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Einrichtung zum gerichteten Senden bzw. zum Richtungsempfang von Schallwellen
Für das Aussenden von Schallschwingungen in bestimmte Richtungen sowie für die Richtungsbestimmung
von Schallwellen beim Empfang benutzt man in neuerer Zeit vielfach Gruppenanordnungen
von einzelnen, in bestimmten Abständen voneinander angeordneten Schallsendern bzw.
Empfängern. Wenn bei solchen Anordnungen die Sender bzw. Empfänger durch Schwingungen,
die eine gewisse Phasenverschiebung gegeneinander in den einzelnen Apparaten besitzen,
erregt werden, sd ergeben sich infolge der Interferenzwirkungen Richteffekte derart,
daß in bestimmten, durch die Phasenbeziehungen gegebenen Richtungen sich die Wirkungen
der einzelnen Apparate addieren und die Maxima der Lautstärke ergeben, während in
anderen Richtungen die Wirkungen sich aufheben und zu Minima der Lautstärke führen.
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Es ist einerseits bekannt, durch Drehung der Apparategruppen im Raum
den Richtvektor im Raum zu verschwenken und auf diese Weise entweder nach bestimmten,
gewollten Richtungen hin zu senden oder die Richtung von Schallwellen, die an den
Empfangsapparaten eintreffen, zu bestimmen. Andererseits ist es bekannt, daß eine
ähnliche Wirkung (Schwenkung des Richtvektors) mit Hilfe von akustischen oder elektrischen
Kompensationseinrichtungen erzielt werden kann. Besondere Bedeutung hat dieses Verfahren
"in der Unterwasserschalltechnik erlangt.
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Da die Drehung der Apparategruppen (Drehbasismethode), die meistenteils
auf Schiffen eingebaut werden, im Wasser sehr unbequem ist und infolge der bei der
Drehung auftretenden Störungsgeräusche die Beobachtung außerordentlich erschwert
wird, wird meistens die Kompensationsmethode vorgezogen, bei der die Empfänger fest
am Schiff angeordnet sind und die Drehung des Richtvektors durch Einschaltung z.
B. von elektrischen Verzögerungsketten in den einzelnen Apparateleitungen erfolgt.
Diese elektrische Kompensationsmethode hat nun den Nachteil, daß die Schärfe der
Richtwirkung erheblich abhängig ist von dem Richtungswinkel. Bei gleichphasiger
Erregung der Sender bzw. Empfänger ist die Richtwirkung am schärfsten, während sie
mit größer werdendem Winkel immer ungenauer wird.
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Demgegenüber erhält man bei der obenerwähnten Drehbasismethode eine
solche Abhängigkeit der Schärfe der Richtungsbestimmung von dem Neigungswinkel nicht.
Die Richtwirkung hat immer die gleiche Schärfe, da der maximale Richtvektor immer
senkrecht zur Basis steht. Im Hinblick auf die Schärfe der Richtwirkung ist also
die Verwendung der Drehbasismethode wesentlich vorteilhafter.
Das
Wesen der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, daß die Vorteile beider Methoden
in zweckmäßiger Weise kombiniert werden. -Nach der Erfindung ist die Richtung der
Maximalwirkung der gesandten bzw. empfangenen Schwingungen einer Mehrzahl von Schallsendern
bzw. Schallempfängern, welche mit einer Kompensationseinrichtung für Phasenausgleich
der zu sendenden bzw. zu empfangenden Schwingungen akustisch oder elektrisch verbunden
sind, durch räumliche Verlagerung gegenüber dem Aufstellungsort einstellbar. Demgemäß
kann man z. B. zum gerichteten Senden bzw, zum Richtungsempfang von Schallwellen
eine Gruppe von einzelnen, in bestimmter geometrischer Vertei, lung angeordneten
Sendern bzw. Empfängern, die drehbar oder verschiebbar angeordnet und elektrisch
mit einer Kompensationseinrichtung verbunden sind, benutzen, und beim Betrieb wird
die Sender- bzw. Empfängergruppe durch Drehung bzw. Verschiebung zunächst in eine
für die erstrebte Richtwirkung günstige Lage gebracht und dann durch die Kompensationseinrichtung
die endgültige Einstellung der Richtcharakteristik vorgenommen. Diese Methode hat
den Vorteil, daß man trotz des bequemen Arbeitens mit einer elektrischen Kompensationsvorrichtung
in jeder Winkelrichtung eine große Richtschärfe erzielen kann und umgekehrt bei
der Beobachtung selbst störende Wassergeräusche durch die Drehung der Gruppen im
Wasser nicht hat. Weiter besteht der außerordentliche Vorteil, daß man die elektrischen
Verzögerungsketten, also den elektrischen Kompensator, wesentlich kleiner dimensionieren
kann, als dies bei feststehender Empfängerbasis möglich ist. Da man die Basis bei
der Beobachtung schrittweise drehen kann, braucht man die Einstellung der endgültigen
Phasenverhältnisse mittels des elektrischen Kompensators nur in einem relativ kleinen
Winkel, z. B. 3o° bzw. 6o°, je nachdem in welchem Schritt man die Lage der Drehbasis
ändert, vorzunehmen. Der elektrische Kompensator stellt also gewissermaßen nur die
Feineinstellung ;der Apparatur dar, während die Grobeinstellung durch die Drehbasis
vorgenommen wird.
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Die Erfindung ist an Hand der Fig. i bis q. beispielsweise und schematisch
veranschaulicht.
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Fig. i zeigt die Richtcharakteristiken einer linearen Sender- bzw.
Empfängergruppe bei verschiedenen Einstellungen der Kompensationseinrichtung.
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In Fig. i sind drei Richtcharakteristiken a, b, c angedeutet.
Man erhält, wie aus dieser Abbildung deutlich ersichtlich ist, wein man die Apparate
gleichphasig schwingen läßt, eine sehr scharfe Richtcharakteristik senkrecht zur
Verbindungslinie A der Apparate, während mit größer werdender Phasenverschiebung
der Schwingungen durchKompensationsmittel und damit zusammenhängender, größer werdender
Neigjung derRichtcharakteristik gegen die Senkrechte auf der Verbindungslinie die
Richtwirkung an Schärfe mehr und mehr verliert.
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Fig. 2 zeigt eine Einrichtung nach der Erfindung än Bord eines überwasserschiffes,
Fig. 3 eine ähnliche , Vorrichtung für ein Unterseeboot, Fig. ¢ eine Einrichtung
für eine Küstenstation, bei der die Apparategruppe auf dem Meeresgrunde aufgestellt
ist.
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In Fig. 2 stellt i eine Schiffswand dar, an der eine Drehbasis 2 angeordnet
ist, indem ein Schaft q. derselben in Haltern 3 drehbar gelagert ist. Die Drehbasis
kann mit Hilfe eines Handrades 5 in ihrer horizontalen Lage im Wasser gedreht werden,
so daß der Richtungswinkel von Schallwellen, die aus horizontaler Richtung kommen,
beliebig klein gemacht werden kann. Die Drehbasis 2 selbst besteht aus einem Träger,
der zweckmäßig stromlinienförmige Gestalt hat und an dem z. B. sechs Empfänger oder
Sender 6 angebracht sind. Die Sender bzw. Empfänger sind durch den Schaft der Drehbasis
vermittels eines Kabels 7 reit einem elektrischen Kompensator 8 verbunden. Der Gleichstrom
zur Erregung der Empfänger wird einer Batterie 9 entnommen. Die Beobachtung des
Maximums der Lautstärke bzw. des Mitteneindruckes beim Richtungshören geschieht
mit Hilfe eines Telephonhörers io. Gegebenenfalls können die vom Kompensator kommenden
Ströme durch Verstärker noch verstärkt werden, bevor sie zum Telephon geführt werden.
Die Vorrichtung nach Fig.2 kann in folgender Weise benutzt werden: Soll z. B. die
Richtung ankommender Schallwellen bestimmt werden, so dreht mani die Drehbasis 2
zunächst in eine bestimmte Stellung, z. B. so, daß sie quer zur Fahrtrichtung steht
und die Senkrechte auf der Basis genau nach vorn zeigt. Man beobachtet dann mit
Hilfe des Telephonhörers i o, indem man den Kompensator, der z. B. die Kompensation
von Schwingungen in einem Sektor von 6o° in Phase zu bringen gestattet, verstellt,
ob ein Maximum oder Minimum der Lautstärke einer Schallquelle festzustellen ist.
Ist dies nicht der Fall, so dreht man die Basis um 6o° weiter, z. B. im Uhrzeigersinn,
beobachtet in dieser Stellung der Basis durch Einstellen des Kompensators wiederum
usf. Auf diese Weise ist es möglich, wenn z. B. die Schallquelle aus einer--Richtung
kommt, die gegen die Schiffslängsachse um 8o° geneigt ist, mit einer Basisstellung
zu arbeiten, die um 6o° gegen die Vorausrichtung geneigt ist,
so
daß man mit dem elektrischen Kompensator nur eine geringe Phasenverschiebung vorzunehmen
braucht, um das Maximum der Lautstärke zu erreichen. Bei einer geringen Verschiebung
der Phasen mit Hilfe der elektrischen Verzögerungsketten ist aber die Richtschärfe
größer, als wenn man die Basis in der Ausgangsstellung quer zum Schiff hätte stehenlassen
und den Phasenausgleich durch Vorschaltung größerer Verzögerungsglieder herbeigeführt
hätte.
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In Fig. 3 ist eine Drehbasis i i mit sechs Empfängern auf dem Deck
eines Unterseebootes 12 angeordnet. Diese kann vom Bootsimzern aus durch ein Handrad
13 mittels eines Seilzuges 1 ¢ gedreht werden. Die Empfänger der Drehbasis sind
durch eine Kabelleitung 15 mit einem Kompensator 16 verbunden, und die Wirkungsweise
ist analog der in Fig. 2 beschriebenen Einrichtung. Auf einem Unterseeboot ist z.
B. von besonderer Wichtigkeit die genaue Bestimmung der Schallrichtung nach vorn.
Bei dem bisher üblichen Einbau der Empfängerbasen in die Bordwand auf Backbord-
und Steuerbordseite liegt aber die Vorausrichtung gerade in Richtung der Verbindungslinie
der Empfänger, also in einer Richtung, die bei Benutzung eines elektrischen Kompensators
nur sehr ungenau bestimmt werden kann, weil die Richtcharakteristik nach dieser
Richtung hin besonders unscharf ist. Mit der vorliegenden Einrichtung wird man so
verfahren, daß man, um Schallrichtungen, die aus einem Winkel in der Nähe der Vorausrichtung
kommen, zu bestimmen, die Drehbasis i i mit Hilfe des durch das Handrad 13 betätigten
Seilzuges 14 quer zur Schiffsrichtung stellt. Dann kann man mit Hilfe eines relativ
sehr kleinen Kompensators-16 die Richtung von Schallwellen, die aus der Gegend der
Vorausrichtung kommen, mit der größtmöglichen Genauigkeit bestimmen.
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In Fig.4 ist schließlich eine Einrichtung gemäß der Erfindung schematisch
dargestellt, bei der eine Drehbasis 17 -an einem Grundgestell 18 auf dem Meeresboden
aufgestellt ist. Die Empfänger sind durch eine Kabelleitung ig mit einer Beobachtungsstation
2o an Land verbunden. In dem Grundgestell ist ein wasserdicht gekapselter Elektromotor
21 eingebaut, durch den die Drehbasis in jede beliebige Lage- gedreht werden kann.
Der Motor erhält seinen Strom durch das Kabel i g. Es ist eine elektrische Anzeigevorrichtung
vorgesehen, die die jeweilige Stellung der Basis im Wasser bei der Beobachtungsstation
anzeigt. Die Gebrauchsweise der Vorrichtung ist die gleiche wie bei den Vorrichtungen
nach den Fig. 2 und 3. Man stellt nacheinander die Drehbasis in verschiedene Richtungen
und beobachtet bei jeder solchen Stellung mit Hilfe des Kompensators auf der Beobachtungsstation.
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Es ist zu bedenken, daß bei Benutzung von nur einer Empfängergruppe
im allgemeinen eine Zweideutigkeit der Schallrichtungsbestimmung vorliegt, da ja
dieselben Phasenverhältnisse erzeugt werden, wenn die Schallwellen die Basis unter
einem gewissen Winkel von vorn oder unter einem gewissen Winkel von rückwärts erreichen.
Mit einer feststehenden Basis und elektrischem Kompensator ist eine Zweideutigkeit
überhaupt nicht zu beseitigen, wohl aber gelingt es, mittels der Drehbasis unter
Benutzung der binauralen Hörmethode Eindeutigkeit über die Richtung zu erzielen.
je nachdem, ob bei der Drehung im einen oder anderen Sinne das Schallbild nach links
oder rechts wandert, wird man schließen können, ob die Schallquelle voraus oder
rückwärts liegt.
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Die Erfindung ist naturgemäß nicht beschränkt auf die Kombination
von Empfängergruppen, die in gerader Linie an einem Träger befestigt sind, mit einem
elektrischen Kompensator, sondern kann in entsprechender Weise auch Anwendung finden
auf Gruppenanordnungen von Sendern bzw. Empfängern in irgendeiner anderen geometrischen
Anordnung, z. B. bei Kreisgruppen oder Gruppen von Apparaten, die gleichmäßig über
Flächen verteilt sind. An Stelle der Drehung kann naturgemäß auch eine Verschiebung
oder sonstige Art der Verlagerung der Apparate im Raum stattfinden.