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1Jnterwasserschallempfänger Gegenstand der Erfindung ist ein neuartiger
Unterwasserschallempfänger, der wegen der großen Gleichmäßigkeit seiner akustischen
Eigenschaften bei verschiedenen Exemplaren insbesondere zur Verwendung in Empfängergruppen
für Schallrichtungspeilung von Geräuschen bestimmt ist und der geeignet isst, in
stark wechselnden Wassertiefen (z m bis ioo m) gut und einwandfrei zu arbeiten.
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Die Erfindung geht aus von einem Unterwasserschallempfänger mit einer
Membran und einem an dieser befestigten starren Umwandlungssystem der mechanischen
Schwingungen in elektrische Schwingungen, bei dem die Grundabstimmung des durch
die Membran und der an ihr befestigten Teile des; Umwandlungssystems gebildeten
Schwingungsgebildes unterhalb des Gebietes maximaler Ohrempfindlichkeit liegt. Die
Erfindung besteht nun darin, daß die erste Oberschwingung des Schwingungsgebildes
durch besondere Mittel oberhalb des Gebietes maximaler Ohrempfindlichkeit gelegt
ist und daß beide Schwingungen, Grundschwingung und erste Oberschwingung, durch
besondere Dämpfungsmittel abgedämpft werden. Der Unterwasserschallempfänger gemäß
der Erfindung ist zweckmäßig folgendermaßen gebaut: Er besitzt eine Membran von
einem Durchmesser von höchstens 15 cm und einer Dicke von etwa 3 mm aus einem Metall
von einer Zerreißfestigkeit von 6o bis 7o kg pro Quadratmillimeter, was unter Berücksichtigung
der mitschwingenden Wassermasse und im Mittelpunkt befestigter Konstruktionsteile
' einer Abstimmung von etwa 1j.00 Sekunden entspricht. DieseZahlen ergeben sich,
wie im folgenden gezeigt, als Kompromiß aus den an den Empfänger zu stellenden Haupterfordernissen
Empfindlichkeit, gute Zeichnung, Druckfestigkeit und der Möglichkeit, ihn in die
Bordwand eines Schiffes noch. einbauen zu können.
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Die erste Oberschwingung der Membran ist durch besondere Mittel auf
aooo Schwingungen pro Sekunde oder höher hinaufgelegt und besonders abgedämpft.
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Der an der Membran befestigte und mit ihr mitschwingende Teil des
Magneten sitzt auf einem an der Membran befestigten Stiel. Er wird durch eine besondere
Stützmembran gehalten, deren Dicke wesentlich, geringer ist als die der schallaufnehmenden
Membran. Zwischen der Membran und dem an ihr befestigten Magnetteil ist der feste
Teil des Magneten angeordnet, der von einer starren Platte getragen wird.
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Der Erregerstrom des Magneten ist regelbar, um durch seine Erhöhung
die Vergrößerung des Luftspaltes bei steigendem Außendruck, z. B. beim Tauchen eines
Tauchbootes, ausgleichen zu können.
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Abb. i zeigt einen Schallempfänger nach der Erfindung im Längsschnitt.
Abb. a zeigt einen Schnitt durch den Emp- |
fänger längs der Linie a.-b-c in Abb. r, und |
Abb. 3 zeigt eine Aufsicht auf die Membraa@: |
des Empfängers von innen. |
Der Empfänger setzt sich aus folge@I |
Teilen zusammen: |
Der Gehäuseteil z mit seiner schweren' Ringmasse ist zusammen mit der Membran a
aus einem Stück hergestellt. Ein Sockel 3 in der Mitte der Membran trägt einen durch
den Empfängerinnenraum hindurchgeführten Stab io, an dem der Anker 4 des Magneten
befestigt ist. Gegenüber dem Anker auf seiner der Membran zugekehrten Seite ist
das Magneteisen 5 an einem fest mit dem Empfängergehäuse verbundenen sehr starren
Träger 6 gelagert. Diese Anordnung des, Magnetsystems hat den Vorteil, daß der Anker
bei Durchbiegung der Membran in größeren Tiefen nicht gegen das Magneteisen gedrückt
werden kann. Das Magnetsystem 4,
5
kann ein permanentes oder durch Gleichstrom
erregtes Magnetsystem sein. Letzteres hat im vorliegenden Fall gewisse Vorteile,
wie sich im folgenden zeigen wird. In diesem Falle ist in den Nuten des Magnetsystems
eine Gleichstromerregerspule 7 angeordnet. Eine Spule 8 dient zur Erzeugung des
Wechselstromes beim Schwingen des Magnetankers. Sie ist mit einem Telephon 9 verbunden.
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Auf dem Stab zo sitzt außer dem Anker 4 noch ein Zylinder i i, der
mit kleinem Zwischenraum in einem entsprechenden Hohlzylinder 12 geführt ist. Der
Zwischenraum ist mit einer dämpfenden Flüssigkeit gefüllt, vorzugsweise mit einem
Ö1, hoher Viscosität, und durch biegsame Ringmembranen 13 nach außen-abgeschlossen.
Diese Ringmembranen und der Ölraum bewirken zwar bereits eine recht beträchtliche
Abstützung des Stab-Systems gegen seitliche Schwingungen. Um jedoch völlige Sicherheit
gegen Störungen dieser Art zu haben, wird zweckmäßig noch eine besondere Stützmembran
14 am äußersten Ende des. Stabes to vorgesehen, deren Abstimmung tief liegt gegenüber
der Grundabstimmung der Empfängermembran 2.
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Für Bemessung und Material der Membran gelten folgende Gesichtspunkte.
Da sich Eigenresonanzen der Membran nur bei aperiodischer Dämpfung völlig vermeiden
lassen, in diesem Falle aber die Empfindlichkeit des Empfängers zu weit herabgesetzt
wird, wendet - man den Kunstgriff an, die Eigenschwingungen der Membran außerhalb
des Gebietes maximaler Ohrempfindlichkeit (6oo bis äooo Schwingungen pro Sekunde)
zu legen. Man könnte das dadurch erreichen, daß man bereits die Grundschwingung
oberhalb von 2oöo legt. Da jedoch die vom Elektromagneten gelieferte Spannung proportional
der Änderung des magnetischen Flusses und .diese wiederum proportional der Geschwingkeitsamplitude
x ist, so muß man letztere öglichst hoch machen. Für .z gilt für runde Membranen
von durchgehend gleicher Stärke der Ausdruck
worin c die Nachgiebigkeit, in die Masse, F die wirksame Empfangsfläche, P die erregende
Kraft und z die Verstimmung (in diesem Fall gegen das Gebiet maximaler Ohrempfindlichkeit)
ist: Unter Verstimmung z versteht man das Verhältnis
bzw. -
für tief bzw. hoch abgestimmte Empfänger, worin to, die Abstimmungskreisfrequenz
des Schwingers; c die Vergleichskreisfrequenz bedeutet. Aus der obigen Forrnel sieht
man, daß die Geschwindigkeitsamplitude abhängig ist von dem Verhältnis der Faktoren
c und in. Für runde Membranen kann man durch Einsetzen der Membrane und Mediumkonstante
für die Werte c und in folgende Formel bilden:
oder umgerechnet
worin bedeutet R = Radius der Membran, d = Dicke der Membran, Dichte des mitschwingenden
Mediums (hier des Wassers), = Dichte des Membranmaterials, B = Elastizitätsmödül
des Membranmaterials.
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Man sieht aus obiger Gleichung, daß die Geschwindigkeitsamplitude
der Membran in ausschlaggebender Weise von der Dicke der Membran abhängt und daß
daher ein tief abgestimmter Empfänger mit dünner Membran wesentlich empfindlicher
sein muß als ein hoch abgestimmter mit dicker Membran. Obwohl also für die Drucksicherheit
der Me°inbran eine größere Dicke vorzuziehen wäre, legt man die Grundabstimmung
der Membran unterhalb des Frequenzbandes größter Ohrempfindlichkeit. ' Andererseits
sind für die Größe der Membran Grenzen gesetzt, da die Möglichkeit bestehen rnuß,
sie möglichst ohne Verletzung von Spanten in die Schiffshaut
einzusetzen.
Aus diesem Grunde liegt die obere Grenze für den Membrandurchmesser etwa bei 15
cm.
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Da endlich ein moderner Empfänger noch eine genügende Druckfestigkeit
bei ioo m Tauchtiefe der U-Boote haben muß, die besten seewasserbeständigen Legierungen
eine Zerreißfestigkeit KU von etwa 6o bis 70 kg/mm' haben muß und man, bei
einer Sicherheit von Ioo °/o, für die zulässige Spannung nur den halben Wert von
Kv einsetzen kann, ergibt die Rechnung für die Belastung ß der Membran aus
(99 - 0,5; p = ) beim Durchmesser von 15 ein eine Dicke
von 3 mm für die Membran. Es ergibt sich dann aus Durchmesser und Dicke der Membran
(unter Berücksichtigung der mitschwingenden Wassermasse und der in ihrem Mittelpunkt
angreifenden Konstruktionsteile) eine Abstimmung von 4.00 Schwingungen pro Sekunde.
Da diese Frequenz aber noch nicht genügend weit außerhalb des Ernpfindlichkeitsmaximurns
des Ohres liegt, um gar nicht mehr zu stören, wird erfindungsgemäß die Grundschwingung
noch durch Anordnung eines an sich bekannten Mittels, nämlich eines Dämpfungszylinders
mit Öldämpfung, besonders abgedämpft.
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Die erste Oberschwingung einer solchen Membran würde nun, wenn nicht
besondere Maßregeln getroffen werden, in das Gebiet der größten Ohrempfindlichkeit
fallen, also empfindlich stören. Sie wird daher bei dem Unterwasserschallempfänger
gemäß der Erfindung durch das an sich bekannte Mittel der Versteifung der Membranzone
zwischen Mitte und Rand durch Rippen 15 (Abb. i und 3) oberhalb des Gebietes maximaler
Ohrempfindlichkeit gelegt. Hierdurch gelingt eine Erhöhung der ersten Oberschwingung
auf etwa zooo Schwingungen pro Sekunde. Da auch diese Frequenz noch zu nahe an der
maximalen Ohrempfindlichkeit liegt, sind gemäß der Erfindung auch hier wieder besondere,
an sich bekannte Dämpfungsvorrichtungen angebracht, bestehend aus den Metallplatten
16 (Abb. i und 3), die unter Zwischenlage eines Dämpfungsmittels, z. B. Guttapercha,
auf die Membran gekittet oder gegen die Membran gepreßt sind.
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Die durch die Bauart des Magneten bedingte Lage der Grund- und Oberschwingungen
der Membran gestattet es, einen breiten Frequenzbereich ohne wesentliche Verzerrung
zu überdecken. Dieses Problem hat man bereits früher angegriffen und in ähnlicher
Weise wie in der vorliegenden Erfindung durch Verlegung der Grundfrequenz und der
Oberschwingungen außerhalb des aufzunehmenden Frequenzbereiches, und zwar gleichfalls
der Grundfrequenz unterhalb der maximalen Ohrempfindlichkeit, zu lösen versucht.
Der Erfindungsgegenstand bringt demgegenüber aber eine Verbesserung, indem er darüber
hinausgehend auch die erste Oberschwingung außerhalb der maximalen Ohrernpfindlichkeit
legt und beide Schwingungen durch besondere Dämpfungsmittel abdämpft.
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Die Bauart des Magneten bedingt weiter, daß bei der Durchbiegung der
Membran unter statischem Druck der Luftspalt sich vergrößert. Erfindungsgemäß wird
dem dadurch begegnet, daß der Strom, der durch die Erregerspule des Magneten fließt,
regelbar gemacht wird, so daß er, wenn der Empfänger in größere Tiefen gelangt,
verstärkt werden kann, wobei alsdann die erhöhte Zugkraft des Magneten der Wirkung
des äußeren Druckes entgegenwirkt. Hierzu dient der im Kreise der Erregergleichstromquelle
17 liegende Regulierwiderstand 18.
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In Abb. a sieht man noch die Anordnung des . Magneten und der Stromzuführungen
und Wechselstromableitungen in Aufsicht.
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Die Vorteile eines Empfängers der beschriebenen Art sind im besonderen,
daß er alle Geräusche im Gebiet maximaler Ohrempfindlichkeit gleichmäßig und mit
hoher Empfindlichkeit wiedergibt, daß er in stark wechselnden Tiefen verwendbar
ist, ohne seine akustischen Eigenschaften unzulässig zu ändern, und daß er trotzdem
eine ganz außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit gegen stoßartige Beanspruchungen
besitzt, wie sie z. B, durch Explosion von Torpedos und Wasserbomben hervorgerufen
werden.