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Einrichtung zur Aufnahme oder Abgabe von Schallsignalen unter Wasser.
Gemäß vorliegender Erfindung werden Einrichtungen zum Geben oder Empfangen von Schallsignalen
unter Wasser in der Weise ausgeführt, daß mit der Membran eine Masse elastisch gekuppelt
wird, die in der Richtung senkrecht zur Membranfläche schwingen kann. Diese Masse
dient dazu, die Energie von der Membran aufzunehmen und an den Empfängerapparat,
z. B. das Mikrophon, zu übermitteln oder umgekehrt die Energie des Gebers aufzunehmen
und der Membran zu übermitteln. Die Masse hat den Zweck, aus der Membran bzw. dem
Geber größere Energienengen zu entnehmen und die Amplitude zweckentsprechend umzuformen,
insbesondere sie bei der Übermittlung an den Empfänger möglichst groß zu machen.
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In der Zeichnung ist schematisch- eine solche Anordnunz darzestellt.
ä ist eine Membran, die durch ein elastisches Zwischenglied b mit der Masse c gekuppelt
ist, die ihre Schwingungen auf das Mikrophon d überträgt.
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Zwar kommt es in der Praxis der-Schallübertragung unter Wasser häufig
in Frage, daß man irgendwelche Massen als Übertragungsglieder zwischen Membran und
Geber bzw. Empfänger verwendet, und in diesen Übertragungsgliedern waren naturgemäß
auch elastische Kräfte irgendwelcher Art der Regel nach vorhanden. Diese unter ganz
anderen Gesichtspunkten angeordneten Massen konnten aber den Zwecken der Energieaufspeicherung
und der Umformung im Sinn der vorliegenden Erfindung nicht genügen, weil sie nicht
diesem Zweck entsprechend bemessen waren und weil ferner die elastischen Kräfte,
die etwa vorhanden waren, nicht derart im Verhältnis zu den
Massen
und den in Betracht koninienden Scliwingtlngszahlen abgeglichen «-aren, (laß die
Masse wirklich als Speicher und Ulnfornier der Energie dienen konnte.
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Insbesondere bei der Bemessung der Masse, die als Energieübermittler
und Umformer dienen soll, wird gemäß vorliegender I'rfindung so vorgegangen, daß
die Masse, soweit sie senkrecht zur \Ieiiiliraiifläclie schwingt, einen bestimmten
Mindestwert hat im \-erhältnis zur -Meinbranfläche. Diese Beder Masse im Verhältnis
zur 1leinbranfläche liegt darin begründet, daß die Untersuchungen zti dein Ergebnis
geführt haben, daß von diesem Verhältnis die Breite der kesonan-r_Icurve abhängig
ist. Es hat sich nämlich zuerst bei den Versuchen gezeigt, daß bei der Verwendung
von schwingenden Massen als Ener;ieüberinittler und Umformer die Apparate nur auf
sehr eng Legrenzte -,cliwiiigtiiigszahlenbereiclie ansprechen. Der Betrieb erfordert
aber, daß auch bei den in der Praxis unvermeidlichen Abweichungen von euer genauen
Schwillgungszahl die Apparate noch ansprechen. Dazu kommt, daß selbst bei genauester
Innehaltung der Schwingungszahl im Geber dennoch bei dein Empfänger eine davon abweichende
Schwingungszahl ankommen wird, wenn Getier und Empfänger relativ zueinander bewegt
sind. Es muß also möglich "ein, mindestens den Unterschieden der abgegebenen bzw.
aufgenommenen Schwingungszahl, die den in Betracht kommenden Fahrgeschwindigkeiten
entsprechen, noch durch eine genügende Breite der Resonanzktirve gerecht zu werden.
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Es muß deshalb ein Verhältnis der Masse zu der Menibranfläche derart
gewählt werden, (laß es mindestens
kg pro Quadratdeziineter Membranfläche beträgt. Hierin bedeutet die mittlere Schwingungszahl,
auf die die Apparate eingestellt sind. Der Ausdruck läßt erkennen, (laß mit wachsender
Schwingungszahl das Verhältnis der Masse zur Membran fläche kleiner gewählt «erden
kann und daß der Mindestwert bei den üblichen Schwingungszahlen von Soo bzw. iooo
pro Sekunde 0,5 kg bzw. o,25 kg beträgt. In gegebenen Fällen wird man über dieses
Maß oft noch wesentlich hinausgehen, beispielsweise ist ein den praktischen Verhältnissen
der Schallsignalisierung unter Wasser besonders gut entsprechender Wert etwa
kg, also etwa 2 kg pro Quadratdezimeter wirksame Membranfläche bei der Schwingungszahl
iooo.
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Es kann vorkommen, daß die Massen so angeordnet sind, daß sie nicht
nur senkrecht zur Meinbranfläche schwingen, sondern auch , Komponenten in anderen
Richtungen haben. Dann ist natürlich als Masse nach bekannten physikalischen Grundsätzen
nicht die wirkliche Masse, sondern die entsprechend reduzierte -Masse zugrunde zu
legen, die übrigens auch experimentell ermittelt «-erden kann.
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Für die Ausmessung der Membranfläche ist. folgendes zu berücksichtigen:
Schwingt die Membran lediglich als eine Masse, die einerseits mit der die Energie
übermittelnden Masse durch die elastische Kupplung in Verbindung steht, andererseits
unmittelbar mit dein Wasser in Verbindung steht, aber anderen Kraftwirkungen nicht
unterliegt, so kommt bei einer ebenen Membran für die Bemessung irn Sinne der Erfindung
als \leinbranfläche einfach die geometrische Größe der Berührungsfläche mit dem
Wasser in Betracht. Sind dagegen irgendwelche Teile auf der Fläche der Membran oder
in deren j Nähe vorhanden, die ihre Wirkung auf das Wasser ganz oder teilweise aufheben
oder stögen, so darf nur eine entsprechend verringerte Fläche als »wirksame Fläche«
der Membran in Betracht gezogen werden. Dies kann z. B. eintreten, wenn die Membran
nicht an allen Stellen mit dein Wasser in Berührung steht. Entsprechendes gilt,
wenn die Membran nicht vollständig frei ist, sondern beispielsweise an ihren Rändern
durch starre Verbindung oder durch elastische Kräfte mit irgendwelchen festen Trägern
verbunden ist. Die Wirksamkeit der Membran nimmt dann nach dem Rande hin ab, und
es muß eine dementsprechend verringerte »wirksame« Fläche bei der Berechnung der
-Masse zugrunde gelegt werden. Bei genügend scharf definierten Verhältnissen kann
die Größe der wirksamen Fläche stets rechnerisch ermittelt werden; andernfalls ist
sie von Fall zu Fall experimentell zu ermitteln.
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Die Verwendung der elastisch gekuppelten Masse gemäß der Erfindung
hat nun außer den angegebenen Vorteilen noch weitere. Sie i ermöglicht z. B. das
Fernhalten störender Geräusche, wie sie durch Stöße u. dgl. erzeugt werden. Es beruht
dies darauf, (laß die große, mit der Membran elastisch gekuppelte Masse nur auf
länger dauernde Einwirkungen einer i bestimmten Schwingungszahl wirksam anspricht.
Ferner ist es von besonderer Bedeutung, daß man trotz der verhältnismäßig großen
erzielbaren Breite der Resonanzkurve sehr bedeutende Energiemengen übertragen i
kann. Dies beruht auf folgendem: An und für sich wäre auch eine erheblich kleinere,
elastisch mit der Membran gekuppelte Masse zur Aufnahme einer genügenden Energiemenge
befähigt. Würde man aber mit einer i; kleinen Masse beispielsweise das Empfängermikrophon
derart kuppeln, daß man eine genügende
Breite der Resonanzkurve
erzielt, so würde es dadurch gleichzeitig der Masse unmöglich gemacht, auf genügend
große Amplituden zu kommen, also die erforderliche Enerl;ie aufzunehmen. Es läßt
sich dies sowohl aus der Erfahrung wie auch durch rein theoretische Betrachtungen
leicht herleiten. Es zeigt sich, daß bei einer vorgeschriebenen Breite der Resonanzkurve
ein Optimum an Energieaufnahme des Empfängermikrophons aus der Masse erst erzielbar
ist, wenn das Verhältnis dieser Masse zur wirksamen Meinbranfläche eine gewisse
Größe überschreitet.
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Man kann nun, statt den Geber bzw. den Empfänger direkt mit der Masse
zu kuppeln,, noch eine zweite Masse zwischen die erste :lasse und den Geber bzw.
Empfänger einfügen, die mit der ersten Masse elastisch gekuppelt ist. Man kann auf
diese Art einesteils erreichen, daß störende Geräusche, besonders solche, wie sie
durch Stöße erzeugt werden, noch mehr unwirksam gemacht werden, und man kann ferner
durch entsprechende Bemessung der Massen eine weitere Verrrößerung der Amplitude
erzielen. Um letzteres zu erreichen, wird man insbesondere die zweite Masse entsprechend
kleiner machen als die erste. Man kann auch noch weiter gehen und zwischen die zweite
Masse und den Geber bzw. den Empfänger noch eine dritte und weitere durch elastische
Kupplung einfügen und kann so ein vollkommen störungsfreies Arbeiten und eine fast
unbeschränkte Erhöhung der Amplitude erzielen.
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Was nun die Übertragung von der letzten Masse auf den Geber bzw. den
Empfänger anbelangt, so sei insbesondere für .den Empfänger, für den die ganze Einrichtung
größere Wichtigkeit besitzt als für den Geber, folgendes angeführt: Von .der Bemessung
der Massen des Empfängers und dem Grade der Kupplung hängt es wesentlich ab, welche
Energiemengen von dem Empfänger aufgenommen werden. Man wird daher je nach der Bemessung
der übrigen Teile der Anlagen zu verschiedenen Anordnungen des letzten Übertragungsgliedes
kommen können. Man wird sich auch im allgemeinen vorbehalten, den Kupplungsgrad
nach Bedarf einzuregeln, uni vor der Inbetriebsetzung auf die günstigsten Verhältnisse
einstellen zu können. Zumeist ist es daher zweckmäßig, in die Übertragung von der
letzten Masse zum Mikrophon eine einstellbare Feder einzufügen, die dann die Mikrophonmembran
mittelbar oder unmittelbar beeinflußt. Eine mittelbare Beeinflussung der Mikrophonmembran
ist in vielen Fällen der unmittelbaren vorzuziehen und kann beispielsweise so ausgeführt
werden, daß die Feder zunächst auf eine trichterförmige - Zwischenmembran wirkt,
von der dann durch die Luft hindurch die Schwingungen auf die vor .der Öffnung des
Trichters befindliche Mikrophonineinbran übertragen werden. Eine Anordnung dieser
Art ist schematisch in der Zeichnung dargestellt. Darin bedeutet b die letzte Masse,
von der die Energie mittelbar auf das Mikrophon e übertragen werden soll. a ist
die trichterförmige Zwischenmembran, die durch die federnden Teile d, d mit
dem festen Gerüst verbunden ist. c ist ein Übertragungsglied zwischen Masse b und
Trichter. Das Mikrophon e ist vor der Öffnung des Trichters angebracht. Es hat sich
ergeben, daß bei dieser Anordnung die Übertragung fast ohne Verlust und noch wesentlich
störungsfreier möglich ist. Zweckmäßig wird dabei der Übertragungstrichter nebst
dem Empfangsmikrophon in ein besonderes Gehäuse, das nötigenfalls schallsicher eingepackt
sein kann, eingeschlossen. Die Anordnung wird dabei so getroffen, daß in dem Zusammenwirken
mit der Mikrophonmembran .eine möglichst große Energieübertragung stattfindet, also
eine sehr starke Dämpfung der Schwingungen des Endsvstems eintritt. Das ist nicht
nur notwendig zur Vermeidung von Energieverlusten, sondern auch vor allen Dingen
zur Aufrechterhaltung der vorgeschriebenen Breite der Resonanzkurve.