DE595438C - Anordnung zum Empfang und zum Senden von Schallwellen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
19. APRIL 1934

-- REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

■ "KLASSE 74 d GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 7. Oktober 1932 ab

ist in Anspruch genommen.

Die Erfindung beruht auf der folgenden Überlegung: Wenn eine Wellenfront unter einem Winkel auf eine Membran auf trifft, entsteKt an der betreffenden Stelle der Membran eine Deformation, die eine sich längs der Oberfläche der Membran fortpflanzende Transversalschwingung erzeugt. Dieselbe Wellenfront trifft etwas später auf eine andere Stelle der Membran und übt dort wieder

10' einen mechanischen Impuls aus. Dieser zweite Impuls kann die Transversalschwingung der Membran in verschiedener Weise beeinflussen. "Er wird Maximalamplituden der Membran hervorrufen,' wenn an der Impulsstelle zwischen der Transversalschwingung und dem Impuls Phasengleich'heit besteht. Die 'Umkehrung dieser Erscheinung läßt sich auch beim Senden benutzen, in welchem Fall nicht Me'mbranschwingungen durch die Schallwellen im schallübertragenden Medium, sondern Schallwellen im schallübertragenden Medium durch Membranschwingungen erzeugt und verstärkt werden. In beiden Fällen tritt ein ausgesprochener Rich-

tungseffekt auf. - ' ,

Die Anordnung gemäß- der Erfindung, die sowohl zum Empfang als auch zum Senden von Schallwellen dienen kann, die eine definierte Richtung haben, besteht,' wie aus dem Obigen hervorgeht, aus einer Membran, die zur Fortpflanzungsrichtung des Schallstrahlenbündels geneigt ist und in transversalen stehenden Wellen schwingt, deren Fortpflanzungsgeschwindigkeit längs der Membran gleich ist der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles im schallübertragenden Medium dividiert durch den Sinus des Neigungswinkels der Membran gegen die Wellenfront, so daß an allen Membranpunkten zwischen den Schwingungen im Material der Membran und denen im schallübertragenden Medium Resonanz besteht.

Die Zeichnungen veranschatilichen den Gedanken, welcher dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegt und stellen Ausführungsbeispiele desselben schematisch dar.

Fig. ι ist ein Diagramm zur näheren Erklärung des Grundgedankens der Erfindung.

Fig. 2 ist das Schaltbild eines Empfangsapparates.

Fig. 3 veranschaulicht eine Einrichtung, welche die richtige Einstellung der Membran erleichtert.

Fig. 4 ist die Frontansicht, einer Sendeoder Empfangsmembran gemäß der Erfindung und

Fig. 5 eine der Fig. 4 zugeordnete Seitenansicht, in der ein auf der Erscheinung der

Magnetostriktion beruhender Vibrator -mit Spule sichtbar ist. Die

Fig. 6 und 7 zeigen Ausführungsformen von Membranen, und in den Fig. 8 bis Ii sind Empfänger schematisch dargestellt. Die

Fig. 12 zeigt einen Sender gemäß der Erfindung. Die

Fig. 13 bis 19 veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen von Membranen. In Fig. 20 ist eine Ausführungsform dargestellt, die eine örtliche Trennung der Membran von der Empfangs- bzw. Sendeapparatur ermöglicht.

Die gerade Linie 2 der Fig. 1 stellt eine Membran in Gestalt einer Platte dar, die den Winkel (S) mit der horizontalen Linie 4 einschließt. Diese Horizontale schließt einen rechten Winkel mit der Richtung der auf die Membran auffallenden Schallwellen ein, die sich in der Richtung des Pfeiles 6 fortpflanzen. Der Winkel (S) ist demnach der Winkel zwischen der Wellenfront und der Membran. Die Wellenlinie 5 veranschaulicht schematisch eine Schallwelle in einem bestimmten Augenblick. Die Punkte 7 sind die Stellen höchsten Druckes und die Punkte 9 die. Stellen niedrigsten Druckes. Der Abstand zwischen einem Punkt niedrigsten Druckes und dem nächsten Punkt höchsten Druckes ist eine halbe Wellenlänge. Die Linie 4 und die zu ihr parallelen Geraden 8 sind Stellen hohen Druckes und die parallelen Linien 10 in der Mitte zwischen den Linien 8 Zonen von Unterdruck. Die Linien 4 und 8 schneiden die Membran 2 in den Punkten 12 und die Linien 10 in den Punkten 14. Die periodischen Überdruckimpulse der Schallwelle treffen die Punkte 12 der Membran in der gleichen Phase. Entsprechendes gilt bezüglich der Unterdruckimpülse und der Punkte 14. Daraus folgt, daß durch die Schallwellen Kräfte auf die Membran ausgeübt werden, die bestrebt sind, sie in wellenförmige Bewegungen bzw. Transversalschwingungen zu versetzen. Wenn diese Schwingungen mit einer der transversalen Eigenschwingungen der Membran übereinstimmen, wird die Membranschwingung durch Resonanz bedeutend verstärkt. Um diese Verstärkung durch Resonanz zu erzielen, ist es nur erforderlich, die Membran in einen geeigneten Winkel (S) zu der Wellenfront der ankommenden Schallwelle zu drehen. Der Winkel (S) hängt von den Dimensionen der Membran und der Frequenz der ankommenden Welle ab. Bei richtiger Wahl des Winkels (S) entsteht auf der Membran eine stehende Welle mit einer Anzahl von Knoten und Bäuchen. Die Wellenlinien 11 und 13 zeigen übertrieben die Grenzlagen der Membran, wenn sie in einer stehenden Welle schwingt, die durch Resonanz mit der auffallenden Schallwelle unter geeigneten Bedingungen erzeugt wird. Die Lage der Bäuche und Knoten hängt natürlich von der Wellenlänge ab. Für eine gegebene, in geeigneter Weise konstruierte Membran besteht daher für jede Frequenz ein besonderer Winkel @.

Die Membran kann mit einem magnetostriktiven Kern 16 (in Fig. 2) verbunden sein, der von einer Spule 50 zum Zweck der Transformierung der mechanischen Energie in elektrische umgeben ist. Statt dessen kann die Membran 2 mit einem piezoelektrischen Kristall 18 (in Fig. 8) oder mit einer Magnetophonanordnung 20 (in Fig. 10) oder mit einem Mikrophon 22 (in Fig. 11) oder irgendeiner anderen Anordnung versehen werden, die mechanische Bewegungen bzw·. Druckimpulse in elektrische Energie umsetzt. Die Spannungs- oder Stromschwingungen, die auf solche Weise erzeugt werden, können auf einen Hochfrequenzverstärker einwirken, der als Zweistufenverstärker in der Fig. 2 gezeigt g₅ ist. Die Röhren dieses Verstärkers sind mit 24 und 25 bezeichnet. Dieser Verstärker ist mit dem Stromkreis einer Detektorröhre 26 gekoppelt und diese mit einem Niederfrequenzverstärker 28 verbunden, der einen Lautsprecher oder ein Telephon oder irgendein anderes stromanzeigendes Instrument zum Ansprechen bringt.

Der Hochfrequenzverstärker 24, 25 wird durch die Abstimmkondensatoren 32 und 48 auf die Frequenz der ankommenden Schallwelle oder auf eine gewünschte Komponente (höhere Harmonische der Schallfrequenz) abgestimmt. Das Telephon bzw. der Lautsprecher 30 kann durch ein Relais 46 im Ausgangskreis der Detektorröhre 26 ersetzt werden. Die Kondensatoren 32, 48 und 68 oder weitere Kondensatoren, die sich durch eine Vermehrung der Verstärkungsstufen ergeben, können zusammen durch eine gemeinsame _1Og Einstellvorrichtung, die in der Fig. 2 nicht gezeichnet ist, eingestellt werden. Die Fig. 2 zeigt abstimmbare Schwingungskreise, die mit der Anodenspule der vorhergehenden Röhre gekoppelt sind. Statt dessen könnte no man einen Widerstandsverstärker vorsehen. Das ankommende Schallsignal wird durch den Kopfhörer oder Lautsprecher 30 angezeigt, falls die Membran in den richtigen Winkel zur Schallwelle eingestellt ist.

Der Erfindungsgegenstand hat viele Anwendungszwecke. Einer von diesen, bedingt durch den Richtungseffekt der Membran, besteht im Auffinden der Richtung einer ankommenden Schallwelle. Da die Mem-

bran' für eine gegebene Frequenz eines. Schallstrahlenbündels nur in einem bestimmten Winkel in Resonanz gerät, ist es möglich, die-Richtung des Schallstrahlenbündels -durch Drehung der Membran zu .bestimmen. Jede Abweichung vom Resonanzwinkel bewirkt, daß die Membran außer Resonanz fällt. Daher ist es möglich, eine sehr genaue Richtungsbestimmung durchzuführen.

to Es bestehen zwei Resonanzstellungen für die Membran, wie dies Fig. 3 zeigt. Der Zeiger 34 ist senkrecht-zur Platte 2 angebracht und spielt auf einer Kreisskala, die nicht zeichnerisch dargestellt ist. Die Richtung der Schallquelle ist durch den Pfeil 6 gegeben, der den Winkel zwischen den beiden Zeiger-' Stellungen halbiert.

Falls es erwünscht ist, kann die Membran 2 mit zwei Zeigern 36 und 38 ausgestattet sein, die den Winkel (ff) mit der Normalen 34 zu beiden Seiten der Normalen einschließen. Bei einer solchen Anordnung wird der Zeiger 38 in der Richtung des Strahlenbündels liegen, wenn die Membrane die Stellung einnimmt, die in Fig. 3 ausgezogen. ist. Der Zeiger 36 zeigt die Richtung des Strahlenbündels an, wenn die Platte 2 in-der Richtung liegt, die in der Fig. 3 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.

Diese Anordnung kann mit einer Frequenz arbeiten, die eine Komponente des Schalles einer Schallquelle darstellt, die ein Geräusch erzeugt, das bekanntlich viele Frequenzen enthält. Der Verstärker wird hierbei· auf die gewünschte Frequenz abgestimmt und die Membran so lange gedreht, bis die Wellenfront mit ihr den Winkel @ einschließt. Der Winkel, unter dem man die Schallwellen auffallen lassen muß und der auch von der ausgewählten Frequenz des Bündels der Schallstrahlen abhängt,- ergibt sich· aus den Konstanten des Instrumentes, was unten noch ausführlicher erläutert werden wird.

Da die Arbeitsweise der Vorrichtung vollkommen umkehrbar ist, kann sie sowohl für Sende- als auch für Empfangszwecke angewandt werden. Eine einfache Sendeanordnung ist in Fig. 12 dargestellt. Der Taster 35 unterbricht und schließt den Stromkreis des Oszillators 37. In diesem Stromlireis liegt die Erregerspule für den magnetostriktiven Kern 16, der mit der Membran 2 verbunden ist. '

Die Membran für Sende- und Empfangs-'55- zwecke kann rechteckig (Fig. 4) oder kreisförmig (Fig. 6) sein oder kann irgendeine andere gewünschte Form haben.

Ein Vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt darin, daß er die Frequenz stabilisiert und eine starke Tendenz zeigt, den Synchronismus zwischen dem antreibenden Strom und dem Vibrator aufrechtzuhalten.

Bei Anwendung einer rechteckigen Membran, die durch einen zylindrischen Kern angetrieben wird, haben- die Knotenlinien die g₅ ■ Tendenz, sich in zwei Scharen von Linien, die rechtwinklig zueinander liegen, anzuordnen. Dies zeigt sich besonders beim Senden, In Fig. 4 sind die beiden normal auf einanderstehenden Scharen von Knotenlinien 38 und 40 dargestellt. Im Hinblick auf diese Erscheinung kann es von Vorteil sein, dem Kern 16 die Gestalt einer Platte 36 zu geben, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Die Knotenlinien der Membran streben in diesem Falle sich in parallelen Querlinien 38 anzuordnen. Sowohl der Kern 36 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7, der aus einer flachen Platte besteht, als auch der zylindrische Kern 16 bei demjenigen gemäß Fig. 5 geben beide einen scharfen Richtungseffekt. Die Kerne 36 und 16. bestehen aus einem magnetostriktiven Baustoff, dessen mechanische Schwingungen in den Spulen, welche sie umgeben, EMKe induzieren bzw. durch einen Wechselstrom, der diese Spulen durchfließt, veranlaßt werden, longitudinale Kontraktions- und Expansionsschwingungen auszuführen.

Zum Zwecke der Polarisation kann gemäß Fig. 9 neben dem magnetostriktiven Kern 16 _go ein permanenter Magnet 41 vorgesehen wer' den, Statt dessen kann die Polarisation des Kernes durch einen Gleichstrom hervorgerufen werden, der die zu ihm gehörige Spule 50 (Fig. 5) durchfließt. Diese Spule kann den magnetostriktiven Kern 16 umgeben, wie dies Fig. 5 zeigt, oder der Kern kann gemäß Fig. 15 als Hohlzylinder 43 ausgebildet sein und die Spule umschließen.

Falls das polarisierende Feld mittels eines zusätzlichen Magneten erzeugt wird, kann dieser Magnet ,außerhalb des magnetostriktiven Kerns angebracht sein, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, oder sich gemäß Fig. 15 innerhalb des magnetostriktiven Kerns be- tog finden, in welchem Fall dieser die Gestalt eines Hohlzylinders bzw. Rohres 45 hat und die ihm zugehörige Stromspule umschließt. Falls gemäß Fig. 8 ein piezoelektrischer Kristall 18 verwendet wird, ist es zweck-, no mäßig, parallel zu ihm eine Drosselspule 42 zu schalten, die ihrerseits im Eingangsstromkreis der Verstärkerröhre 24 liegt. Die Drosselspule kann ersetzt werden durch einen abgestimmten Stromkreis oder durch einen Transformator, der abgestimmt oder nichtabg'estimmt sein kann. - ·

Im Fall, daß als Empfangseinrichtung gemäß Fig. 11 ein Mikrophon 22 verwendet wird, soll dessen Stromkreis von dem Ein- 1-20

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gangsstromkreis des Verstärkers 24 durch einen Hochfrequenztransformator getrennt sein, sofern die Anordnung mit Hochfrequenz arbeiten soll. - .

Die Membran kann, statt aus einer einfachen Platte zu bestehen, gemäß Fig. 13 aus zwei Platten oder Flügeln 52 und 54 beispielsweise aus Aluminium gebildet sein, die starr miteinander verbunden sind und einen Winkel von der Größe i8o° — 2 @° miteinander einschließen. Dieses nach vorn offene Gebilde kann durch nur einen magnetostriktiven Kern oder einen Vibrator anderer Wirkungsart betrieben werden. Eine solche Winkelmembran, die aus dünnem Aluminiumblech besteht, kann für 60 kHz konstruiert werden, eine andere mit anderem Winkel und dickerem Blech für 54 oder 30 kHz usw.

Um ein gegebenes Flügelpaar 52, 54 verschiedenen Frequenzen anzupassen, kann man den Winkel zwischen den Flügeln durch Drehung der Flügel um' den Punkt 56 verstellbar machen. ,

Die Membran kann, wie aus Fig. 14 hervorgeht, auch die Gestalt eines Kegels 61 haben. Die Winkelöffnung dieser konischen Membran ist i8o° — 2 (S)°. Der Kegel kann durch einen magnetostriktiven Vibrator 16, dessen Spule entweder innerhalb oder außerhalb des magnetostriktiven Kerns liegt, -oder durch andere erregende Anordnungen zum Schwingen gebracht werden. Die Schallenergie wird in diesem Fall· längs der Achse des Kegels ausgestrahlt. Die kegelförmige Membran bietet Vorteile, wenn die Apparatur unter Wasser verwendet werden soll, etwa zum Zweck der Unterwasserschalltelegraphie, weil ihre feuchtigkeitsempfindlichen Teile leicht gegen Wasser abgedichtet werden können, und zwar entweder durch eine flache Stirnplatte 76 oder durch eine gekrümmte Fläche 78. Der hierdurch gebildete Innenraum ist mit Luft gefüllt.

,45 Die Membran, habe sie die Gestalt einer Platte oder eines Kegels oder irgendeine andere Form, kann durch Anbringen eines starren Trägers an irgendeinem ihrer Kno-, tenpunkte bzw. einer ihrer Knotenlinien montiert werden. Da indessen die Knoten für verschiedene Frequenzen an verschiedenen Stellen auftreten, kann es für manche Zwecke vorteilhafter sein, die Membran auf Gummi oder irgendeinem anderen polsternden 55. Material zu montieren. Falls die Membran nur für eine Frequenz benutzt werden soll, kann es vorteilhaft sein, mehrere Energieabnahmeglieder an entsprechenden Punkten der stehenden Wellenfigur anzubringen und Ijp, sie entweder in Parallel-oder Hintereinanderschaltung mit dem abgestimmten Verstärker zu verbinden. Man kann auch Drähte oder Stäbe benutzen, um die Membran mit einer örtlich von ihr entfernt angeordneten Empfangs- bzw. Sendeapparatur zu verbinden, g₅ was unten noch, genauer dargelegt ,werden wird. Im Fall, daß gemäß Fig. 6 eine scheibenförmige Membran 58 als stehendes Wellensystem in einer Frequenz schwingt, die höher als ihre Grundfrequenz ist, so unterteilt sie sich genau wie die rechteckige Platte in Knoten, und Bäuche. Eine kreisförmige Scheibe weist jedoch Knotenlinien in Gestalt konzentrischer Kreise 59 auf, deren Abstand eine halbe Wellenlänge der transversalen Schwingung im Metall beträgt. Daher wird, falls man eine kreisförmige Scheibe als Sender verwendet, die durch einen in ihrer Mitte befindlichen Vibrator 16 angetrieben wird, so daß sie beim Schwingen eine Reihe von konzen- go trischen Knotenringen 59 bildet, die Schallenergie in" Gestalt eines Kegels 60 ausgestrahlt werden, wie aus Fig. 16 hervorgeht. Die Fortpflanzungsrichtungen sind in dieser Figur durch die Pfeile 62 angezeigt. Es gilt dann ebenso wie im Fall der rechteckigen Membran die Beziehung

an (A) : =

in der (S) der Winkel zwischen der n

front im schallübertragenden Mittel und der Membranebene, V₀ die Fortpflanzungs^ geschwindigkeit des Schalles in diesem Mittel und V die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles im Material der Membran ist.

Indessen ist es möglich, ein solches in Gestalt eines Konus divergierendes Schallstrahlenbündel durch Reflexion in ein paralleles oder konvergierendes Strahlenbündel zu verwandeln. Um ein zylindrisches, paralleles Bündel zu erhalten, ist es nur notwendig, die strahlende Membran 58 gemäß Fig. 17 mit einem Mantel 66 in der Form eines Kegelstumpfes zu umgeben, der aus Metall oder irgendeinem anderen schällreflektierenden Material hergestellt ist -und der den richtigen öffnungswinkel besitzt. Die als Membran dienende Scheibe 58 bildet die Basis des Kegelstumpfes. up

Dieselbe Anordnung kann auch für den Empfang von Schallwellen verwendet werden. Eine auffallende Welle muß hierbei auf die Scheibe 58 unter dem richtigen Winkel reflektiert werden. Da der Winkel (S) eine u₅ Funktion der Frequenz ist, wird eine solche Anordnung am besten nur mit einer einzigen Frequenz arbeiten.

Der Winkel (S) hängt, wie oben dargetan, von der Geschwindigkeit V* des Schalles im

schallübertragenden Medium und der Fort Pflanzungsgeschwindigkeit der elastischen Wellen im Membranmaterial ab. Die Geschwindigkeit V der Wellen ini Material der Membran hangt/ falls sie., transversal sind, nicht nur von der Wahl des Membranmaterials, sondern auch von dessen Dicke und von der Frequenz ab. Alle diese Faktoren müssen bei'der Konstruktion des Apparates ίο berücksichtigt werden.

Die mathematische Theorie der Transversalschwingungen in einer Platte ergibt die folgende angenäherte Gleichung:

fX*-= bD,

in der f = die Frequenz der Schwingungen, X = die Wellenlänge der stehenden Welle in der Platte, D = die Dicke der Platte und b = eine Materialkonstante bedeutet.

Wird λ durch -γ ersetzt, dann wird

V = Yf-b-D.

Für eine gegebene Platte ist b · D eine Konstante. Daher ist -die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle angenähert proportional der Quadratwurzel aus der Frequenz. Wenn die Frequenz zunimmt, nimmt V gleichfalls zu, und da

sin® = -f

ist, nimmt der Winkel (h) mit steigender Frequenz, ab.

Diese mathematischen Ergebnisse sind experimentell geprüft worden, Es wurde gefunden, daß sie sehr nahe durch die folgenden Experimente erfüllt werden.
I. Da .

l· =

f2>süi2@

ist, ist es möglich, & zu berechnen, wenn man einen Plattenempfänger aufstellt, eine Schallte _ welle bestimmter Frequenz aus einer fernen Schallquelle auswählt-und die Platte so lange dreht, bis die Resonanzerscheinung auftritt. Da theoretisch b konstant -ist, sollte man unter Berücksichtigung der Genauigkeit der obigen Gleichungen denselben Wert für b erhalten, welche Frequenz/ und welche Plattendicke D auch jeweils verwendet wird.

Es wurde gefunden, daß für einen weiten Spielraum von Frequenzen und Plattendicken .55 die Änderungen in dem auf diese Weise experimentell bestimmten Wert von b klein genug sind, so daß eine genaue Berechnung der Apparatur möglich ist.

II. Eine zweite Methode, um b für irgendwo ein gegebenes Material zu bestimmen, .ist die folgende: Eine. Scheibe 58 "wird horizontal aufgestellt und- der magnetostriktive Erreger 16 in ihrer Mitte befestigt. Eine Spule 50 umgibt den Erreger. Dieser kann durch irgendeine bestimmte Frequenz in Schwingungen viersetzt werden, indem eine Spamiuog· diester 'Frequenz der Spule aufgedrückt wird.

Dann wird ein wenig Sand auf die Scheibe gestreut. Für bestimmte Frequenzen, die durch die Dimensionen der Platte gegeben sind, wird eine stehende Wellenfigur auftreten. Wenn dies geschieht, werden die Sandkörner, die an den Stellen der Bäuche liegen, in heftige Schwingungen versetzt und nach den Stellen, die nicht vibrieren, den Knoten, getrieben (ChladnischeKlangfiguren). Die Knoten erscheinen als konzentrische Sandringe 59, deren Abstand ungefähr derselbe ist.

In jedem stehenden Wellensystem liegen

die Knoten eine halbe Wellenlänge = — voneinander entfernt. Wenn f die Frequenz der Schwingungen ist, X die Wellenlänge oder der doppelte Abstand der Sandringe 59 voneinander und D die Dicke der Scheibe 58, dann kann die Konstante b durch die folgende Formel berechnet werden:

b =

Diese Ermittlung wird für eine ganze Reihe von Frequenzen und bei mehreren Scheiben von verschiedener Dicke ausgeführt. Der so erhaltene Wert für b ist nahezu konstant und stimmt mit dem durch die erste Methode erhaltenen Wert überein.

Die Geschwindigkeit V in einem gegebenen Material wird nicht besonders durch die Form, die dem Material gegeben wird, beeinflußt. Wenn man z. B. den Wert b, der für flache Platten mittels der oben beschriebenen Methode gefunden wurde, für die Konstruktion eines Konus gemäß Fig. 14 benutzt und unter der Voraussetzung, daß *°5 dieser Schall von 30 kHz senden und empfangen soll, so zeigt das Experiment, daß ein so berechneter Konus sich der Theorie entsprechend verhält. .Mit anderen Worten: Der Wert von b, der für den Konus 61 mittels der Messungen der ersten Methode berechnet wurde, stimmt mit dem Wert von b überein, der für Platten 2 und Scheiben 58 experimentell gefunden wurde.

Da V₀, die Schallgeschwindigkeit im schallübertragenden Medium, von der Art dieses Mediums abhängt, leuchtet es ohne weiteres ein, 'daß der Winkel (5) eimer jeden'Apparatur von der Art des Fortpflanzungsmediums abhängt. Eine Anordnung, die in Luft gut ^iao

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arbeitet, wird daher nicht unter demselben Winkel (ff) in Wasser arbeiten, da V₀ in Wasser viel größer als in Luft ist. Um eine Anordnung unter Wasser mit einem bestimmten Winkel (S) arbeiten zu lassen, muß man einen großen Wert für V verwenden, dem großen Wert für V₀ in Wasser entsprechend.

ist, ist es offenbar,

DaF = Yf-b-D

ίο daß V vergrößert werden kann, indem man mit höheren Frequenzen arbeitet oder ein Material auswählt, in dem b groß ist, oder indem man die Dicke D der Membran vergrößert. Für Versuche unter Wasser wurde eine Aluminiumplatte von 1,25 cm Dicke konstruiert. Eine solche Platte befindet sich in Resonanz bei einer Schallfrequenz von 30 kHz unter einem Winkel (h) =52°. Die obenerwähnten Gleichungen ergeben, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Transversalwellen durch eine Vergrößerung der Steifheit der Membran beeinflußt werden kann. Es ist daher das Nächstliegende, zu diesem Zweck die Dicke des Materials zu vergroßem. Indessen sind noch andere Wege möglich. Z. B. kann gemäß Fig. 19 die Membran nach Art eines Wellbleches 70 hergestellt sein, bei dem die Wellen in der Fortpflanzungsrichtung der Schwingungen liegen.

Andererseits können gemäß Fig. 18 eine oder mehrere Versteifungen 72 rechtwinklig an der Membran befestigt werden.

Es wurde gefunden, daß ein Geräusch, wie es z. B. von einem Schiff- oder einem Flugzeugpropeller oder einem Auspuff oder von in die Luft entweichendem Dampf oder entweichender Preßluft hervorgebracht wird, Hochfrequenzkomponenten beträchtlicher Intensität enthält. Die Richtung einer solchen Schallquelle kann mittels einer abgestimmten oder selektiv wirkenden Anordnung der oben angegebenen Art ermittelt werden, deren Empfindlichkeitsbereich bei etwa 20, 30, 40 oder 100 kHz oder bei irgendeiner anderen Frequenz liegt. Der hochgradige Richtungseffekt des Empfängers gemäß der Erfindung ermöglicht es, die Richtung von Schallquellen, deren hörbare Töne bisher zur Richtungsermittlung dienten, unter Anwendung höherer Frequenzen ausfindig zu machen.

Mitunter ist es erwünscht, die Empfangsbzw. Sendemembran von den Stromkreisen des Empfängers bzw. Senders räumlich getrennt anzuordnen. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man an einer oder mehreren Stellen der Membran draht- bzw. stabartige Schalleiter solcher Länge befestigt, daß sich in ihnen stehende Wellen ausbilden. Durch diese Schalleiter wird die Membran mit einem Energieumwandler, etwa einem piezoelektrischen oder auf der" Erscheinung der Magnetostriktion beruhenden Umwandler, verbunden.

In Fig. 20 ist ein Empfangs- bzw. Sendeapparat dieser Art dargestellt. An einer Vielzahl von geeigneten Stellen der Membran 182 sind die Drähte 184 befestigt. Der Schall fällt in der Richtung des Pfeiles 183 ein, und zwischen seiner Wellenfront und der Membranebene besteht der Winkel@. Die Drähte können aus einem magnetostriktiven Baustoff bestehen, in welchem Fall durch ihre Schwingungen in der Spule 186 entsprechende EMKe induziert werden.

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Empfang und zum Senden von Schallwellen, die eine definierte Richtung haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran zu der Fortpflanzungsrichtung des Schallstrahlenbündels geneigt ist, und in transversalen stehenden Wellen schwingt, deren Fortpflanzungsgeschwindigkeit längs der Membran gleich ist ' der Fortpflanzüngsgeschwindigkeit des Schalls im schallübertragenden Medium dividiert durch den Sinus des Neigungswinkels der Membran gegen die Wellenfront, so daß an allen Membranpunkten zwischen den Schwingungen im Material der Membran und denen im schallübertragenden Medium Resonanz besteht.

2. Anordnung nach Anspruch 1 zur Ermittlung der Richtung einer Schallquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran in j ene Lage schwenkbar ist, in der die Resonanz ihrer transversalen Schwingungen mit den Schallschwingungen im übertragenden Medium auftritt.

3. Verfahren bei Benutzung der Anordnungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Ermittlung der Richtung einer Schallquelle, die tonfrequente Schwingungen erzeugt, sich einer Hochfrequenzkomponente bedient,' welche in der tonfrequenten Schwingung enthalten ist.

4. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Membran und ihre Dicke derart gewählt sind, daß annähernd die Beziehung

erfüllt wird, in der V die Fortpflanzüngsgeschwindigkeit ,des Schalles im Medium, f die Frequenz der Schallwellen, b eine Konstante und D die Dicke der Membran bedeuten.

5. Anordnung nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die schwenkbare Membran mit einem die Schallrichtung anzeigenden Gerät zu gemeinschaftlicher Bewegung verbunden ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß mit der Membran ein Zeiger oder mehrere Zeiger gemeinschaftlich beweglich sind, die mit der Membranoberfläche stets einen Winkel von 90° — (h)° einschließen, wobei (S) der Neigungswinkel der Membran gegen die Schallwellenfront im Resonanzfall ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch zwei in einem Winkel von i8o° — 2@° gegeneinander geneigte Membranen.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Membranen zwecks Anpassung an

ao verschiedene Frequenzen veränderbar ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran kegelig ausgebildet ist und der Öffnungswinkel des Kegels i8o° —■ 2 (S)⁰ beträgt.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Umwandlung der mechanischen Schwingungen der kegeligen Membran in elektrische Schwingungen oder eine Antriebsvorrichtung für die Membran im Kegelhohlraum untergebracht ist.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Membran verbundene schwingende Glieder zur TJmwandlung ihrer mechanischen Schwingungen in elektrische oder zum Antrieb der Membran entsprechend den Schwingungs- " figuren der Membran an ihr befestigt sind.

12. Anordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran rund und von einem kegelförmigen Reflektor umgeben ist, der in Richtung der Reflektorachse ankommende Schallwellen konvergent auf die Membran umlenkt oder die divergent von der Membran ausgestrahlten Schallwellen parallel zur Achse des Reflektors richtet.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran derart wellblechartig geformt ist, daß die Wellen in der Fortpflanzungsrichtung der Schwingungen liegen.

14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran mit Längsversteifungen versehen ist.

15. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einer oder mehreren Stellen der Membran zur Verbindung mit einem Energieumwandler draht- bzw. stabartige Schalleiter von solcher Länge befestigt sind, daß sich in ihnen stehende Wellen ausbilden.

Hierzu'2 Blatt Zeichnungen