DE3428272C2 - Vorrichtung zur quantitativen Messung von akustischen Signalen in Gasen - Google Patents
Vorrichtung zur quantitativen Messung von akustischen Signalen in GasenInfo
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Abstract
Vorrichtung zur quantitativen Messung von Schalldrücken in Gasen mittels einer mit Gleichlicht betriebenen Schlierenapparatur, 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 aufgezeichnet wird. In einer Ausführungsform werden zwei in Reihe geschaltete Schlierenapparaturen verwendet mit je einer Schlierenkante im Brennpunkt des aus dem Hohlspiegel konvergent austretenden Strahles. Es können dabei auch zwei entgegengesetzt verlaufende Strahlen verwendet werden, wodurch jeweils quasi-parallele Strahlen erreicht werden und damit die Empfindlichkeit erhöht wird. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit kann auch dadurch erzielt werden, daß in einer Schlierenapparatur mit einem Parallelstrahl zwischen zwei Hohlspiegeln der Parallelstrahl über wenigstens einen ebenen Spiegel umgelenkt wird. Bei allen Ausführungsformen sind der Spalt, die Schlierenkante und die Mittelpunkte der Spiegel sowie der optische Wandler in einer Ebene angeordnet, die durch Spalt und Schlierenkante geht.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur quantitativen Messung von akustischen Signalen in
Gasen nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 2.
Eiine 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 Wandlung der akustischen Signale 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.
ίο Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung der
genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß Verbesserungen im Signal-Rausch-Verhältnis und bezüglich
der Empfindlichkeit erreicht werden.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
!5 durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 bzw. 2 herausgestellten Merkmale.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Lösung nach Patentanspruch
2 sind Gegenstand der Unteransprüche 3 und 4.
2ü Es ist bei einer Laufgewichtswaage bekannt, einen
durch einen Kippspiegel abgelenkten Lichtstrahl der Laufgewichtssteuerung zu verlängern (DE-PS 6 64 295).
Der Lichtstrahl wird hierbei zwischen zwei parallelen Spiegeln mehrfach reflektiert Durch eine solche »Faltung«
des Strahles wird ein gewünschter Strahlausschlag in der Abbildungsebene auf einer kürzeren Entfernung
vom Kippspiegel erzielt als nach dem Strahlensatz ohne die Strahlreflexion zwischen den Spiegeln
möglich ist.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand
der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt
Fig. la eine schematische Darstellung des Strahlenganges
einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung senkrecht zu seiner Ebene;
F i g. Ib die Vorrichtung nach F i g. la im Schnitt längs
der Linie C-D in F i g. 1 a;
Fig.2 eine weitere Ausführurigsforrn der Vorrichtung
senkrecht auf ihre Ebene gesehen;
F i g. 3 eine Ausführungsform ähnlich der nach F i g. 2 mit zwei entgegengerichteten Strahlengängen.
Fig.l zeigt schematisch den Strahlengang bei einer
Vorrichtung, die bei einer gegebenen Baulänge 1 einen verlängerten Lichtweg aufweist.
Eine Gleichlichtquelle 1 beleuchtet mittels der Sammellinse la 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.
Der zweite Hohlspiegel 5 erzeugt ein Beugungsbild des Spaltes. Eine Schlierenkante 6, die im Abstand der
Brennweite /vom Hohlspiegel 5 angeordnet ist, blendet einen Teil nicht schallbeeinflußter Lichtintensität aus.
Hinter der Schlierenkante 6 befinden sich hintereinander ein Kollimator 7 und ein opto-elektrischer 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.
Der Spalt 2, die Mittelpunkte der Hohlspiegel 3 und 5 sowie die Mittelpunkte der Planspiegel 4 und 4', die
Schlierenkante 6 und der Ort des opto-elektrischen Wandlers 8 sind in einer gemeinsamen Ebene angeord-
net. so daß eine ebene Schallwelle mit einer Ausbreitungsrichiung,
die senkrecht zu dieser gemeinsamen Ebene steht, den wirksamen Meßquerschnitt, der gegeben
ist durch die Fläche der Fotodiode und den Abbiidungsmaßstab,
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.
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.
Die in den Fig. la und Ib angegebene Verlängerung
des Strahlenweges kann unter Verwendung weiterer Planspiegel noch mehrfach wiederholt werden. Bei η
Planspiegeln ergibt sich eine (fl+l)fache Parallelstrahllänge.
Auch der Einsatz nur eines Planspiegels ist möglich, so daß sich eine doppelte Strahllänge 2/gegenüber der
Verwendung von nur zwei Hohlspiegeln im Abstand / ergibt.
Zur Erreichung hoher Empfindlichkeit sollten die Hohlspiegt! 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 opto-elektrischen Wandlers, einer Fotodiode, die eine gegebene Fläche besitzt und in einer
frei wählbaren Abbildungsebene hinter der Schlierenkante angeordnet ist. Der Meßquerschnitt Firn 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
zum Beispiel 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 J:m 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 mm-.
Die Größe des Meßquerschnitts Fist 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.
F i g. 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.
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 la ein
Spalt 2 in einer Blende 2a ausgeleuchtet. Der Spalt 2 liegt in doppelter Brennpunktentfernung des Hohlspiegels
3, also im Abstand 2/ von diesem entfernt. Die Strahlung tritt aus dem Hohlspiegel 3 konvergent aus
und im doppelten Brennpunktabstand 2/des austretenden
Strahls ist eine Schlierenkante 14 angeordnet, über die ein Teil der Intensität ausgeblendet wird. Mit dem
hinter der Schlierenkante 14 divergierenden Stahlengang wird der Hohlspiegel 5 der zweiten Schlierenapparatur
B beaufschlagt, der wiederum in einem Abstand 2f entsprechend der doppelten Brennweite des Hohlspiegeis
5 von der Schlierenkante entfernt angeordnet ist. Beide Hohlspiegel sollten dabei eine wenigstens annähernd
gleiche Brennweite haben.
Im doppelten Brennpunktabstand 2f des aus dem Hohlspiegel 5 austretenden Stahlenganges 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.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach F i g. 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 unü den Schlierenkanten der beiden Schlierenanlagen erfolgt jeweils
in dem Lichtstrahl Seine zeitliche Lichtintensitätsmodulation durch Schallwellen. Der Öffnungswinkel des
Lichtstrahles 5 taträgt 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-Verhältnis.,«
erzielt.
Die Ausführungsform nach F i g. 3 entspricht im Grundaufbau der nach F i g. 2. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hier gleiche Teile. Zusätzlich ist gegen den Strahlengang der Gleichlichtquelle 1 in der Ebene versetzt eine zweite Gleichlichtquelle 1' vorgesehen. Über
Die Ausführungsform nach F i g. 3 entspricht im Grundaufbau der nach F i g. 2. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hier gleiche Teile. Zusätzlich ist gegen den Strahlengang der Gleichlichtquelle 1 in der Ebene versetzt eine zweite Gleichlichtquelle 1' vorgesehen. Über
die zweite Gleichlichtquelle Γ wird über eine Sammellinse
la 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 4' vorgesehen. Die auf den Hohlspiegel 3 auftreffenden Strahlung wird reflektiert und der ausgehende
Strahl wird in doppelter Brennpunktsentfernung 2/des Spiegels 3 über eine Schlierenkante 6' geleitet.
Dieser Schlierenkante 6' ist dann wieder ein opto-elekirischer Wandler 8' mit einem Kollimator T vorgeschaltet.
Dem Wandler 8' ist ein Verstärker 9' nachgeschaltet, dessen Ausgang auf das Aufzeichnungsgerät 10 geschaltet
ist.
Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 liegen auf diese Weise in den wirksamen Bereichen der beiden Schlierenanordnungen
jeweils zwei quasiparallele Strahlen mit entsesengesetzter Strahlrichtung vor. Es stehen damit
zwei Signale zur Verfügung.
Damit ist eine Zwei-Kanal-Tonaufnahme 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.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
30
40
50
60
Claims (4)
1. Vorrichtung zur quantitativen Messung von akustischen Signalen in Gasen mittels einer mit
Gleichlicht aus einer Gleichlichtquelle über einen Spalt betriebenen Schlierenapparatur mit zwei
Hohlspiegeln, bei der in der Abbildungsebene hinter der Schlierenkante im Hellfeld das dem akustischen
Signal proportionale optische Signal durch einen opto-elektrischen
Wandler ausgekoppelt und kontinuierlich wiedergegeben und/oder aufgezeichnet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen den Hohlspiegeln (3, 5) wenigstens
ein Planspiegel (4, 4') so angeordnet ist, daß der Strahl abgelenkt reflektiert wird, und daß der Spalt
(2) und die Schlierenkante (6) durch die Ebene hindurchgehen, die durch die optischen Achsen der
Spiegel (3,4, 4', 5) sowie den dem opto-elektrischen
Wandler (S) entsprechenden Ort bestimmt ist
2. Vorrichtung zur quantitativen Messung von akustischen Signalen in Gasen mittels einer mit
Gleichlicht aus einer Gleichlichtquelle über einen Spalt betriebenen Schlierenapparatur mit zwei
Hohlspiegeln, bei der in Abbildungsebene hinter der Schlierenkante im Hellfeld das dem akustischen Signal
proportionale optische Signal durch einen opto-elektrischen Wandler ausgekoppelt und kontinuierlich
wiedergegeben und/oder aufgezeichnet wird, dadurch gekenn:'?iehnet, daß in Richtung des Strahlengangs
gesehen der Spalt (2) vor dem ersten Hohlspiegel (3) und die Schlierenkante (6) hinter dem
zweiten Hohlspiegel (5) von den Hohlspiegeln jeweils im Abstand der doppelten Brennweite (2f) angeordnet
sind, daß im Strahlengang zwischen den beiden Hohlspiegeln (3, 5) im Abstand von jeweils
der doppelten Brennweite (2f) von den Hohlspiegeln eine weitere Schlierenkante (14) vorgesehen ist, und
daß der Spalt (2) und die Schlierenkanten (6, 14) durch die Ebene hindurchgehen, die durch die optischen
Achsen der Spiegel (3,5) sowie den dem optoelektrischen Wandler (8) entsprechenden Ort bestimmt
ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter in eine Ebene angeordneter
Strahlengang mit einer zweiten Gleichlichtquelle (V). einem Spalt (2'). einer Schlierenkante (14') zwischen
den beiden Hohlspiegeln (3, 5) und einer Schlierenkante (6') mit nachgeschaltetem weiteren
opto-elektrischen Wandler hinter dem im Strahlengang letzten Hohlspiegel vorgesehen ist. und daß die
Strahlrichtung des zweiten Strahlenganges der Strahlrichtung des ersten Strahlenganges entgegengesetzt
ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennpunkte des zweiten Strahlenganges
gegenüber denen des ersten Strahlenganges in der Ebene versetzt liegen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19843428272 DE3428272C2 (de) | 1983-07-29 | 1984-07-27 | Vorrichtung zur quantitativen Messung von akustischen Signalen in Gasen |
Applications Claiming Priority (2)
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DE3327325 | 1983-07-29 | ||
DE19843428272 DE3428272C2 (de) | 1983-07-29 | 1984-07-27 | Vorrichtung zur quantitativen Messung von akustischen Signalen in Gasen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3428272A1 DE3428272A1 (de) | 1985-02-14 |
DE3428272C2 true DE3428272C2 (de) | 1986-03-27 |
Family
ID=25812707
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19843428272 Expired DE3428272C2 (de) | 1983-07-29 | 1984-07-27 | Vorrichtung zur quantitativen Messung von akustischen Signalen in Gasen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3428272C2 (de) |
Families Citing this family (3)
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DE102005011507B4 (de) | 2005-03-12 | 2007-04-19 | Pomutz, Manfred, Dipl.-Ing. | Elektromotorische Antriebseinrichtung für ein Golfbag |
CN102841452B (zh) * | 2011-11-15 | 2016-04-06 | 中国科学院光电研究院 | 激光偏振纹影检测装置 |
CN114486151B (zh) * | 2022-04-14 | 2022-06-17 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种加油管风洞飞行试验装置 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE664295C (de) * | 1932-06-11 | 1938-08-24 | Losenhausenwerk Duesseldorfer | Laufgewichtswaage mit elektrisch betaetigter Verschiebung des Laufgewichtes |
DE3013776A1 (de) * | 1980-04-10 | 1981-10-15 | Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V., 5000 Köln | Verfahren und vorrichtung zur quantitativen messung von schalldruecken in gasen |
-
1984
- 1984-07-27 DE DE19843428272 patent/DE3428272C2/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3428272A1 (de) | 1985-02-14 |
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