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Vorrichtung zur Erzeugung von Schall- oder anderen Druckwellen. Die
Erfindung bezieht sich auf die Erz_eugung von Schallwellen oder anderen Druckgellen
mittels Membranen oder ähnlichen schallausse -denden Flächen und bezweckt, die Wirksamkeit
des Schallsenders in der Luft, im Wasser oder einem anderen -Mittel zu steigern.
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Bei der Erzeugung von Schallwellen mittels Membranen oder gleiclia.rtigen
%littelti haben sich insbesondere für Unterwassersignale verschiedene Schwierigkeiten
ergeben, und in der Regel erfolgte die Schallerzeugung mittels kleiner Meinbra-,en,
die eine große Schwingungsamplitude haben. Es hat sich indessen sowohl auf Grund
mathematischer Berechnungen wie experimenteller Bestätigung der Rechnungsergebnisse
ergeben, daß das Produkt aus der Fläche der -Membran und der Amplitude kein ausschließendes
Kriterium für die Wirksamkeit für die Schallerzeugung ist, sondern daß es, um wirkungsvolle
Schallwellen oder andere Wellen auszusenden, notwendig ist, daß die 'Membran einen
Halbmesser bekommt, der im wesentlichen gleich einem Viertel rIer Wellenlänge des
zu erzeugenden Schalles ist.
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Beispielsweise soll eine Membran für ein Telephon einen Durchmesser
voll annähernd ig cin haLen, während eine Membra, zur Erzeugung eines 1 ebelsignales
mit einer Frequeilz voll 36 einen Durchmesser von etwa .4,8 ni haben inüßte. Wird
eine Membran von so großem Durchmesser etwa nur in dein 1littelptinkt angetrieben,
so ergeben sich Biegungen der 'Membran, die vom -Mittelpunkt nach dein Rande zu
verlaufen, welche den Wirkungsgrad ungünstig beeinflussen, geil das Wasser Bewegungen
an der Oberfläche der Membran entlang ausführen könnte. Um dies zu vermeiden, wird
die Membran so bewegt, daß alle Teile ihrer Oberfläche sich gleichphasig, also kolbenartig
bewegen. Um dies zu erreichen, wird die 'Membran gemäß der Erfindung an mehreren
Stellen mit dem Antriebsorgan verbunden.
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Ein weiteres :Merkmal der Erfindung besteht in der Ausbildung eines
Schallerzeugers, bei welchem 'Membranen, deren Halbmesser je einem Viertel der Wellenlänge
des zu erzeugenden Schalles gleich ist, gruppenweise angeordnet sind. Es hat sich
herausgestellt, claß bei einer derartigen Anordnung die einzelnen 'Membranen eine
bestimmte Entfernung voneinander haben müssen. Werden die Membranen gleichphasig
angetrieben, so muß ihre Mittelpunktsentfernung nicht wesentlich größer als eine
halbe Wellenlänge sein. Werden die Membranen dagegen ungleichphasig angetrieben,
so wird die beste Wirkung erzielt, wenn die Entfernung zwischen den Mittelpunkten
benachbarter Membranen erlieblich größer als eire halbe Wellenlänge ist.
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Bei der einfachsten Anordnung zur Erzeugung von Schallw eilen im Wasser
nach Abb. i ist eine einfache Membran i i vorgesehen, die beispielsweise aus o,8
mm starkem Stahl l-estelit und einen Durchmesser voll etwa 3 in besitzt. Diese Membran
ist mit einer Schwingungsquelle 13, beispielsweise i einem elektrischen Vibrator,
mittels einer Anzahl voll Klavierdrähten 12, 12' verbunden, welche all ihren Außenenden
an der
Membran elektrisch verschweißt sind, beispielsweise in einem
Abstand voneinander von o,i5 m. Der größte Unterschiert in der Länge der Klavierdrähte
ist in diesem Falle kleiner als etwa 6o cm, und die Geschwindigkeit der Längswellen
in den Drähten beträgt etwa 5 ioo m pro Sekunde (entsprechend der Geschwindigkeit
des Schalles im Stahl). Demnach ist der Zeitunterschied zwischen der Ankunft der
Schwingungen vom Vibrator 13
in der Mitte und an der Kante der Membran nur
etwa ein Zehntausendstel einer Sekunde, so daß die Membran als Ganzes mit größter
Wirksamkeit schwingen wird. Für eine Membran von der erwähnten Größe wird vorteilhaft
ein Vibrator angewendet, der Schwingungen ergibt, die annähernd die Frequenz habe.,
bei welcher das menschliche Ohr am besten empfänglich ist, d. h. also, eine Frequenz
von etwa eintausend Perioden in der Sekunde.
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Die Außenfläche kann auch in eine Anzahl von Menibratielementen u^terteilt
sein, wie die Abb.2 und 3 zeigen. Die Abb.2 zeigt eine mechanische Bauart, um die
1lembraneleniente in Schwingung zu versetzen, während die Abb. 3 ein elektrisches
Verfahren zeigt.
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Gemäß der Einrichtung nach Abb. 2 werden die Einzelmembranen i-. mittels
kleiner Verbindungsstangen 15 durch eine Kurbelwelle 16 in Schwingungen versetzt,
die mittels eines Motors i; mit der gewünschten Geschwindigkeit umläuft. Wenn, wie
in der Zeichnung durch die Stellung der verschiedenen Kurbeln angedeutet ist, die
Meinbraneleinente sämtlich in gleicher Phase bewegt -werden, ist es vorteilhaft,
daß die :Mittelpunkte voneinander annähernd einen Abstand von der Größe einer haiben
Wellenlänge oder etwas weniger der auszusendenden Schallwellen haben. Es hat sich
nämlich durch Versuche ergebe_i, claß in einem solchen Fall der erzeugte Schall
proportional dem 0uadrat aus der Anzahl der Membranelemente ist, so claß eine i-erliälttiismäßig
starke Schallsendung auf eine gegehene Fläche kommt.
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In der Abb. 3 ---erden die einzelnen Meinbraneleinente 18 durch Telephonenipfängerinagnete
i y in Schwingungen versetzt, deren Spulen jede mit einem besonderen Dosenniilcroplion
2o verbunden sind, die auf einer großen Holzwanc12i angebracht sind, und in deren
Stromkreis Batterien 22 eingeschaltet sind. Wenn die Holzwand 2i durch Gege sprechen
oder andere Schallwellen in Schwingungen versetzt wird, so geraten die Dosenmikrophone
:ao ebenfalls in Schwingungen, und die Membranelemente 18 geben die Sprache oder
sonstigen Töne wieder. Es hat sich indessen durch Versuche gezeigt, daß die Srröme
in den verschiedenen Stromkreisen gegenseitig außer Phase sind, und dies ist der
Grund, weshalb bisher Sender mit einer Mehrzahl von Mikrophondosen unwirksam waren.
Wenn wie hier die Schwingungen der -Mein-Lraiielemente 18 entsprechend außer Phase
sind, und wenn ihre Mittelpunkte weniger als eine halbe Wellenlänge voneinander
entfernt sind, so wird die Druckwelle oder Schallwelle von einem Element zum andern
hin und her fließen, und die Schallsendung hat Beinentsprechend einen sehr niedrigen
Wirkungsgrad. Versuche haben jedoch gezeigt, (laß, `nenn die Mittelpunkte der in
ihrer Größe unveränderten Einzelmembranen so angeordnet werden, daß sie mehr als
eine halbe Wellenlänge voneinander entfernt sind, fast die ganze Energie in die
Flüssigkeit bzw. in das Mittel, in welchem sich die Membranen befinden, ausgesandt
wird, daß also die Enerffi U e nicht durch Hin - und Herverschiebung von
der einen Membran zur anderen verzehrt wird. Es ergab sich die auffällige Erscheinung,
daß, obwohl in unmittelbarer -."Zähe der einzelnen Membranen die Schallwirkung nicht
viel größer als die durch eine Einzelineinbran erzeugte Wirkung war, bei einer größeren
Entfernung der hervorgerufene Schall sogar größer war als derjenige, der sonst durch
die Gesamtwirkung sämtlicher Einzelelemente erreicht -wird.