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Unterwasserschallsender Gegenstand der Erfindung ist ein Unterwasserschallsender
für gerichtete Schallstrahlung, der sich insbesondere für größere Schalleistungen
und hohe Frequenzen eignet.
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Bei den bisher gebräuchlichen Sendern hat man vielfach großflächige
Membranen verwendet, die man gleichphasig antrieb, so daß sie als Kolben arbeiteten.
Besonders dann, wenn es sich um Frequenzen oberhalb der Hörgrenze handelt, hat man
diese Ausführungsform gewählt, weil mit Hilfe von Membranen, die groß sind gegenüber
der Wellenlänge, eine gute Richtwirkung erzielt werden kann.
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Um die Schwierigkeiten zu umgehen, die es bereitete, eine größere
Fläche gleichphasig zu erregen, ist man auch schon dazu übergegangen, in dem die
Fernübertragung der Verdichtungsschwingungen bewirkenden Seewasser einen Strahler
mit kleiner Fläche zu verwenden und die erforderliche Richtwirkung beispielsweise
mit Hilfe von Reflexionen zu erzielen, wie sie in der Optik bekannt sind.
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Hierbei macht sich aber ein anderer Mangel äußerst störend bemerkbar.
Durch Verkleinerung der die mechanischen Schwingungen erzeugenden Fläche ist bei
einer vorgegebenen Schalleistung die Leistungsdichte pro Flächeneinheit vergrößert.
Bei Überschreiten einer bestimmten Höchstgrenze der Leistungsdichte bilden sich
'an der Oberfläche des Schwingers Gas- und Dampfblasen aus, die die Schallabgabe.an
das Wasser praktisch verhindern. Dadurch ist der abzustrahlenden Leistung eine verhältnismäßig
niedrige Grenze gesetzt, so daß man in vielen Fällen von diesem an sich guten Lösungsgedanken
keinen Gebrauch machen kann. Eine Hauptschwierigkeit. ergibt sich hierbei dadurch,
daß die Herstellung geeigneter Reflektoren einen sehr großen Aufwand erfordert.
Will man Hohlreflektoren verwenden, so kann man diesen nur sehr dünne Wände geben,
die wegen ihrer Empfindlichkeit gegen Verbiegung eine die Betriebssicherheit erheblich
vermindernde Fehlerquelle darstellen. Benutzt man andererseits Metallreflektoren,
so können Doppelreflexionen nur bei Verwendung ganz außerordentlich großer Metallklötze
von an der Vorder- und Hinterwand unzulässig hohem Gewicht vermieden werden.
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Auch der bereits bekannte Vorschlag, elektromagnetische Schallempfänger
mit einer
aperiodischen Membran aus dickem Gummi auszurüsten, die
am Elektromagnetanker befestigt ist, löst die in der Praxis auftreten: Schwierigkeiten
nicht restlos.
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Bei dem Unterwasserschallsender gemäß der Erfindung werden ebenfalls
Strahler mit kleiner Fläche verwendet. Jedoch wirkt die die mechanischen Schwingungen
erzeugende Fläche nicht unmittelbar auf das die Schallwellen fortleitende Wasser,
sondern über einen Zwischenkörper, der derart mit reflektierenden und brechenden
Flächen (Schallreflektoren, Schallinsen) versehen ist, daß die divergierenden Schallstrahlen
des Schwingers in einer gewollten Richtung aus der groß bemessenen Austrittsfläche
des Zwischenkörpers in das Wasser übertreten. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile:
i. Wegen der kleinen Fläche des Schwingers bildet der gleichphasige Antrieb keine
Schwierigkeit; die Schallabgabe des Schwingers wird nicht durch Gas- oder Dampfblasen
behindert; 3. die Reflexionsflächen am Übertragungskörper lassen sich mit einwandfreier
Wirkung leicht herstellen.
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Es ist zwar bekannt, zwischen Schwingungserzeuger und dem den Schall
fortleitenden Medium (Luft, Wasser) einen als Resonator wirkenden Zwischenkörper
einzuschalten, der entweder als Hohlkörper oder wabenförmig ausgebildet ist, und
dessen Hohlraum mit Medium angefüllt ist. Mit solchem Resonator sind auch Richtwirkungen
erzielbar, wenn die an das Medium angrenzende Schallaustrittfläche eine Ausdehnung
von einem Mehrfachen der Wellenlänge besitzt. Die Wirkungsweise des Resonators beruht
darauf, daß das eingeschlossene Volumen des Mediums (Luft, Wasser o. dgl.) durch
Resonanz in Schwingungen versetzt wird. Es sind aber keine reflektierenden oder
brechenden Flächen vorhanden. Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine solche Anordnung
also überhaupt nicht berührt: Im Gegensatz zu den mit Medium gefüllten Resonatoren
schlägt die Erfindung die Verwendung . eines massiven, festen Zwischenkörpers vor,
der als Schallreflektor oder als Schallinse wirkt.
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Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens sind in der Zeichnung
fünf verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt.
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Bei dem Sender nach Fig. i ist der Schwingungserzeuger i an der einen
Seite des Richtkörpers 2 angeordnet. Die dem Schwinger i abgewandte Fläche 3 des
Richtkörpers ist konkav ausgebildet, so daß die vom Angriffspunkt des Schwingers
geradlinig ausgehenden divergierenden Schallstrahlen .beim Übertritt in das Wasser
etwa parallel gerichtet werden, wie es die drei als Beispiel eingezeichneten Schallstrahlen
:4 veranschaulichen. Der _ichtkörper ist als massiver Block ausgebildLt und besteht
vorzugsweise aus Metall. Der Schwinger i ist in diesem Beispiel als nach dem magnetostriktiv
en Prinzip arbeitend angenommen. . Er ist in einer Bohrung des Metallklotzes untergebracht
und arbeitet- unmittelbar auf diesen.
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In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die vom Schwinger
i erzeugten Schallstrahlen zu der Austrittfläche 3 nicht geradlinig gelangen, sondern
unter Reflexion an einer Fläche 5. Hierdurch ist die Baulänge auf etwa die Hälfte
verkürzt. Die reflektierende Fläche ist hierbei plan ausgebildet, während die Austrittfläche
3 der Austrittfläche nach Fig. i gleicht. Auch hier ist der Verlauf der Schallstrahlen
durch die eingezeichneten Linien 6 veranschaulicht. Die Stromzuführung für den Schwinger
erfolgt durch eine Bohrung 7.
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Um gute Reflexionen an der Rückenfläche 5 zu erreichen, ist dort eine
Kammer 8 vorgesehen, die mit einem schallweichen, vorzugsweise gasförmigen Medium,
wie beispielsweise Luft, gefüllt ist. Man könnte auch mit etwa der gleichen Wirkung
eine evakuierte Kammer veryvenden.
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Ebenfalls mit Reflexion arbeitet der in Fig. 3 dargestellte Sender.
Der Unterschied gegenüber dem vorher beschriebenen besteht hierbei darin, daß die
Austrittfläche 9 plan ist, während die reflektierende Fläche io die zur Erzielung
der Richtwirkung erforderliche Krümmung besitzt. Die hinter der Rückwand io angeordnete
Kammer i i ist daher ebenfalls gekrümmt. Die Stromzuführung für den Schwinger erfolgt
auch hier durch eine Bohrung 7.
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Die ebene Ausbildung der Vorderfläche gestattet es unter Umständen,
noch kürzere Baulängen zu erzielen als bei dem Sender nach Fig.2. Da die Schallstrahlen
durch die Vorderfläche im wesentlichen senkrecht hindurchtreten, braucht man dieser
Vorderfläche nicht eine bestimmte Lage mit Rücksicht auf die Brennweite zu geben.
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Man kann natürlich auch die Merkmale der Ausführungsbeispiele nach
Fig.2 und Fig. 3 miteinander vereinigen, indem man so-1v ohl die reflektierende
Rückwand als auch die Austrittfläche krümmt und somit die gewünschte Richtwirkung
durch das Zusammenwirken beider Flächen erzielt.
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Wie aus der Schilderung der Wirkungsweise hervorgeht, ist bei den
Sendern, die von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen, das Auftreten von Gas-
und Dampfblasen nicht zu befürchten. Der Übertritt der Schallenergie vom festen
Körper in das Wasser
erfolgt auf einer ausreichend großen Fläche,
so daß dort die Leistungsdichte pro Flächeneinheit innerhalb erträglicher Grenzen
bleibt.
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Zu beachten sind bei der Bemessung der neuen Sender die Erscheinungen,
die sich dadurch ergeben, daß die zur Herstellung der Schallinsen benutzten Stoffe,
insbesondere Metall, für longitudinale Schwingungen eine wesentlich größere Geschwindigkeit
besitzen als Wasser. Daher ist der Brechungsindex verhältnismäßig groß, so daß starke
Ablenkungen auftreten können. Es ist daher zweckmäßig, mit kleinen Öffnungswinkeln
zu arbeiten, um diese Fehler herabzusetzen. Dadurch wird allerdings, insbesondere
bei der Ausführungsform nach Fig. i, die Baulänge verhältnismäßig groß, wenn man
der Austrittfläche eine für hinreichende Richtwirkung ausreichende Größe geben will.
Denn der Durchmesser dieser Austrittfläche wird im allgemeinen einige Dezimeter
betragen müssen. Ist die Austrittfläche nämlich zu klein, so daß sie in der Größenordnung
der Wellenlänge liegt, so treten Beugungserscheinungen auf, die der Blendenwirkung
in der Optik entsprechen und die nicht mehr strahlenoptisch, sondern nur noch wellenoptisch
erfaßt werden können. Eine zu kleine Austrittfläche würde also für die Richtcharakteristik
nachteilig sein. Es kann mitunter auch vorteilhaft sein, andere als kugelförmige
Flächen zu verwenden oder Körper aus Materialien verschiedener Schallgeschwindigkeit
zusammenzusetzen, so daß man zwei oder mehr brechende Flächen für Korrektionszwecke
zur Verfügung hat, ähnlich wie es beim Zusammensetzen optischer Systeme der Fall
ist.
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Zur Erzielung einer einwandfreien Richtwirkung ist es noch notwendig,
die störenden Reflexionen an den Grenzflächen des massiven Körpers, z. B. an der
Austrittfläche, zu berücksichtigen. Wenn man in Fig. i den obersten der Strahlen
4 verfolgt, so ergibt sich, daß von dem Punkt, in dem dieser Strahl die Austrittfläche
3 schneidet, ein reflektierter Strahl auf die begrenzende Kegeltnantelfläche zurückgeworfen
wird, da j a immer nur ein Teil der ankommenden Schallenergie an das Wasser übertragen
wird. Dieser reflektierte Strahl, der dann noch mehrfach innerhalb des Schallinsenkörpers
hin und her geworfen werden kann, stört den normalen Strahlenverlauf, so daß man
für die Beseitigung solcher Störungen Sorge tragen muß.
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Die an der Austrittfläche reflektierten Strahlen besitzen Richtungen,
die von einem gemeinsamen, rechts von der Austrittfläche liegenden Punkt herzukommen
scheinen, so daß dieser Punkt ein virtuelles Bild des Schwingers darstellt. Man
kann nun grundsätzlich die durch solche unerwünschten Reflexionen hervorgerufenen
Störungen vermeiden, wenn man den Richtkörper so ausbildet und bemißt, daß die von
der Austrittfläche reflektierten Verluststrahlen phasenrichtig zum Schwinger zurückgeworfen
werden. Eine Abänderung des Senders nach Fig. i, bei dem diese Bedingung erfüllt
ist, ist in Fig. q. dargestellt.
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Die Schallinse 12 besitzt hier eine Außenfläche 13, die einen Teil
eines Rotationsellipsoids darstellt, und zwar stellen der Angriffspunkt des Schwingers
i und das virtuelle Bild 1q. des Schwingers die Brennpunkte dar. Die Linie q. zeigt
wieder wie bei der Ausführung nach Fig. i den Verlauf eines von dem Schwinger i
ausgehenden Schallstrahles, während der Linienzug 15, 16 angibt, welchen
Weg der an der Austrittfläche reflektierte Teil dieses Strahles einschlägt. Es ist
offensichtlich, daß bei jedem der vom Schwinger i ausgehenden Strahlen, der die
Austrittfläche trifft, der reflektierteTeil immer wieder zum Schwinger zurückgelangen
muß. Es ist hierbei nur zu beachten, daß die Weglänge des reflektierten Teiles vom
Schwinger i wieder nach i zurück ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge darstellt.
Diese Bedingung kann leicht durch entsprechende Wahl der Halbachsen des Rotationsellipsoids
erfüllt werden.
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Um zu erreichen, daß die zur Mantelfläche 13 reflektierten Strahlen
dort nicht in das Wasser übertreten, ist-es erwünscht, daß an dieser Stelle ein
möglichst großer Teil der Energie vernichtet, der Rest aber reflektiert wird. Zu
diesem Zweck wird der Körper i2 seitlich mit einem Mantel 151 umhüllt, der zwischen
sich und der Außenfläche 13 einen Raum 161 frei läßt. Dieser Raum wird entweder
mit einem schallweichen Medium, vorzugsweise Luft, gefüllt, oder aber er wird evakuiert.
Auch kann man in ihm dämpfende Mittel unterbringen, wie beispielsweise Korkschnitzel,
kleine Kohleteilchen o. dgl., deren Verwendung zum Zweck der Schalldämpfung an sich
bekannt ist. Hierbei ist es günstig, wenn die Kammerfüllung den gleichen Brechungsexponenten
besitzt wie der Körper 12 selbst. Dieser Bedingung kann man weitgehendst gerecht
werden, wenn man die dämpfenden Teilchen in eine Flüssigkeit einbettet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. q. soll die vom Schwinger i
erzeugte Strahlung möglichst innerhalb des Öffnungswinkels liegen, der durch den
Durchmesser der vorderen Austrittfläche bestimmt ist. Ist der Strahlungswinkel nämlich
größer, so gelangt der
äußere Teil dieser Strahlen unmittelbar auf
geradem Wege zur Seitenfläche 13, so daß die dorthin verlaufenden` Strahlen die
entgegengesetzte Richtung besitzen wie die von der Austrittfläche über die Begrenzungsfläche
13 reflektierten. Sie würden zwar zum Teil nach Reflexion in der umgekehrten Reihenfolge,
d. h. zuerst an der Fläche 13, dann an der Austrittfläche 3 ebenfalls zum
Schwinger zurückgelangen. Zum Teil aber würden sie an der Linsenfläche 3 gebrochen
«erden und in das Wasser unter falschem Winkel eintreten. Es ist daher zweckmäßig,
die Strahlerfläche des Schwingers i im Verhältnis zur Wellenlänge wenigstens so
groß zu bemessen; daß der Hauptteil der Schalleistung innerhalb des genannten Öffnungswinkels
der Schallinse liegt.
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Eine weitere Ausführungsform schließlich ist- in Fig. 5 dargestellt,
die ihrem Grundgedanken nach mit dem Sender nach Fig. 3 übereinstimmt. Auch hier
ist ein Richtkörper 17 benutzt, der auf der Schallaustrittfläche 18 plan und der
Reflexionsfläche ig gekrümmt ist. Es können aber auch beide Flächen gekrümmt sein.
Im Gegensatz zu dem Sender nach Fig. 3 ist hier die nicht benutzte Seitenfläche
2o. kugelförmig ausgebildet, und zwar liegt der Mittelpunkt dieser Kugel im Angriffspunkt
des Schwingers i. Die äußeren Schallstrahlen 2.1 des Strahlungswinkels also, die
nicht zur Nutzfläche ig gelangen können, werden durch die Kugelfläche 2o reflektiert,
so daß sie zum Schwinger zurückgelangen. Auch hier ist es ebenso wie bei dem Sender
nach Fig.4 wesentlich, daß die Weglänge der reflektierten Verluststrahlen ein ganzzahliges
Vielfaches der Wellenlänge ist, so daß die reflektierten Wellen auch hier beim Schwinger
mit der gleichen Phase eintreffen, mit der er selbst schwingt. Der Verlauf eines
solchen an der Kugelfläche reflektierten Strahles ist durch die Linie 21 angedeutet,
während die Nutzstrahlen längs Wegen verlaufen, die etwa dem Linienzug 22, 23 entsprechen.
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Zu beachten sind schließlich noch die Schallstrahlen, die vom Schwinger
i so in Richtung auf die reflektierende Wand ig verlaufen, daß sie nach erfolgter
Reflexion noch in das Gebiet des Schwingers selbst fallen, wie es als Beispiel der
Schallstrahl 24 zeigt. Auch hier ist die Weglänge so zu bemessen, daß die Phasenbedingung
erfüllt ist. Für alle drei Gruppen von Strahlen kann man aber den erwähnten Forderungen
ohne Schwierigkeiten gleichzeitig gerecht werden, indem man die Brennweite des Hohlspiegels
ig, seine Öffnung sowie den Abstand der Auftrittfläche i 8 von der Spiegelfläche
ig passend bemißt.
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Auch der Sender nach Fig. 5 ist mit einem Mantel 25 versehen. Über
die zwischen diesem und der Schallinse liegende Kammer 26 gilt im wesentlichen das
gleiche wie für die Kammer des Senders nach Fig. 4.
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Durch vorstehende Ausführungen ist an Hand verschiedener Ausführungsbeispiele
gezeigt, in welcher Weise die aus der Optik bekannten Gesetze auf akustische Probleme
übertragen werden könn :n und wie die auf diesem Grundgedanken beruhenden Richtkörper,
die man zum Teil auch als Schallinsen bezeichnen könnte, arbeiten. Die Verwendung
solcher Richtkörper ist selbstverständlich nicht nur auf Sender beschränkt, wenngleich
die durch solche Körper erzielten Vorteile gerade auf diesem Gebiet in besonders
hohem Maße in die Erscheinung treten. Es lassen sich vielmehr die gleichen Gedanken
grundsätzlich auch für Empfänger oder auch für mancherlei andere akustische Geräte
verwerten. Auch der Werkstoff des die Schallwellen übertragenden Körpers ist für
den Grundgedanken der Erfindung von untergeordneter Bedeutung, wenngleich praktisch
in erster Linie Metalle in Frage kommen dürften.