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Einrichtung zum gerichteten Senden und Empfangen von Schallwellen
mittels eines oder mehrerer an einem Schilf angeordneter Strahler In der Unterwasserschalltechnik
liegt häufig die Aufgabe vor, Schallwellen vorzugsweise in horizontaler Richtung
auszusenden bzw. nur Schallwellen, die aus horizontaler Richtung kommen, zu empfangen.
Die Aussendung und der Empfang von Schallwellen in anderen Richtungen bedeutet gewöhnlich
nur unnütze Energievergeudung bzw. Erhöhung des Störspiegels. Um eine Beschränkung
der ausgestrahlten Schallenergie auf die horizontale Richtung zu erreichen bzw.
den Empfang auf Schallwellen zu beschränken, die aus horizontalen Richtungen kommen,
hat man bereits vorgeschlagen, gerichtete Strahler, insbesondere Gruppenanordnungen
von Strahlern, zu verwenden, deren Hauptvektor der Richtcharakteristik in der Horizontalebene
liegt. Solche Einrichtungen bestehen entweder aus einer strahlenden Fläche, deren
Abmessungen in der Vertikalrichtung groß zur Wellenlänge des benutzten Schalles
sind, oder sie bestehen aus einer Gruppe von vertikal untereinander angeordneten
Einzelschwingern, deren Abmessungen klein zur Wellenlänge sind.' Es ist nun leicht
einzusehen, daß solche Einrichtungen, die starr mit einem Schiffskörper verbunden
sind, ihre vertikale Lage nicht beibehalten, wenn das Schiff im Seegang stampft
bzw. rollt. Es pendelt dann die vertikale Linie der Strahler hin und her, und infolgedessen
wird auch der Hauptvektor der Richtcharakteristik mehr oder weniger stark aus der
Horizontalebene heraus bewegt, der Schall a'Iso nicht mehr dauernd in der Horizontalrichtung
ausgestrahlt bzw. der aus der horizontalen Richtung kommende Schall empfangen. Die
vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, insbesondere diese Nachteile
zu beseitigen.
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Nun ist es bereits bekannt, daß bei der drahtlosen Telegraphie, insbesondere
durch die Bewegung lotrechter Antennenteile beim Schlingern des Schiffes, eine Änderung
der Kapazität der Antenne eintritt, und es ist bereits vorgeschlagen worden, diese
Veränderung durch einen von den Schiffsschwingungen gesteuerten Drehkondensator
auszugleichen.
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Um diesen Vorteil des Ausgleiches des Einflusses der Schiffsschwankungen
auch bei einer Einrichtung zum gerichteten Senden und Empfangen von Schallwellen,
insbesondere im Wasser, mittels eines oder mehrerer
am Schiff angeordneter
Strahler zu erhalten, wird gemäß der Erfindung durch eine an sich bekannte pendelnde
Aufhängung der Schwinger bzw. durch eine geeignete Verwendung an sich bekannter
elektrischer Verzögeruaigsr: ketten der Hauptvektor der Richtcharaic;' ristik der
Strahler bei jeder Lage des Scliifs' selbsttätig in die gewünschte Richtung eingestellt
bzw. bleibt stets in dieser Richtlage.
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Iin ersteren Falle der zwei verschiedenen Ausführungsformen wird der
Strahler bzw. die Strahlergruppe durch Anordnung des Schwerpunktes unterhalb der
Aufhängestelle mittels Achsen, Gelenken o. dgl. frei pendelnd aufgehängt, so dali
sich der Hauptvektor der Richtwirkung stets senkrecht zur Horizontalebene einstellt.
Dabei wird der pendelnd aufgehängte Strahler initsaint dein Schaft, um den er drehbar
ist, vorteilhaft von einem stromlinienförmigen Hüllkörper umgeben, um bei Fahrt
den Wasserwiderstand möglichst gering zti machen und Wirbelbildungen am Strahler
selbst zti verhindern. Die Einrichtung kann so getroffen sein, z. B. an Deck eines
Unterseeboote, daß der Schaft mit dem Strahler dauernd über das Deck hinausragt
und die ganze Einrichtung mit einem fest auf Deck montierten Hüllkörper umgeben
ist. Auf Oberflächenschiffen wird aber zweckmäßig die ganze Einrichtung aus dein
Boden aus- und einfahrbar angeordnet, und zwar in der Weise, daß im ausgefahrenen
Zustand der Hüllkörper fest stehenbleibt, während der Schaft finit dein Strahler
innerhalb des Hüllkörpers verdreht werden kann.
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Inn -zweiten Falle, wenn eine Gruppe von Einzelstrahlern fest in oder
an der Außenhaut des Schifes angeordnet ist, werden die einzelnen Strahler, deren
Abmessungen in der Vertikalrichtung klein zur benutzten Wellenlänge sind, finit
einem elektrischen Kompensator verbunden. Das Schaltwerk dieses Kompensators wird
dabei so eingerichtet, daß es selbsttätig durch die Schiffsbewegung (Stampfen bzw.
Rollen) in der «eise gesteuert wird, daß der Hauptvektor der Richtcharakteristik
der Strahlergruppe bei diesen Bewegungen in der horizontalen Ebene verbleibt. Das
Schaltwerk wird hierbei beispielsweise so ausgebildet, daß die Enden der Zuleitungen
zii den einzelnen Gliedern der elektrischen Ketten des Konipensators mit gegenseitigem
Abstand zii Kontaktbahnen mit je einem durch das Schwergewicht verschiebbaren Kontaktglied,
z. B. gekrümmten Rohren (wie Glasrohren), geführt sind, in denen eine Quecksilberkugel
als Kontaktglied sich in Abhängigkeit von den Lageänderungen des Schiffes bewegt
und dabei die zur Kompensation der jeweiligen \eigtlnr der- Strahlergruppe gegen
die ursprüngliche Lage erforderlichen Verzögerungsglieder ein- bzw. ausschaltet.
Vorteilhafterweise wird eine Strahlergruppe am g mit einem Strahlungsvektor nach
voraus i je eine Gruppe an beiden Seiten des A-chiffes finit einem Strahlungsvektor
nach Backbord- bzw. Steuerbordseite hin angeordnet und der Kompensator so eingerichtet,
daB er wahlweise mit einer dieser Gruppen verbunden werden kann. Die Kontaktbahnen
bzw. die gekrümmten Rohre, die die Schalteinrichtung des Kompensators enthalten,
werden bei Benutzung der Buggruppe in die Längsrichtung des Schiffes eingestellt
und bei Benutzung der Seitengruppen quer zum Schiff eingestellt. ' Die Erfindung
ist an Hand der Fig. i bis j näher erläutert. Es stellt dar Fig. i eine Ausführungsform
eines nach der Erfindung pendelnd aufgehängten Schwingers mit Hüllkörper an Deck
eines Unterseebootes (Deck im Längsschnitt), Fig.2 einen pendelnd aufgehängten,
aus dem Schiffsboden ausfahrbaren gerichteten Schwinger mit ausfahrbarem Hüllkörper
im Längsschnitt, I# ig. 3 einen Schnitt nach der Linie 111-III der Fig.2, 1^ig.4
eine aus dem Schiffsboden ausfahrbare Einrichtung mit mehreren vertikalen Gruppen
von Schwingern, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. ,4, Fig.6 eine
schematische Darstellung der elektrischen Kompensationsmethode für die Schwinger
nach Fig.4. Fig.7 eine Schaltung eines elektrischen Kompensators mit selbsttätiger
Schalteinrichtung.
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In Fig. i stellt i einen um seine Vertikalachse drehbaren Schaft dar,
der am oberen Ende eine Gabel 2 aufweist, in der ein Strahler 3 durch Achsen 4 frei
pendelnd gelagert ist. Der Schaft i ist in Lagern 5 und 6 gelagert und durch ein
Handrad 7 vom Bootsinnern um die Vertikalachse drehbar. Ein Hüllkörper 8 von stromlinienförmiger
Gestalt ist über den über 'das Deck hinausragenden Teil der Einrichtung aufgesetzt.
Wird vom Bootsinnern aus durch Drehen am Handrad 7 die strahlende Fläche des Strahlers
3 in die verschiedenen Richtungen gedreht, so stellt sich infolge der frei pendelnden
Lage dieses Schwingers die strahlende Fläche unabhängig von der jeweiligen Lage
des Bootes senkrecht zur Horizontalebene ein, und der Hauptvektor der Richtcharakteristik
des Strahlers bleibt im wesentlichen in der Horizontalebene. An Stelle der gezeichneten
einfachen Aufhängung kann auch eine kardanische Aufhängung des Strahlers vorgesehen
werden.
In den Fig.2 und 3 bedeutet 9 einen Schiffsboden, aus dem
durch eine Öffnung ein stromlinienförmiger Hüllkörper io, der fest an einem Kolben
i i sitzt, in bekannter Weise mit Hilfe von Spindeln 12 aus- und eingefahren werden
kann. Der Kolben i i gleitet in einem schachtförmigen Aufsatz 13. Innerhalb des
Hüllkörpers ist ein Strahler 1q. angeordnet, der in einer Gabel 15 eines um die
Vertikalachse drehbaren Schaftes 16 frei pendelnd aufgehängt ist. Im ausgefahrenen
Zustand bleibt der Hüllkörper fest in seiner Lage stehen, während der Strahler 14
mittels des Schaftes 16 nach allen Richtungen des Horizontes vom Schiffsinnern aus
gedreht werden kann.
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In Fig. q. ist ein an sich bekannter schwertförmiger ausfahrbarer
Körper 17 dargestellt, der mittels eines Kolbens 18 in einem Schacht i9 gleitet,
welcher auf den Schiffsboden 2o aufgesetzt ist. In dem schwertförmigen Körper, dessen
Querschnitt nach Fig. 5 stromlinienförmige Gestalt hat, sind an der Vorderseite
und an beiden Querseiten je eine vertikale Gruppe von beispielsweise neun Strahlern
21 angeordnet. Diese einzelnen Schwinger sind erfindungsgemäß mit einem elektrischen,
besonders gesteuerten Kompensator verbunden, um die bei den Schiffsbewegungen auftretenden
Pendelbewegungen der Schwingergruppen gegen die Vertikallinie zu kompensieren und
um dafür zu sorgen, daß der Hauptvektor der Richtcharakteristik der Gruppen in der
horizontalen Ebene verbleibt.
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Die Wirkungsweise des Kompensators möge zunächst an der schematischen
Fig.6 erläutert werden.
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Solange die einzelnen in gleichen Abständen voneinander angeordneten
Strahler sich in vertikaler Lage befinden, ist der Hauptvektor A der Richtcharakteristik
der Strahler a bis i senkrecht zu deren Vertikalrichtung gerichtet, liegt
also in der Horizontalebene. Beginnt das Schiff zu stampfen, taucht z. B. der Bug
tief ins Wasser ein, so bewegt sich die Linie der Strahler beispielsweise .in die
Stellung d, b' bis i', und der Hauptvektor A' der Richtcharakteristik ist
senkrecht zu dieser Linie gerichtet, strahlt also nach voraus nicht mehr in der
Horizontalebene, sondern schräg nach unten. Um den Richtvektor bei dieser Lage der
Vertikalgruppe wieder in die Horizontalebene, wie dies durch Pfeil A angedeutet
ist, zu bringen, müssen Kompensationsleitungen zwischen die Energiequelle 22 und
die Schwinger a bis i
eingeschaltet werden. Der Empfänger a muß ein
Verzögerungsglied 23 bekommen, das den zum Empfänger a fließenden elektrischen Schwingungen
eine Verzögerung erteilt, welche der Zeit entspricht, die der Schall benötigt, um
die Strecke i bis i zu durchlaufen. Entsprechend ist vor Empfänger b ein Verzögerungsglied
2.4 zu legen, das in seiner Länge der Zeit entspricht, welche der Schall braucht,
um im Wasser den Weg von la bis h.' zurückzulegen usw. Der Empfänger i erhält kein
Verzögerungsglied. Wenn in dieser Weise Verzögerungsglieder vorgeschaltet sind,
ist gewährleistet, daß die von den Strahlern a' bis i' ausgehenden
Schwingungen konphas die Vertikalebene durchdringen, so daß der Hauptvektor der
Richtcharakteristik in der Horizontalebene liegt. Diese Kompensationsmethode ist
im einzelnen an sich bekannt.
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Ein besonders wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist
es, diesen Kompensationsvorgang zwangsläufig und selbsttätig durch die Schiffsbewegung
zu steuern. Das geschieht erfindungsgemäß in der Weise, daß auf Kontaktbahnen, an
die die Enden der einzelnen Leitungen der Verzögerungsglieder angeschlossen sind,
je ein Kontaktglied unter der Wirkung der Schwerkraft verschiebbar angeordnet ist
und damit selbsttätig die Kompensation steuert. Eine Ausführungsform derartiger
Kontaktbahnen und -glieder ist in Fig.7 schematisch dargestellt.
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Es bedeuten it bis i die einzelnen Strahler. Diese sind an
die Enden elektrischer Verzögerungsketten 31 bis 38 in an sich bekannter Weise angeschlossen.
Von diesen Ketten führen Leitungen- nach gekrümmten Rohren aus Isoliermasse, z.
B. Glasrohren 39 bis .2, in denen eine Kontaktschiene 43 bis :I6 fest angeordnet
ist. Die Enden der Zuleitungen zu den Kettengliedern ragen in bestimmten Abständen
voneinander frei in die als Kontaktbahnen wirkenden Rohre hinein. In jedem Rohr
ist ein Quecksilbertropfen .I7 bis 50 vorgesehen, der jeweils eine leitende Verbindung
zwischen der Kontaktschiene und einem Ende einer Kettenzuleitung herstellt. In dem
gezeichneten Fall, welcher der horizontalen Lage des Schiffes, an dem die Gruppe
der Strahler angeordnet ist, also der Vertikallage der Gruppe entspricht, stellen
die Tropfen 4.7 bis So jeweils eine Verbindung zwischen der Kontaktschiene und der
Mitte der Verzögerungsketten her. Das hat zur Folge, daß allen Strahlern die gleiche
Zahl von Verzögerungsgliedern, nämlich zwölf Glieder, vorgeschaltet ist, wie sich
aus Fig.7 ohne weiteres ergibt, so daß also die von den Strahlern ausgehenden Schwingungen
konphas ausgestrahlt werden. Kommt infolge einer Stampfbewegung des Schiffes die
Strahlergruppe aus der vertikalen Lage a bis i in die geneigte Lage a' bis
i, so bewegen sich die Quecksilbertropfen .47 bis So in den Rohren unter
der Wirkung der Schwerkraft nach dem rechten Ende hin, z. B. bis zu den Stellen
.f7'
bis So'. Dann sind den einzelnen Strahlern nicht mehr gleich lange Verzögerungsketten
vorgeschaltet, sondern jedem Strahler eine verschieden große Zahl von Verzögerungsgliedern,
und zwar in der Weise, daß der Strahler r° bzw. e' die ursprüngliche Verzögerung
von zwölf Gliedern behält. allen anderen Strahlern aber, proportional zu ihrer Abweichung
von der vertikalen Lage, mehr oder weniger Verzögerungsglieder vorgeschaltet sind.
In dem gezeichneten Falle hat dann z. B. der Strahler i' gar keine Verzögerung,
der Strahler ä' sechs Glieder, der Strahler e' zwölf Glieder, der Strahler c' achtzehn
Glieder und der Strahler a' vierundzwanzig Glieder vorgeschaltet. Durch diese Maßnahme
ist erreicht. daß die von den Strahlern a' bis i' ausgehenden Schallschwingungen
trotz der geneigten Lage der Gruppe die vertikale Linie a bis i. konphas
erreichen und demgeiniiß für die Vorausrichtung des Schilfes der Hauptvektor der
Richtcharakteristik in der Horizontalebene liegt.
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Dieselbe oder ähnliche Kontakteinrichtungen, die in Abhängigkeit von
der Lage des Konipensators im Raum selbsttätig die Verzögerungsketten ein- bzw.
ausschalten, können natürlich für jede beliebige Art der Kompensatorschaltung entsprechende
Anwendung finden, insbesondere auch für den sog. Einkettenkonipensator.
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Wird an Stelle einer voraus gerichteten z. B. ini Bug eingebauten
vertikalen Gruppe eine an der Seitenwand des Schiffes eingebaute Gruppe benutzt,
so müssen die Kontaktbahnen. bei dein Ausführungsbeispiel die Rohre 39 bis
.f2, die die Schalteinrichtungen des Konipensators enthalten, quer zum Schiff gestellt
werden. uni die durch die Rollbewegung entstehende Neigung der Gruppe gegen die
Vertikale selbsttätig zu kompensieren.
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Wenn auch die beschriebenen Einrichtungen in erster Linie für die
Benutzung an Bord von Schiffen gedacht sind, so können sie doch auch finit Erfolg
überall dort versendet werden, wo es sich uni die Aufgabe handelt. eine gerichtete
Schallwirkung trotz Lageänderung des Aufstellungsortes der Schallstrahler zu erzielen.
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Bei Anwendung der selbsttätigen elektrischen Kompensation wird inati
in besonderen Fällen besondere Dämpfungsmittel für (las auf der hontaktbalin sich
bewegende Kontaktglied vorsehen, um bei Schiffen init kurzzeitiger Schlingerperiode
eine zu schnelle Bewegung zu heininen. Zweckmäßig wird Krümmung von Kontaktbahn
und Kontaktglied in Forin und Abmessungen so gewählt, daß die Schwingungsperiode
dieses Systems wesentlich von der Selilinger- bzw. Staml>fperiode des Schiffes abweicht.
Die selbsttätige Kompensation nach der l-rfiiidung ist besonders wichtig für Hochperiodenschwinger,
z. B. Magnetostriktionsschwinger, weil diese eine besonders scharfe Richtcharakteristik
besitzen.