DE376522C

DE376522C - Method of measuring distances using sound waves

Info

Publication number: DE376522C
Application number: DEA35565D
Authority: DE
Inventors: Dr Willy Kunze
Original assignee: Atlas Werke AG
Current assignee: Atlas Werke AG
Priority date: 1921-05-24
Filing date: 1921-05-24
Publication date: 1923-05-29

Description

Verfahren zur Messung von Entfernungen mit Hilfe von Schallwellen. Es ist ein längst bekannter Gedanke, Entfernungen durch Messung der Zeit zu bestimmen, die ein Schall zum Durchlaufen der Entfernung braucht. Handelt es sich darum, die Entfernung einer den Schall reflektierenden Fläche von einer gegebenen Stelle zu bestimmen, so benutzt man das Schallecho. Letztere Methode ist besonders für die Messung von Meerestiefen von Bedeutung und es sind verschiedenartige Vorrichtungen hierfür ausgebildet worden. Die größte Schwierigkeit dieser Methoden liegt darin, daß bei geringen Entfernungen die Zeit, die der Schall zur Zurücklegung braucht, außerordentlich klein ist. Für eine Entfernung von 1,5 m im Wasser braucht der Schall z. B. nur etwa 1/100o Sekunde. Einrichtungen zur Messung solch kleiner Zeiten sind jedoch sehr schwer herzustellen.Method of measuring distances using sound waves. It has long been a known idea to determine distances by measuring time, that a sound needs to travel the distance. Is it the Distance of a surface reflecting the sound from a given point determine, one uses the echo. The latter method is especially for that Measurement of ocean depths is important and there are various types of devices been trained for this. The greatest difficulty these methods lies in the fact that at short distances the time it takes the sound to travel needs is extremely small. Needs for a distance of 1.5 m in the water the sound z. B. only about 1 / 100o second. Facilities for measuring such small However, times are very difficult to make.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, daß sie von einer direkten Zeitmessung, d. h. von der zeitlichen Fixierung des Anfanges und Endes eines Ereignisses überhaupt absieht und dafür die Feststellung der Gleichzeitigkeit zweier Ereignisse benutzt, denn die Gleichzeitigkeit zweier Ereignisse kann mit außerordentlicher Genauigkeit festgestellt werden. Dieser Gedanke wird in der Weise ausgenutzt, daß von einer Schallquelle Schallimpulse ausgesandt werden und ihre zeitliche Aufeinanderfolge so lange verändert wird, bis das Eintreffen eines Impulses am Ende der zu messenden Strecke zeitlich zusammenfällt mit der Aussendung eines folgenden Impulses bzw. mit dessen Eintreffen am Anfang der zu messenden Strecke und die Zahl der Impulse pro Zeiteinheit ein Maß für die Entfernung abgibt.The basic idea of the present invention is that they from a direct time measurement, d. H. from the temporal fixation of the beginning and the end of an event in general and for that the determination of simultaneity two events are used, because the simultaneity of two events can with extraordinary accuracy can be determined. This thought is in the way exploited the fact that sound pulses are emitted from a sound source and their chronological sequence is changed until the arrival of an impulse at the end of the distance to be measured coincides with the transmission of a following impulse or with its arrival at the beginning of the distance to be measured and the number of pulses per unit of time gives a measure of the distance.

Das zeitliche Zusammenfallen beider Ereignisse wird entweder akustisch mit Hilfe eines Mittenrichtungseindruckes nach der binauralen Hörmethode oder elektrisch durch Überlagerung der Einwirkungen beider Ereignisse auf ein gemeinsames Anzeigeinstrument, welches im Falle der Gleichzeitigkeit ein Maximum oder Minimum anzeigt, bestimmt.The temporal coincidence of the two events is either acoustical with the help of a mid-direction impression according to the binaural hearing method or electrically by superimposing the effects of both events on a common display instrument, which indicates a maximum or minimum in the case of simultaneity.

Ist Gleichzeitigkeit festgestellt, so hat man nur die Impulse pro Zeiteinheit zu zählen und hat in dieser Zahl ein Maß für die Entfernung, denn diese ist gleich der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles in dem betreffenden Medium dividiert durch die Zahl der Impulse pro Sekunde. Man verfährt dabei auf folgende Weise. Es wird z. B. auf akustischem Wege durch die Einstellung des Mittenrichtungseindruckes nach der binauralen Hörmethode festgestellt, wann das Eintreffen eines Impulses am Ende der zu messenden Strecke genau zeitlich mit der Aussendung eines folgenden Impulses am Anfang der Strecke zusammenfällt. Wenn nun die Frequenz der Impulse von den niedrigsten Werten beginnend immer größer gemacht wird, so läßt sich feststellen, ob der auftretende Mittenrichtungseindruck der erste, zweite oder dritte usw. Mittenrichtungseindruck war. Man fängt mit den niedrigsten Impulszahlen an und steigert die Zahl kontinuierlich. Der erste Mittenrichtungseindruck, welcher wahrgenommen wird, entspricht dem zeitlichen Zusammenfallen des Eintreffens eines Impulses am Ende der zu messenden Strecke mit der Aussendung des nächstfolgenden Impulses. Wird die Impulszahl weiter gesteigert, so verschwindet dieser Mittenrichtungseindruck, bis bei einer gewissen Steigerung, nämlich der doppelten Impulszahl, wieder ein Mittenrichtungseindruck auftritt usw.If simultaneity is established, then one only has the impulses per To count time unit and has in this number a measure of the distance, because this is equal to the speed of sound propagation in the medium in question divided by the number of pulses per second. The procedure is as follows Way. It is z. B. acoustically by setting the middle direction impression using the binaural listening method to determine when an impulse has arrived at the end of the distance to be measured, exactly in time with the transmission of a following one Momentum coincides at the beginning of the line. If now the frequency of the pulses is made larger and larger starting from the lowest values, it can be determined whether the occurring central direction impression is the first, second or third etc. central direction impression was. You start with the lowest number of impulses and increase the number continuously. The first impression in the middle direction that is perceived corresponds to the temporal one Coincidence of the arrival of a pulse at the end of the distance to be measured with the transmission of the next following impulse. If the number of pulses is increased further, so this impression of the central direction disappears, up to a certain increase, namely twice the number of pulses, a central direction impression occurs again, etc.

Ist nicht auf Gleichzeitigkeit des Eintreffens zweier unmittelbar aufeinanderfolgender Impulse eingestellt, sondern auf Gleichzeitigkeit des Eintreffens eines Impulses mit dem übernächsten oder drittnächsten, so ist die Zahl der Impulse vorher mit 2 bzw. 3 zu multiplizieren.Is not immediate on the simultaneity of the arrival of two successive impulses set, but on the simultaneity of the arrival of an impulse with the next but one or the third next, then is the number of impulses to be multiplied by 2 or 3 beforehand.

Zur Erzeugung der Schallimpulse können z. B. eine Klopfvorrichtung, ein elektrischer Membransender oder eine Reihe von aufeinanderfolgenden Explosionen dienen. Die Zahl der Impulse wird durch eine Tachometervorrichtung (Frequenzmesser) angezeigt und diese direkt in Metern geeicht. Zur -Messung von Meerestiefen wird der reflektierte Schall benutzt und die Skala des Anzeigeapparates direkt in Tiefenmetern geeicht.To generate the sound pulses z. B. a knocking device, an electric membrane transmitter or a series of consecutive explosions to serve. The number of pulses is determined by a tachometer device (frequency meter) displayed and calibrated directly in meters. For measuring sea depths the reflected sound used and the scale of the display device directly in depth meters calibrated.

Die Erfindung möge an Hand der Abb. i bis 5 näher erläutert werden.The invention should be explained in more detail with reference to Figs.

In Abb. i ist S ein Schallsender (Membransender), von dem die als stark gedämpfte Wellenzüge gezeichneten Schallimpulse ausgehen. F_ 1 und E" sind zwei Schallempfänger. Die Impulsfolge ist so gewählt, daß in E., gerade ein Impuls ankommt, wenn der nächstfolgende in El anlangt. Ist die Zahl it. der Impulse pro Sekunde bekannt, so ist die zu messende Entfernung wo c die Schallgeschwindigkeit ist.In Fig. I, S is a sound transmitter (membrane transmitter) from which the sound impulses drawn as strongly damped wave trains emanate. F_ 1 and E "are two sound receivers. The pulse sequence is chosen so that one pulse arrives in E., when the next one arrives in El. If the number of pulses per second is known, the distance to be measured is known where c is the speed of sound.

Der Empfänger E1 kann wegfallen, wenn man den Moment des Aussendens eines Impulses dadurch festlegt, daß man im Moment des Einschaltens des Senders etwa einen Hilfsstromkreis, der parallel zum Sender liegt, schließt und dadurch ein Anzeigeinstrument betätigt.The receiver E1 can be omitted if you consider the moment of sending of an impulse is determined by the fact that at the moment the transmitter is switched on for example, an auxiliary circuit that is parallel to the transmitter closes and thereby actuates a display instrument.

Abb. 2 zeigt die Anordnung des Senders S und des Empfängers F_2 an Bord eines Schiffes. Der Schall läuft von S nach dem Meeresboden, wird dort reflektiert und gelangt dann nach B.,. Aus der sich aus der Impulszahl n und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles im Wasser ergebenden Strecke 2b und der bekannten Entfernung 2c läßt sich die Tiefe t leicht ermitteln.Fig. 2 shows the arrangement of the transmitter S and the receiver F_2 Board a ship. The sound travels from S to the seabed, where it is reflected and then arrives at B.,. From the result of the number of pulses n and the speed of propagation of the sound in the water resulting distance 2b and the known distance 2c the depth t can easily be determined.

In Abb. 3 ist eine Anordnung dargestellt, die gestattet, die Gleichzeitigkeit des Eintreffens der Schallimpulse in El und £., nach der bekannten binauralen Hörmethode festzustellen. El und E., sind als zwei Mikrophonempfänger gedacht, die durch die Batterien B1 und B.., gespeist werden und mit den Telephonen T1 und T, verbunden sind. Die Stromkreise I und Il beider Empfänger sind vollständig getrennt voneinander. Der Beobachter K hält das eine Telephon an das linke Ohr, das andere an das rechte Ohr. Wenn der Schall nicht gleichzeitig ankommt, hört er ihn, je nach der Zeitdifferenz, entweder in jedem Ohr für sich getrennt, oder er hat einen einheitlichen Richtungseindruck. Dieser tritt auf, wenn die Zeitdifferenz kleiner als etwa 0,03 Sekunden wird. Der Schall scheint von der Seite des zuerst erregten Ohres zu kommen. Wird die Zeitdifferenz noch kleiner, so hat man den Eindruck, als wandere die Schallquelle mehr nach der Mitte. Besteht keine Zeitdifferenz mehr oder ist sie kleiner als etwa 0,00003 Sekunden, so hat man genau Mitteneindruck, d. h. die Schallquelle scheint gerade voraus zu liegen. Dieser Fall ist sehr scharf einstellbar und ermöglicht also eine Feststellung der Gleichzeitigkeit des Eintreffens der Schallimpulse in El und E, mit nahezu z/zooooo Sekunde Genauigkeit.In Fig. 3 an arrangement is shown, which allows to determine the simultaneity of the arrival of the sound impulses in El and £., According to the well-known binaural hearing method. El and E., are intended as two microphone receivers, which are fed by the batteries B1 and B .. and are connected to the telephones T1 and T. The circuits I and II of both receivers are completely separate from each other. The observer K holds one telephone to his left ear and the other to his right ear. If the sound does not arrive at the same time, he hears it either separately in each ear, depending on the time difference, or he has a uniform sense of direction. This occurs when the time difference is less than about 0.03 seconds. The sound seems to come from the side of the ear that was first excited. If the time difference becomes even smaller, one has the impression that the sound source is moving more towards the middle. If there is no longer a time difference or if it is less than about 0.00003 seconds, then one has exactly the center impression, ie the sound source seems to be straight ahead. This case can be set very sharply and thus enables a determination of the simultaneity of the arrival of the sound impulses in El and E, with an accuracy of almost z / zooooo seconds.

Abb.4 zeigt einen elektrischen Membransender S, der durch Gleichstromimpulse von der Batterie B mit Hilfe der rotierenden Kontaktvorrichtung M (Motor) gespeist wird. Auf der Kontaktscheibe R aus Isoliermaterial ist ein Kontakt IL angeordnet, der mit dem Stromzuführungsring Z leitende Verbindung hat. Die Bürste A2 führt den Strom zu, A1 nimmt ihn ab. Bei jeder Umdrehung erhält also der Sender einen Gleichstromstoß. S, und S2 sind zwei Schleifringe, von denen z. B. Wechselstrom, zu Speisung eines Frequenzmessers abgenommen werden kann. Die Empfänger El und E2 wirken über die Induktionsspulen 11 und 1, auf ein gemeinsames Anzeigeinstrument G, das j e nach der Polung der Empfänger den Moment der Gleichzeitigkeit des Eintreffens der Schallimpulse in El und E2 durch ein Maximum oder Minimum anzeigt. Die parallel geschalteten Widerstände LW, und LW, gestatten ein Abgleichen der Wirkungen beider Empfänger auf möglichst gleiche Intensität. Man ändert also bei dieser Vorrichtung die Tourenzahl des Motors M so lange, bis das Anzeigeinstrument ein Maximum oder Minimum anzeigt und liest dann am Frequenzmesser F die Kontaktzahl pro Sekunde ab, um daraus die Entfernung a zu berechnen, oder ersieht, wenn der Frequenzmesser in Meter geeicht ist, direkt die Entfernung bzw. bei einer Anordnung gemäß Abb. z die Tiefe.Fig. 4 shows an electrical membrane transmitter S, which is fed by direct current pulses from the battery B with the help of the rotating contact device M (motor). A contact IL, which has a conductive connection with the power supply ring Z, is arranged on the contact disk R made of insulating material. Brush A2 supplies the current, A1 takes it off. The transmitter receives a direct current surge with every revolution. S, and S2 are two slip rings, of which z. B. alternating current , can be removed to feed a frequency meter. The receivers E1 and E2 act via the induction coils 11 and 1 on a common display instrument G, which, depending on the polarity of the receiver, shows the moment of simultaneity of the arrival of the sound pulses in E1 and E2 by a maximum or minimum. The resistors LW and LW, connected in parallel, allow the effects of both receivers to be balanced with the same intensity as possible. With this device, you change the number of revolutions of the motor M until the display instrument shows a maximum or minimum and then read the number of contacts per second on the frequency meter F in order to calculate the distance a, or see if the frequency meter is in meters is calibrated, directly the distance or, in the case of an arrangement according to Fig. z, the depth.

Abb.5 zeigt eine analoge Anordnung wie Abb. 4. Doch ist hier nur ein Empfänger E2 nötig. Im Moment des Kontaktgebens wird durch einen parallel zum Sender gelegten Stromkreis eine direkte Wirkung auf das Anzeigeinstrument G ausgeübt. Die Stärke wird auf die vom Empfänger E2 gelieferte Wirkung mit Hilfe des Widerstandes W z. B. abgeglichen. Es wird also hier auf Gleichzeitigkeit des Aussendens eines Schallimpulses und des Eintreffens eines vorangegangenen an E2 eingestellt. Diese Anordnung kann natürlich zweckentsprechend auch auf die binaurale Hörmethode (Abb. 3) angewandt werden.Fig.5 shows an arrangement analogous to Fig. 4. But here is only one Receiver E2 required. At the moment of making contact, one is parallel to the transmitter The connected circuit has a direct effect on the display instrument G. the Strength is applied to the effect delivered by the receiver E2 with the help of the resistance W z. B. adjusted. So here it is on the simultaneity of the sending out of a Sound impulse and the arrival of a previous one at E2. These The arrangement can of course also be adapted to the binaural listening method (Fig. 3) can be applied.

Claims

PATENT CLAIMS: z. Procedure for measuring distances using of sound waves, characterized in that sound pulses from a sound source be sent in such time periods that the emission of an I. its arrival at a receiving device at the beginning of the distance to be measured coincides in time with the arrival of a previous impulse at one Receiving device at the end of the distance to be measured, so that the number of pulses per second is a measure of the distance. Method according to claim r, characterized in that that the moment of the emission of an impulse or its arrival at the beginning of the distance to be measured with one ear, the moment of the arrival of a previous one Impulse at the end of the distance to be measured is listened to with the other ear and the simultaneity both determined by a mid-direction impression according to the binaural hearing method will. 3. The method according to claim z, characterized in that at the moment of sending or arrival of an impulse at the beginning of the distance to be measured and at the moment the arrival of a previous pulse at the end of the distance to be measured Effects on a common display instrument are caused and that the simultaneity of both moments is determined by a maximum or minimum of the effect will. 4. Arrangement for performing the method according to claims z to 3, characterized by one with single power surges by one rotating and one with a revolution counter connected contactor fed electrical sound transmitter and one for recording the sound impulses reflected on a surface determined by the sound receiver. 5. Arrangement according to claim 4, characterized by a sound transmitter and two at a distance mutually arranged sound receivers, of which the one for receiving the Sound impulses immediately after leaving the sound source is used while the other is intended to receive the sound pulses reflected from a surface.