DE668567C - Unterwasserschallempfaenger - Google Patents

Unterwasserschallempfaenger

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DE668567C
DE668567C DEE42548D DEE0042548D DE668567C DE 668567 C DE668567 C DE 668567C DE E42548 D DEE42548 D DE E42548D DE E0042548 D DEE0042548 D DE E0042548D DE 668567 C DE668567 C DE 668567C
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DE
Germany
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membrane
underwater sound
sound receiver
attached
harmonic
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Expired
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DEE42548D
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English (en)
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ELAC Electroacustic GmbH
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ELAC Electroacustic GmbH
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S1/00Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith
    • G01S1/72Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using ultrasonic, sonic or infrasonic waves

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • Die erste Oberschwingung der Membran ist durch besondere Mittel auf aooo Schwingungen pro Sekunde oder höher hinaufgelegt und besonders abgedämpft.
  • 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.
  • 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.
  • 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. .
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In Abb. a sieht man noch die Anordnung des . Magneten und der Stromzuführungen und Wechselstromableitungen in Aufsicht.
  • 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.

Claims (1)

  1. PATENTANSI'R(ICIIE: i. 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, dadurch gekennzeichnet, 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 sind. a. Unterwasserschallempfänger nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte der Membran ein in einem eng anschließenden, mit einem Dämpfungsmittel gefüllten Behälter beweglicher Kolben starr befestigt ist und daß zwischen der Mitte und dem Rande der Membran radiale Versteifungsrippen unter Zwischenlage von Dämpfungsmitteln auf der Membran sitzen. 3. Magnetischer Unterwasserschallempfänger nach Anspruch i und a, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Membran ,verbundene Teil des Magnetsystems auf der der Membran abgekehrten Seite des mit dem Gehäuse des Empfängers verbundenen Teiles des Magnetsystems angeordnet ist. q.. Schaltung für elektromagnetische Unterwasserschallempfänger nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom regelbar und die Erregergleichstromquelle groß genug bemessen ist, daß der Erregerstrom bei größeren Eintauchtiefen des Empfängers verstärkt werden kann.
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