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Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeiten und zur Bestimmung
der Abtrift bei Schiffen und Vorrichtung zur Ausführung desselben. Um die Fahrtgeschwindigkeit
eines Fahrzeuges zu bestimmen, bedient man sich in der Sch iffahrt
der bekannten Loggcorrichtung, hei der eine mehrflügelige Schraube vom Schiff an
einer Leine durchs Wasser nachgeschleppt und deren Umdrehungszahl währctid einer
bestimmten Zeit gemessen wird. Die Cbelstände, die diesem Verfahren anhaften, sind
vor allen Dingen darin zu er-Nicken, daß das Ergebnis der Messung durch (las Schraubenwasser
beeinflußt wird.
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Auch die Versuche der Loggung finit Hilfe einer Pitotschen Röhre haben,
was die Genauigkeit der erzielten Resultate anlangt, nicht das gehalten, was man
sich von diesen versprochen hatte. Der Grund hierfür ist wohl darin zu suchen, elaß
in unmittelbarer Umgebung des durch das Wasser fahrenden Schiffes gewisse Wirbelungen
und Strömungen auftreten, deren Einfluß auf die Messungen nur schwer ;furch Korrekturen
zu l;eseitigen ist, da diese Stri;>mungen von den verschiedensten sich stets ändernden
Konstanten abhängen.
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Der Zweck der Erfindung ist es nun, neue Wege zur Bestimmung der Geschwindigkeit
und zur Bestimmung der Abtrift bei Schiffen in lieztig auf das sie umgebende Wasser
oder in bezug auf den Meeresgrund zu beschreiten und Bierbei sich der Akustik zu
bedienen. Das Wesen der Erfindung besteht demzufolge in erster Linie darin, (laß
man vom Fahrzeug eine Schallquelle ins Wasser bringt, die an der Bewegung des Fahrzeuges
nicht teilnimmt, diese zti einer bestimmten genau zii messenden Zeit in Tätigkeit
treten läßt und dann auf akustischem Wege, z. B. durch Zeit-, Intensitäts-, Ricbtungs-
oder Winkelbestiminung oder auch durch die Kombination dieser miteinander, den Ort
feststellt, an dem sich die Schallquelle bei Abgabe der Schallwellen gegenüber dem
Schiffe befindet. Das Verfahren läßt sich beispielsweise so ausführen, daß die Schallwelle
von zwei Schallempfängern aufgenommen wird, von denen der zuerst erreichte einen
Kurzzeitmesser in Gang setzt, während der andere ihn anhält, um unter Berücksichtigung
der bekannten Werte: Entfernung der beiden Empfänger, Stelle, an der die Schallquelle
zu Wasser gelassen ist, und Zeit zwischen Aussenden der Schallquelle und Abgabe
der Schallwelle, die Strecke zii ermitteln, um die das Schiff sich von der Stelle
entfernt hat, an der die Schallquelle ins Wasser gebracht wurde. Vorteilhaft wird
man hierbei die Schallquelle an der Stelle ins Wasser bringen, wo sich der eine
Schallempfänger befindet, während der andere achtern angeordnet ist, und man wird
unter Berücksichtigung der ungefähren Schiffsgeschwindigkeit die Zeit bis zur Abgabe
der Schallwelle so wählen, daß sich der Schallgeber ini Augenblick der Schallabgabe
in der Nähe des zweiten Empfängers befindet.
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Als Schallgeber verwendet man vorzugsweise einen Knallkörper, dessen
Zündung auf elektrischem Wege (aber natürlich so, daß durch das Verbindungskabel
keine Eigengeschwindigkeit erteilt wird) durch Zeit-(-)der Brennzünder erfolgt und
daß bei Verwendung von "Zeit- oder Brennzündern diese unter Berücksichtigung der
ungefähren Schiffsgeschwindigkeit eingestellt bzw. gewählt werden, damit der Schallgeber
zur richtigen "Zeit in Tätigkeit tritt. Das Ausstoßen cles Schallgebers kann entweder
über Bord oder durch ein Seeventil erfolgen, und zwar unt Hilfe eines Gewehrlaufes
oder eines ähnlichen Apparates. Die zum Abschießen notwendige Kraft kann durch eine
Pulvern arlung, eine Sprengkapsel, Luftdruck, Federkraft o. dgl. hervorerufen «-erden.
Gleich-e,
zeitig kann man den Abschuß dazu benutzen, den
Zeitzünder in Tätigkeit zu setzen bzw. den Brennzünder zu entflammen. Ein besonderer
Vorteil der gerichteten Ausstoßung des Schallgebers ist noch darin zu erblicken,
daß man ihn unter wechselndem Winkel zur Fahrtrichtung in Abhängigkeit von der ungefähren
Fahrtgeschwindigkeit abgibt, um auf diese Weise die durch letztere bedingte Komponente
bei der Eigenbewegung des Schallgebers im Wasser auszuschalten und zu erreichen,
daß der Schallgeber genau in der Ebene senkrecht zur Fahrtrichtung bleibt, in der
er ausgesandt wird.
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In den Abb.4 bis 6 sind zwei Ausführungsbeispiele eines Schallgebers
schematisch dargestellt. In beiden sind der Knallsatz 7, der Zündsatz 8 und der
Zünder 9, der als einstellbarer Brenn-, Schlag- oder elektrischer Zünder ausgebildet
sein kann, in einer vorzugsweise zylindrischen Hülse io untergebracht. Bei der Ausführungsform
gemäß Abb. .4 ist über die Hülse io eine Kappe i i gestülpt, die einen Hohlraum
1a zwischen sich und der Hülse io einschließt. Gewinde 13 zwischen Hülse io und
Kappe ii ermöglicht, c'iie Kappe mehr oder weniger weit aufzuschrauben, während
eine Dichtung 14 den Eintritt des Wassers in den Hohlraum 12 verhindert. Je nachdem
man nun @lie Größe des Hohlraumes wählt, wird der Schallgeber an der Oberfläche
oder in einer bestimmten Tiefe schwimmen, oder aber zu Boden sinken. Eine nicht
dargestellte Skala läßt die gewählte Einstellung erkennen.
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Bei der Ausführungsform gemäß Abb.5 ist die Hülse io bei 16 mit einem
Schwiminer 15 verbunden, welche Verbindung sich nach erfolgtem Abschluß des Schallgebers
löst, so daß dann die Hülse io mit Hilfe eines Drahtes 17, einer Schnur o. dgl.
am Schwimmer 15 hängt und in der gewünschten Tiefe gehalten wird (s. Abb.6). Die
Länge des Drahtes 17 läßt sich leicht ändern und damit die Schwimmertiefe der Knallkapsel.
Gegebenenfalls kann der Schallgeber auch mit einer fallschirmartig zur Wirkung kommenden
Scheibe ausgerüstet sein, die ein allmähliches Sinken hervorruft. Auch können die
Eigenbewegung des Schallgebers vernichtende Flächen an .diesem angebracht sein.
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In der Praxis wird man etwa in folgender Weise arbeiten: Vorn und
achtern am Schiff in einer bestimmten Entfernung, z. B. i io m voneinander entfernt,
sind zwei Unterwasserschallempfänger angeordnet, von denen der hintere so mit einem
Kurzzeitmesser in Verbindung gebracht ist, daß er denselben in Gang setzt, während
der vordere Empfänger ihn stoppt, . Es wird nun genau an der Stelle, wo der vordere
Empfänger sich befindet, eine im Wasser schwimmende Sprengkapsel mit Zeitzünder
ins Wasser gebracht. Da dieselbe sich sodann in keiner Verbindung- mehr mit dem
Schiff befindet, so wird sich das vordere Mikrophon durch°die Fahrt des Schiffes
von der Sprengkapsel entfernen, das hintere Mikrophon dagegen sich nähern. Verwendet
man z. B. bei io Seemeilen Fahrt, wobei das Schiff pro Sekunde 5 m zurücklegt, einen
Zeitzünder mit einer Verzögerung von 2o Sekunden, so wird die Sprengkapsel im Augenblick
der Explosion bei io Meilen Fahrt sich vom vorderen Mikrophon etwa Zoo m entfernt,
dem hinteren Mikrophon dagegen auf etwa io m genähert haben. Die Sprengkapsel wird
sich also im Augenblick der Explosion in der unbekannten Entfernung X vom hinteren
Mikrophon befinden.
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Da die Schallwelle, um den Kurzzeitmesser durch das hintere Mikrophon
in Gang setzen zu können, die Strecke X zu durchlaufen hat, so hat sie anderseits
auf dem Wege zum vorderen Mikrophon, das den Kurzzeitmesser stoppt, ebenfalls den
Weg von X zurückgelegt. Daher wird der Kurzzeitmesser eine Wasserstrecke angeben,
die ax kleiner ist als die Basis, d. h. im angezogenen Beispiel wird der Kurzzeitmesser
eine Wasserstrecke von go m anzeigen. Aus der Subtraktion dieser Strecke von der
Basis ergibt sich der Wert: 110-90-2X. Danach ist
Die Kapsel wird sich also im Augenblicke der Explosion.vom vorderen Mikrophon um
go -f- X-90 + io - ioo m entfernt haben. Diese Strecke hat das Schiff in der Zeit
von 2o Sekunden zurückgelegt, woraus sich ohne weiteres die Fahrtgeschwindigkeit
berechnen läßt.
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Will man das Resultat mit größter Genauigkeit haben, so empfiehlt
es sich, die Zeitdauer zwischen Abwerfen der Knallkapsel und Explosion derselben
noch gesondert durch eine Uhr zu bestimmen, .und zwar derart, daß im Augenblick
des Abstoßens eine Stoppuhr in Gang gesetzt wird, die, im Augenblick der Explosion
der Kapsel, auf akustischem Wege durch das Wasser hindurch gestoppt wird. Bei der
großen Schallgeschwindigkeit im Wasser spielt die geringe Zeit, die der Schall vom
Ort der Explosion zum Empfänger braucht, keine wesentliche Rolle und kann, da der
Ort der Explosion nachträglich bekannt wird, falls es nötig sein müßte, eine entsprechende
Korrektur erfahren.
Somit ist es also möglich, die Zeit, die das
Schiff zum Zurücklegen von 9o m im angeführten Beispiel gebraucht hat, mit jeder
gewünschten Genauigkeit zu bestimmen, so daß hierdurch ein merklicher Fehler nicht
entstehen kann. Die Genauigkeit, mit der der Kapselort zur Zeit der Explosion bestimmt
wird, ist ebenfalls ausreichend und beträgt 11, bis i Prozent. Daraus ergibt sich,
daß die Genauigkeit der akustischen Loggmethode sehr groß ist und vor allen Dingen
allen praktischen Ansprüchen genügt.
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Zur Zeitbestimmung dient ein Kurzzeitmesser oder eine beliebige andere
:Methode (photographische Registrierung usw.).
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Der Kurzzeitmesser als Logg Besitzt eine Doppelskala in der Art, daß
die eine Skala in Seemeilen geeicht ist und an dieser die jeweilige Fahrtgeschwindigkeit
ohne weiteres abgelesen «erden kann, vorausgesetzt, daß man die normale Loggkapsel
verwendet. Aus der Ablesung an der zweiten Teilung kann bei Verwendung von Loggkapseln
mit längerer Brenndauer die Fahrtgeschwindigkeit errechnet werden. Dies ist vorteilhaft,
wenn man bei langsamer Fahrt möglichst genaue Ergebnisse erhalten will.
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Man kann auch eine Kombination zwischen dein Echolot und dem akustischen
Logg in der Art treffen, daß man z. B. einen besonderen Loggempfänger einlaut, der
beim Loggen den Kurzzeitmesser in Gang setzt, während man voni Echomikrophon aus
in dieseln Falle den Kurzzzitniesser stoppen läßt. Dabei kann der gleich: Kurzzeitmesser
sowohl für das Reholot als auch für das ,iku;tische Logg dienen. Die Skala des Echolotes
erhält bei dieser Kombination lieben der Tiefenskala dann nich die beiden Loggskalen.
Man kann norli weitergehen und Logg und Lot in der Art kombinieren. rlaß der Lotschuß,
der die Tiefe finit dein Kurzzeitmesser mißt, gleichzeitig die Loggkapsel löst,
den Brandzünder in Gang setzt und evtl. die Uhr stoppt, welche die Brennlauer der
Loggkapsel mißt.
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Allerdings ist für diesen Zweck ein beotiderer Kurzzeitmesser notwendig,
der aber finit dein Loggkurzzeitniesser im gleichen Gehäuse untergebracht würden
kann. Die Loggempfänger können durch ein Seeventil finit Schieber ausgefahren werden
oder auch innenbords direkt auf die Bordwand gesetzt sein.
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Das Echo der Explosion am Meeresgrunde vermag das Ergebnis der Fahrtmessung
nicht zu fälschen, da es stets später zii (lein Empfänger gelangt als die -lirekt-jn
Schallwellen, und eine geeignete Schaltung am Kurzzeitmesser dafür sorgt, daß diese
Echoimpulse ohne Einwirkung bleiben. Ist das Wasser nicht zu tief und die Basis
genügend groß, so kann man auch die Einrichtung treffen, daß das Logg nicht die
Fahrtgeschwindigkeit gegenüber dem Wasser bestimmt, sondern die Fahrtgeschwindigkeit
gegenüber dein Grund. Zu diesem Zwecke ist dafür zu sorgen, daß die Sprengkapseln,
die für den normalen Loggzweck durch einen Schwimmer oder den eigenen Auftrieb so
eingerichtet sind, daß sie in einer Tiefe von etwa 2 bis 3 in, d. i. in glzicher
Höhe wie die Mikrophone sich schwimmend erhalten, zu Grund fallen und dort erst
nachträglich zur I#aplosion gelangen.
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hn folgenden soll ein Rechnungsbeispiel über Grund durchgeführt werden.
Hierbei wird auf Abb. i der Zeichnung Bezug genomnien.
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i. Es wird nach der akustischen Loggniethode die Fahrtgeschwindigkeit
des Schiffes gegenüber dein Wasser festgestellt.
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2. Es wirrl mit dem Echolot die Tiefe bestimmt.
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3. Es wird eine Loggkapsel ins Wasser gebracht, die zum Grunde sinkt.
Sie wird den Grund an einer Stelle erreichen, die man konstruieren kann aus Tiefe
h, aus der Fallzeit und aus der Fahrtgeschwindigkeit gegenüber dem Wasser, womit
a bestimmt ist.
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Im Augenblick, wo nun die Kapsel am Grunde explodiert, erhält man
als Messungsergebnis die Strecke in, woraus sich die Strecke c folgendermaßen konstruieren
läßt; Bekannt ist die Basis,-, uni die die beiden \likrophone 11, und 3T, voneinander
entfernt Sind: «-eiter Besteht die Bedingung, daß die Strecke h:', 1-1, immer um
in größer sein muß als K', AI., und daß K immer auf einer zur
Wasseroberfläche im Abstand h (Tiefe) gezogenen Parallelen liegen muß. Diese ist
der eine geometrische Ort ä,. Der zweite geometrische Ort-" wird nun aus der Beziehung
all, - 1', M, = tu gefunden, indem man zwei Dreiecke, die diesen Bedingungen
genügen, über der Basis ä errichtet und die so gewonnenen verschiedenen Punkte K'
durch eine Gerade g, verbindet. Der gesuchte funkt h' ergibt sich als Schnittpunkt
der Geraden g, und g,, Errichtet man in h' jetzt eine Senkrechte, so schneidet diese
von der Basis g die Strecke c- all, womit c bekannt ist. Die über Grund zurückgelegte
Strecke ergibt sich jetzt als c - cz, und zwar ist diese Strecke zurückgelegt
in einer Zeit, die gleich ist der Differenz aus Brenndauer des Zeitzünders und der
Fallzeit, woraus nunmehr die Fahrtgeschwindigkeit über Grund berechiiet werden kann.
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Ein Beispiel für Abtrift gegenüber Wasser ist schematisch in Abb.2
dargestellt.
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1lan wirft eine Sprengkapsel ins Wasser,
die in Mikrophonhöhe
schwimmt und nach einiger Zeit bei 0 explodiert.
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Am Schiffe selbst sind drei Mikrophone angeordnet, und der Punkt 0
der Sprengkapsel kann durch Konstruktion gefunden- werden, indem man mit den Strecken
m und n als Radien (m und n erhält man von zwei Kurzzeitmessern) zwei Kreise um
M, und M2 schlägt. Es gibt dann nur einen Kreis mit dem Mittelpunkt in 0, der der
Bedingung genügt, daß er den Punkt M3 schneidet und die Kreise mit den Radien m
und n gleichzeitig tangiert.
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Will man die Abtrift gegenüber dem Grunde feststellen (s. Abb. 3),
so muß man eine Sprengkapsel verwenden, die zum Grunde sinkt und man findet dann
den Ort 01, an dem die Sprengkapsel explodiert nach der gleichen Konstruktion wie
beim Abtrift gegenüber dem Wasser, wodurch beispielsweise auch die Windversetzung
bestimmt wird.
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Dieses Verfahren gibt aber nur dann richtige Werte, wenn das Wasser
selbst sich in Ruhe befindet und nicht strömt. Strömt das Wasser, dann erreicht
die sinkende Sprengkapsel den Grund nicht senkrecht unter der Stelle, wo sie ins
Wasser gebrächt worden ist, sondern j e nach der Strömungsgeschwindigkeit und Richtung,
und abhängig von Fallzeit und Wassertiefe wird der Grundpunkt vom Oberpunkt abweichen.
Eine entsprechende Korrektur kann dann nach den Kartenangaben vorgenommen werden.
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Die Fahrtgeschwindigkeit kann auch durch Messung des Winkels a (s.
Abb. 3) mit Hilfe der Richtungsbestimmung ermittelt werden, wenn die Kapsel am Grunde
explodiert und die Wassertiefe gemessen wird.
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Desgleichen kann auch der Ort 0 bei Abtrift gegenüber dem Wasser oder
Grund durch akustische Winkelbestimmung festgestellt werden. Als Schallquelle für
Winkelbestimmung eignet sich am besten ein Tonsender, der an einem Kabel oder einer
Leine über Bord gesetzt wird, ohne an der Fahrtgeschwindigkeit teilzunehmen und
nachträglich wieder an Bord genommen wird.
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Der bei allen unter Verwendung der Schallzeit ausgeführten Messungen
verwendete Kurzzeitmesser kann mit Leichtigkeit so geeicht sein, daß unter Berücksichtigung
der weiter vorn angegebenen inneren Zusammenhänge auf der Skala unmittelbar die
Schiffsgeschwindigkeit aufgetragen und abgelesen werden kann. Verwendet man ein
und denselben Kurzzeitmesser zur Bestimmung der Schiffsgeschwindigkeit, der Abtrift
und gleichzeitig auch für das Echolotverfahren, dann ist es vorteilhaft, auf ein
und derselben Skala parallel zueinander die den einzelnen lIeßmethoden zukommenden
Teilängen' aufzutragen und bei Verwendung eines Lichtzeigers die Farbe des Lichtstrahles
entsprechend diejenigen, in der die verschiedenen Teilungen aufgetragen sind, durch
automatisches Einschalten verschiedenfarbiger Filter in den Lichtstrahl der Anzeigevorrichtung
zu verändern, um auf diese Weise stets zu wissen, auf welche Art Messungen der Kurzzeitmesser
eingestellt ist und von welcher Skalenteilung das Ergebnis abgelesen werden muß.
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Die hauptsächlichsten Vorteile der akustischen Logg- bzw. Abtriftermittlung
sind darin zu erblicken, daß die Messung nicht im Schraubenwasser erfolgt, daß man
die Schiffsgeschwindigkeit innerhalb weniger Sekunden unmittelbar ablesen kann,
daß das Bedienungspersonal nicht den Unbilden der Witterung ausgesetzt ist, und
daß man bei geringen Wassertiefen die Fahrtgeschwindigkeit über Grund erhalten kann,
was mit Hilfe aller bisher bekannten Methoden unmöglich war.