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Verfahren und Anordnung für Zwecke, bei denen eine Einrichtung abhängig
von einem Strom bestimmter Frequenz zu betätigen ist Bei der Bestimmung der Laufzeit
von Schallimpulsen, z. B. bei der Echolotung, treten Fremdgeräusche sehr störend
in Erscheinung, insbesondere dann, wenn der Gegenstand, dessen Höhe oder Tiefe zu
bestimmen ist, selbst Schallwellen aussendet, wie es z. B. bei der Bestimmung der
Flughöhe von Flugzeugen u. dgl. der Fall ist. Da die im allgemeinen auftretenden
Fremdgeräusche, insbesondere Flugzeuggeräusche, vorwiegend niedrige Frequenzen aufweisen,
so ist man bei der Echolotung zu einer verhältnismäßig hohen Schallfrequenz, beispielsweise
3 000 Hz, übergegangen und siebt diese Frequenz mittels eines scharfen Resonanzfilters
aus dem aufgenommenen Gesamtschall bzw. aus dem Strom, der mittels eines Mikrophons
oder einer anderen Aufnahmevorrichtung aus dem aufgenommenen Schall gebildet wird,
aus. Hierbei ergeben sich jedoch hinsichtlich der Ausbildung der erforderlichen
Siebschaltungen Schwierigkeiten, die in den Einschwingvorgängen ihre Ursache haben,
und außerdem werden auch die Siebschaltungen für Frequenzen der genannten Höhe verhältnismäßig
teuer.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Anordnung, mittels
der es möglich ist, trotz Verwendung hoher Schallfrequenzen mit einfachen Siebschaltungen
für geringe Frequenzen auszukommen. Dies ist dadurch erreicht, daß gemäß der Erfindung
aus dem Stromgemisch, das in der Empfangseinrichtung, z. B. dem Mikrophon, aus dem
aufgenommenen Schall gebildet wird, mittels eines Hilfsstromes bestimmter Frequenz
oder eines engen Frequenzbereiches ein Strom abgeleitet wird, dessen Komponenten
mit den Schwebungsfrequenzen aus der Frequenz oder den Frequenzen des Hilfsstromes
und den Frequenzen des Stromgemisches schwingen, und daß aus dem so abgeleiteten
Strom die gesuchte Komponente mittels eines Filters oder eines als Filter wirkenden
Gerätes abgenommen wird.
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Das neue Verfahren läßt zwei verschiedene Ausführungen zu. Man kann
einmal die Frequenz des Hilfsstromes von der gleichen Größe wie die Frequenz des
zum Zwecke der Echolotung ausgesandten Schalles wählen. In diesem Falle besitzt
die Schwebungsfrequenz aus der Frequenz des Hilfsstromes und der des Meßschalles
bzw. der von diesem abgeleiteten Stromkomponente den Wert Null, d. h. man erhält
eine Gleichstromkomponente, welche die gesuchte Komponente bildet. Man benötigt
:in diesem Falle, sofern man ein. reines Gleichstrominstrument oder -relais z. B.
mit einem Drehspulsystern benutzt, kein besonderes Resonanzfilter, da das genannte
Gleichstromgerät selbst schon. als Filter wirkt. Man kann aber auch in dem angegebenen
Fall ein gewöhnliches Relais o..dgl. unter Vorschaltung eines engen Filters
mit
einer Durchlässigkeit von o bis etwa 5o Hz verwenden. Bei Anwendung des früheren
Verfahrens muß man ,hingegen in dem angenommenen Falle ein Filter verwenden, das
Frequenzen etwa unterhalb 2 95o und oberhalb 3: ooo abhält, also ein Filter, das
nach obigen Ausführungen sehr unvorteilhaft ist.
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Eine zweite Ausführungsmöglichkeit des neuen Verfahrens besteht darin,
daß man für den Meßschall und für den Hilfsstrom verschiedene, in ihrer Größe jedoch
nicht zu stark voneinander abweichende Frequenzen wählt; beispielsweise könnte man
für den Meßschall die Frequenz 3 000 und für den Hilfsstrom die Frequenz
2 500 wählen. In diesem Falle besitzt die Schwebungsfrequenz aus der Frequenz
des Hilfsstromes und der des Meßschalles bzw. der aus diesem gebildeten Stromkomponente
den Wert 5oo Hz. Zur Aussiebung der gesuchten, mit der Schwebungsfrequenz schwingenden
Stromkomponente verwendet man dann zweckmäßig ein Resonanzfilter, das für Frequenzen
von etwa 45o bis 550 Hz durchlässig ist.
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Eine für die erste Ausführungsform des neuen Verfahrens bestimmte
Anordnung ist in einem Ausführungsbeispiel in Fig. i schematisch veranschaulicht.
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Zum Senden des Meßschalles dient eine Sirene i, deren Lochscheibe
mit der Achse eines den Hilfsstrom liefernden Generators 2 starr gekuppelt ist.
Zur Aufnahme des von der Sirene i ausgehenden und von der Grenzfläche zweier den
Schall verschieden fortleitender Medien, z. B. von dem Erdboden bei der Höhenbestimmung
eines Flugzeuges oder bei Tiefenlotungen von dem Meeresboden zurückgeworfenen Schalles,
dient eine Aufnahmeeinrichtung-3, die in an sich bekannter Weise ein Mikrophon sein
kann. Die Aufnahmeeinrichtung 3 nimmt selbstverständlich neben dem von der Sirene
i ausgesandten Meßschall auch zufällig auftretende Fremdgeräusche auf. Die niedrigen
Frequenzen der Fremdgeräusche werden mittels einer in den Kreis des Mikrophones
gelegten Siebkette 4 von dem übrigen Teil der Schaltung abgehalten. Besitzt der
Meßschall beispielsweise die Frequenz 3 000, so wird die Siebkette 4 zweckmäßig
so ausgebildet, daß sie Frequenzen unterhalb 2 5oo Hz abhält. Grobfilter dieser
Art lassen sich verhältnismäßig einfach bauen. An die Siebkette 4 ist ein Verstärker
5 angeschlossen, aus dem der Mikrophonstrom verstärkt den Primärwicklungen zweier
primär parallel geschalteter Transformatoren 6 und 7 zugeleitet wird. Sofern man
den Verstärker 5 so ausbildet, daß er allein hinreicht, um die niedrigen Frequenzen
abzuhalten, kann die Siebkette 4 fortfallen. Die Sekundärwicklungen der 'Transformatoren
6 und 7 liegen je in einer Gleichrichterschaltung, deren jede noch die Sekundärwicklung
eines Transformators 8 bzw. c enthält. Die Transformatoren 8 und 9 sind primärseitig
an den Generator :2 angeschlossen.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der beiden hinsichtlich der Schaltung
einander gleichen Gleichrichterschaltungen ist in Fig. 2 eine etwas übersichtlichere
Einzeldarstellung der einen Gleichrichterschaltung gegeben. Hierbei bilden 86 und
86 die Hälften der Primärwicklung des Wandlers 8, die in Fig. i entsprechend der
praktischen Ausführung als ein zusammenhängender Teil dargestellt sind. Die Sekundärwicklungen
$, und 8,1 sind in der Mitte angezapft und über die Sekundärwicklung des
Wandlers 6 verbunden. Zwischen die Endklemmen der beiden Sekundärwicklungen 8, und
8,1 sind Gleichrichterketten gelegt. Die Durchlaßrichtungen der Ventile oder
Ventilgruppen der einzelnen Gleichrichterkette sind einander entgegengerichtet.
9 und io sind zwei Widerstände, die über die Leitung i i an den Mittelpunkt der
Sekundärwicklung des Wandlers 6 angeschlossen sind, während die Klemme A mit dem
Mittelpunkt der einen und die Klemme B mit dem Mittelpunkt der anderen Gleichrichterkette
verbunden ist. Die Richtungen der in die Sekundärwicklungen 8, und 8d mittels des
Hilfsstromes induzierten Spannungen folgen bei einem vollen Umlauf über den durch
die Gleichrichterketten und die Sekundärwicklungen 8, und 8d gebildeten Kreis im
gleichen Sinne aufeinander.
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Es sind mithin innerhalb der einzelnen Gleichrichterschaltung zwei
Gleichstromkreise I und II gebildet, deren einer über den Widerstand 9 und deren
anderer über den Widerstand io im Sinne der eingezeichneten Pfeile verläuft und
wobei die in dem einen Gleichstromkreis wirksame Spannung die geometrische Summe
und die in dem anderen Gleichstromkreis wirksame Spannung die geometrische Differenz
der über den Wandler 8 und den Wandler 6 in die Kreise eingeführten Spannungen bildet.
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Die auftretenden Verhältnisse sind in den Diagrammen der zig. 3 bis
5 des näheren veranschaulicht. In den-Diagrammen ist 8, die über den Wandler 8 in
.den Kreis I und 6, die über den Wandler 6 in den Kreis I eingeführte Stromko$nponente,
während 8" und 6" die über die Wandler 8 und 6 in den Kreis II eingeführten Stromkomponenten
sind.
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R, und R" sind die aus den Komponenten sich ergebenden, im Kreise
I bzw. Kreise TI auftretenden Resultierenden. Im Diagramm Fig. 3 ist angenommen,
daß die Komponenten
phasengleich bzw. um i8o° in der Phase verschoben
sind. In diesem Falle ist die Resultierende R1, größer als die Resultierende R1,
und folglich ist auch der über den Widerstandg fließende Gleichstrom bzw. Wellenstrom
größer als der über den Widerstand io fließende Strom. Das hat zur Folge, daß an
den Klemmen A, B eine Gleichspannung auftritt, die einen entsprechenden Strom in
den Kreis 12 schickt. Beim Diagramm nach Fig. 4. ist angenommen, daß die Stromkomponenten
go° Phasenverschiebung gegeneinander besitzen. In diesem Falle sind die Resultierenden
R, und R1, und folglich auch die über die Widerstände g und io fließenden Ströme
gleich groß. Infolgedessen tritt an den Kleminen A, B keine Gleichspannung
auf.
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Der in dem Diagramm Fig. 5 angenommene Fall, daß die Phasenverschiebung
zwischen den Komponenten kleiner als go° und größer als o bzw. i8o° ist, läßt sich
leicht auf die Verhältnisse nach Fig. 3 und 4 zurückführen, indem man die Komponente
6, und die Komponente 611 in zwei rechtwinklige Komponenten, wie in Fig. 5 gestrichelt
angedeutet, zerlegt. Wie sich daraus ergibt, erhält man in dem angenommenen Fall
ebenfalls an den Klemmen A, B der Gleichrichterschaltung eine Gleichspannung.
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Bei der Betrachtung der Diagramme nach Fig. 3 bis 5 war angenommen,
daß die einmal angenommene Phasenlage zwischen den Komponenten 81 und 61 bzw. 81,
und 6,1 unverändert bleibt. Weicht jedoch die Frequenz, mit der die Komponenten
61 bzw. 611 schwingen, von der Frequenz, mit der die Komponenten 8, bzw.
81, schwingen, ab, so hat das zur Folge, daß beispielsweise mit Bezug auf Fig. 5
sich die Komponenten 6, bzw. 61, im Sinne der eingezeichneten Pfeile relativ zu
den Komponenten 81 bzw. 8,1 drehen, und zwar, wie leicht einzusehen ist, mit der
Schwebungsfrequenz aus der Frequenz der Komponenten 61 bzw. 611 und der Frequenz
der Komponenten 81 bzw. 811. Besitzen also die Komponenten 61 bzw. 611 und 81 bzw.
81, verschiedene Frequenzen, so tritt an den Punkten A und B der Gleichrichterschaltung
nach Fig. 2 eine Wechselspannung mit der erwähnten Schwebungsfrequenz auf.
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Auf Grund der obigen Erläuterung ergibt sich folgende Wirkungsweise
der Gesamtanordnung nach Fig. i. Wird von der Sirene ein Meßschall von beispielsweise
3 00o Hz ausgesandt, so gelangt dieser Meßschall, in Verbindung mit zufällig auftretenden
Fremdgeräuschen, in das Aufnahmemikrophon 3. Da von der Siebkette 4 Frequenzen unterhalb
2 5oo Hz abgehalten werden, so gelangen zu den Sekundärwicklungen der Transformatoren
6 und 7 Ströme, die lediglich Frequenzen von 2 5oo an besitzen. Von dem Generator
:2 werden die Transformatoren 8 und- g mit einem Strom gespeist, dessen Frequenz
der Frequenz des Meßschalles entspricht, also im angenommenen Falle 3 ooo Hz beträgt.
Infolgedessen entstehen an den Klemmen A, B
der beiden Gleichrichterschaltungen
Spannungen mit den Schwebungsfrequenzen aus der Frequenz 3 000 Hz des Hilfsstromes
und den über das Mikrophon 3 zugeleiteten Frequenzen von 2 5oo an. Es treten also
an den Klemmen A, B Schwebungsfrequenzen von 5oo - o - oo auf, allerdings mit folgender
Einschränkung.
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Da der Weg, den der Meßschall zurücklegt, von der Tiefe bzw. Höhe
oder Weite des den Schall zurückwerfenden Mediums abhängig ist, so liegt die Phasenlage
des auf das Mikrophon treffenden Meßschalles mit Bezug auf den vom Generator 2 in
die Schaltung eingeführten Hilfsstrom nicht eindeutig fest. Es besteht die Möglichkeit,
daß z. B. die aus dem Meßschall im Mikrophon gebildete Stromkompönente einen Phasenverschiebungswinkel
von go° zu der Hilfsspannung besitzt. In diesem Falle tritt, wie an Hand des Diagrammes
der Fig. 4. oben erläutert wurde, an den Klemmen A, B der betreffenden Gleichrichterschaltung
keine Gleichspannungskomponente auf. Aus diesem Grunde sind in der Anordnung nach
Fig. i zwei Gleichrichterschaltungen vorgesehen, wobei die über den Wandler g in
die eine Gleichrichterschaltung eingeführte Hilfsspannung gegenüber der in die andere
Gleichrichterschaltung über den Transformator 8 eingeführten Hilfsspannung durch
entsprechende Ausbildung der Transformatoren oder Einfügung einer Drossel o. dgl.
in der Phase verdreht ist, vorzugsweise um go°. Würde z. B. die Phasenlage der in
dem Aufnahmemikrophon 3 aus dein Meßschall gebildeten Stromkomponente derart sein,
daß diese Komponente mit der in der einen Gleichrichterschaltung wirksamen Hilfsstromkomponente
in Ouadratur steht, so würde zwar an den Klemmen A, B dieser Gleichrichterschaltung
keine Gleichspannungskoinponente auftreten. Dafür würde aber an den Klemmen
A, B der anderen Gleichrichterschaltung eine Gleichstromkomponente vorhanden
sein, da ja in dieser Gleichrichterschaltung die Hilfsspannung um go° in der Phase
gegenüber der in der ersterwähnten Gleichrichterschaltung wirksamen Hilfsspannung
verschoben und daher in Phase mit der Meßschallkomponente ist.
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Die an die Klemmen A, B der beiden Gleichrichterschaltungen
angeschlossenen Leitungen 12 führen in Parallelschaltung zu einer nicht dargestellten
Auslösevorrichtung, mittels der ein Kurzzeitmesser o. dgl. betätigt
wird.
Die Auslösevorrichtung kann, wie oben schon erwähnt, ein reines Gleichstromsystem,
z. B. Drehspulsystem, besitzen. In diesem Falle ist die Einfügung einer Siebschaltung
in die Leitungen i2 nicht erforderlich. Bei Verwendung einer anderen Auslösevorrichtung
genügt die Einfügung eines Resonanzfilters, das für Frequenzen o bis etwa 50 durchlässig
ist.
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Bei der oben angegebenen zweiten Ausführungsform des Verfahrens werden
für den Meßschall und den Hilfsstrom verschiedene Frequenzen, etwa .die Frequenz
3 ooo Hz für den Meßschall und die Frequenz 2 500 Hz für den Hilfsstrom,
verwendet. In diesem Fall kann die eine der bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
i verwendeten Gleichrichterschaltungen fortfallen. An die Klemmen A, B der verbleibenden
Gleichrichterschaltung wird dann über ein für Frequenzen von etwa q.5o bis
550 durchlässiges Resonanzfilter die Auslösevorrichtung o. dg1. angeschlossen.
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Es ist leicht einzusehen, daß das oben mit Bezug auf eine Echoloteinrichtung
beschriebene Verfahren und auch die beschriebene Anordnung für alle Zwecke verwendbar
sind, bei welchen eine Einrichtung in Abhängigkeit von einem Strom bestimmter Frequenz
.oder engen Frequenzbereiches zu betätigen ist, wobei dieser Strom die Komponente
eines Stromgemisches von größerem Frequenzbereich bildet.