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Schallempfänger oder -sender mit zwei oder mehreren schwingungsfähigen
Gebilden. Die Erfindung bezieht sich auf Unterwasserschallempfänger und -sender
mit zwei oder mehreren schwingungsfähigen Gebilden mit bestimmt begrenzten Abmessungen
und bestimmter Eigenfrequenz und Dämpfung nach Patent 3=0769, bei denen zwischen
den schwingungsfähigen Gebilden dauernd ein derart enger Kopplungszustand besteht,
daß eine erhebliche gegenseitige Beeinflussung der Schwingungsgebilde zustande kommt.
Die
Erfindung bezweckt bei derartigen Apparaten einen möglichst störungsfreien Empfang
zu erzielen. Dieser Zweck wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die unter Berücksichtigung
der gegenseitig eingehenden Massen der einzelnen Glieder aufeinander abgestimmten
Schwingungsgebilde so fest miteinander gekoppelt sind, daß die höhere der beiden
auftretenden Kopplungsfrequenzen mehr als das Doppelte der tieferen beträgt.
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Auf der Zeichnung ist die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es handelt sich dabei um bekannte Typen von Schallempfängern, wie
sie insbesondere beim Unterwassersignalwesen verwendet werden, bei welchem in einer
von einer Schallmembran abgeschlossenen Kapsel, an dieser Membran befestigt, ein
Mikrophon enthalten ist. Die Wirkungsweise derartiger Empfänger ist folgende: Wie
aus der Abb. x, die den Grundtypus derartiger Kapselempfänger darstellt, ersichtlich
ist, sind in ihnen fünf Konstruktionsteile für den akustischenVorgangscharfzuunterscheiden,
erstens die Kapsel ml, zweitens die Kapselmembran e1, drittens der Mikrophonteil
m, viertens die Mikrophonmembran e2, fünftens der Mikrophonteil in,.. Von diesen
Teilen sind die beiden Membranen im wesentlichen als Träger elastischer Kräfte anzusprechen.
Als Massen wirken ml, in und nag, wobei in m noch ein Teil der Massen
der angrenzenden Membranen und ein rechnerisch oder experimentell zu ermittelnder
Teil der Masse des angrenzenden Mediums einzubeziehen ist. Den einzubeziehenden
Teil der Membranmasse und Mediummasse kann man sich hierbei der Einfachheit der
Anschauung halber in dem in der Abb. x mit an bezeichneten Massenteil konzentriert
denken.
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Akustisch sind von diesen Teilen die Teile ml, e1, in einerseits,
m, e2, m2 anderseits einander zu je einem einheitlichen Schwingungsgebilde zugeordnet.
Die Kopplung beider Gebilde erfolgt in dem dargestellten Schema über die beiden
Gebilden gemeinsame Masse m, und der Kopplungsgrad ist dabei in erster Linie abhängig
von dem Verhältnis der Masse m2 zur Masse in, vorausgesetzt, daß die Masse in, groß
ist gegenüber den Massen m und m2, was in in allen praktischen Fällen zutrifft.
Die Kopplung zwischen beiden Gebilden wird um so enger, je größer das Verhältnis+
nag ist.
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Die Gebilde müssen nicht notwendig eine gemeinsame Kopplungsmasse
besitzen; vielmehr können jedem der beiden Gebilde besondere Massen zugeordnet sein.
Die beiden Gebilde können alsdann elastisch oder durch Reibung miteinander verbunden
sein.
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Gemäß dem Hauptpatent werden bei solchen aus mehreren Schwingungsgebilden
bestehenden Schallapparaten die einzelnen Gebilde derart aufeinander abgestimmt,
daß bei der Abstimmung die bei der Kopplung gegenseitig in Wirkung tretenden Massenteile
berücksichtigt werden. Beispielsweise werden sie also abgestimmt, indem an jedes
der beiden beschriebenen Systeme die gemeinsame Masse m bei der Abstimmung angebracht
wird, wobei die Genauigkeit, mit der die Abgleichung der einzelnen Abstimmung der
ungekoppelten Gebilde aufeinander erfolgen muß, abgesehen von der Dämpfung, abhängt
von dem Grade der Kopplung. je enger dieser . ist, um so weniger genau braucht diese
Abgleichung der Eigenfrequenzen der Einzelgebilde zu sein.
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Erfindungsgemäß wird die Kopplung zwischen den einzelnen Gebilden
des gesamten Systems, insbesondere bei Empfangssystemen aus zwei gekoppelten Gebilden
(Strahlersystem und Erreger- oder Ubertragersystem), so eng gemacht, daß die Schwingungszahl
der höheren der beiden auftretenden Kopplungsfrequenzen mehr als das Doppelte der
tieferen beträgt. Wenn bei solchen Gebilden, die eine gemeinsame Masse m für beide
Gebilde und für jedes eine freie Masse ml und nag besitzen, diel obenerwähnte Bedingung
erfüllt ist, daß nämlich die freie Masse ml des erstgenannten Gebildes (des Strahlers)
groß ist gegenüber der gemeinsamen Masse m und der freien Masse des zweiten Gebildes
m2, so wird der erforderliche Kopplungsgrad mit ausreichender Annäherung dadurch
erreicht, daß die gemeinsame Massem kleiner oder höchstens gleich der zweiten freien
Masse m2 gemacht wird.
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Es wurde eingangs bereits bemerkt, daß bei der Abstimmung der einzelnen
Schwingungsgebilde aufeinander die Kopplungsglieder mit berücksichtigt werden müssen;
in erster Linie gilt das bezüglich ihrer gemeinsamen Masse, und es muß somit beispielsweise
die am zugrunde gelegten Schema mit m bezeichnete Kopplungsmasse, bestehend aus
dem eigentlichen Konstruktionsteil (Mikrophonelektrode und Befestigung) sowie der
zugehörigen Membran- und Wassermasse, in Rechnung gezogen werden. Daraus ergibt
sich ein bestimmtes Herstellungsverfahren für Schallapparate der beschriebenen Art.
Dieses Verfahren besteht ganz allgemein darin, daß jedes der zu koppelnden Systeme
für sich unter Zuhilfenahme von Ersatzmassen, d. h. z. B. solchen Metallgewichten,
die ihrem Massenbetrage nach der gemeinsamen Masse entsprechen, auf den gewünschten
Eigenton, und im speziellen Falle der Erfindung die Systeme aufeinander abgestimmt
werden. Durch den gewählten Kopplungsgrad und die verwendete Signalfrequenz ist
dieser Eigenton bestimmt. Dieses Verfahren braucht naturgemäß nicht an jedem Apparateexemplar
neu ausgeübt zu werden;
vielmehr genügt es, für einen Apparat oder
eine beschränkte Anzahl derselben von gleicher Type die Bestimmung auszuführen.
Daraus ergeben sich die Konstruktionsdaten für die übrigen (freien) Massen und die
elastischen Verbindungsglieder derselben (Membranen). Im übrigen kann man, wenn
man bestimmte Größenfür die freien Massen und die elastischen Kräfte von vornherein
annimmt, auch rechnerisch die gemeinsame Masse für eine gegebene Signalfrequenz
bei jedem gewünschten Kopplungsgrad ermitteln.
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Die Arten der konstruktiven Durchbildung derartiger Apparate sind
ziemlich mannigfaltig. Die Maßnahmen gemäß der Erfindung können an ihrer äußeren
Ausführung nach bekannten Apparatetypen getroff en werden, z. B. an einem Mikrophonempfänger,
wie er in der als Schema dienenden Abb. i dargestellt ist. Es kann aber auch statt
des Mikrophons ein Detektor verwendet sein, wie er in der drahtlosen Telegraphie
Anwendung findet. Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 2, welches sowohl als Empfänger
wie als Sender Bedeutung hat, ist das Mikrophon durch einen Elektromagneten ersetzt,
dessen korrespondierende Teile (Feld und Anker) durch eine Membran verbunden sind.
Es bezeichnet in der Abb. z ml die Kapsel (freie Masse des Strahlergebildes) e1
die Kapselmembran (elastische Kraft des Strahlersystems) m das beiden Systemen gemeinsame,
zur Befestigung dienende Kopplungsglied und den Anker des Elektromagneten, e2 die
Membran des Elektromagnetsystems (elastische Kraft des eigentlichen Empfangs- oder
Erregersystems), m2 das Feld des Elektromagneten (freie Masse des Empfangs- oder
Erregersystems). Die Elektromagnetspulen sind mit s, s bezeichnet.
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Bei dieser Ausführungsform besonders, aber auch bei anderen, können
die. Träger der elastischen Kraft, also die bisher als Membranen bezeichneten Gebilde,
auch durch andere elastische Gebilde, z. B. Saiten, Federn o. dgl. ersetzt sein.
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Die Vorteile, die durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung erzielt
werden, sind kurz zusammengefaßt die folgenden Durch die enge Kopplung der Systeme
miteinander wird erreicht, daß die Eigenfrequenz der einzelnen Schwingungsgebilde
verhältnismäßig sehr hoch gewählt werden kann, auch wenn die aufzunehmende oder
auszusendende Frequenz verhältnismäßig tief ist. Diese wird dann gleich der tieferen
Kopplungsfrequenz gewählt. Da aber die Eigenfrequenz der Einzelsysteme hoch ist,
werden die elastischen Kräfte der selben groß, so daß die meist aus tieferen Tönen
bestehenden Störungsfrequenzen nicht so stark wirksam werden können. Überdies ergibt
sich hierbei der weitere Vorteil, daß die elastischen Glieder, insbesondere die
Kapselmembranen, sehr kräftig ausfallen und gegen Außendruck sehr viel unempfindlicher
sind.
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Die Erfindung ist nicht auf Apparate beschränkt, die nur in bestimmten
Übertragermedien Verwendung finden, Vorzugsweise ist sie aber für Unterwasserschallübertragung
und insbesondere für Empfänger von Bedeutung,