DE668566C - Einrichtung zur Erzeugung oder Aufnahme mechanischer Schwingungen - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schallsender und Empfänger, die insbesondere als Geber bzw. Empfänger für die Unterwasserschalltechnik gedacht sind. Die Verwendung des vorgeschlagenen Apparates für das Gebiet der technischen Akustik oder der mechanischen Schwingungen soll damit nicht ausgeschlossen werden. Die nachstehende Darstellung der Erfindung erfolgt der Einfachheit halber aber unter Zugrundelegung des Anwendungsgebietes der Unterwasserschalltechnik.

Die bisher bekannten Apparate lassen sich nur in einem beschränkten Frequenzbereich verwenden. Die Erfindung hat sich jedoch zur Aufgabe gestellt, einen Schallsender bzw. -empfänger zu schaffen in einem Frequenzbereich, der bisher nicht verwendet werden konnte, nämlich demjenigen oberhalb des

ao Hörbereiches, und zwar dem Bereich zwischen 5000 und 20 000 Schwingungen, ungefähr um 10 000 Schwingungen herum. Damit ist zwar noch nicht gesagt, daß der erfindungsgemäße Apparat sich nur für diesen Frequenzbereich verwenden läßt, er hat jedoch in ihm besondere Vorteile.

Gemäß der Erfindung wird zur Amplitudenübersetzung ein Zwischenkörper verwendet, der aus einer in sich schwingenden Masse besteht und derart gestaltet ist, daß ihre erregten und strahlenden Amplituden verschieden sind.

Es ist zwar an sich bekannt, Schallsender und -empfänger mit Amplitudenübersetzungen zwischen erregter und strahlender Masse auszurüsten. Bei den bekannten Ausführungen wurde die Amplitudenübersetzung durch Ringe, Gabeln, Stäben o. dgl. bewirkt. Es ergeben sich hierbei jedoch Apparate, die einerseits sehr kompliziert sind, andererseits für den vorerwähnten Periodenbereich nicht in Frage kommen, da ihr Wirkungsgrad zu schlecht ist.

Wählt man z. B. die Frequenz 10 000 Perioden als Arbeitsfrequenz, so kann man diese Schwingungen für die Sprachübertragung (etwa herauf bis 2500 Perioden) modulieren. Dieser Frequenzbereich ermöglicht, erfindungsgemäß auf eine in der Hochfrequenztechnik übliche Weise Telegraphie mit Überlagerungsempfang einzuführen, die bisher in der Unterwasserschalltechnik nicht bekannt war. Läßt man beispielsweise den Geber Schall mit 10 000 Perioden, insbesondere Unterwasserschall, ausstrahlen und überlagert man am Empfänger 9000 oder 11 000 Perioden, indem man den Empfänger mit einer dieser Periodenzahlen durch eine geeignete Wechselstromquelle (Hochfrequenzmaschine, Röhrengenerator) erregt, so erhält man am Empfänger eine Überlagerungsfrequenz von 1000 Perioden, die man durch die in der Hpchfrequenztechnik allgemein üblichen Methoden, beispielsweise im Telephon, als Ton wahrnehmbar machen kann.

Diese Aufgaben löst der erfindungsgemäß ausgebildete Schallsender bzw. -empfänger in einfacher Weise. Er erfüllt auch weiterhin die Forderung, Apparate zu schaffen, die sehr handlich sind und eine einfache Gestalt be-

kommen und vor allem bei richtiger Dimensionierung einen guten Wirkungsgrad (Strahlungswirkungsgrad usw.) haben.

Es ist zwar durch den Erfinder bekannt! geworden, bei Schallapparaten sog. Tonpil| zu verwenden, bei denen zwei Endmassenf durch ein elastisches Zwischenstück miteinander verbunden werden, so daß die Massen mehr oder weniger scharf getrennt sind. Im ίο Gegensatz hierzu verwendet die Erfindung eine in sich schwingende Masse, bei der Masse und Elastizität eng miteinander verknüpft sind unter Einhaltung der Bedingung, daß erregte und strahlende Amplituden verschieis den sind. Anordnungen, die nach dem Prinzip der Tonpilze arbeiten, sind auch so ausgestaltet worden, daß die eine Masse innerhalb der anderen, die ringförmig ausgebildet ist, gelagert wird und beide Massen durch eine Art Membran miteinander in Verbindung -stehen.

Der Erfindungsgedanke ist im nachstehenden an Hand dreier Abbildungen näher erläutert. Die Abb. 2 und 3 stellen Beispiele der erfindungsgemäßen Ausbildung dar, während die Abb. ι der besseren Erläuterung dient.

In Abb. ι ist ein Schallgeber dargestellt, der _aus einem zylindrischen Gehäuse G und einem zylindrischen Oszillator O besteht. Der Oszillator O ist mit dem Gehäuse G durch eine ringförmige Befestigung M verbunden, die beispielsweise als ringförmige Membran ausgebildet ist. Der Oszillator O bzw. der ganze Apparat grenzt an seinen äußeren (links in der Abbildung liegenden) Flächen an das Medium, in dem der Schall erzeugt bzw. empfangen werden soll.

Für diese einfache Ausführungsform des Oszillators O als kreisförmiger Zylinder mit gleichförmigem Querschnitt ist die Eigenschwingungszahl bestimmt durch die Höhe α des Zylinders, die eine halbe Wellenlänge dieser Eigenschwingungszahl im Material des Zylinderkörpers darstellt, α ist also in diesem Fall = %\z. Besteht der Oszillator beispielsweise aus Stahl, dessen Fortpflanzungsgeschwindigkeit etwa 5000 m pro Sekunde beträgt, und wird die Frequenz zu 10 000 Perioden angenommen, so beträgt die Wellenlänge in diesem Material 50 cm, die halbe Wellenlänge und damit die Höhe des Zylinders 25 cm.

Gemäß der Erfindung ist nun der Oszillator, wie sich aus der Abb. 2 ergibt, in seiner geometrischen Form so ausgestaltet, daß die Amplitude der Schwingungen seiner kreisförmigen Endfläche gegenüber dem Gehäuse G (innere Fläche / in Abb. 2) verschieden ist von der Amplitude seiner Kreisfläche auf der Gegenseite," also der nach dem Schallmedium zugerichteten Fläche (äußere Fläche Ä in Abb. 2). Man wird hierbei die Übersetzung zwischen erregter und strahlender Amplitude .^mIt₁ Rücksicht auf den optimalen Wirkungsfl bemessen.

wird angenommen, daß es sich um einen ^^gber handelt, der dadurch erregt wird, daß zwischen den inneren Kreisflächen des Zylinders O und dem Gehäuse ein elektrisches Wechselfeld von 10 000 Perioden erzeugt wird. Der Oszillator O ist dann elektrisch vom Gehäuse G zu isolieren. Dieses kann an der Befestigungsstelle von if an G oder an der Befestigungsstelle von M an O leicht geschehen. Ergibt sich nun beispielsweise aus Theorie oder aus Experimenten, daß die Amplitude zwischen der inneren Kreisfläche von O und der inneren Kreisfläche von G zur Erreichung des optimalen Wirkungsgrades dreimal so klein sein muß als die Amplitude der äußeren Fläche (Strahlungsfläche) von O, d.h. der dem Gehäuse abgewandten Kreisfläche des Zylinders O, dann gibt man dem Zylinder O an der Stelle bei M, oder in deren Nähe, eine Verdickung des Querschnitts oder eine anderswie geartete Massenvergrößerung (anderes Material größeren spezifischen Gewichts) derart, daß der Zylinder O so schwingt, daß seine innere Kreisfläche dreimal kleinere Amplitude macht als seine äußere.

Man kann in einem anderen Beispiel, in welchem es sich um ein umgekehrtes Amplitudenverhältnis handelt, die fragliche Amplitudenübersetzung dadurch erreichen, daß man das Gehäuse G mitschwingen läßt. Hierbei müßte man dann die Masse des Gehäuses G entsprechend bemessen, oder das Gehäuse G ebenfalls als Schwingungsgebilde mit ausbilden. Man wird meist vorziehen, das Gehäuse G als nicht schwingendes Organ, also iou mit verhältnismäßig großer Masse, auszurüsten. Will man dann die innere Amplitude zwischen Oszillator und Gehäuse größer haben als die der äußeren Strahlungsfläche von O, dann muß man in der Nähe der äußeren Fläche den Zylinder O mit mehr Masse behaften. Die Befestigung des Oszillators O durch M am Gehäuse G wird im allgemeinen vorteilhaft in der Nähe der Knotenlinie der Schwingungen des Oszillators O erfolgen. .110

Wie aus obigem hervorgeht, ist der bechriebene Schallapparat, zumindest für den erwähnten Frequenzbereich, eine sehr einfache Ausführungsform. Bei richtiger gegenseitiger Bemessung der Amplitude an der inneren Fläche des Oszillators und an der Strahlungsfläche ist ein guter Wirkungsgrad zu erwarten. Die Größe der inneren Amplitude hängt von der Art der Erregung ab (es ist besonders an eine elektrische Erregung edacht), die Größe der Amplitude der äußeren Fläche (Strahlungsfläche) hängt vom

Schallmedium ab (hierbei ist an Wasser gedacht). Die Schallgeschwindigkeit im'Wasser ist 1400 m, die Wellenlänge bei 10 000 Perioden also etwa 14 cm. Nach den bekannten Theorien der technischen Akustik ist die Strahlungsdämpfung bei solchen Strahlern nullter Ordnung, um die es sich hier handelt, schon sehr erheblich, wenn der Durchmesser der strahlenden Fläche auch nur ein Bruchteil

ίο der Wellenlänge ist. In Wirklichkeit wird man den Oszillator O mit größeren Querschnittsflächen wählen, z. B. mit einem Durchmesser von 10 cm und mehr.

In Abb. 2 ist eine Oszillatorform dargestellt, bei der der Querschnitt des Oszillators zwischen der äußeren und inneren Fläche sich verändert. Die innere Fläche hat größeren Durchmesser, ist also mit größerer Masse behaftet, hat deswegen geringere Amplitude als die äußere Fläche. Der Oszillator besteht also dann im wesentlichen aus zwei aneinandergesetzten Zylindern von verschiedenem Durchmesser. Die Höhe des Gesamtoszillators α entspricht dann nicht genau einer halben Wellenlänge seiner Eigenschwingungszahl, sondern weniger. Im Grenzfalle, bei einer sehr großen Ungleichheit der beiden Zylinderteile, würde sie sich dem Betrage einer viertel Wellenlänge nähern. Sie liegt immer zwisehen einer viertel und halben Wellenlänge bzw. ³/₄ und ι λ usw.

In Abb. 3 ist eine andere Ausführungsform gegeben, bei der ein Teil, und zwar der äußere Teil des Oszillators, ringförmig ausgebildet ist, während der innere Teil ein Vollzylinder ist. Die strahlende Fläche ist dann im wesentlichen die ringförmige Abschlußfläche am Ende des Oszillators O nach außen, die die größte Amplitude macht.

Die in Abb. 2 und 3 gegebenen Ausführungsformen des Oszillators sollen nur veranschaulichen, wie erfindungsgemäß die Amplitude zwischen innen 'und außen verändert werden kann. Es gibt eine große Anzahl von Möglichkeiten der Gestaltung, um dieselben oder andere Amplitudenverhältnisse zu erreichen, z. B. auch die Möglichkeit, den Oszillator O aus zwei Materialien verschiedener Masse zusammenzusetzen, oder solchen, die verschiedene Schalleigenschaften haben, wobei vorteilhaft die beiden Teile des Oszillators innigst miteinander zu verbinden sind, z. B. durch Schweißung, Verlötung o. dgl. m., möglichst nicht durch Verschraubung, da hierbei innere Reibungsverluste bei den fraglichen hohen Schwingungszahlen kaum zu vermeiden wären.

Für die Anwendung der Erfindung in der Unterwasserschalltechnik wäre die Periodenzahl von 20 000 pro Sekunde nicht die oberste Grenze, da sich der Schall im Wasser auch noch bei wesentlich höheren Periodenzahlen gut ausbreitet; ,aber es ergäbe sich dann die Notwendigkeit, kompliziertere Wechselstromgeneratoren, wie z. B. Röhrengeneratoren oder elektrische Maschinen mit Frequenzwandlern, zu verwenden, was nicht ohne weiteres erwünscht ist, außerdem ergäben sich hierfür Wellenlängen, die aus den verschiedensten Gründen für die praktische Durchführung der Apparatur schon zu klein sind. Nehmen wir z. B. 50 000 Perioden an, so ergibt sich im Stahl bei einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit von etwa 5000 m pro Sekunde eine Wellenlänge von nur 10 cm, eine Länge des Oszillatorzylinders also von nur 5 cm (für den Fall, daß er als gleichförmiger Zylinder ausgebildet ist und beiderseits mit gleichen Amplituden schwingt, also die Erfindung noch gar nicht anwendet). In Rücksicht auf die aus Festigkeitsgründen zulässige Amplitude wird dann aber die anwendbare Schwingungsamplitude schon recht klein und damit die zu verwendende Energie beschränkt. Außerdem wird die Wellenlänge dann im Wasser so klein, bei 50 000 Perioden wäre sie etwa 3 cm, daß jeder mäßig große Körper im Wasser für den Schall einen S'chatten werfen würde, was für den Nachrichtenaustausch zwischen den fraglichen Schallapparaten, die in der Hauptsache doch an Schiffen oder ähnlichen Schwimmkörpern im Wasser angebracht gedacht sind, vielfach sehr hinderlich sein kann. Bei 10 000 Perioden ergibt sich noch eine Wellenlänge von 14 cm, die zwar auch schon von größeren Körpern Schallabschattung ergibt, immerhin aber noch nicht so nachteilig wie bei der genannten höheren Periodenzahl.

Die Erfindung ist ferner für die Übertragung von Telephonienachrichten mittels Modulation der Schwingungen auf eine in der Hochfrequenztechnik übliche Weise bzw. finden Überlagerungsempfang im Frequenzbereich oberhalb des Hörbaren zu brauchen.

Es lassen sich mehrere erfindungsgemäße Schallapparate in an sich bekannter Weise so anordnen, daß sich Richtwirkung ergibt. Die in der Hochfrequenztechnik bekannten Anordnungen können hierfür mit mehr oder weniger Vorteil zugrunde gelegt werden. Da die Wellenlänge im Wasser z. B. für die 10 000 Perioden nur 14 cm ist und bei den Richtanordnungen, welche aus mehreren Strahlern bestehen, eine Größe der gesamten Riehtapparatur von einigen Wellenlängen nötig ist, so ergibt sich bei dieser Wellenlänge noch eine Größe der Apparatur, die praktisch tragbar scheint, was erfindungsgemäß einen weiteren Vorteil gerade dieses Frequenzbereichs darstellt. Auch Spiegelanordnungen, deren Dimension ebenfalls wieder mit der Wellen-

länge zusammenhängt, ergeben für diesen Frequenzbereich noch vernünftige -Ausmaße der gesamten Apparatur und somit die Möglichkeit gerichteter Sender oder Empfänger.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schallsender oder -empfänger, insbesondere für Wasserschall, mit einem zwischen dem schalltragenden Medium und dem Sende- oder Empfangsgerät an einem Gehäuse befestigten, auf die zu übertragende Frequenz abgestimmten und zur Amplitudenübersetzung dienenden Zwischenkörper, wobei zwischen Gehäuse und dem Zwischenkörper in bekannter Weise die Erzeugung bzw. die Entnahme der Schwingungsenergie erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenkörper eine in sich schwingende Masse dient, die derart gestaltet ist, daß ihre erregten und ihre strahlenden Amplituden verschieden sind,

2. Schallsender oder -empfänger nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten Schwingungen auf eine in der ' Hochfrequenztechnik übliche Weise zwecks Telephonieübertragung moduliert werden.

3. Schallsender oder -empfänger nach Anspruch 1 und 2," dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger mit einer geeigneten Frequenz auf eine in der Hoch-

■f requenztechnik übliche Weise selbst erregt wird zum Zwecke des Überlagerungsempfanges.

4. Schallsender oder -empfänger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einrichtungen in an sich bekannter Weise derart kombiniert werden, daß sich Richtwirkungen ergeben.

5. Schallsender oder -empfänger nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Richtwirkung in an sich bekannter Weise ein Spiegel, der Parabelform besitzen kann und bei einer Verwendung im Wasser vorzugsweise als Hohlwandspiegel ausgebildet ist, angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen