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Vorrichtung zur Richtungsbestimmung von Schallquellen mittels zweier
akustisch-elektrischer Empfangsgeräte. Es ist bekannt, zur Bestimmung der Schallrichtung
akustisch-elektrische ` Empfangsgeräte zu verwenden; die in einem bestimmten Abstand
voneinander angeordnet sind. Die Ströme, die in den Empfangsgeräten erzeugt werden,
beeinflussen ein Anzeigegerät, das die Phasenverschiebung der beiden Stromwellen
erkennen läßt. Beispielsweise wurden zwei Mikrophon- oder Telephonempfänger benutzt,
die an den Enden eines im Mittelpunkt drehbaren stangenförmigen Trägers angeordnet
sind. Die in den Empfängern erzeugten Ströme beeinflussen zwei Magnetisierungsspulen,
die derart an einer Braunschen Röhre angeordnet sind, daß die Form der Lichtlinie
des abgelenkten Strahlenbündels der Röhre die Phasenverschiebung auf einem Schirm
anzeigt.
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Eine derartige Anordnung hat insbesondere den Nachteil, daß die Phasenverschiebung
Null von einer Phasenverschiebung um ganze Perioden nicht unterscheidbar ist. Dies
macht sich z. B. störend bemerkbar, wenn als Signal Wellenzüge von einer so kurzen
Wellenlänge von der Schallquelle ausgehen, daß die Wellenlänge gleich oder kleiner
ist als der Abstand der beiden Empfangsgeräte. Dieser Fall kann besonders dann eintreten,
wenn der Abstand der beiden Schallempfänger zur genauen -Richtungsbestimmung verhältnismäßig
groß gewählt ist. Man würde z. B., wenn ein Zug von aufeinanderfolgenden Sinuswellen
das Signal bildet, in dem Phasometer Anzeige von Phasengleichheit erhalten, wenn
die beiden Wellenzüge. beider Empfangsgeräte gerade um eine volle Wellenlänge. verschoben
sind.
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Es ist weiter bekannt, zu Zwecken der Bestimmung von Schiffsorten
akustische Signale, die auf mehrere voneinander entfernt aufgestellte Empfänger
einwirken, oszillographisch aufnehmen. Es werden dabei die einzelnen Oszillogramm-e
auf demselben Registrierstreifen übereinander aufgetragen und gleichzeitig mit ihnen
eine Zeitmarkierung, z. B. eine in bekannter Weise mittels Stimmgabel erzeugte Wellenlinie.
Bei der oszillographischen Aufnahme ist der erwähnte Mangel des Phasometers vermieden.
Dagegen müssen die Oszillogramme ausgemessen werden, um den Zeitabstand der Schallankunft
in den verschiedenen Empfängern festzulegen,
worauf durch Berechnung
der Schiffsort gefunden wird. Die Abb. i zeigt in schematischer Darstellung ein
derartiges Mehrfaehoscillogramm mit Zeitlinie. Die Kurven der Signale sind über
den Grundlinien 1i, z2, 13
aufgezeichnet, die Zeitlinie als Sinuswelle 1q..
Die punktierten Linien 15 zeigen, wo das Lineal anzulegen ist, um den Zeitabstand
der Signale zu ermitteln.
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Es ist ferner bekannt, die Verwendung eines Lineals dadurch zu vermeiden,
daß die Aufzeichnungen einer größeren Anzahl von Empfängern auf einen mitTeilung
versehenen Papierstreifen erfolgen.
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Gemäß der Erfindung wird die Phasenverschiebung in den Stromkreisen
der in bekannter Weise auf einem drehbaren Träger angeordneten akustisch - elektrischen
Empfangsgeräte dadurch angezeigt, daß entweder die beiden den Empfängern zugeordneten
Kurvenbilder mit entgegengesetztem Ausschlagssinne in solcher Entfernung nebeneinander
oszillographisch aufgezeichnet -werden, daß die einander zugekehrten entsprechenden
Spitzen der Kurven sich gerade berühren oder gerade schneiden oder daß in einer
einzigen Kurve durch Summierung oder Subtrahierung der beiden phasenverschobenen
Spannungen die Phasenverschiebung ablesbar ist. In letzterem Falle -wird vorzugsweise
das von der Nullmethode her an sich bekannte Mittel des Gegeneinanderwirkens der
zu vergleichenden Größen benutzt. Zweckmäßig sind bei der neuen Einrichtung Verstärker
in an sich bekannter Weise zwischen Empfangsgeräte und Anzeigevorrichtung eingeschaltet.
Bei diesen Anordnungen ist die Phasenverschiebung sofort gut erkennbar, auch -wenn
sie ganze Perioden beträgt. Eine Messung der Phasenverschiebung kommt bei dem binauralen
Richtungsbestimmungsverfahren nicht in Frage, sondern Zweck der Kenntlichmachung
der Phasenverschiebung ist, sie durch Drehen des Trägers beseitigen zu können.
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Abb. 2 zeigt schematisch ein Beispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung.
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In Abb.2 treffen die von einer Schallquelle i ausgehenden Schallwellen
auf zwei akustisch-elektrische Empfangsgeräte .f, 4', die an einem gemeinsamen,
um seinen Mittelpunkt 2 drehbaren Träger 3 angeordnet sind. Auf der Drehachse 2
dieses Trägers ist außerdem ein Zeiger 7 befestigt, der sich beim Drehen des Trägers
3 über einer Skala8 verstellt. An dieser Skala ist der Winkel ablesbar, um den der
Träger 3 gedreht ist, wenn er in der strichpunktiert angedeuteten symmetrischen
Stellung 3' der Empfangsgeräte q. und d.' mit Bezug auf die Schallquelle i angelangt
ist. An die Empfangsgeräte 4 und @.' sind Ver stärkeranordnungen ,5 und 5' beliebiger
Art angeschlossen. Die den Verstärkern entnommenen Ströme wirken auf zwei Meßschleifen
6, 6' eines Oszillographen ein. Vorhandene Spitzen der Kurven werden zweckmäßig
in bekannter Weise durch Anordnung von Kondensatoren verschärft, um den Vergleich
der Verschiebung der Kurven gegeneinander zu erleichtern.' Abb. 3 zeigt die zwei
getrennten Kurven. Die Nullinien 16 und 17 der beiden gleichen entgegengesetzt
gerichteten Kurven 18 und i9 - der Amplitudenunterschied ist wegen der weiten Entfernung
der Schallquelle im allgemeinen zu vernachlässigen - sind ungefähr auf solchen Abstand
eingestellt, daß die zur Messung dienenden Kurvenspitzen bei 2o sich entweder eben
berühren oder ein wenig überschneiden.
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Die oszillographische Aufzeichnung des Schalles hat bei der Schallrichtungsbestimmung
noch einen besonderen Vorteil, der bei der Schiffsortung von der Küste aus nicht
in Frage kommt und beim Phasometer nicht vorhanden ist. Sie gestattet nämlich, nicht
nur die Form der Schallkurve bei den einzelnen Signalen, z. B. die Zusammensetzung
eines Morsezeichens, aus den Einzelteilen zu erkennen, sondern auch die Höhe der
einzelnen in das Zeichen eingehenden Töne festzustellen. 'Die Erkennung der Morsezeichen
würde ja vielleicht überflüssig sein, da sie durch das Gehör selbst wahrgenommen
werden. Indessen, werden Signale, die sich aus kürzeren und längeren Strichen in
gesetzmäßiger Folge zusammensetzen, in dem Osz@logramm weit deutlicher und leichter
unterscheidbar -wiedergegeben, als sie das Ohr aufnehmen kann. Was die Frequenz
betrifft, so ist diese in bekannter Weise durch einen Vergleich des Abstandes zweier
Punkte gleicher Phase für die Grundwelle oder Harinonischen und Vergleich dieses
Abstandes mit der Geschwindigkeit des die Beobachtungstrommel oder bei Verwendung
einer Mattscheibe den Spiegel antreibenden Motors einfach festzustellen. Es ist
dabei nicht erforderlich, den Motor auf solche Tourenzahl einzustellen, daß die
von beiden Empfängern erzeugten Signalbilder stillzustehen scheinen. Die Beobachtung
und sogar auch dieMessung der Wellenlänge läßt sich auch an einem nicht zu schnell
laufenden Bild ohne Schwierigkeit ausführen. Es genügt, für eine bestimmte Geschwindigkeit
den Abstand zweier Punkte gleicher Phase im Oszillographen zu messen, um die Tonhöhe
angeben zu können. Der Oszillograph hat auch noch den Vorzug, daß sein Empfang nicht
so begrenzt ist wie der des Ohres, so daß Wellen zuverlässig angegeben werden, für
die das Ohr nicht mehr
oder wenigstens nicht hinreichend empfindlich
ist. Dies kann besonders für tiefe Töne in Frage kommen, wie z. B. das Auspuffgeräusch
eines Motors. Bei sehr hohen Frequenzen läßt sich, wie ein Vergleich der Wellenlänge
mit dem Abstand der Empfänger zeigt, bei Verwendung eines Gerätes gemäß der Erfindung,
das nicht nur die Phasengleichheit, sondern auch die Zuordnung der Einzelwellen
beider Empfänger erkennen läßt, die Richtung mit einer großen Genauigkeit bestimmen,
da schon eine sehr kleine Drehung des Trägers der Empfänger hinreicht, um eine Phasenverschiebung
von einer vollen Wellenlänge zu erzeugen.
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Die Abb. 4. zeigt an einem Beispiel den Vorteil der Anordnung nach
der Erfindung gegenüber der Aufnahme durch einen Phasenmesser. Das Signal besteht
aus fünf gleichen Wellen. Die beiden Empfänger erhalten das Signal um eine Wellenlänge
verschoben: dann gibt eine Aufzeichnung der Kurve entsprechend Abb. 3 die Zeichnung
Abb. q.. Ein Phasometer würde die vorhadene Verschiebung nicht erkennen lassen.
Weniger günstig würde bei den gleichen Signalen die Anordnung beider Kurven auf
gemeinsamer Nullinie sein; denn dabei würde sich bei Phasenverschiebung um eine
Wellenlänge nur eine scheinbare Änderung der Wellenzahl ergeben. Man würde nämlich,
wie in Abb. 6, bei einem Signal von fünf Wellenlängen scheinbar ein solches von
sechs Wellenlängen erhalten. Das Abzählen der Wellen «-are eine unerwünschte Erschwerung
der Beobachtung.
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Der Vergleich der beiden Schallkurven kann dadurch vereinfacht werden,
daß die in den beiden akustisch-elektrischen Empfängern erzeugten elektromotorischen
Kräfte in denselben Stromkreis eingeschaltet werden und auf dieselbe Oszillographenschleife
wirken. Sie können dabei in Reihe oder entgegengesetzt geschaltet sein. Abb.5 zeigt
diese Anordnung. Die Ziffern entsprechen denen der Abb. z. Für beide Empfangsgeräte
ist eine einzige Verstärkeranordnung 5" und eine einzige Meßschleife 6" vorgesehen.
Abb. 6 ergibt das Kurvenbild der Signale für Reihenschaltung. Daß eine Verschiebung
stattgefunden hat und infolgedessen eine Überdeckung, läßt sich daran .erkennen,
daß die mittleren Amplituden doppelte Höhe Haben wie die der Enden oder auch, wenn
die Wellenzahl bekannt ist, ebenso wie in Abb.4 an der scheinbaren Vergrößerung
der Wellenzahl. Praktischer ist die Schaltung der elektromotorischen Kräfte gegeneinander,
wobei sich das Kurvenbild 7 ergibt, in dem von jeder Kurve nur so viel stehenbleibt,
als der Phasenverschiebung der Signale entspricht.
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Die im vorigen erwähnten Oszillographen brauchen nicht die Kurven
richtig zu zeichnen, wie es bei ihrer gewöhnlichen Verwendung der Fall ist, da es
sich ja stets um Ermittlung der Phasenverschiebung zweier gleicher Kurven handelt,
für welche beliebige gleiche Verzerrungen beider Kurven ohne Belang sind. Das oszillographische
Gerät kann daher wesentlich gröber ausgeführt sein als ein eigentlicher Oszillograph.
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In der vorhergehenden Darstellung ist stillschweigend die Voraussetzung
gemacht, daß die Entfernung der Schallquelle groß gegen den Abstand der Schallempfänger
ist und daß demgemäß keine nennenswerten Unterschiede in der Amplitude der von beiden
Empfängern erzeugten Ströme auftreten. Sollten solche Unterschiede auftreten, die
den Vergleich der Kurven im Oszillogramm stören, so kann man durch bekannte Mittel
in einem oder beiden Stromkreisen die Amplituden auf gleiche Stärke regeln. Anderseits
kann man bei genügend großer Amplitudendifferenz das Verh>iltnis der Amplituden
auch zur Schallrichtungsbestimmung benutzen.
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Die neue Vorrichtung kann außer zur Richtungsbestimmung in an sich
bekannter Weise gleichzeitig auch zur Entfernungsbestimmung von Schallquellen verwendet
werden, wenn man mindestens noch ein weiteres Empfangsgerät benutzt.