und 4' und 5 oder umgekehrt und führen zu Interferenzen oder
Verstärkungen, nämlich dann, wenn die Entfernung d zwischen den getönt dargestellten
Strahlengängen einer halben Wellenlänge oder dem ungeradzahligen bzw. dem geradzahligen
Vielfachen entspricht. Der kleinste Wert für d ist im wesentlichen durch den Durchmesser
der Spiegel vorgegeben. Dieser Effekt ist unerwünscht, er ist jedoch vernachlässigbar,
da die Empfindlichkeit in paralleler Richtung zur Schlierenkante um ca. 30 dB geringer
ist als die Empfindlichkeit senkrecht zur Schlierenkante. Bei allgemein sich ausbreitenden
ebenen Wellen kann stets eine Zerlegung in diese zwei Komponenten vorgenommen werden.
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Die in den Figuren 1a und ib angegebene Verlängerung des Strahlenweges
kann unter Verwendung weiterer Planspiegel noch mehrfach wiederholt werden. Bei
n Planspiegeln ergibt sich eine (n+1)fache Parallelstrahllänge.
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Auch der Einsatz nur eines Planspiegels ist möglich, so daß sich eine
doppelte Strahllänge 2 1 gegenüber der Verwendung von nur zwei Hohlspiegeln im Abstand
1 ergibt.
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Zur Erreichung hoher Empfindlichkeit sollten die Hohlspiegel eine
große Brennweite, möglichst über 2 m, besitzen. Weiterhin müssen die Spiegel eine
große Masse und hohe Biegesteifigkeit besitzen, damit die in der Luft sich ausbreitenden
Schallwellen im Spiegel
nur Eigenschwingungen verursachen, deren
Amplituden so gering sind, daß sie keine Lichtintensitätsänderungen hervorrufen,
die das Rauschen übertreffen. Zusätzlich ist es nötig, die Spiegel und alle anderen
Elemente der Anordnung gegen Körperschall vom Boden zu isolieren. Diese Anforderungen
an die Spiegel bzw. an den Aufbau der Anlage gelten sinngemäß auch für die weiter
unten beschriebenen Ausführungsformen, Die Wandlung der Lichtintensitätsänderungen
in elektrische Spannungs- bzw. Stromschwankungen erfolgt mit Hilfe des optoelektrischen
Wandlers, einer Fotodiode, die eine gegebene Fläche besitzt und in einer frei wählbaren
Abbildungsebene hinter der Schlierenkante angeordnet ist. Der Meßquerschnitt F im
Parallelstrahlengang ist abhängig von der Fläche der Fotodiode und dem Abbildungsmaßstab,
also der Entfernung der Fotodiode von der Schlierenkante. Durch Wahl des Abbildungsmaßstabes
kann der Meßquerschnitt im Parallelstrahl z.B. hinreichend klein gemacht werden,
um in bekannter Weise einen hohen linearen Frequenzgang zu erreichen. Die akustischen
Wellen durchsetzen den gesamten optischen Strahlengang von der Lichtquelle bis zum
Wandler, so daß alle Lichtablenkungen auf diesem Wege integriert werden. In den
Bereichen parallelen Lichtes ist der Meßquerschnitt F konstant; von der Lichtquelle
1 bis zum Hohlspiegel 3 und vom Hohlspiegel 5 bis zum Wandler 8 ist der Meßquerschnitt
stets kleiner, solange der Abbildungsmaßstab kleiner 1 : 1 ist. Typisch ist für
den Meßquerschnitt F eine annähernd quadratische Fläche von 25 mm2.
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Die Größe des Meßquerschnitts F ist in Verbindung mit dem Abbildungsmaßstab
maßgebend für die Grenzfrequenz, bei der die Empfindlichkeit für Schallwellen auf
Null zurückgeht, da sowohl ein Wellenberg als auch ein Wellental den Strahlquerschnitt
erfüllen und sich damit die Lichtablenkung kompensiert. Entscheidend ist hierbei
der größte in der Anlage vorhandene Strahlquerschnitt.
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Fig. 2 zeigt schematisch den Strahlengang einer Ausführungsform der
Vorrichtung mit hintereinanderfolgender Schallbeeinflussung, bei der ebenfalls alle
Bauelemente in einer gemeinsamen Ebene anzuordnen sind. Diese Ebene ist in der Zeichnung
dargestellt.
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Für die Schlierenapparatur A ist eine Gleichlichtquelle 1 vorgesehen,
für die beispielsweise eine Xenon-Hochdrucklampe verwendet werden kann. Durch die
Gleichlichtquelle wird über eine Sammellinse 1a ein Spalt 2 in einer Blende 2a ausgeleuchtet.
Der Spalt 2 liegt in doppelter Brennpunktentfernung des Hohlspiegels 3, also im
Abstand 2f von diesem entfernt. Die Strahlung tritt aus dem Hohlspiegel 3 konvergent
aus und im doppelten Brennpunktabstand 2f des austretenden Strahls ist eine Schlierenkante
14 angeordnet, über die ein Teil der Intensität ausgeblendet wird. Mit dem hinter
der Schlierenkante 14 divergierenden Strahlengang wird der Hohlspiegel 5 der zweiten
Schlierenapparatur B beaufschlagt, der wiederum in einem Abstand 2f entsprechend
der doppelten Brennweite des Hohlspiegels 5 von der Schlierenkante entfernt angeordnet
ist. Beide Hohlspiegel sollten dabei eine wenigstens annähernd gleiche Brennweite
haben.
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Im doppelten Brennpunktabstand 2f des aus dem Hohlspiegel 5 austretenden
Strahlenganges ist eine weitere Schlierenkante 6 angeordnet, über die ein weiterer
Teil der Strahlintensität ausgeblendet wird. Mit dem divergenten Strahlengang hinter
der Schlierenkante 6 wird auch hier ein Kollimator 7 beaufschlagt, der mit einem
opto-elektrischen Wandler 8 verbunden ist, der mit einem Vorverstärker versehen
sein kann. Das Ausgangssignal wird auf einen Verstärker 9 aufgegeben, dessen Ausgang
hier auf einen Bandrecorder 10 aufgeschaltet ist, ebenso aber auch auf einen akustischen
Wandler zur Wiedergabe geschaltet sein kann.
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Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 1 dienen die beiden
Hohlspiegel nicht dazu, einen parallelen Strahlengang zwischen den beiden Hohlspiegeln
zu erzeugen. Die Hohlspiegel gehören hier vielmehr jeweils zu einer separaten Schlierenanlage,
wobei beide Schlierenanlagen in Reihe liegen. In den konvergenten Strahlbereichen
zwischen den Hohlspiegeln und den Schlierenkanten der beiden Schlierenanlagen erfolgt
jeweils in dem Lichtstrahl S eine zeitliche Lichtintensitätsmodulation durch Schallwellen.
Der Öffnungswinkel des Lichtstrahles S beträgt nur wenige Grad, so daß der Strahlengang
im Lichtstrahl S als fast parallel angesehen werden kann. Durch die Schlierenkanten
4 und 6 wird das Verhältnis von abgelenktem zu nicht abgelenktem Licht verbessert
und damit eine Erhöhung der Empfindlichkeit sowie eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses
erzielt.
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Die Ausführungsform nach Fig. 3 entspricht im Grundaufbau der nach
Fig. 2. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hier gleiche Teile.
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Zusätzlich ist gegen den Strahlengang der Gleichlichtquelle 1 in der
Ebene versetzt eine zweite Gleichlichtquelle 1' vorgesehen.
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über die zweite Gleichlichtquelle 1' wird über eine Sammellinse 1a1
die Blende mit dem Spalt 2' ausgeleuchtet. Dieser Spalt 2' liegt im doppelten Brennpunktsabstand
vom Hohlspiegel 5. In dem aus dem Hohlspiegel 5 austretenden Strahl ist in doppelter
Brennpunktsentfernung eine Schlierenkante 41 vorgesehen. Die auf den Hohlspiegel
3 auftreffende Strahlung wird reflektiert und der ausgehende Strahl wird in doppelter
Brennpunktsentfernung 2f des Spiegels 3 über eine Schlierenkante 6' geleitet. Dieser
Schlierenkante 6' ist dann wieder ein opto-elektrischer Wandler 8' mit einem Kollimator
7' vorgeschaltet. Dem Wandler 8' ist ein Verstärker 9' nachgeschaltet, dessen Ausgang
auf das Aufzeichnungsgerät 1Q geschaltet ist.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 liegen auf diese Weise in den
wirksamen Bereichen der beiden Schlierenanordnungen jeweils zwei quasiparallele
Strahlen mit entgegengesetzter Strahlrichtung vor. Es stehen damit zwei Signale
zur Verfügung.
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Damit ist eine Zwei-Kanal-TonauSnahme möglich. Die beiden Signale
können auch - gegebenenfalls gegeneinander geringfügig zeitverzögert - addiert werden.
Dadurch sind durch bekannte Kreuzkorrelationen weitere Verbesserungen im Nutzsignal,
insbesondere im Signal-Rauschverhältnis, erreichbar.
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