DE523082C - Unterwasserschallgeraet mit Wasserresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wasserresonatoren und insbesondere solche Resonatoren, welche im Innern eines Fahrzeuges oder auf der Außenhaut desselben angebracht sind.
Resonatoren stammen aus der Zeit von Helmholtz, welcher als erster die Theorie ihrer Wirkungsweise erklärt und insbesondere ihre Anwendung für den Resonanzfall in Luft gezeigt hat. Seit dieser Zeit ist wenig Fortschritt in der Anpassung derselben für den Gebrauch bei der Unterwassersignalgebung erzielt worden. Versuche sind zwar angestellt worden, Wasserresonatoren zu verwenden, wie die amerikanischen Patente 1 301 034 und 130103s für Burgess und Genossen zeigen, aber augenscheinlich, ist dabei der Resonator selbst als gegeben angenommen worden, und es wurde nicht daran gedacht, festzustellen, welche Bauart oder besondere Art des Resonators für ein erfolgreiches Arbeiten desselben erforderlich ist. Tatsächlich ist bis zu der vorliegenden Erfindung es für unmöglich gehalten worden, einen Resonator zu schaffen, welcher praktisch ist und mit Nutzen in einem Wassermedium arbeiten kann. Diese allgemeine Ansicht kommt in dem deutschen Buch von Franz Äigner, Unterwasserschalltechnik, 1922, Seite 79, insbesondere im letzten Absatz, sowie auf Seite 80, 1. Absatz, zum Ausdruck. Nachdem der Verfasser zuerst dargelegt hat, daß das Wasser 35oomal so schallhart als Luft ist, führt er hier des weiteren aus:

An dieses Resultat wollen wir noch eine

wichtige Bemerkung für die Praxis anschließen. Es fehlte in der Unterwasserschalltechnik nicht an Versuchen, ähnlich wie für Luft Wasserresonatoren zu bauen. Letztere müssen wegen der großen Schallhärte des Wassers ganz ungewöhnlich dicke Wände erhalten; die Erzielung einer gleichen Starrheit der Wände dem Medium gegenüber wie bei Luft ist im Wasser kaum zu erreichen, so daß auch die Resonanzeffekte, wenn darauf nicht besonders geachtet wird, ganz wesentlich schlechtere sind als in Luft. Wird jedoch der großen Schallhärte des Wassers Rechnung getragen, so kommt man zu ganz unverhältnismäßig schweren Gebilden, die man mindestens nicht in ein Schiff einbauen wird. Schon aus diesen Gründen allein haben Wasserpfeifenkonstruktionen, deren Wände geschützrohrähnliche Wandstärken und Gewichte erhalten müßten, keine Aussicht auf Erfolg.

Die Beziehungen zwischen der Dicke und dem Durchmesser eines Zylinders, welcher härter als Wasser oder ebenso hart sein soll,

wird durch den Verfasser auf derselben Seite 79 als ~ = angegeben, wobei K die

Kompressionsmöglichkeit und E den Elastizitätsmodul darstellt. Für Stahl gibt der Ver-

fasser -^- an.

D ' ' ioo

Die Überlegung zeigt jedoch, daß der Wert von ¹Z₁O₀ für das Verhältnis von Dicke zu ίο Durchmesser in Wirklichkeit nicht sehr schwierig zu erreichen ist, und daß diese Verhältniszahl unter gewöhnlichen Bedingungen sogar noch größer sein wird. Schon eine gewöhnliche Bauart mit Wänden, welche dick genug sind, um mechanische Stöße oder andere unerwartete physikalische Beanspruchungen auszuhalten, verlangt eine Dicke von der Größe von ^]/₂ Zoll gleich 1,27 cm, was bei einem Durchmesser von der Größe von 10 Zoll gleich 25,4 cm eine Verhältniszahl von ¹Zg₀ ergeben würde, welche fünfmal so groß ist als das Minimum, wie es von A i g η e r angegeben ist. Während Forscher in der Vergangenheit deshalb geglaubt haben, daß Wasserresonatoren nicht mit Erfolg gebaut und gebraucht werden können, weil sie nicht steif genug gemacht werden können, liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis· zugrunde, daß der kritische Faktor in dieser Hinsicht nicht die Steifigkeit ist, sondern etwas anderes, was nach dem physikalischen Anschein die Forscher in den Glauben versetzte, daß die Schwierigkeit in der Erzielung eines Resonators von genügender Steifigkeit läge.

Die Schwierigkeit in der Vergangenheit bestand darin, daß keine potentiale Schallenergie in der Membran aufgespeichert werden konnte, weil'wegen der Ausdehnung der Wandungen des Resonators infolge 'des Mangels an Steifigkeit der Druck im Innern des Resonators nicht aufgebaut . werden konnte. Im Gegensatz dazu ist nun festgestellt worden, daß der Grund, warum der Druck nicht aufgebaut werden konnte, nicht in der Ausdehnung der Wandungen liegt, sondern darin zu sehen ist, daß kleine Luftblasen an den Seiten und Wänden des Resonators anhaften, beim Aufbauen des Druckes in dem Resonator zusammengedrückt werden und so wesentlich diesen Druck, schwächen. So entsteht der Anschein, als ob die Resonatorwandungen nicht steif oder fest genug für die in Frage kommenden Kräfte seien.

Diese Erscheinung ist experimentell als wahr nachgewiesen worden, indem ein von Luft absolut freier Resonator mit einem solchen verglichen wurde, in welchen ein gegebener Betrag an Luft eingeführt worden war. Bei dem letztgenannten Resonator konnte kein nennenswerter Druck aufgebaut werden, und der Resonator hatte nicht nur eine gänzlich andere Frequenz, sondern war auch äußerst unwirksam. Eine Änderung des Luftbetrages in dem Resonator änderte sowohl den Wirkungsgrad als auch die Fre- quenz, und in der Tat konnte kaum eine der beiden Größen verdoppelt werden.

Bei der Bauart des Resonators nach der Erfindung ist auch festgestellt worden, daß für gleichen oder vielleicht besseren Wirkungsgrad und Wirkung ein kleinerer Resonator wünschenswerter ist als ein großer. Auf diese Weise ist es möglich, einen Resonator mit ausgezeichneter Wirkung auf der Außenhaut eines Schiffes anzubringen und dem schallübertragenden Medium auszusetzen, während dies früher wegen des großen Körpers und Gewichtes unpraktisch war, indem letzteres die benachbarten Platten des Schiffes so beeinflußte, daß die Schallenergie von dem Resonator abgelenkt wurde. Das Gewicht des Resonators verminderte die natürliche Frequenz der Platten, so daß ein Druckabfall gerade in der Nachbarschaft des Resonators entstand und keine Druckamplitude aufgebaut werden konnte.

Außer den vorerwähnten Eigenschaften weist die Bauart nach der Erfindung noch einige neue Merkmale auf, welche bisher noch nicht zur Anwendung gekommen sind.

Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung beispielsweise veranschaulicht, und es stellt dar:

Abb. ι einen Querschnitt durch einen Resonator nach der Erfindung,

Abb. 2 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform,

Abb. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform.

Gemäß der Abb. 1 ist ein Resonator 2 auf der Außenhaut 1 eines Schiffes angebracht in der Art und Weise, wie ein Wasserbehälter für Schallempfang angebracht ist. Bei dieser Bauart ist die Vorrichtung mit einem Außenbehälter 4 ausgerüstet, welcher mit dem eigentlichen Resonator durch einen Kanal oder Mündung 14 verbunden ist. Der Außenbehälter 4 ist als ein Teil der gesamten Vorrichtung ausgebildet und mit einem kräftigen Flansch 20 ausgerüstet. In diesem Flansch ist ein Gummiring 6 eingebettet, welcher nicht nur ein Austreten des Wassers aus dem Tank verhindern soll, sondern auch als Schallisolator dient. Anschließend an den Behälter 4 ist die Resonatorkammer 3 angeordnet, welche von einer kräftigen zylindrischen Wand umgeben ist und am Innenteil einen kräftigen Flansch 7 aufweist, an welchem die Rückplatte 8 sicher mittels Bolzen 15 oder in sonstiger passender Weise befestigt ist. Erfindungsgemäß ist die Resonatorkammer 3 und

auch der Behälter 4 mit luftfreiem Wasser gefüllt. Im Zusammenhang damit wird bemerkt, daß an und für sich die Verwendung von luftfreiem Wasser zur Füllung von Behältern von Unterwasserschallsendern bekannt ist, z. B. um die Schwierigkeiten zu beseitigen, die durch die Luftblasenausscheidung bei stehenden Wellen oder infolge zu großer Amplituden der Membran vorliegen.

Bei der Verbindung der mit luftfreiem Wasser gefüllten Resonatorkammer 3 mit einem vor dieser Resonatorkammer vorgeschalteten, ebenfalls mit luftfreiem Wasser gefüllten Behälter 4 wird von einer Anordnung Gebrauch gemacht, wie sie für reine Luftresonatoren bereits bekannt ist, dagegen für Wasserresonatoren noch nicht vorgeschlagen ist.

Die Rückplatte 8 weist eine öffnung 12 auf, in welche eine Membran 9 eingesetzt ist, die das Mikrophon 10 trägt. Das Mikrophon ist zweckmäßig zum Schutz gegen physikalische Beschädigung in einem luftdichten Gehäuse 5 eingeschlossen. Das Gehäuse 5 ist mit einer Kabeleinführung 13 ausgerüstet, durch welche das elektrische Kabel 11 mit den Leitungen zum Mikrophon 10 hindurchgeht. Im obersten Teil der Resonatorkammer ist ein Loch 27 vorgesehen, welches aus Abb. 1 nicht ersichtlich ist, weil diese Abbildung einen Horizontalschnitt darstellt. Dieses Loch ist in Abb. 3 gezeigt und kann sowohl zum Füllen des Resonators mit Wasser als auch zum Austreiben der an den Seiten und dem Oberteil de¹- Resonatorkammer anhängenden Luft dienen. Die Luft kann in beliebiger Weise aus der Resonatorkammer ausgetrieben werden, z. B. durch Klopfen der Seiten und des Ober- · teiles der Resonatorkammer oder durch Erwärmen bzw. Kochen des darin enthaltenen Wassers.

Bei der Bauart nach der Abb. 2 ist der Resonator unmittelbar auf die Außenhaut aufgesetzt, und seine öffnung oder Mündung 14 mündet unmittelbar in das Außenwasser. Bei dieser Bauart, welche in mancher Hinsicht anderen Bauarten vorzuziehen ist, steht der Resonator tatsächlich in unmittelbarer Verbindung mit dem Außenwasser, nur daß eine dünne Schale oder eine Blase 25 teilweise den Raum 24 abschirmt. Wie angedeutet, ist die Wandung der Blase 2 5 sehr dünn und so gebaut, daß die Schallwellen sehr wenig durch sie gehindert werden. Es ist in der Tat nicht nötig, daß die Blase 25 wasserdicht ist, sondern sie kann derart angebracht oder gebaut sein, daß das Wasser von dem Außenwasser langsam eintreten kann. Einer der Hauptvorteile dieser Bauart besteht darin, daß das bei Bewegung des Schiffes an der Blase entlang strömende Wasser nicht einen Resonanzton in dem Resonator erzeugen kann, wie dies oft der Fall ist, wenn ein Medium an einer Mündung oder Öffnung entlang streicht. Zum Vergleich wird angeführt, daß eine ähnliche Wirkung eintritt, wenn über den Kopf einer Flasche geblasen wird.

Der Resonator nach Abb. 2 ist von der Außenhaut 1 durch einen kräftigen Gummiisolationsring 26 getrennt, welcher über den die Mündung 14 enthaltenden Ansatz des Resonators greift und in die Öffnung der Außenhaut hineinreicht. In sonstiger Hinsicht ist die Bauart nach der Abb. 2 ähnlich der der Abb. i. ;

Gemäß der Abb. 3 ist der Resonator in einem Behälter 16 untergebracht. Dieser Behälter entspricht dem für den gewöhnlichen Empfang bekannten Behälter mit der Ausnahme, daß in der einen Ecke ein Tragglied 17 vorgesehen ist, an welchem der Resonator 2 sicher befestigt ist. Der Resonator selbst entspricht in seiner Bauart dem der Abb. 2. Anstatt von dem Außenwasser direkt zu dem Resonator zu gelangen, wie dies bei der Bauart nach Abb. 2 der Fall ist, wandert hier der Schall zunächst durch die Behälterkammer und dann in den Resonator.

Wie schon in vorstehendem erwähnt, ist im obersten Teil der Resonatorkammer ein Loch 27 vorgesehen, welches durch einen Pfropfen 29 verschlossen werden kann, wenn die Luft ausgetrieben worden ist. Selbstverständlich kann das Loch 27 auch weggelassen werden, wenn die Luft aus der Resonatorkammer durch die Mündung 14 mittels Kochens oder in anderer Weise ausgetrieben wird. Dieser Vorgang kann vor dem Zusammenbau der Einzelteile ausgeführt werden, indem die Resonatorkammer in einer solchen Stellung gehalten wird, daß ihre Mündung den obersten Teil bildet. Die Resonatorkammer wird dann mit Wasser gefüllt und die Luft durch Schütteln, Klopfen oder Kochen ausgetrieben. Wenn die Luft heraus ist, kann die Mündung zeitweilig geschlossen werden, bis der Resonator in seine Stellung gebracht und der Behälter mit Wasser gefüllt ist. Danach kann der Zapfen wieder entfernt werden. In Abb. 3 ist ein Loch 30 im Oberteil des Behälters vorgesehen, durch welches der Behälter gefüllt und durch welches eine Hand eingeführt werden kann, um den Pfropfen zu entfernen, der in die Öffnung 14 eingesetzt war.

Außer diesen Vorsichtsmaßregeln, die ein Verbleiben von Luft in dem Resonator verhindern sollen, ist festgestellt worden, daß bei Herstellung der Resonatorkammer aus Guß letzterer leicht etwas porös ist und kleine Höhlungen aufweist, aus welchen die Luft schwer zu entfernen ist. Diese Schwierigkeit kann dadurch überwunden werden,

daß die Innenseite der Resonatorkammer mit Emaille 28 oder Zement überzogen wird, wodurch diese Poren ausgefüllt werden.

Bei der Bauart nach Abb. 1 bildet die Kammer 4 ein Mittel, um den Schalldruck an der Mündung 14 durch Kopplung mit der Schiffsaußenhaut derart zu erhöhen, daß die Bewegungsamplitude von der Außenhaut nach der Mündung zu für die Resonanzfrequenz vervielfacht wird. Die Kammer ist in diesem Fall ein Äquivalent zu einem sogenannten Tonpilz oder einem elastischen Gebilde, welches aus der elastischen Wassermasse und zwei damit gekoppelten Massen besteht, näm-Hch der Mündungsmasse und seiner Wasserlast und der Außenhautmasse und seiner Wasserlast.

Bei der Bauart nach Abb. 1 ergibt die Kombination mit dem Resonator besonderen Nutzen, da so nicht nur eine sehr gute Abstimmung, nicht zu breit und infolge der Kopplung auch nicht zu scharf, möglich ist, sondern auch eine Empfangseinrichtung von sehr gutem Wirkungsgrad entsteht, da die Schallenergie an der Mündung des Resonators sich in einer sehr viel besseren Form für die Weiterbehandlung befindet, indem sie bereits so konzentriert ist, wie der Resonator am besten dadurch beeinflußt werden kann.

Durch die Bauart nach der Erfindung ist es möglich, Resonatoren mit gutem Wirkungsgrad und mit all der praktischen Zuverlässigkeit zu betreiben, die für eine handelsübliche Bauart erforderlich ist. Mit der Vorrichtung nach der Erfindung ist eine Verstärkung zweimal so groß oder noch größer erzielt worden, als der beste bisher im Gebrauch befindliche Apparat ergeben hat, und außerdem wurden, was vielleicht noch wichtiger ist, alle Wassergeräusche und Geräusche von Signalen anderer als der gewünschten Frequenz ausgeschaltet. ¹I

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Unterwasserschallgerät mit Wasserresonator, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorkammer mit luftfreiem Wasser gefüllt ist.

2. Unterwasserschallgerät nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß im Oberteil des Resonators ein Luftauslaß vorgesehen ist.

3. Unterwasserschallgerät nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schallaufnahmevorrichtung mechanisch und akustisch mit dem mit luftfreiem Wasser gefüllten Resonatorraum gekoppelt ist.

4. Unterwasserschallgerät nach Anspruch ι für Schiffszwecke, dadurch gekennzeichnet, daß in der Außenhaut des Schiffes eine Öffnung vorgesehen ist und der Resonator so an dieser Stelle angebracht ist, daß die Mündung des Resonators in dieser Öffnung liegt.

5. Unterwasserschallgerät nach Anspruch ι und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein großer Raum, gefüllt mit totem Wasser, dieMündungdesResonators umgibt.

6. Unterwasserschallgerät nach Anspruch, i, 4 und S, dadurch gekennzeich» net, daß eine dünne Schale die Öffnung in der Schiffswandung abdeckt.

7. Unterwasserschallgerät nach Anspruch i, dadurch gekennzeidhnet, daß zwischen dem Resonator und der Außenhaut des Schiffes eine weitere mit Flüssigkeit gefüllte Kammer vorgesehen ist, welche durch die Resonatormündung mit dem Iniienraum des Resonators in Verbindung steht.

8. Unterwasserschallgerät nach Anspruch ι oder irgendeinem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator in an sich bekannter Weise auf die Frequenz des zu empfangenden Schalles abgestimmt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen