DE421264C - Verfahren zur Entfernungsbestimmung mittels reflektierter Schallwellen - Google Patents

Verfahren zur Entfernungsbestimmung mittels reflektierter Schallwellen

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08Systems for measuring distance only
    • G01S15/10Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G01S15/101Particularities of the measurement of distance

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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

  • Verfahren zur Entfernungsbestimmung mittels reflektierter Schallwellen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Einrichtungen zur Entfernungsbestimmung durch reflektierte Schallwellen, wobei als Maß für die Entfernung des Beobachtungsobjekts der Zeitunterschied dient, der zwischen dem Eintreffen eines von einem Sender ausgehenden direkt aufgenommenen Schallimpulses und dem Eintreffen des gleichen von der entfernten Reflektionsstelle zurückgeworfenen Impulses liegt.
  • Man kann diese Entfernungsbestimmung in der Weise vornehmen, daß man die zu verschiedenen Zeiten eintreffenden Schallimpulse nacheinander auf das Gehör einwirken läßt und den Zeitunterschied durch entsprechend einstellbare Meßinstrumente, die gleichzeitig mit Entfernungsskalen versehen sein können, feststellt.
  • Es ist ferner vorgeschlagen worden, mit Hilfe einer einstellbaren Vorrichtung eine Verbindung zwischen dem Echoempfänger und der Anzeigestelle in dem Augenblick herzustellen, w o das Echo eintrifft, und aus der Einstellung dieser Schaltvorrichtung die Tiefe bzw. die Entfernung zu bestimmen.
  • Die Erfindung geht einen anderen Weg. Sie besteht darin, daß die zu verschiedenen Zeiten eingehenden Schallimpulse, d. h. der direkte und der reflektierte Schallimpuls, in der Abhör- und Anzeigevorrichtung zur Koinzidenz gebracht werden: Man benutzt dazu das für die Richtungsbestimmung einer Schallquelle bereits verwendete Verfahren der Verzögerung des einen Schalles, z. B. durch Verlängerung eines der von den Empfängern zu den Ohren geführten Schallwege, indem man gemäß der Erfindung den Weg des direkt aufgenomtnenen Schallimpulses so weit verlängert, bis er dem Gesamtweg des reflektierten Schalles entspricht, beide also gleichzeitig auf die Ohren einwirken. Aus der Verlängerung des direkten Schallweges kann alsdann die Entfernung der Reflektionsstelle, beispielsweise also bei Schallotungen, die Tiefe des Meeresbodens festgestellt werden.
  • Ein weiteres Merkmal eines besonderen Verfahrens gemäß der Erfindung ist das, daß die Aufnahme des direkten und reflektierten Schalles binaural erfolgt, das soll heißen, daß der eine Schall (der direkte) nur mit einem Ohr (etwa dem rechten) und der andere Schall (der reflektierte) nur mit dem anderen Ohr (etwa dem linken) wahrgenommen wird. Dadurch wird eine besonders feine und exakte Entfernungsmessung möglich, nämlich die Benutzung des psychophysischen Mitteneindrucks als Indikator für die Gleichzeitigkeit. Es ist bekannt, daß, wenn die gleiche Schallwelle an beiden Ohren zu wenig verschiedenen Zeiten eintrifft, man den Eindruck des mehr oder weniger seitlichen Hörens hat, je größer die Zeitdifferenz ist, und daß Gleichzeitigkeit den Eindruck hervorruft, daß der Schall genau von vorn kommt.
  • Von diesem für die Bestimmung der Richtung einer Schallquelle bereits bekannten Verfahren wird hier erfindungsgemäß Gebrauch gemacht, indem man das Eintreffen des direkten Schalles an dem einen Ohr so lange verzögert, bis auch der reflektierte Schall das andere Ohr erreicht hat. Es ist nicht einmal nötig, so weit zu gehen, sondern schon das Auftreten eines klaren Richtungseindrucks an Stelle zweier unterscheidbarer Impulse oder eines gänzlich »raumlosen« Eindrucks zeigt an, daß die Koinzidenz nahezu erreicht ist. Es wird oft nötig sein, die Intensität des direkten und reflektierten Schalles miteinander abzugleichen, um einen guten Richtungs- oder M itteneindruck zu erhalten, und hierfür sind alle im folgenden geschilderten Anordnungen, gegebenenfalls unter Verwendung besonderer Regulierungs-, Schwächungs- oder Verstärkungseinrichtungen, einzurichten.
  • Die Durchführung des Verfahrens ist in verschiedener Weise möglich, und zwar sowohl auf rein akustischem Wege wie auch auf elektroakustischem bzw. elektrischem Wege.
  • Einige praktische Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung sind in der beiliegenden Zeichnung näher erläutert: Abb. r zeigt eine rein akustische Anlage gemäß der Erfindung.
  • Bei dieser Anlage sind beispielsweise an geeigneter Stelle eines Schiffes ein Sender S und zwei Empfänger EI und EI angeordnet. Der Empfänger EI dient zur direkten Aufnahme des von dem Sender ausgehenden Schallimpulses, und in seine zu dem entsprechenden Hörer Hl führende Schalleitung L1 ist in an sich bekannter Weise eine Verlängerungsvorrichtung P nach Art eines Posaunenrohres eingebaut. Der Empfänger E2, der zur Aufnahme des reflektierten Schallimpulses dienen soll, ist in üblicher Weise durch die Leitung EI zum Hörer Hz geführt. Um mit dieser Einrichtung die nacheinander eingehenden Schalleindrücke zur Deckung bringen zu können, sind noch folgende Gesichtspunkte zu berücksichtigen: Da bei der kurzen Entfernung der Empfänger vom Sender der Ton des letzteren außerordentlich laut auf die Ohren einwirken würde, würden diese für den nachfolgenden schwachen Reflektionsimpuls unempfindlich sein, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen sein würden, die starken Eindrücke abzuschwächen.
  • Am Empfänger EI bzw. in dessen Schallleitung ist daher eine Abschwächungsvorrichtung, beispielsweise in Form eines in der Leitung angebrachten Wattebausches W vorgesehen, so daß im Hörer Hl der vom Sender S ausgehende Schallimpuls nur schwach gehört wird. Da der reflektierte von dem Empfänger EI bzw. dem Hörer HZ aufzunehmende Schalleindruck aber an sich schon verhältnismäßig schwach ist, würde er im Hörer Hz überhaupt nicht mehr zu hören sein, wenn dort die gleiche Abschwächungsvorrichtung Verwendung finden würde. Man hilft sich daher erfindungsgemäß auf anderem Wege, indem man eine Vorrichtung vorsieht, durch welche der Hörer Hz während der Betätigung des Senders vom Empfänger EI momentan abgeschaltet unmittelbar darauf aber wieder angeschaltet wird. Diese Einrichtung ist in der Abb. r in Form einer von dem Klöppel K des Senders betätigten Absperrvorrichtung <q angedeutet.
  • Der Vorgang bei dieser Einrichtung ist also folgender: Der vom Sender S ausgehende Schallimpuls wird im Hörer Hl schwach gehört, während er im Hörer HZ überhaupt nicht gehört wird. Der reflektierte schwache Schallimpuls wird ausschließlich im Hörer HZ gehört, weil die Abschwächungsvorrichtung W in der Leitung L1 bzw. der Posaune P ihn nicht zum Hörer Hl gelangen läßt. Man erhält somit zu Anfang zunächst zwei nacheinander an den einzelnen Hörern eintreffende Schallimpulse, die man jetzt durch Einstellung der Posaune P, also durch Verlängerung der Leitung L1 zur Deckung bringt. Aus der Verlängerung der Leitung LI kann man alsdann die Entfernung der Reflektionsstelle ermitteln. Dadurch, daß man die Leitung an der Verlängerungsstelle mit einer entsprechenden Skala versieht, kann man ein direktes Ablesen der Entfernung ermöglichen.
  • Die Abb. z zeigt eine ähnliche Einrichtung für elektroakustischen Empfang. Gemäß derselben ist im Schiff in einem Wassertank Ti ein von dem Sender S direkt zu -beeinflussender Empfänger EI angeordnet und gegen den Senderschall in an sich bekannter Weise abgeschattet in einem Tank TZ ein zweiter Empfänger EI. Der Empfänger EI ist an die Primärspule Cl eines Poulsenschen Parlographen G angeschlossen, dessen Sekundärspule C2 im Stromkreis des Telephonhörers Hl liegt. Der abgeschattete Empfänger EZ ist direkt an den Telephonhörer HZ angeschlossen. Die Spulen Cl, C2 des Parlographen sind gegeneinander verstellbar.
  • Der vom Sender S ausgesandte Schall beeinflußt unmittelbar den Empfänger Ei. Der Schalleindruck wird mit Hilfe der Primärspule Cl auf dem Draht des Parlographen registriert, wandert zur Sekundärspule C2 und von dieser zum Hörer Hl. Der gleiche Schallimpuls wandert inzwischen zur reflektierenden Fläche und von da zurück zu beiden Empfängern, während er nun, da an sich schon schwach, infolge der Verluste im Parlographen im Hörer Hl nicht mehr wahrgenommen werden kann, ist er im Hörer H= vernehmbar. Man stellt nun die Entfernung der Spulen des Parlographen in der Weise ein, daß der von der Primärspule dem Draht übermittelte Schalleindruck für die Wanderung nach der Sekundärspule C2 bzw. zum Hörer Hl dieselbe Zeit braucht, wie sie der reflektierte Schall braucht, um zum Empfänger EI bzw. zum Hörer HZ zu gelangen. Man -erhält auf diese Weise in den beiden Hörern Koinzidenz der Schalleindrücke und kann aus der Stellung der Spulen zueinander die Entfernung der Reflektionsstelle bestimmen.
  • An Stelle des. Poulsenschen Parlographen kann man natürlich auch eine analog wirkende Verzögerungsvorrichtung, beispielsweise in Gestalt eines Grammophons verwenden, auf dessen Platte ein die Primärspule ersetzender Stift den Schalleindruck aufzeichnet, während ein die Sekundärspule ersetzender Stift den Schalleindruck abnimmt.
  • Die Empfänger El, E2 brauchen bei dieser Einrichtung nicht unbedingt unter Abschattung des einen örtlich voneinander getrennt zu liegen, vielmehr kann man sie auch beide in dem Tank T1 unterbringen (Abb. 3). Die Schaltung muß jedoch alsdann so ausgeführt sein, daß der Empfänger EI im Moment des vom Sender ausgehenden Schallimpulses automatisch abgeschaltet und unmittelbar darauf wieder eingeschaltet wird. Wie in Abb. 3 dadurch angedeutet ist, daß beispielsweise der Taster R eines elektrischen Schlagwerksenders im Moment des Stromschlusses den Stromkreis des Empfängers EZ unterbricht.
  • Zeigt es sich, daß die im Parlographen bzw. Grammophon oder in der Schwächungsvorrichtung (Abb. z und q.) hervorgerufenen Verluste nicht groß genug sind, um ein Hören des reflektierten Schallimpulses im Hörer Hl unmöglich zu machen und, was für die Benutzung des binauralen Mitteneindruckverfahrens besonders wichtig ist, den direkten Schalleindruck in dem einen Ohr in seiner Intensität dem Eindruck des reflektierten Schalles im anderen Ohr möglichst gleich zu machen, so ist zur Aufnahme des direkten Schalleindruckes ein schwach empfindlicher Empfänger zu benutzen.
  • Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist es nicht erforderlich, zwei Empfänger zu verwenden, sondern man kann auch mit einem solchen auskommen. Eine solche Einrichtung zeigt für rein akustischen Empfang beispielsweise die Abb. q., in welcher alle nicht direkt zur Meßanlage gehörenden Teile weggelassen sind. Hier ist ein einzelner Empfänger E durch eine Umschaltvorrichtung U, deren Steuerhebel F zwangläufig mit der Antriebsstange D des SchlagwerksendersS verbunden ist, abwechselnd so auf die Leitungen L' P des Hörers Hl bzw. L2 des Hörers HZ schaltbar, daß im Moment des Schlages lediglich der Hörer HI mit dem Empfänger verbunden ist, während unmittelbar darauf lediglich der Hörer HZ mit ihm in Verbindung tritt.
  • Der vom Sender ausgehende Schallimpuls gelangt somit zunächst unmittelbar zum Empfänger und von diesem zum Hörer Hl, während HZ abgeschaltet ist, und später erst gelangt der reflektierteSchall zum Empfänger und alsdann zum Hörer HZ, mit dem er inzwischen verbunden ist. Auch hier kann man durch Einstellung der Posaune P die gewünschte Koinzidenz herbeiführen.
  • Das Gleiche ist auf elektroakustischem Wege möglich, wie das einfache Schaltungsschema der Abb. 5 zeigt. Der Empfänger E ist hier an federnde Kontaktlamellen M'-, M2 angeschlossen, welche durch einen Nocken N des Senderklöppels K in der Ruhestellung des Klöppels mit im Stromkreis des Hörers HZ liegenden Gegenkontakten 0 in Berührung gehalten werden. Auf der anderen Seite der Federlamellen Ml, M2 liegende Kontakte Q sind an die Primärspule Cl des Poulsenschen Parlographen G angeschlossen, dessen Sekundärspule C2 in der -vorstehend bereits genannten Weise mit dem Hörer Hl verbunden ist.
  • Bei Betätigung des Klöppels K kommen die Federlamellen Ml-, M2 zum Ausschlag, lösen sich also von den Kontakten 0 und kommen im Moment des Schlages in Berührung mit den Kontakten Q (in ausgezogenen Linien gezeichnete Stellung), wodurch der Parlograph und der Hörer Hl auf den Empfänger E geschaltet werden. Unmittelbar darauf kehrt der Klöppel in die Ruhestellung zurück, löst also die Federkontakte Ml, 1'V12 von den Kontakten Q und bringt sie wieder in Berührung mit den Kontakten 0 (punktiert gezeichnete Stellung), so daß jetzt der Empfänger E an den Hörer HZ angeschlossen ist. Die Einstellung der Verzögerungsvorrichtung des direkten Schallweges erfolgt in gleicher Weise wie bei Abb. 2. Als Verzögerungsvorrichtung kann hier natürlich ebenfalls ein Grammophon o. dgl. verwendet werden.
  • Die Verzögerungsvorrichtung der Einrichtungen der Abb. 2 und 5, wie sie eben beschrieben wurden, können gleichzeitig dazu dienen, den direkten Schall zu schwächen, und zwar in durchaus regelbarer Weise. Es ist bei diesen Einrichtungen z. B. nur notwendig, die Schreibspule Cl oder die Abnahmespule C2 mehr oder weniger von dem Draht G zu entfernen. Auf diese Weise kann man die Intensität des direkten Schalleindrucks gleichzeitig in bequemer Weise mit der Intensität des reflektierten Schalleindrucks abgleichen.
  • Als Verzögerungsvorrichtungen können im übrigen bei elektrischer Schallübertragung auch alle diejenigen Mittel verwendet werden, die eine Vergrößerung der Zeitkonstante der elektrischen Leitung herbeiführen. Solche Mittel wirken in derselben Weise wie die verschiebbaren Rohre bei rein akustischer Leitung. Da es sich hier um Wechselströme handelt, kommen als Mittel zur Vergrößerung der - Zeitkonstante in erster Linie Selbstinduktionsspulen in Frage.
  • Anstatt den direkten Schall besonders zu schwächen, kann man naturgemäß auch den reflektierten Schall so lange verstärken, gegebenenfalls unter Verwendung besonderer Verstärker oder Relais, bis die für die Anwendung des psychophysischen Richtungshörens erforderliche Gleichheit der Intensitäten an beiden Ohren hergestellt ist.
  • Die Methode, bei der nur ein Empfänger verwendet wird, hat gegenüber der Zwei-Empfänger-Methode den Vorzug, daß alle die bekannten Nachteile, die aus der unvermeidlichen Verschiedenheit zweier Empfänger hinsichtlich Phase und Färbung des wiedergegebenen Schallimpulses entstehen, hinwegfallen. Die Erfindung kann abgesehen von dem hesonders hervorgehobenen psychophysischen Richtungseindruckverfahren, natürlich auch unter Verwendung beliebiger anderer Koinzidenzindikatoren ausgeführt werden. In erster Linie kommen hierfür optische Registriermethoden, allenfalls auch photographische Methoden in Frage. Das psychophysische Richtungseindruckverfahren führt aber, wie z. B. Abb. i und 4 zeigen, zu besonders einfachen und bordfähigen Apparaten.
  • Für die geschilderten Methoden kann jede Art von Schallsendern oder Impulserzeugern und jede beliebige Art von Empfängern angewandt werden.

Claims (13)

  1. PATE \@T-AxSPRÜCHE: i. Verfahren zur Entfernungsbestuninung mittels reflektierter Schallwellei, dadurch gekennzeichnet, daß der am Empfangsort eintreffende direkte Schallein druck mit dem reflektierten zur Koinzidenz gebracht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallaufnahme auf binauralem Wege derart erfolgt, dali der direkte Schall mit dem einen und der reflektierte Schall mit dem anderen Jlir aufgenommen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung der zeitlichen Zuordnung (z. B. Koinzidenz) des direkten und des reflektierten Schalleindruckes im Gehör der psychophysische Richtungseffekt (z. B. Mitteneindruck) dient.
  4. 4. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme beider Schalleindrücke der gleiche Empfänger derart benutzt wird, daß nach Aufnahme und Weitergabe des direkten Schalleindruckes durch die eine Leitung vor dem Eintreffen des reflektierten Schalleindruckes an ihm auf die andere Leitung umgeschaltet wird.
  5. 5. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i bis 4, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Verzögerungsvorrichtung im Wege des direkten Schalles.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsvorrichtung ein in der Länge veränderbarer Schallweg zwischen Empfänger und der Anzeigevorrichtung bzw. dem Ohr dient.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6 für elektro-alcustischen Empfang, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsvorrichtung eine Einrichtung zur Veränderung der Zeitkonstanten der Leitungen dient, welche den vom Schall erzeugten elektrischen Empfängerstrom führen. B.
  8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsvorrichtung aus einem Schallschreiber mit bewegter Aufnahmevorrichtung (Poulsenschen Magnetschreiber, Grammophon o. dgl.) besteht. g.
  9. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i und 2 unter Benutzung zweier mit je einem Ohr verbundener Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Aufnahme des reflektierten Schalles dienende Empfänger gegen den direkten Schallimpuls abgeschattet ist. io.
  10. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i und 2 unter Benutzung zweier Empfänger, gekennzeichnet durch eine automatisch wirkende Vorrichtung zur ausreichenden Schwächung oder Vernichtung der Wirkung des direkten Schalleindruckes auf die zur Aufnahme des reflektierten Schalles dienende Empfangseinrichtung. i i.
  11. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i bis 3, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Regelungsvorrichtung für die Schallintensität an einem der Empfänger, vorzugsweise in Verbindung mit der zur Aufnahme des direkten Schalles dienenden Empfangseinrichtung. r2.
  12. Einrichtung nach Anspruch i i, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungsvorrichtung für die Schallintensität mit der Verzögerungsvorrichtung kombiniert oder identisch ist.
  13. 13. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des direkten Schalles eine wesentlich unempfindlichere Empfangsanordnung verwandt wird als zur Aufnahme des reflektierten Schalles. 1,4. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i bis 3 mit einer Verstärkungsvorrichtung in Verbindung mit dem Empfänger für -den reflektierten Schall, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen zur Regelung des Verstärkungsgrades vorgesehen sind.
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