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Vorrichtung zur Erzeugung von vorzugsweise oberhalb der Hörgrenze
liegenden Schallstrahlenbüscheln. Für diese Anmeldung ist gemäß dem Unionsvertrage
vom 2. Juni igi i die Priorität auf Grund der Anmeldung in Frankreich vom 29. Mai
ig16 beansprucht. Es sind bereits akustische Verfahren angewandt worden, um für
die Schiffiahrt gefährliche Hindernisse im Wasser, wie Minen, Unterseeboote, Torpedos,
Riffe, Eisherge sowie Schiffe zur Zeit des Nebels in großer Entfernung zu entdecken.
Die geringe Wirksamkeit derartiger Verfahren beruht darauf, daß der ausgesandte
Schall sich nach allen Richtungen hin verbreitet und mit der Entfernung schnell
ran Stärke abnimmt.
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Durch die Vorrichtung nach der Erfindung werden diese Nachteile beseitigt.
Die nette
Vorrichtung besteht im wesentlichen darin, rlaB mit Hilfe
elektrischer oder magnetischer Kraftfelder synchrone Schwingungen einer Sendefläche
erzeugt «-erden, deren lineare Abmessungen mit Bezug auf die Wellenlänge der unter
Wasser gerichteten ultrasonoren Schwingungen sehr hoher Frequenz sehr groß sind.
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Aus diesem Grunde kann die Frequenz der Verwendung findenden Schwingungen
zwischen 5o ow bis Zoo ooo in der Sekunde bei einer Wellenlänge zwischen 3 und
0,7 cm (die Fortpflanzungsgeschwindigkeit elastischer oder mechanischer Wellen
im Wasser beträgt etwa i5oo m pro Sekunde) und der Durchinesser der Senderfläche
etwa 30 bis 100c111 betragen. .In gewissen Fällen kann eine tiefere Frequenz
mit Sendervorrichtungen von größerem Durchmesser angewendet werden. Höhere Frequenzen
können ebenfalls auf kurze Entfernungen Benutzung finden.
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Unter diesen Umständen bleibt die ausgesandte Energie fast vollständig
auf einen Senderkegel beschränkt, dessen Achse senkrecht zur :Ausstrahlungsfläche
steht und dessen öffnungswinkel um so kleiner wird, je größer die Abmessungen der
Senderfläche im Verhältnis zur Wellenlänge sind. Für eine kreisförmige Senderfläche
vom Durchmesser d wird der Tangentenwinkel cc dieses Kegels (halber Winkel an der
Spitze) durch folgende Formel gegeben:
wobei ?. die M'ellenlänge im Wasser bezeichnet. Bei den Vorrichtungen gemäß der
Erfindung werden die durch die elektrischen oder magnetischen Kraftfelder erzeugten
mechanischen Wirkungen benutzt, um ihre Energie in ultrasonore Schwingungen doppelter
Frequenz umzuformen. Diese Wirkungen verteilen sich s"ncliron über die ganze Senderfläche.
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Um das elektrostatische oder magnetische Feld zu erzeugen, werden
entweder elektrische Nebenschwingungen oder gedämpfte Schwingungszüge verwendet.
Die Sendevorrichtungen erzeigen mechanische Schwingungen, die durch das Wasser übertragen
werden und auf dlie Empfangsvorrichtungen einwirken, um hier elektrische Schwingungen
gleicher Frequenz hervorzurufen, die mit Hilfe der in der drahtlosen Telegraphie
Verwendung findenden Vorrichtungen wahrgenommen werden können.
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Auf den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und es zeigen: Abb. i einen Schnitt eines Senders im elektrischen Kraftfelde,
Abb. z, 3 und q. abgeänderte Ausführungsformen der Vorrichtung nach Abb. i, Abb.
5 und 6 Draufsicht und Schnitt eines Senders im magnetischen Felde, Abb. ; und 8
Schaltungsschemen der Vorrichtungen nach der Erfindung, Abb. 9 einen Schnitt durch
einen Empfänger und Abb. io einen wagerechten Schnitt einer abgeänderten Ausführungsform
eines Senrlers, der an jeder Seite eines Schiffsbugs angebracht werden kann.
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Bei dem Sender (Abb. i) -,\-ir(l die Vinformung der elektrischen Energie
in mechanische mit Hilfe elektrostatischer Anziehung eines Kondensators, welcher
den Teil eines Schwingungskreises bildet, erhalten. Die Wirkung der ausgesandten
elastischen @cli\\-iiigungen wird durch die Amplitude der ini elektrischen Felde
des Konriensatcrs erregten Änderungen bestimmt.
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Dieser Kondensator besteht aus einer Metallplatte bz,@v. an der Oberfläche
mit -Metall versebenen isolierten Platte a von großem Durchmesser. Diese stützt
sich auf eine isolierende Unterlage g und wirrl von einer dünnen isolierenden Platte
b, «-elche mit ihrer entgegengesetzten Seite in Berührung mit dein @@':asser ist.
durch Stützen @- in geringem Abstand (i zu io mikron) gehalten. Diese Platte b muß
der periodischen elektrostatischen Anziehungskraft der Platte a nachgeben, sei es
durch Einbuchten zwischen den Stützen oder durch Eindringen der Stützstifte in den
nachgiebigen Stoff der Platte n oder b. Je mehr sich die Entfernung zwischen
a und b der Länge einer periodischen Bewegungsamplitude von b nähert,
<l. h. je kleiner sie wird, um so erhöhter wird die Wirksamkeit des Apparates.
Die Platte a ist an einen Pol il des elektrischen Stromkreises angeschlossen. Die
andere Platte an den Pol i2.
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Will man die Schwingungsfreiheit durch Eindringen der Stützen in eine
der Platten erhalten, so muß man letztere aus einer nachgiebigen Substanz herstellen,
oder man muß die Beläge des Kondensators mit ähnlichen Stoffen belecken, und zwar
mit an der Oberfläche mit Metall versehenen Mänteln, um dem Kondensator die Möglichkeit
zti gehen, sich zu laden und im elektrischen Kraftfelde sich zu richten. Die Stützen
können sehr dünn sein und aus Firnisstiften, Glimmerbändern oder Glimmerscheiben
bestehen. Um das Eindringen infolge der Anziehungskraft im Falle der Schwingungsfreiheit
zu gestatten, ist es erforderlich, daß die Stützen an der Berührungsfläche von geringen
Abmessungen sind. Zwecks Aufnahme der sehr starken elektrischen Felder durch den
Kondensator
(pro Zentimeter Entfernung zwischen (len Belägen h<ilier
als 1o :@lillionerr Volt), die für die Sendung elastischer Wellen von großer Wirkung
(nach dein Gesetz von Wiatt pro Quadratzentimeter) erforderlich sind, können drei
Verfahren angewandt werden.
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i . @,lan kann die Konde -satorbeläge mit einer Metallschicht aus
Platin, Gold usw. bedecken, welche in dem schwachen Zwischenraum an ihrer Oberfläche
sehr starke elektrische Kraftfelder aufnehmen, und zwischen ihnen kann man einen
größeren freien Raum lassen. Dieser luftleere Raum ist nicht erforderlich. Man kann
den Atmosphärendruck bestehen lassen, wenn die Entfernung zwischen den Belägen genügend
klein ist. Der Spannungsunterschied ändert sich gemäß dieser Entfernung.
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a. Man kann die Erzeugung disruptiver 1?ntladung verhindern. indem
man die -Aletallflächen mit dünnen Isolierschichten bedeckt und dazwischen je nach
der Entfernung die Luft auspumpt oder auch nicht. Um das Anhaften der Isolierschicht
auf dem Metall zu ermöglichen, benutzt man schmelzbare leitende Substanzen wie Salzlösungen,
z. B. hornartiges Silberchlorid.
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3. Man wendet, wie 'es auf der Abb. a gezeigt ist, eine dünne Gliinmerplatte
b- oder eine aus einer anderen isolierenden elastischen Masse bestehende Platte
an, welche in Berührung mit dem Wasser steht. Diese ist gleichzeitig Membran als
auch Isolierplatte des Kondensators, und man läßt zwischen Platte a und' b die Luft
bestehen, oder man kann sie auch auspumpen: in diesem Falle bildet das Wasser den
äußeren Belag des Kondensators, und die Stützen c, welche die Glimmerplatte b von
der Platte a trennen, können gleichgültig aus Metall oder isolierend gearbeitet
sein. Die Luft wird durch einen Kanal ausgenumpt, welcher zentral in einer Öffnung
von kleinem Durchmesser im Mittelpunkt der Isolierplatte endigt. Eine Isolierschicht
g ist über die Platte gezogen, und ebenso sind die Ränder der Kondensatorplatte
isoliert. Die Platte a ist an einem Pol des elektrischen Stromkreises il 'angeschlossen,
der andere Pol i2 im Kontakt mit der Platte b taucht ins Wasser.
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Eine Abart der Membran wird durch die Abb. 3 gegeben. -- Sie besteht
in der Anwendung einer s--rnmetrisch durch zweidünne Isolierplatten hl und b2 gebildeten
Kapsel, welche an ihren Rändern vereinigt und durch Stützen auseinandergehalten
werden, so daß in dem Zwischenraum ihre Schwingung möglich ist. Die Luft zwischen
ihnen kann auf andere Weise ausgepumpt werden. Diese Kapsel würde mit ihrer äußeren
Fläche mit dem Salzwasser, in welches die Ausstrahlung erfolgen soll, in Berührung
stehen und so den äußeren Belag des in i= gespeisten Kondensators bilden. Die andere
Seite, in Berührung mit einer flüssigen, leitenden, isolierten Schicht h (Salzwasser)
bildet den inneren Belag und wird in t'- und a- gespeist.
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Der Belag des Kondensators in Berührung mit dein Wasser kann durch
eine Metall- oder mit Metall beschlagene Platte gebildet werden, deren Stärke gleich
der halben '\Nelletrlänge der in der angewandten Masse hervorgerufenen elastischen
Schwingungen, und zwar der Länge nach. Diese Platte schwingt gemäß ihrer Stärke
und wird an ihrer äußeren Seite vom Nasser mit derselben Kraft angegriffen, welche
durch die elektrostatische Anziehung des elektrischen Kraftfeldes des Kondensators
auf ihre innere Fläche ausgeübt wird. Um die Erzeugung disruptiver Entladung zu
verhindern, kann diese innere Seite mit einer Isolierschicht bedeckt werden. doch
ist dies nicht durchaus erforderlich. Der Gebrauch einer Platte von der Stärke einer
halben Welle erlaubt die Anzahl der Stützen zwischen ihr und der isolierten Platte
um ein Beträchtliches zu reduzieren, gemäß ihrer geringeren Flexion. Den elektrischen
Schwingungen wird dadurch eine bestimmte Periode auferlegt.
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Das Prinzip der Resonnanz kann im gleichen Maße benutzt werden, um
die Energie der mit einer vom schwingenden Kraftfeld des Kondensators gegebenen
Amplitude elastischen Svrderwellen zu erhöhen. Es genügt, zwischen diesen und das
Salzwasser eine Schicht zu setzen, und zwar aus einem Stoff, dessen Dichte für die
Fortpflanzungsgeschwi-digkeit des Tones niedriger ist als die des Wassers. Die Stärke
dieser Schicht sei gleich 1# Wellenlänge der in diesem Stoff hervorgerufenen elastischen
Schwingungen.
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Die bekannte Eigenschaft des Ebonits, daß es keiner bemerkenswerten
Reflexion der elastischen Wellen, die auf die Trennungsfläche mit dem Wasser der
Länge nach aufteffen, stattgibt, läßt als Membran im Kontakt mit dem Wasser eine
Eboniitplatte b (Abt. d) anwenden. Die Stärke kann beliebig sein. Auf der inneren
Fläche e ist ein Metallbeschlag als äußerer Belag des in i.2 gespeisten Kondensators.
Die Ebonitplatte b wird von-der Isolierplatte a durch angemessene Isolierstützen
c getrennt, deren Eindringen in die Ebonitplatte auf ihrer Oberfläche die nötige
Bewegungsfreiheit gibt. In diesem Falle braucht die Frequenz der ausgesandten Schwingungen
nur in Übereinstimmung mit der äußeren im Sinne ihrer Stärke schwingenden Platte
sein. :Ulan kann also eine beliebige und stark erhöhte Frequenz,
wie
mit einem Apparat, mit dünner Membran aussenden.
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Der Sender oder Empfänger lassen eine Ausnutzung der magnetischen
Wirkungen zu. In Abb. 5 und 6 ist hiervon ein Schema gegeben. k ist eine Eisenplatte,
die sanft lan iellenartig endet, auf deren Oberfläche im 7i4-k72(k ein isolierter
Kupferdraht l gezogen ist. Dieser wird von einem hochgespannten elektrischen Strom
durchflossen. In geringem Abstand von dieser Platte und von ihr durch Stützen getrennt,
befindet sich eine dünne Weicheisenplatte m, welche mit ihrer äußeren Seite in Berührung
finit dem Wasser steht oder von diesem mittels einer Ebonitplatte getrennt ist.
auf welch letzterer sie befestigt ist.
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Die Schaltordnung für Apparate zur Ausnutzung der elektrostatischen
Wirkungen zeigt Abb.7, während Abb.8 diejenige für magnetische Wirkungen darstellt.
Im ersteren Falle spielt der Senderkondensator die Rolle der Kapazität in dem durch
Induktion mittels einer Primärspule I erregten Sch@vingungskreis Il. Im zweiten
Falle bildet .die Spule 1 der Platte k eine Art Selbstinduktion des Schwingungskreises
TI, -i-elcher..init einer angemessenen Kapazität j versehen ist und durch die Wicklungen
der Primärspule T erregt wird.
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Für den Empfang ultrasonorer Wellen kann ein Mikrophon benutzt -werden,
dessen schwingende, mit Stützflächen versehene Platte mit dem Wasser in Berührung
steht und durch dessen durch die Ankunft ultrasonorer Wellen erzeugten Widerstandsänderungen
periodische Änderungen gleicher Frequenz in dem durch das Mikrophon gehenden durch
eine konstante elektromötorische Kraftquelle erzeugten Strom hervorgerufen werden.
Durch diese Änderungen des Stromes werden elektrische Schwingungen erzeugt, die
mit Hilfe gewöhnlicher in der drahtlose» Telegraphie Benutzung findenden Vorrichtungen
wahrgenommen werden können.
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Auch kann ein den Sendern ähnlicher Empfänger benutzt werden. In diesem
Falle wird die in Abb. 9 veranschaulichte Vorrichtung benutzt. Die ankommenden elastischen
Wellen werden durch einen Kondensator a, b
aufgenommen, dessen Beläge einander
näher liegen, wie dies bei dem Sender der Fall ist. Durch eine konstante elektromotorische
Kraftquelle E werden der Kondensator j und der Kondensator a, h gespeist, und die
im letzteren durch die ankommenden Wellen erzeugten Kapazitätsänderungen rufen elektrische
Schivi»gungen in dem abgestimmten Schwingungsstromkreis hervor, der durch die Kondensatoren
a, b und j sowohl als auch durch die Selbstinduktionsspule n gebildet wird.
Diese Schwingungen werden in der Jüblichen Weise, z. B. durch einen Detektor d,
wahrgenommen.
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Soll mit großer Energie gesandt ,-erden und soll trotzdem eine übermäßig
große Senderfläche vermieden werden und soll ati@erdem die Einstellmöglichkeit des
Bündel; beibehalten werden, so wird die Senderfläche in eine Anzahl voneinander
unabhängiger Konflensatoren s zerlegt. Diese sind parallel und werden um untereinander
parallele Achsen t derart beweglich gemacht. daß inan reit der Orientierung der
Flächen s eine - Wellenlängenänderung erhält. Ferner ist hierbei der senkrechte
Abstand zwischen zwei Flächen ein vielfaches Ganze der Wellenlänge. Unter diesen
Bedingungen bleibt der Si-tichronismus zwischen den durch diese Flächen hervorgerufenen
Ausstrahlungen in einer zti ihren Ebenen normalen gewahrt.
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Diese Vorrichtungen können im Innern schützender Ebonitgehäuse r angeordnet
werden, die an den Seiten des Schiffsrumpfes befestigt -werden.
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Die beschriebenen Apparate können ihre Anwendung in folgenden Fällen
finden: i. Austausch von unterseeisch gerichtete: Signalen zwischen Schiffen, zwischen
Schiffen und Küstenposten, zwischen Küstenposten untereinander.
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a. Aufsuchen und Bestimmen unterseeischer Hindernisse durch das periodische
und rhythmische Aussenden, in deren Intervall man die Rii,-kkehr eines Echos zu
vernehmen sucht. Die Beobachtung bzw. Erforschung geschieht durch Drehung des ders
um eine horizontale Achse, wobei der Empfangsapparat immer parallel dem Sender bleibt.
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Die Richtung, iti icelcher da< Hindernsich lx#findet. -wind durch
die Einstellung rlei-Sendefläche festgestellt, um eiii Echo größler Dichtigkeit
zti erhalten. und die Entfernung des Gegenstandes von der Vorrichtung -wird dadurch
festgestellt, (laß man die Zeit berechnet, -welche zwischen (lein Senden des Signäles
.und der Rückkehr des durch das Hindernis erzeugten Echos verstreicht.
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Die _relative Bewegung des Hindernissex und des_Beobachtungspostcns
kann durch Anivendung des Prinzips von Doppler bestimmt werden, d. l1. durc:: Freqtienzänti<#rnng
gemäß der Bewegung des Hinflrrnisses- Besonders verständlich erscheint dies in dem
Fall, wo man zur Aufnahme die hallenden Schwingungsschläge zwischen den empfangenen
Schwingtrigen und den Hochfrequenzschwingungen, deren Frequenz angenähert einander
gleich ist, benutzt. Diese werden durch eine angemessene Kraftquelle erzetigl-,
wie z. B. eine hetrodyne Lampe, die -wie ein
Generator beständige
elektrische Schwingungen wirkt.
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3. Aufsuchen und Begrenzen unterseeischer Beb nstände mit Hilfe ultrasonorer
Schatten, welche diese auf den Empfangsapparat werfen, sobald ihre Abmessungen im
Verhältnis der Wellenlänge im Wasser der angewandten Schwingungen sind.
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In diesem Falle sendet der Sender eines Schiffes oder eines Küstenpostens
ein Büschel gegen einen Empfänger aus, welcher in einer Entfernung aufgestellt ist.
Der Durchgang eines Hindernisses durch das Strahlengebilde überträgt sich auf die
Empfangseinrichtung und vermindert die Empfangsschärfe. Auf diese Weise kann man
quer durch einen Hafen oder durch eine Meerenge eine Abwehr errichten, um z. B.
die Durchfahrt eines U-Bootes zu melden.