DE380119C - Vorrichtung zur Richtungsbestimmung von Wellenenergie, insbesondere von Unterwasserschallwellen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 31. AUGUST 1923

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

- JVi 380119 KLASSE 74 d GRUPPE 6

(St33380 VIIIj₇₄d)

Steward-Davit & Equipment Corporation in New York, V. St. A.

Vorrichtung zur Richtungsbestimmung von Wellenenergie, insbesondere von Unterwasserschallwellen.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 9. Juli 1920 ab.

Für diese Anmeldung ist gemäß dem Unionsvertrage vom a. Juni 1911 die Priorität auf Grund der Anmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika vom 25. Juni 1919 beansprucht.

Die Erfindung bezieht sich auf die Richtungsbestimmung von Wellenenergie, insbesondere von Unterwasserschallwellen, mittels einer Anzahl von im Kreise verteilten Wellenenergieempfängern, wodurch die Bestimmung für in

beliebiger Richtung den Kreis durchwandernde Wellenenergie möglich ist. Die Richtungsbestimmung geschieht durch tim mit den Empfängern durch dauernd kompensierte Verbindungsleitungen in solcher Anordnung ver-

bundenes Horchgerät, daß sie die empfangene Energie in Phase zum Horchgerät bringen. Der Kreis der Empfänger kann gegen die Richtung der einfallenden Energie gedreht werden, um die Energie in Phase zum Horchgerät zu bringen; aber zweckmäßiger liegt der Empiängerkreis still, und die Anschlüsse der Empfängerleitungen werden verschoben, um die Energie dem Horchgerät in Phase zuzuleiten. Die Beobachtung der Schallrichtung geschieht dabei mit Hilfe der beiden an sich bereits bekannten Verfahren nach der Interferenzmethode oder binauralen Methode. Die Erfindung ist für die Richtungsbestimmung aller Arten von Wellenenergie anwendbar, z. B. auch für elektrische Wellen. Sie ist hier in einer Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung von Unterwasserschall verkörpert und soll mit besonderer Beziehung hierauf erläutert werden, jedoch ist sie nicht auf die Bestimmung der Richtung von Schallenergie beschränkt.

Bei der Ausführung für Unterwasserschallempfang besteht die Vorrichtung aus einer Anzahl von Schallempfängern (z. B. Mikrophonempfängern), die in gleichen Winkelabständen auf einem Kreis verteilt sind. Die Energiestöße werden von den Empfängern zu der Hörstelle, die von dem Empfängerkreis entfernt liegen kann, durch Drähte geleitet, die zu einem Kabel vereinigt sein können. An der Hörstelle werden die elektrischen Ströme wieder in Schall umgewandelt, der dein Ohr des Beobachters durch geeignete Hörvorrichtungen zugeführt wird. Die Mikrophonleitungen gehen, und zwar zweckmäßig über Transformatoren, zu Austrittsklemmen. Die Telephonempfänger, die die elektrischen Ströme in Schallwellen verwandeln, haben Eintrittsklemmen, die nach Belieben mit den verschiedenen Austrittsklemmen der Schallempfängerleitungen verbunden werden können. Dies geschieht zweckmäßig, indem man Eintritts- und Austrittsklemmen als im Kreise angeordnete Kontaktklötze und Bürsten ausführt, so daß durch Verdrehung der Bürstenreihe über der Klotzbahn die Winkelbeziehung der Eintritts- zu den Austrittsklemmen und damit zu den Empfängern beliebig verändert werden kann. Zwischen die Telephonempfänger und die an die Ohren des Beobachters angelegten Hörgeräte sind erfindungsgemäß Verbindungen eingeschaltet, die dauernd so kompensiert sind, daß sie den von den verschiedenen Telephonempfängern zu den Ohren wandernden Energiewtllen verschiedene Verzögerungen beibringen. Das kann geschehen, indem man die verschiedenen Telephonempfänger mit den Ohren durch Luftwege verbindet, deren Länge so bemessen ist, daß sie die Luftwellen in Phase zum Ohr bringen; oder es können die elektrischen Ströme fio von den Schallempfängern über künstliche Kabel mit verschiedener Verzögerungszeit geleitet und die Ströme gemeinsam zu Telephonhörern gebracht werden, wobei die Verzögerungen der Kabel so abgepaßt sind, daß sie die Ströme in Phase bringen. ,

In der Zeichnung, die die Ausführungsform als Unterwasserschallempfänger veranschaulicht, ist Abb. ι eine schematische Darstellung des Schallempfängerkreises und der Verbindungen zu dem Horchgerät. Abb. 2 ist eine schematische Darstellung der Schallempfänger und ihrer Verbindungsleitungen, besonders der Schleifringverbindungen von dem W'echselschalter zu den verschiedenen Telephonempfängern. Abb. 3 ist ein Seitenriß — teilweise im Schnitt — des W'echselschalters und der Schleifringe. Abb. 4 ist ein Schnitt längs der Linie IV-IV der Abb. 3. Abb. 5 und 6 sind schematische Darstellungen der Luftwege von den verschiedenen Telephonempfängern zu dem Hörrohr, und zwar zeigt Abb. 5 eine Hörrohranordnung für Richtungsbestimmung nach der binauralen Methode und Abb. 6 für Richtungs-. bestimmung nach der Interferenzmethode. Abb. 7 zeigt pinen Schnitt durch einen der Telephonempfänger, die elektrische Ströme in Schallwellen umsetzen.

In der dargestellten Ausführungsform bedeuten die Bezugszeichen 1 bis 36 einschließlich 36 Unterwassermikrophonempfänger, die in gleichen Abständen auf einem Kreis verteilt sind. In der W irklichkeit hat dieser Kreis acht Fuß Durchmesser, und es werden 36 Mikrophone benutzt, aber die Abmessungen und dk Anzahl der Mikrophone können verändert werden. Die Mikrophone können von einer beliebigen Unterwasserbauart sein. Die Bauart der Mikrophone mit Gummigehäusen für Verwendung unter Wasser eignet sich gut für diesen Zweck. In W irklichkeit werden die Mikrophone meist auf einem festen Kreisrahmen aufgebaut, um sie in Abstand zu halten. Der Kreisrahmen kann dann auf den Meeresgrund gelassen werden, er kann aber auch bei einem verankerten Schiff, z. B. einem Feuerschiff, über Bord gehängt werden. Er kann ferner auch in eine Wasser oder Ölzelle in einem Schiff eingebaut werden und dient auch in dieser Anordnung zur Bestimmung der Richtung des Schalles, der durch die Schiffshaut in die Flüssigkeitszelle im Schiffsinnern eintritt.

Eine Leitung von jedem Mikrophon i^a, 2^J usw. liegt an einer gemeinsamen Erdleitung G, die zu einem Pol der Batterie B führt. Die andere Leitung geht von jedem Mikrophon durch die Primärwicklung eines Transformators: die Reihe der Transformatoren ist mit i^c, 2^C usw. bezeichnet. Die Primärwicklungen sind gemeinsam durch eine Leitung E an den anderen Pol der Batterie gelegt. Parallel zum Batterieschalter BS liegt ein Kondensator, der bei der Öffnung des Schalters die Energie des Strom-

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kreises aufnimmt und dadurch die Mikrophone schützt. Die Drähte von den Mikrophonen zur Batterie und den Transformatoren können in einem Kabel zu der Hörstelle geleitet werden, die gewöhnlich von den Empfängern entfernt liegt. Ein Ende der Sekundärwicklung jedes Transformators ist mit der gemeinsamen Leitung F verbunden und die anderen Enden je mit einem der Segmente i^d, z^d usw., die als eine

ίο Reihe fester Klötze ausgeführt und in der Bauskizze (Abb. 3) mit d bezeichnet sind. Eine Reihe von Bürsten e ist an einer drehbaren Platte so angebracht, daß sie über die Reihe der festen Klötze d hinstreichen kann. \Ä ie in Abb. ι dargestellt, sind 14 Bürsten vorhanden, die mit x^e, 2^e usw. bezeichnet sind; diese Bürsten sind mit Telephonempfängern xf, 2/ usw. bis 14/ verbunden. Ein schematischer Querschnitt durch einen der Telephonempfänger ist in Abb. 7 gegeben. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren, deren Segmente d mit den Bürsten in Verbindung stehen, sind über die Empfänger xf, 2/ usw. durch die gemeinsame Leitung c und die Leitung JF geschlossen; die Sekundärwicklungen, deren Schaltsegment nicht in¹ Kontakt mit einer Bürste stehen, sind offen.

Die Telephonempfänger χ f, 2/ usw. sind in zwei Gruppen zu je sieben geteilt; jede Gruppe ist an eine Luftsäule T angeschlossen, und diese Luftsäulen sind mit dem Hörrohr 5 verbunden. Die Luftsäulen können gemäß Abb. 5 jede für sich miteinem Ohrstück des Hörrohrs verbunden sein für binauralen Empfang, oder sie können gemäß Abb. 6 in einem T-Stück Y vereinigt sein, das sich wieder zu den zwei Ohrstücken des Hörrohres gabelt; in diesem Fall wird die Richtung des Schalles nach der Interferenzmethode bestimmt.

Es soll angenommen werden, daß die Schallrichtung die des Pfeiles N in Abb. 1 ist, die Wellenfront also dazu senkrecht steht. Dieser Schall kann das Ohr des Beobachters nur durch die 14 Mikrophone erreichen, deren Sekundärwicklungen durch die Bürsten x^e, 2^e usw. geschlossen sind; es sind das die Mikrophone4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 auf der einen Seite des Kreises und 34, 32, 30, 28, 26, 24, 22 auf der andern Seite. Ersichtlich wird von in dieser Richtung fortschreitendem Schall das Paar Mikrophone 4 und 34 gleichzeitig trregt, da ja seine Verbindungslinie der Wellenstirn parallel ist. Auch die Mikrophone 6 und 32 empfangen ihre Schalleindrücke in Phase, aber etwas später, als das Paar 4 und 34, und diese Verzögerung ist gleich der Zeit, die der Schall braucht, um den senkrechten Abstand der Verbindungslinien 4, 34 und 6, 32 zu durchlaufen. Entsprechend empfangen auch die Paare 8 und 30, 10und 28, 12 und 26, 14 und 24, 16 und 22 ihre Schalleindrücke in Phase, aber jedes Paar etwas später als das andere. Die genaue Verzögerung zwischen den Erregungszeiten zweier Paare ist die Zeit, die der Schall braucht, um den senkrechten Abstand der Verbindungslinien der Mikrophone der Paare zu durchlaufen. Die Verzögerung zwischen irgend zwei Paaren ist also proportional der Differenz der cos der Winkel zwischen der Richtung N und den nach den Mikrophonen gezogenen Radien.

Die zeitliche Verschiebung im Ansprechen der verschiedenen Telephonpaare entspricht der der zugehörigen Mikrophonpaare, vorausgesetzt, daß die Zeitkonstanten der verschiedenen elektrischen Stromkreise gleich sind. Es ist wesentlich, wie noch gezeigt werden soll, daß die Wellen dtr verschiedenen Empfänger das Ohr des Beobachters in Phase erreichen. In der dargestellten Anordnung wird das dadurch erreicht, daß die Länge der Luftwege zwischen den verschiedenen Empfängerpaaren und dem Ohr verschieden gemacht wird. Man fasse die rechte Telephonempfängergruppe χ/, 2 ^f usw. ins Auge: wenn der Überschuß des SchaJlweges in Luft zum Telephonempfänger 2/ über den Schallweg zum Telephon xf gleich ist. ²³/ioo ^von dem Überschuß des Schallweges im Wasser zum Mikrophon 6 über den Schallweg zum Mikrophon 4, dann werden die Erregungen von den Empfängern r/und 2/das Ohr in Phase erreichen, da ja das Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten in Luft und Wasser 23 :100 ist. Wenn dann auch der Längenunterschied zwischen den Luftwegen von Empfänger xf und von allen anderen der Gruppe entsprechend bestimmt ist, wird der Schall von allen sieben Empfängern der Gruppe das Ohr des Beobachters in Phase erreichen.

Aus Symmetriegründen ist es klar, daß dieselbe Zusammenstellung von Unterschieden in den Luftwegen auch den Schall von der anderen, linken Empfängergruppe in Phase bringen wird. Schall aus einer anderen Richtung als der des PfeilesN, z.B. aus der des Pfeiles NE, wird dagegen das Ohr des Beobachters nicht in Phase erreichen. Der Schall aus der Richtung NE kann aber für das Ohr des Beobachters in Phase gebracht werden, wenn man den Kreis der Mikrophonempfänger im Uhrzeigersinn um den Winkel der RichtungeniV und iVIi dreht. Zweckmäßiger bringt man jedoch den Schall in Phase, indem man den Mikrophonkreis fest läßt und die Platte D mit den Bürsten um den gleichen Winkel im Uhrzeigersinne dreht. Bei diesem letzteren Verfahren, das in den Abbi'düngen dargestellt ist, vermeidet man die Bewegung schwerer Teile und kann leicht und schnell arbeiten; auch kann dabei der Kompensator in jeder beliebigen Entfernung von den Mikrophonempfängern aufgestellt werden.

Die Darstellung in Abb. ι und 2 ist natürlich nur schematisch, und die Größenverhältnisse entsprechen nicht der wirklichen Ausführung; z. B. hat der Kreis der Mikrophonempfänger im allgemeinen acht Fuß Durchmesser, der Schalter dagegen nur ι bis I¹Z₂.

In Wirklichkeit werden die Empfänger nicht mechanisch mit den drehbaren Teilen des Kompensators verbunden, sondern erhalten durch ίο Bürsten Kontakt mit 14 einzelnen Schleifringen, die der Reihe nach mit den Bürsten i^e 2^e usw. verbunden sind, wie in Abb. 2 schematisch dargestellt ist. Diese Anordnung vermeidet die Gefahr, daß elektrische Leitungen sich verwickeln und brechen. j

Der Bau des Schalters ist in Abb. 3 und 4 dargestellt. Der Schalter besteht aus einer isolierenden Scheibe D mit daran sitzendem isolierenden Zylinder Q, der 14 Schleifringe R j trägt; feste isolierende Wändet tragen Bürsten B, die mit den Ringen Kontakt machen. Von den Bürsten e, die Kontakt mit den Reihen der Transformatorendklötze d machen, sind zwei dargestellt.

Der Einfachheit wegen sollen die Klötze die Austrittsenden der Mikrophonleitungen dar- , stellen und die Bürsten e die Eintrittsenden i der Leitungen zu den Übertragern, die von den Telephonempfängern if, 2/usw. gebildet werden, j Die Scheibe D und der Zylinder Q können um i das feste Rohr F gedreht werden, das durch das i Außenlager O und das Innenlager H in Mittel- j lage gehalten wird. Die Drehung wird durch j das kleine Handrad W bewirkt, das durch einen ! Bolzen fest mit der Scheibe und dem Zylinder verbunden ist. Die Richtung des aufgenommenen Schalles wird durch einen Zeiger P angege- j ben, der sich über der Skala K mit Winkelteilung j bewegt. Der Kontaktdruck zwischen den | Bürsten e und den Klötzen d kann durch die , Mutter N eingestellt werden. Die elektrische Verbindung zwischen den Bürsten e und den Schleifringen R wird durch Drähte bewirkt, die in Schlitzen in dem isolierenden Zylinder unter den Schleifringen laufen. :

Der Schall wird dem Ohr durch Hörrohrleitungen S zugeführt, die mit Ausläufern der Sammelrohre T in Verbindung stehen (Abb. 6 und 5). Diese Rohre können auf zwei Arten mit dem Ohr verbunden werden, je nachdem der Beobachter die Interferenzmethode oder die binaurale Methode zur Bestimmung der Schallrichtung anwenden will.

Wenn die Hörrohrleitungen mit den Sammelleitungen Γ nach Abb. 6 durch die Gabelverbindung Υ verbunden werden, wird der Schall von allen 14 Empfängern 1/. 2/ beide Ohren erreichen. Kommt der Schall dann aus der Richtung N (Abb. i), dann trifft er das Ohr des Beobachters in Phase, daher wird sich die Wirkung aller 14 Empfänger addieren, und das Signal wird verhältnismäßig rein und laut sein. Dreht man dann den Kompensatorschalter nach irgendeiner Seite aus dieser Stellung, so werden die Wellen der 14 Empfänger das Ohr mehr und mehr außer Phase erreichen, und die Wirkung sich nicht mehr vollständig addieren, sondern schwach und unbestimmt werden. Die Rich-, tung der Schallquelle bestimmt sich also hier

aus der Stellung des Kompensators, die das ; Maximum der Lautstärke des aufgenommenen ( Tones ergibt.

ι Wenn dagegen nach Abb. 5 das Sammelrohr T für die rechte Gruppe der Empfänger 1/ bis 7/ durch eine Hörrohrleitung mit dem rechten Ohr und die linke Gruppe 8/ bis 14^ entsprechend mit dem linken Ohr verbunden ist, dann erreichen zwar die von einer in der Richtung des Pfeiles A^r einfallenden Schallwelle stammenden Impulse auch beide Ohren in Phase, aber jedes Ohr nur die von sieben Empfängern ; der Schall scheint daher dem Beobachter aus der Mittelebene zu seinen beiden Ohren zu kommen. Der Ton wird verhältnismäßig stark und von reiner Farbe sein, da die Wellen der mit einem Ohr verbundenen Empfänger in Phase sind. Wenn nun der Kompensatorschalter in irgendeiner Richtung aus dieser Stellung gedreht wird, dann wird der Schall schwächer und von unbestimmterer Farbe; außerdem scheint sich aber auch der Schall aus der Mittelebene nach der einen oder anderen Seite zu entfernen, je nachdem nach welcher Seite der Kompensatorschalter aus der Mittelstellung gedreht wird. Die Richtungsempfindung, die von beiden Ohren vermittelt wird, hängt bekanntlich stark von dem Zeitunterschied ab, der zwischen entsprechenden Schalleindrücken in beiden Ohren liegt.

Wenn der Schall aus der Richtung des Pfeiles A'E kommt, empfängt ersichtlich die mit dem rechten Ohr verbundene Empfängergruppe den Schall vor der mit dem linken Ohr verbundenen ; demnach erreicht der Schall das rechte Ohr etwas vor dem linken. Deshalb scheint der Schall dem Beobachter von rechts zu kommen, und außerdem erscheint er ihm schwach und dünn, denn die Wellen jeder Gruppe erreichen das betieffende Ohr außer Phase.

Wenn man dann den Kompensatorschalter im Uhrzeigersinne dreht, wird sich der Schall im entgegengesetzten Sinne zu drehen scheinen und zugleich lauter und reiner werden. Die genaue Richtung bestimmt sich aus der Stellung des Kompensatorschalters, bei der der Schall dem Beobachter in der Mittelebene und zugleich in größter Stärke erscheint. Die Vorrichtung kann also für die Richtungsbestimmung sowohl nach der Interferenz ■ als auch nach der binau ralcn Methode benutzt werden. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die Kompensation durch

Änderung der Luftwege beschränkt. Die Kompensation kann auch auf anderem Wege bewirkt werden, z. B. können die verschiedenen Telephonempfänger und ihre Luftsäulen durch richtig bemessene elektrische Leitungen ersetzt werden, die so belastet sind, daß sie in die verschiedenen Leitungen die richtigen Verzögerungen einführen, um die Ströme den Telephonen eines gewöhnlichen Kopfhörers in Phase

ίο zuzuführen. Beide Verfahren haben sich im praktischen Gebrauch bewährt.

Wie in den Abbildungen dargestellt, sind die Kompensatorbürsten und Kontaktklötze so angeordnet, daß jedes zweite Mikrophon des rechten und linken Satzes eine entsprechende Bürste auf der beweglichen Scheibe hat; die Erfindung ist aber nicht auf diese Bauart beschränkt.

Jedoch hat diese Bauart den Vorteil, daß sie die Bestimmung der Richtung bis auf den halben Winkelabstand zwischen den Mikrophonen genau ermöglicht. Das kommt daher, daß zwei Mikrophone parallel auf je einen Telephonempfänger geschaltet sind, wenn die Bürsten zwei Segmente überbrücken. Unter diesen Bedingungen bringen die beiden auf einen Telephonempfänger geschalteten benachbarten Milcrophone einen Schall hervor, der mit der Resultante der die beiden Mikrophone erregenden Schallreize in Phase ist. Dieser resultierende Schall ist phasengleich mit dem, den ein in der Mitte zwischen den beiden Mikrophonen des Paares gelegenes Mikrophon hervorbringen würde.

Es ist zu beachten, daß, wenn bei der Drehung des Kompensators die Bürsten zwei Segmente überbrücken, die doppelte Anzahl von Mikrophonen arbeitet, wie wenn jede Bürste nur ein Segment berührt, und daß nie mehl als zwei Mikrophone mit einem Telephonempfänger verbunden sind.

Claims (4)

1. Patent-Ansprüche:

   I. Vorrichtung zur Richtungsbestimmung von Wellenenergie, insbesondere von Unterwasserschallwellen, mittels einer Anzahl im Kreise verteilter Wellenenergieempfänger, gekennzeichnet durch ein Horchgerät, das mit ausgewählten Gruppen der im Kreise verteilten Empfänger (1 bis 36) durch Energieleitungen verbunden werden kann, die dauernd kompensiert sind, um die von den Empfängern aufgenommene Energie am Horchgerät in Phase zu bringen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Horchgerät die Energie in Phase über zwei Sätze von Energieleitungen erhält, die mit ausgewählten Gruppen zweier Sätze von mehreren Empfängern (1, 2 usw.) je auf gegenüberliegenden Seiten des Kreises verbindbar sind, und daß die Energieleitungen zwischen den Empfängern (1 bis 36) und dem Horchgerät Einrichtungen besitzen, welche die durchgehende Energie um so viel verzögern, wie der Unterschied der Eintreffzeiten der aufgenommenen Wellenenergie bei den entsprechenden an die Leitungen angeschlossenen Empfängern ausmacht.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsklemmen (d) der Empfänger kreisförmig in gleichen Winkelabständen wie die Empfänger (1 bis 36) selbst angeordnet sind und mit entsprechenden Eintrittsklemmen (e) der Energieleitungen zusammenwirken, wobei die Eintrittsklemmen (e) mit dem Kreise der Empfänger (ι bis 36) in veränderlicher Winkelbeziehung zu diesem Kreise, aber in fester Winkelbeziehung zueinander verbindbar sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsklemmen (e) der Energieleitungen mit den Austrittsklemmen (d) der Empfänger derart zu- sammenwirken, daß, wenn eine Eintrittsklemme (e) zwei Austrittsklemmen (d) überbrückt, der resultierende Effekt gleich ist der Resultante der die beiden Mikrophone erregenden Schallreize.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.