DE433940C - Einrichtung zur eindeutigen Richtungsbestimmung von Schallwellen nach dem binauralen Verfahren - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 16. SEPTEMBER 1926

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

- JVi 433940 KLASSE 74 d GRUPPE 6

(S 61573 VIIIl74d)

Signal Gesellschaft 111. b. H. in Kiel.

Einrichtung zur eindeutigen Richtungsbestimmung von Schallwellen nach dem binauralen Verfahren.

• Patentiert im Deutschen Reiche vom 5. Dezember 1922 ab.

Die Erfindung beschäftigt sich mit der - Aufgabe der eindeutigen Richtungsbestimmung von Schallwellen mit Hilfe des binauralen Hörverfahrens. Man hat zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, zwei gekreuzte Meßbasen zu verwenden und die Länge der Schallwege von der Schallquelle über die beiden Empfänger je einer Basis gegeneinander abzugleichen, um so den wirklichen Richtungswinkel zu ermitteln. Die Abgleichung geschah hierbei entweder durch Abgleichung der freien Schallwege, d. h. durch Drehung der Basis oder durch Kompensation der in den freien Schallwegen vorhandenen Differenz mit Hilfe von Vorrichtungen zur Verlängerung oder Verkürzung der gebundenen Schallwege. Das erste Verfahren bedingt die Verwendung von drehbaren Basen im Medium, wobei man auf bauliche Schwierigkeiten stößt. Das zweite Verfahren erfordert

43894Ö

in ihrer Länge veränderbare Schallrohrleitungen oder Einrichtungen zur Änderung der Zeitverzögerung auf elektrischen Leitungen, wobei man mit Schwierigkeiten zu kämpfen hat, die ihren Grund in auftretenden Interferenz- und Resonanzerscheinungen haben. Es ist auch bereits bekannt, eine größere Anzahl von Empfängern im Kreise anzuordnen und mit einer drehbaren Schaltvorrichtung ίο zu verbinden, jedoch wird hierbei stets eine größere Anzahl von Empfängern gleichzeitig eingeschaltet, und die Einschaltung erfolgt nicht so, daß bei jedem Schaltschritt eine für einen neuen Sektor bestimmte neue Basis zur Verwendung gelangt. Auch ist es bekannt, Empfänger in Dreieck- oder Viereckform anzuordnen und die so entstehenden Basen unter Zwischenschaltung von Kompensatoren nacheinander zu gebrauchen. Bei der erstgenannten dieser beiden Einrichtungen gelangt man zu einer unwirtschaftlich großen Anzahl von Empfängern, während die zweite die obenerwähnten, mit den Kompensatoren verbundenen Schwierigkeiten aufweist. Diese Nachteile werden bei der Einrichtung nach der Erfindung vermieden. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß im Medium ein Ring von Meßbasen gebildet wird, dem an der Beobachtungsstelle ein zweckmäßig in Winkelgraden geeichter Kreisschalter zur Einschaltung der einzelnen Basen in geordneter Folge hintereinander entspricht. Die Forderung, daß die Meßbasen einen Ring bilden sollen, ist so aufzufassen, daß die Meßbasen so angeordnet sein sollen, daß sie in stetiger Aufeinanderfolge ein schrittweise in Sektoren über die ganze Ringlinie vorzunehmendes Abhorchen des Mediums gestatten. Es lassen sich daher zunächst einmal die Basen eines Halbkreises doppelt benutzen, so daß die Basen des zweiten Halbkreises fortfallen, und es lassen sich weiterhin die Basen des Halbkreises zu bestimmten, aus dem Halbkreis abzuleitenden Figuren zusammenstellen, so daß die sonst auf der Halbkreislinie liegende Anzahl von Basen auf einem wesentlich kleineren Raum zusammenliegt.

Die Erfindung wird am leichtesten verständlich an Hand der Abbildungen.

Es zeigt Abb. 1 und 2 das Grundprinzip der Erfindung,

Abb. 3 bis 9 verschiedene Figuren für verschiedene Basisanordnungen, Abb. 10 ein .Schaltschema einer Anlage nach der Erfindung,

Abb. 11 ein Ausführungsbeispiel eines Drehschalters und

Abb. 12 bis 15a eine Horchanlage nach der Erfindung mit ihren technischen Einzelheiten.

In der Abt). 1 bezeichnen die arabischen Ziffern Schallempfänger, die fest an einem Schiff oder sonstwie auf dem Erdboden oder Meeresboden angeordnet sind. Die römischen Ziffern bezeichnen die von je zwei Empfängern gebildeten Basen. Von den ' Empfängern führen getrennte doppeladrige Leitungen zu einem Drehschalter, wie er im Prinzip in Abb. 2 dargestellt ist. Dieser Drehschalter besitzt auf einem Kreise angeordnete Kontaktstücke, von denen je zwei mit je einem Empfänger des Basenkreises verbunden sind, so wie es die auf den Kontakten stehenden arabischen Ziffern anzeigen. Um den Mittelpunkt 13 des Schalters drehbar ist eine Kontaktbrücke mit fest verlegten Leitungen 14, 15 und 16, 17. Die Enden dieser Leitungen münden einerseits in Schleifkontakte, welche ihrer Lage nach den Kontaktpaaren I, 2, 2, 3 usw. entsprechen und mit diesen Paaren in Verbindung treten, je nachdem der Kontaktarm um den Mittelpunkt gedreht wird. Andererseits sind die Leitungen 14 bis 17 an die Batteriestromkreise für die Mikrophone der Basen angeschlossen, mit denen transformatorisch die Telephone 18, 19 verbunden sind. Eine Rastervorrichtung 20, 21 dient dazu, bei der Drehung ein Gefühl dafür zu geben, wann der Kontaktarm auf die Kontakte einer Basis eingestellt ist. Als weiteres Grundelement besitzt die Vorrichtung einen Zeiger 22, der um dieselbe Achse 13 wie der Kontaktarm, aber unabhängig von diesem, gedreht werden kann.

Die Vorrichtung wird wie folgt gehandhabt:

Angenommen, der Schall treffe in Richtung des Pfeiles in Abb. 1 ein. Der Beobachter dreht alsdann den Kontaktarm, bis der Schall, der beispielsweise beim Beginn der Drehung immer von links zu kommen schien, nunmehr von rechts eintrifft. Dieser Über-, gang würde bei der hier gemachten Annahme stattfinden beim Umschalten von der Basis II auf die Basis I. Xun arbeitet der Beobachter nur mehr mit diesen beiden Basen allein, indem er durch Hin- und Herschalten zwischen ihnen feststellt, unter welchem Winkel beim Einschalten der Basis I der Schall von rechts und unter welchem er beim Einschalten der Basis II von links zu kommen scheint. Hieraus läßt sich erfahrungsgemäß durch Kombination dieser beiden Winkel der genaue Richtungswinkel dadurch peilen, daß der Beobachter während des Umschaltens den bewegHchen Zeiger 22 gefühlsmäßig in die Richtung dreht, aus welcher er zu hören glaubt.

Es muß erwähnt werden, daß beim Durchdrehen des Kontaktarmes über den ganzen Kreis zwei Stellungen auftreten, in denen der Schalleitidruck von rechts nach links bzw. umgekehrt hinüberwechselt. Es sind dies

einerseits die erwähnte Stellung auf Basis I und II und andererseits die Stellung auf Basis VII und VIII. Der Beobachter hat aber ohne weiteres ein Kriterium dafür, welches die richtige Stellung ist. Es muß nämlich der Schallstrahl sich entgegen dem Drehsinn des Kontaktarmes verschieben, wenn er die richtige Seite eingestellt hat. Das ist der Fall bei Benutzung der Basis I und II in dem an-

ίο genommenen Beispiel, denn wenn er den Kontaktarm in der Richtung des gefiederten Pfeiles in Abb. ι herumdreht, dann hat er an der Basis I Rechtseindruck und an der Basis II Linkseindruck. Der Schall ist also entgegen dem Uhrzeigersinn (von rechts nach links) gewandert, während die Drehung im Uhrzeigersinn (Von links nach rechts) stattgefunden hat. Dreht er weiter bis zur Basis VII und VIII, dann findet auch dort ein Umspringen des Schallstrahls über den Mitteneindruck hinweg statt, aber in derselben Richtung wie die Zeigerdrehung.

" Es wäre nun Raumverschwendung und

auch in der Praxis kaum möglich, einen derartigen Kreis von Basen in Wirklichkeit zu verwenden, besonders wenn die Auslegung der Empfänger etwa im Wasser oder an Bord eines Schiffes erfolgen sollte. Vorteilhafter ist es, jede Basis nach zwei Richtungen hin zu verwenden. Man kommt alsdann mit der Hälfte aus, weil diejenigen Basen, die sich an den Endpunkten eines Durchmessers gegenüljer liegen, eine gerade Anzahl von Basen vorausgesetzt, untereinander parallel, also vertretbar sind. Hieraus würde sich also eine Basenanordnung ergeben, wie sie Abb. 3 zeigt.

Aber auch dabei wird man hinsichtlich der Raumersparnis nicht stehenbleiben, sondern man kann, wie aus den in dem Halbkreis der Abb. 3 eingezeichneten Quadraten und Dreiecken abgeleitet werden kann, die Empfänger ; auch so anbringen, wie es in der Abb. 4 oder f der Abb. 5 dargestellt ist. Die Anordnung der Abb. 6 ergibt sich aus der Anordnung der Abb. 4. Da dort die Empfänger 2, 3, 4 und 6 die Ecken eines Quadrats bilden, kann der Empfänger 4 die Funktion des Empfängers 3 ebenfalls mit übernehmen. Diese Anordnung -der Abb. 6 ist insofern in einer Beziehung merkwürdig, als sie bei der Verwendung von zwölf Meßbasen (jede der sechswinkligen Basen wird doppelt verwendet) gestattet, mit der kleinsten möglichen Anzahl von fünf Empfängern auszukommen, während man bei den Anordnungen der Abb. 4, 5, 7 und 8 sechs Empfänger braucht. Eine ähnliche Sparanordnung ergibt sich im übrigen aus der Abb. 5, und zwar diejenige der Abb. 9, die ebenfalls nur fünf Empfänger aufweist Gegenüber diesem Vorteil haben die Anordnungen der Abb. 6 und 9 aber den Nachteil, daß ein einzelner Empfänger, und zwar derjenige, von dem vier Basen ausgehen, die Verwendungsmöglichkeit aller vier von ihm ausgehenden Basen vernichtet, wenn er aus irgendeinem Grunde defekt wird. Praktisch vorteilhafter ist es daher, die Anordnungen der Basen nach Abb. 7 und 8 zu wählen, bei denen der Ausfall eines Empfängers zwar auch zwei Basen außer Betrieb setzt, niemals aber zwei solche, die bei der Messung nacheinander benutzt werden müssen, so daß eine beschränkte Verwendungsmöglichkeit der Einrichtung auch nach Ausfall eines Empfängers bestehen bleibt mit der Einschränkung, daß dort, wo ein Empfänger ausfällt, der Schritt von einer Basis zur nächsten den · doppelten Winkel ausmacht, d. h. also mit halber Genauigkeit an dieser Stelle.

Zu der Basenanordnung der Abb. 8 ist noch zu bemerken, daß die Empfänger der Basen relativ nahe aneinanderrücken und daß es wegen der vorkommenden Beeinflussungen nahe aneinander befindlicher Empfänger vorteilhafter ist, die Basendreiecke nicht in der gleichen Ebene, sondern übereinander anzuordnen, wie es später in Abb. 12 an einem praktischen Beispiel dargestellt ist.

Der Neigungswinkel aufeinanderfolgender Basen gegeneinander ist gegeben durch die

360

Grad, worin η die Anzahl der Basen

bezeichnet.

Die Anzahl der Doppelkontakte, die an der Schaltvorrichtung erforderlich sind, kann im allgemeinen nicht entsprechend der Anzahl der Empfänger vermindert werden. Sie beträgt stets 2n, worin η wiederum die Anzahl der verwendeten Basen ist. Hierbei zählt" naturgemäß jede Basis so oft, als sie in Wirklichkeit verwendet wird, bei den Anordnungen der Abb. 2 bis 9 also doppelt. Diese Verhältnisse sind durchgezeichnet in der Abb. 10, in welcher eine aus übereinander angeordneten Dreiecken bestehende Basisformation auf einem Schiff und der zugehörige Drehschalter dargestellt sind. Die Empfänger, die Doppelleitungen und die Kontaktstücke tragen entsprechende arabische Zahlen. Der Kontaktkreis ist ferner ditrchbezeichnet mit den Gradzahlen ο bis 360. Außerdem sind bei dieser Anordnung drei unabhängig bewegliche Zeiger 22, 23 und 24 vorgesehen. Von diesen dient der Zeiger 23 zur Einstellung der empfundenen Richtung, beispielsweise auf der einen Basis, der Zeiger 24 zur Einstellung der empfundenen Richtung auf der nächsten Basis und der Zeiger 22 zur Einstellung der mittleren Richtung. Auch ist bei dieser Anordnung die Verbindung der Mikrophonkreise mit den Kontaktbrücken 15

bis 18 nicht fest, sondern es sind kreisförmige Kontaktbahnen 25 bis 28 vorgesehen, auf denen Schleifkontakte 29 bis 32 schleifen. Die Abb. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drehschalters für eine Einrichtung nach Abb. 10. Dieselbe besteht aus einem senkrechten, in einem Lager 33 drehbaren hohlen Schaft 34, der unten Schleifkontakte 35 und oben eine Kreisscheibe 36 trägt. Die Ziffern der Schleifkontaktbrücken 1 bis 5 entsprechen den Ordnungszahlen der Leitungen, die von den Empfängern 1 bis 5 der Abb. 10 herkommen. Die Schleifringe 35 sind durch in den hohlen Schaft verlegte Leitungen 37 mit !5 auf dem Umfang der Kreisscheibe 36 angebrachten Kontaktstücken 37 bis 47 verbun-' den. Diese Kontaktstücke entsprechen einem Teil der in der Abb. 10 mit den Ordnungszahlen der Empfänger bezeichneten Doppelkontakte auf dem Umfang der Kreisscheibe. Der Empfängerstrom wird von den Doppelkontakten abgenommen mit Hilfe der Kontaktbrücken 48, 49 und zweier weiterer nicht gezeichneter Kontaktbrücken für das Telephon. Konzentrisch zur Kreisscheibe ist ein Ring 50 fest gelagert, auf dem die drei Zeiger 23, 24, 25 schleifen, die im übrigen mit loser Reibung auf dem über die Kreisscheibe hinaus verlängerten Schaft 34 sitzen. Ein Knopf 51 dient zur Drehung der Kreisscheibe.

Bei dieser Einrichtung wird nicht eine Kontaktbrücke gedreht, sondern die Scheiben mit den Basiskontakten selbst. Das hat den Zweck, dem Beobachter das Basispaar, mit dem er schließlich die Messung vollführt, scheinbar immer vor sich zu bringen, so daß er den Rechts- und Linkswinkel wirklich richtig schätzen kann entsprechend derjenigen Stellung, die er selbst zum Meßapparat einnimmt. Bei einer Apparatur, bei welcher die Kontaktscheibe feststeht und die Kontaktbrücke gedreht wird, würde er Rechts- und Linkswinkel zu schätzen haben bei ganz verschiedenen Lagen seiner Kontaktbrücke, ein Umstand, der erfahrungsgemäß leicht zu Fehlschätzungen führt.

In der Abb. 12 ist eine Kombination von zwei Basisdreiecken nach Abb. 8 an einem auf dem Meeresboden aufgestellten Dreibein dargestellt. Zwei Empfänger 4 und 5 von den sechs Empfängern nebst den zugehörigen Kabeln 52, 53, der Anschlußdose 54 und dem Hauptkabel 55 sind gezeichnet. Die sechs Empfänger sind befestigt an Ringen 56, 57, welche ihrerseits an den Beinen des Dreibeins 58 befestigt sind und- in übereinanderliegenden Horizontalebenen liegen. Die Abb. 13 zeigt dieselbe Einrichtung in der Aufsicht mit schematischer Führung der Doppelleitunöo gen von den Empfängern zum Drehschalter. Der Drehschalter selbst ist hier in etwas anderer konstruktiver Ausführung zunächst im Schnitt in Abb. 14 dargestellt. In einem Gehäuse 59, \velches eine untere Wand 60 und eine obere Wand 61 besitzt, sind außen in einem Kreise Kontaktstücke 62, 63 usw. angeordnet, von denen die senkrecht übereinanderliegenden paarweise zusammengehören und je mit den Doppelleitungen, z. B. 1, 1, des gleichen Empfängers verbunden sind. Diese Kontaktpaare bilden paarweise nebeneinanderliegend wiederum je eine Basis. Durch die Mitte des Gehäuses 59 erstreckt sich ein drehbarer Schaft 34 mit Drehknopf 51, welcher im Gehäuse eine Scheibe 64 und außerhalb des Gehäuses eine Scheibe 65 trägt. Diese innere Scheibe trägt vier Kontaktbrücken 66, 67 und 68, 69, von denen zwei zusammengehörige 66, 67 länger und die beiden anderen kurzer sind und von denen jedes Paar auf zwei kongruenten und konzentrischen Schleifringen 70, 71 und 72, 73 schleift. Mit diesen Schleifringen, und zwar immer mit den beiden gleich großen an jeder der beiden fest angeordneten Horizontalwände des Gehäuses 59 ist je eine Hör vorrichtung mit Telephon leitend verbunden.

In der Abb. 15 sind die Scheiben 60, 61 auseinandergeklappt dargestellt, und man sieht die Kontaktpaare und die Schleifringe offen liegen. Entsprechend bezeichnet ist nur das eine Kontaktpaar 62, 63, welches mit dem Empfänger 1 in Abb. 14 verbunden ist. Die anderen Verbindungen erfolgen sinngemäß. Hier sind auch die Leitungen 74, 75 und 76, 77 dargestellt, die zu den Batterien 78, 79, den Schaltern 80, 81, den Transformatoren 82, 83 und den Telephonen 84, 85 führen. Die Zeiger 22, 23, 24 sind hier, wie die Abb. 15a zeigt, ersetzt durch Reiterchen 22 bis 24, die auf dem Umfang des Gehäuses 59 verschiebbar sind und ebenso zur gefühlsmäßigen Einstellung des wahren Richtungswinkels dienen, wie es bei den Zeigern geschildert war. In der Abb. 15a sieht man den Drehschalter von oben abgedeckt durch die Scheibe 65. Diese Scheibe ist in sinngemäßer Weise in Grade von ο bis 360 eingeteilt.

Es liegt auf der Hand, das die figürlichen no Darstellungen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung sind. Insbesondere ist die Zahl der Basen auf ein Mindestmaß beschränkt. Durch ihre Vermehrung, die natürlich mit einer entsprechenden Vermehrung der zu verwendenden Empfänger verknüpft ist, kann man die Meßgenauigkeit beliebig vergrößern. Bei den angeführten Beispielen springt die Einstellung jedesmal um 30⁰. Hat man die beiden benachbarten Basen, zwischen denen der Richtungseindruck umspringt, so sind Seitenwinkel von 15° nach jeder Seite mög-

lieh. Da die Schätzungsgenauigkeit für solche Winkel erfahrungsgemäß +2° beträgt, würde sich eine Einstellgenauigkeit von 4° schon bei dieser relativ primitiven Anord-S nung ergeben, die aber noch vergrößert wird durch die Differenzwirkung bei der unmittelbar nacheinander erfolgenden Vergleichung der beiden Rechts- und Linkswinkel. Im allgemeinen kann man mit einer Genauigkeit der Richtungsbestimmung auf + 2° rechnen. Eine Verdoppelung der Basen bedeutet naturgemäß alsdann auch eine Verdoppelung der Genauigkeit. Für die Praxis reicht aber heute diese Genauigkeit bereits vollkommen aus. Wo geringere Genauigkeiten verlangt werden, kann man naturgemäß mit drei doppelt verwendeten Basen als Mindestzahl auskommen, die ein gleichseitiges Dreieck bilden.

Eine Vermehrung der Basen führt naturgemäß auch zu anderen geometrischen Figuren für die räumliche Anordnung der Basen, wie sie in den Abb. 3 bis 9 dargestellt sind. Alle solchen Anordnungen ergeben sich aber durch Zerlegung der Kreisfläche in geometrische Figuren, wie es für zwölf Basen an Hand der Abb. 3 und folgende auseinandergesetzt ist, und alle diese Figuren haben das gemeinsame Charakteristikum, daß sie einen wesentlich kleineren Raum einnehmen als der volle Basenkreis.

Die Vorteile der Anordnung nach der Erfindung gegenüber dem in der Einleitung erwähnten Richtungsverfahren sind folgende: Zunächst ist die Messung ohne weiteres eindeutig, ohne daß schwierige Überlegungen wie bei zwei rechtwinklig gekreuzten Basen oder gar komplizierte, automatisch wirkende Auswahlvorrichtungen nötig wären. Weiterhin braucht kein Apparat im freien Medium gedreht und keine Schallrohrleitung in ihrer Länge verändert zu werden. Alsdann ist, wenn man die Drehschalter nach dem Prinzip der Abb. ir und 13 bis 15 verwendet, der Eindruck psychologisch \^röllig naturgetreu, der Wirklichkeit entsprechend und in der richtigen Lage zur Stellung des Beobachters am Apparat. i

Claims (7)

1. Patent-Ansprüche: i

   i. Einrichtung zur eindeutigen Richtungsbestimmung von Schallwellen nach dem binauralen Verfahren mit Hilfe fester, zur Bestreichung einer Kreisfläche hintereinandergereihter Meßbasen, die durch eine Schaltvorrichtung nacheinander eingeschaltet werden können, gekennzeichnet durch eine größere Anzahl (mehr als drei) von aus je zwei Empfangsvorrichtungen gebildeten Meßbasen, die, als Sehnen einer Kreislinie gezeichnet, die Ringlinien schließen und in gleichen Winkeln zueinander geneigt sind und die ohne Kompensationsvorrichtung mit der Beobachtungsstelle verbunden sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gerader Anzahl der Basen für die im Schallfelde von 360⁰ um i8o° auseinanderliegenden Basen die gleichen Empfänger benutzt werden.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung der Basenzahl des Halbkreises die Basen mit der Schaltvorrichtung so verbunden sind, daß sie bei der Bestreichung der Kreisfläche zweimal, und zwar für jeweils entgegengesetzte Sektoren, benutzt werden.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen der Halbkreisfläche zu einem gleichseitigen Polygon mit mehr als vier Ecken zusammengeschlossen sind.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen der Halbkreisfläche zu mehreren in sich geschlossene Figuren, gegebenenfalls unter Benutzung einzelner oder mehrerer Empfänger für mehr als zwei Basen, zusammengelegt sind.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu mehreren Dreiecken oder Polygonen zusammengeschlossenen Basen in übereinanderliegenden Flächen angeordnet sind.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer geraden Anzahl von in zwei Polygonen ioo angeordneten Basen die Basen in der Reihenfolge ihres Neigungswinkels abwechselnd auf das eine und auf das andere Polygon verteilt sind.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.

   Berlin, gedruckt in der Reichsdruckerei.