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Schallverzugsrechner Die von einem Horchgerät ermittelten akustischen
Peilwerte (Seitenwinkel oder Azimut und Höhenwinkel) einer bewegten Schallquelle,
z. B. eines Flugzeuges, weichen von den wahren oder optischen Werten ab.
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Diese Abweichung ist darin begründet, daß der Schall eine endliche
Zeit gebraucht, um von der Schallquelle zum Horchgerät zü gelangen (Schallverzug).
i Es sind Rechengeräte, sogenannte Schallverzugsrechner, bekannt, die die akustischen
Peilwerte des Horchgerätes in die optischen Werte umwandeln. Letztere werden in
der Regel mittels einer elektrischen Fernübertragungseinrichtung nach einem anderen
Gerät weitergeleitet, z. B. zum Scheinwerfer oder zur Flakbatterie.
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Es sind Schallverzugsrechner bekannt, die rein mechanisch arbeiten,
bei denen die irgendwie in das Gerät eingeführten akustischen Winkel unter Zugrundelegung
der mathematischen Beziehungen zwischen den akustischen und optischen Winkeln durch
geeignet gestaltete Gestänge- und Getriebeteile in die optischen Winkel umgewandelt-werden.
Diese Werte werden über Kupplungen, Wellen, Zahnräder und Differentialgetriebe an
außerhalb des Rechners liegende Geber der elektrischen Fernübertragungseinrichtung
weitergeleitet. Es sind d auch Geräte bekannt, die teils mechanisch, teils elektrisch
arbeiten. Bei einer Ausführungsform z. B. wird der eigentliche Rechenvorgang wieder
rein mechanisch bewirkt durch Nachbildung des Geschwindigkeitsdreiecks, das aus
der akustischen Peilrichtung, der optischen Peilrichtung und der Flugr.ichtung gebildet
wird. Die akustischen Werte werden. elektrisch eingeführt; und die Getriebeteile
des Rechners wirken unmittelbar auf die. elektrischen Empfänger für die ankommenden
akustischen Winkel und die elektrischen Geber für die weiterzuleitenden Winkel.
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Sowohl bei den rein mechanischen wie auch bei den elektromechanischen
Schallverzugsrechnern ist die Ausführung des eigentlichen Rechénvorganges durch
mechanische Getriebe unbefriedigend. Schon oft ist in der Technik ein mechanisches
Problem dadurch viel besser gelöst worden, daß man die mechanischen Größen in äquivalente
elektrische Größen umgewandelt hat. Von diesem Gedanken ausgehend, befaßt sich ,die
vorliegende Erfindung
mit einem Schallverzugsrechner, bei dem der
eigentliche Rechenvorgang rein elektrisch erfolgt.
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Bei einem Verfahren zur Ermittlung Q durch den Schallverzug bedingten
Differenz zwischen dem optischen Seitenwinkel α0 (be zogen auf die Nord-Süd-Richtung)
bwz. α0 (bezogen auf die Zielwegrichtung) und dem akustisch ermitteiten Seitenwinkel
αa bzw. αa' einer bewegten Schallquelle, z. B. eines Flugzeuges, aus
dem Seitenwinkel αa', dem akustisch ermittelten Höhenwinkel #a, der Flugzeuggeschwindigkeit
v und der Schallgeschwindigkeit a wird gemäß der Erfindung eine Brücke, in der die
Widerstandswerte zweier Zweige der Beziehung
genügen, durch gemeinsame Einstellung der Widerstandswerte der beiden anderen Zweige
entsin ß sprechend der Beziehung bei gesin (ß + αa') gebenem Winkel αa'abgeglichen
und daraus der gesuchte Winkel#a unter Berücksichtiggung der zwischen den Winkelwerten
bestehenden Gleichung
ermittelt. Zur Ermittlung der durch den Schallverzug bedingten Differenz #γ
zwischen dem optischen Höhenwinkel γ0 und dem akustisch ermittelten Höhenwinkel
Ya einer bewegten Schallquelle, z. B. eines Flugzeuges, aus dem Höhenwinkel γa,
dem akustisch ermittelten Seitenwinkel αa' (bezogen auf die Zielwegrichtung),
dem z. B. in der oben angegebenen Weise ermittelten Winkel #a, der Flugzeuggeschwindigkeit
v und der Schallgeschwindigkeit a wird gemäß der Erfindung eine Brücke, in der die
Widerstandswerte zweier Zweige entsprechend der Beziehung
eingestellt sind, abgeglichen, indem an die beiden anderen Zweige Spannungen gelegt
werden, die sich zueinander wie
verhalten, und daraus der gesuchte Winkel # = #γ unter Berücksichtigung der
zwischen den Winkelwerten bestehenden - Gleichung
ermittelt. Zweckmäßig ist hierfürdieVerwendung von Schaltungen, bei denen die in
den Formeln vorkommenden Sinus- und Kosinusfunktionen durch eine mit Widerstands
draht bewickelte Platte dargestellt werden, indem auf einer kreisförmigen Kontaktbahn
eine Bürste gleitet, mit der der Winkel eingestellt wird, während abgegriffene Widerstand
der Winkelaktion proportional ist. Die vom Horch-@@@at ermittelten akustischen Winkel
werden hierbei durch Wellen auf den Schallverzugsrechner übertragen, der die von
der elektrischen Rechenvorrichtung gefundenen Korrekturen in bekannter Weise durch
Differentialgetriebe zu den akustischen Winkeln hinzuaddiert.
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Gegenüber den bisher bekannten mechanischen oder elektromechanischen
Schallverzugsrechnern hat diese rein elektrische Lösung der Aufgabe den Vorteil
größerer Genauigkeit und Betriebssicherheit, auch werden Fabrikation und Montage
viel einfacher.
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Die beiden Formeln für die Korrekturwinkel (Seitenkorrektur und Höhenkorrektur)
sollen an Hand der Abb. 1 abgeleitet werden.
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In der Abb. 1 sei auf dem Zielweg f das Ziel im Punkte 1 akustisch
angepeilt. Während das Horchgerät die Richtung H I hört, befindet sich das Ziel
schon im Punkte 2, zu dem also die optische Richtung H . 2 gehört.
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Die Projektion des Dreicks 1 . H . 2 in die HorizontaleBene ergibt
ein neues Dreieck 1' . H . 2'. Es schließt den Winkel #a ein, der den gesuchten
Korrekturwinkel für die Seite darstellt. Dieser Winkel läßt sich nach dem Sinussatz
errechnen, denn es ist in diesem Dreieck 1'2' sin 1'. H . 2' 1' . H = sin 1' . 2'
. H .
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Darin ist, wenn v die Fluggeschwindigkeit, a die Schallgeschwindigkeit
und t die Schalllaufzeit für die Strecke H I bedeutet, 1'2' = v . t, 1'. H = 1 .
H . cos γa = a . t . cos γa, # 1' . 2' . H . 2' = #a = Seitenwinkelkorrektur,
# 1'2' . H = 180° α0' = opt. Seitenwinkel, auf die Spur s bezogen, die dem
Zielweg f parallel läuft, sin 1' 2' H = sin (180-α0') = sin a6 Durch Einsetzen
in obige Formel erhält man
Der Winkel a0, ist auf die Spur s bezogen, die' parallel zum Zielweg
verläuft. Das Horchgerät zählt aber alle Seitenwinkel von einer beliebigen Nullrichtung,
z. B. der Nordrichtung aus. Um also die Formel lösen zu kennen, muß; auch der Kurswinkel
G bekannt sein. Ist der akustisch ermittelte Seiten; winkel zwischen der Spur s
und der Strecke.
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H1' gleich αa', so ist α0' = αa' + #α.
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Die Formel zur Bestimmung der Schallverzugskorrektur für den Seitenwinkel
wird also
Die Höhenwinkelkorrektur ergibt sich wie folgt: .Schwenkt man in der Fig. 1 das
vom akustischen Höhenwinkel γa gebildete Dreieck I . H . 1' um den Winkel
Ja, so fällt es in die Ebene, in welcher auch der optische Höhenwinkel Yo liegt.
In dieser Ebene bilden die Strahlen 1*. H und 2 H ein neues Dreieck 1* . H . 2,
in welchem der Winkel 1* . H . 2 die gesuchte Winkelkorrektur #γ für den Höhenwinkel
ist In diesem Dreieck ist
Darin ist # 1* H . 2 = #γ, sin # I* . 2 . H = sin # 2 . H . 2' = sin yO (Supplementwinkel),
1* . H = a . t.
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1*. 2 läßt sich ermitteln aus dem Drei eck 1* . 2 . 1, welches gleich
dem Dreieck 1'. 1" . 2' in der Horizontalebene ist. In diesem Dreieck ist wiederum
Darin ist
also ist
Somit wird
Oben eingesetzt ergibt sich
Darin ist ferner
Die Formel zur Bestimmung der Schallverzugskorrektur für den Höhenwinkel wird also
Um nun diese Formel und die Formel für den Seitenwinkel lösen zu können, werden,
wie schon gesagt wurde,. Wheatstonesche Brücken verwendet, in welchen sich beim
Brückengleichgewicht die vier Widerstände a, b, c, d zueinander verhalten wie. a
c b = d (Brückengleichung).
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Diese Gleichung hat denselben, Aufbau wie die für die Korrekturen
abgeleitete Formel.
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Sorgt man nun dafür, daß die Widerstände der Wheatstoneschen Brücke
in ihrem elektrischen Wert jeweilig den drei Faktoren einer dieser Gleichung entsprechen,
so kann - jetzt sehr leicht der vierte Widerstand durch Abgleichung der Brücke.
bestimmt werden Dieser neu gefundene Widerstand entspricht dann auch in seiner Größe
dem vierten Faktor der Gleichung. Im vorliegenden Falle sind die Winkel Ja und #γ
die gesuchten Werte (Seiten- und Höhenwinkelkorrektur).
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Um die Winkelfunktionen bequem und ohne Zwischenschaltung von mechanischen
Sinusgetrieben einstellen zu können, sind Widerstände von der Art der Abb. 2 verwendet
wonden. Auf eine Platte 26 ist Windung neben Windung eine Drahtwicklung 27 einlagig
aufgewickelt. Auf dieser Wicklung gleitet auf der blanken viertelkreisförmigen Kontaktbahn
30 eine Bürste 28, die um den Punkt 29 drehbar - an einem Arm 28, 29 r
angeordnet
ist. Wird der Arm unter einem Winkel y eingestellt, so entspricht der Widerstand
zwischen der Bürste 28 und dem Widerstandsanfang 29 dem Wert R = r cos y.
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Der Winkel y kann dabei zwischen o und 90° liegen. Denkt man sich
die Abb. 2 spiegelbildlich nach rechts erweitert, so wird die Kontaktbahn halbkreisförmig,
und der Winkel y kann zwischen o und I800 liegen.
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Auf diese Art lassen sich nun leicht alle Winkelfunktionen der aufgestellten
Korrekturformeln darstellen.
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In den Abb. 3a und 3b sind nun Brückenschaltungen dargestellt, welche
erkennen lassen, wie die Schaltung ausgeführt werden muß, um die Formel für die
Korrektur des Seitenwinkels zu lösen. Diese Schaltung ist verhältnismäßig einfach
zu übersehen.
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Abb. 3a zeigt eine schematische Darstellung der Schaltung, während
Abb. 3b eine Ausführungsform zeigt. Auf dem streifenförmiy gen Widerstand21 wird
das Verhältnis a eingestellt, wobei die Schallgeschwindigkeit a an sich bekannt
ist, während die Flugzeuggeschwindigkeit v z. B. geschätzt werden kann.
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Der Widerstand 22 ist nach Abb. 2 ausgebildet. Auf ihm wird der vom
Horchgerät ermittelte akustische Höhenwinkel eingestellt.
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Der vierte Winkel #a der Formel wird gesucht, aber der dritte Winkel
α0' (auf die Spur s bezogen) ist zunächst auch noch unbekannt. Deshalb ist
der Widerstand 23 so ausgebildet, daß auf ihm gleichzeitig der Korrekturwinkel Ja
und der akustische Seitenwinkel a0, eingestellt werden können. Der Widerstand besteht
ebenfalls aus einer Platte -mit einer Drahtwicklung, jedoch hat die Kontaktbahn
jetzt die Gestalt eines Vollkreises.
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Mittels der Bürste 24 wird, von dem festen Punkt 25 an gerechnet,
ein Winkel #a eingestellt. Der Bürste 24 diametral gegenüber liegt auf der Kontaktbahn
der veränderliche Punkt 26, von dem aus in gleicher Drehrichtung wie Ja der vom
Horchgerät gefundene akustische Seitenwinkel aa' mittels der Bürste 27 eingestellt
wird. Der Winkel #a wird so lange verändert, bis das Brückeninstrument auf Null
zeigt. Die Bürste 27 zeigt alsdann, von dem festen Punkt 28 an gerechnet, wegen
der Beziehung a0, = a0' $ #a den optischen Seitenwinkel an, während #a der richtige
Korrekturwinkel ist.
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Schwieriger ist die Schaltung für die Höbenwinkelkorrektur. Die Formel
lautete
Darin sind alle Werte leicht darstellbar bis sin #γ auf den Zähler der linken
Seite . Da sin γ0 ein elektrischer Widerstand auf dieses Verhältnis eingestellt
werden muß, läßt sich der Widerstand für dieses Glied nicht so ohne weiteres nach
Abb. 2 ausbilden. Es kommt noch hinzu, daß sin #γ sein Vorzeichen wechseln
kann. Vor dem Wechselpunkt (die Schallquelle befindet sich im Wechselpunkt, wenn
die Richtung Schallquelle-Horchstation senkrecht zur Spur ist) ist der optische
Höhenwinkel größer als der akustische, nach dem Wechselpunkt kleiner. Ebenso wechselt
auch der Wert cos (#α/2 + α'a sein Vorzeichen; er ist positiv, wenn
(#α/2 + α'a) kleiner als 90° oder größer als 2700 wird, negativ dagegen,
wenn (#α/2 + α'a) zwischen 90° und 270°liegt.
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Aus diesen Bedingungen ergibt sich die erweiterte Brückenschaltung
nach Abb. 4 a. In ihr liegt der Widerstand 34, auf dem der Winkel (#α/2 +
α'a) eingestellt wird, an der vollen Spannung U, und die Bürste 33 kann, bezogen
auf die Widerstandsmitte 31, an Plus oder Minusspannungen liegen. Auch die Bürste
37 kann auf dem Widerstand 40, der zur Einstellung des Verhältnisses Sind, dient,
gegensin Ya über der Mitte 32 eine positive oder negative Spannung besitzen. Außerdem
ist aber der Widerstand 40 durch die Bürsten 38 und 39 noch veränderlich, und zwar
symmetrisch um die Mitte 32 entsprechend dem Werte sin yO.
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Entspricht der zwischen Bürste 37 und Punkt 32 liegende Widerstand
dem Wert sin d,, so sin #γ U ist die Spannung an 32 . 37 = - sin #0 2 .
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Da zwischen 33 und 3I eine Spannung herrscht, die dem Wert + cos
(a + αa') entspricht, und die übrigen Widerstände 33-35 #a auf cos und 36-37
auf @/a eingestellt 2 sind, läßt sich aus dieser Schaltung ablesen 33 . 31 33 .
35 = 32 . 37 36 . 37 oder dafür die Werte eingesetzt
Die Schaltung entspricht also der zu lösenden Formel. Abb. 4b zeigt
die Ausführungsform #a dieser Schaltung. Der Wert cos wird auf 2 der Widerstandsplatte
4I eingestellt. Der Winkel Ja ist aus der Schaltung Abb. 3b ibekannt; er kann zwischen
0° und 360 liegen, also zwischen 0° und 1.800. Dementsprechend ist die Kontaktbahn
halbkreisförmig.
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Auf dem Widerstand 34 mit einer Vollkreiskontaktbahn wird von dem
festen Bezugs-Aa punkte 43 aus der Winkel 2 und daran anschließend der akustische
Seitenwinkel αa' angetragen. Auf dem Widerstand 40 wird mittels der Bürste
39 der optische Höhenwinkel Yo ermittelt, indem von Idem festen Bezugspunkte 32
aus zunächst ein willlçürlicher Winkeil au und daran der akustische Höhenwinkel
γa angetragen wird. Um I800 versetzt ist eine zweite Bürste 38 angeordnet.
Der Winkiel so wird so lange verändert, bis das Brückeninstrument stromlos ist;
er stellt dann den gesuchten Höhenkorrekturwinkel dar, und die zwischen 32. 37 liegende
Spannung entspricht dem Werte # sin #γ .
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# sin γ0 Um Spannungen zu erzeugen, die den Winkelfunktionen
der oben aufgeführten Formeln entsprechen, kann man sich auch statt Spannungsteiler
von Plattenform mit Berührungskontakten induktiver Spannungsteiler nach Abb. 5 bedienen.
Durch eine zylindrische Spule 50, die an der Wechselspannung U liegt, wird im Inneren~der
Spule ein homogenes Wechselfeld erzeugt, in welchem eine Spule 51, gedreht und auf
einen Winkel a eingestellt werden kann. Die in der drehbaren Spule induzierte Spannung
ist dann U1 = = k U cos z, wobei k eine von den Windungen und den Induktionsverhältnissen
der Spulen abhängige Konstante ist. Mehrere solcher wechselstromgespeisten Spannungsteiler
kann man dann zu einer Brückenschaltung vereinigen. Gegenüber den plattenförmigen
Spannungsteilern haben sie den Vorteil, daß keine Berührungskontakte erforderlich
sind.
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Da für die Bestimmung des Schallverzuges die Zielwegrichtung des
abgehorchten Flugzeuges bestimmt werden muß, ist es erforderlich, den Verlauf der
P'ellnng zu beobachten.
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Die Nachbildung der Peilungen und die Ermittlung des Zielweges ist
nicht Gegenstand dieses Patents, und sie kann auf ganze verschiedene Weise erfolgen.
Um den Erfindungsgedanken und seine praktische A Ariwendungsmöglichkeit klar hervortreten
zu lassen, ist in Abb. 6 das Getriebeschema für ein Horchgerät mit einem vollständigen
Schallverzugsrechner, der also auch eine Einrichtung zur Ermittlung der Zielwegrichtung
enthält, dargestellt. Die Rechenoperationen werden hierbei mit plattenförmigen Spannungsteilern
nach Abb. 3 und 4 ausgeführt.
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Die Ermittlung der Zielwegrichtung erfolgt nach irgendeinem an. sich
bekannten oder bereits v,0rges chiagenen Verfahren.
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Unter Benutzung eines solchen Verfahrens zeigt nun Abb. 6 das vollständige
Getriebeschema. Aus dem Sockel des Horchgerätes, welches schematisch auf der linken
Seite der Abbildung dargestellt ist, führen zwei Wellen 41 und 45 die akustischen
Seiten- und Höhenwinkel heraus. Der Seitenwinkel wird nun über das Gelenk 42, Welle
43 und Gelenk 44 auf die Welle 46 in das Rechengerät hineingeleitet. Sie treibt
über das Differentialgetriebe 47 die Welle 48 an, die zum Antrieb eines Seitenwinkelgebers
49 dient. Die Planetenräder des Differentialgetriebes 47 sitzen auf einem Kegelrad,
welches über Rad 50, Welle 51 durch die Kurbel 52 angetrieben werden kann. Durch
diese Kurbel wird die. durch Ausprobieren zu ermittelnde Korrektur #a in das Getriebe
eingeführt, so daß die Welle 48 jetzt dedn optischen und 46 den akustischen Seitenwinkel
überträgt. Der akustische Höhenwinkel des Horchgerätes wird durch die Weile 45 herausgeleitet
und über das Gelenk 53 auf die Welle 54 übertragen und in das Rechengerät eingeführt.
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Diese Welle treibt über die beiden Differentialgetriebe 55 und 57
die Welle 58 an. Sie dient zum Antrieb eines zweiten Gebers 62 für den optischen
Höhenwinkel.
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Ähnlich wie beim Seitenwinkel sind auch hier die Planeten des Getriebes
55 auf einem Kegelrad 59 gelagert, welches durch das Rad 60 und die Kurbel 61 angetrieben
wird.
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Durch diese Kurbel wird die Winkelkorrektur #@ eingeführt. Von den
Wellen 46 und 54, die ja die akustischen Winkel einleiten, sind noch die Wellen
63 und 64 über die Räderpaare 65 und 66 abgezweigt. Diese treiben über die Räder
67, 68, 69 und 70, die Wellen 7I, 72 den Anzeigenmechanismus 73 für die akustischen
Peilungen an. Dieser Mechanismus ist im Gehäuse 74 gelagert, das seinerseits im
Apparategehäuse 75 drehbar ist. Das Gehäuse 74 trägt eine Scheibe 76, welche mit
einer Schar Kreisbogen nach Abb. 7 versehen ist. Außerdem besitzt das Gehäuse 74
noch einen ringförmigen Wulstrand 77, der es gestattet, ihn anzufassen und das Gehäuse
76 zu verdrehen. Außerdem sind aber auch noch- die optischen Winkel von den Wellen
48 und 56 durch die Räderpaare 78 und 79 abgeleitet. Sie werden auf Scheiben unter
dem Gehäuse 74 übertragen. Es liegen also dann alle Winkel, die akustischen und
optischen
Seiten- und Höhenwinkel und die Zielwegrichtungübereinander, so daß zwischen die
Scheiben und Räder die Widerstände der Brückenschaltungen angeordnet werden können.
Die Nullinstrumente dieser beiden Schaltungen sind in die Nähe der beiden Kurbeln
6I und 52 gelegt. Wird an diesen, Rädern gedreht, so verändert man die Widerstände
für die Winkelkorrekturen, und zwar so lange, bis die Brücken in Gleichgewicht kommen,
was durch Nullstellung der Instrumente angezeigt wird. Das Gleichgewicht wird aber
durch die sich dauernd verändernden akustischen Höhen- und Seitenwinkel, die ja
auch auf Widerstände wirken, gestört, und das Gleichgewicht muß immer wieder durch
Nachdrehen der Handräder 6I und 62 hergestellt werden. Der Höhenwinkel ist von der
Welle 56 aus nach 58 noch über ein Differentialgetriebe 57 geleitet. Dieses hat
die Aufgabe, den Höhenwinkel vom Seitenwinkel unabhängig zu machen. Dadurch, daß
beim Einstellen des Seitenwinkels das ganze Horchgerät gedreht wird samt der Kurbel,
durch die der Höhenwinkel eingestellt werden soll, würde das Einstellen des Seftenwinkeis
stets eine Veränderung des Höhenwinkels bewirken. Um diese unerwünschte Veränderung
auszugleichen, ist das Differentialgetriebe 57 eingeführt. Normalerweise liegt dieses
Getriebe im Horchgerät. Im vorliegenden Fall ist es darin fortgelassen und zu den
anderen Getrieben im Rechengerät gelegt worden.
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Das Horchgerät liefert also durch die Welle 41 den Seitenwinkel c;
und durch die Welle 45 den Seiten- und Höhenwinkel za + Ya-Das Rechengerät dagegen
liefert durch diese Differentialgetriebe 47 und 55 mit der Welle 48 den optischen
Seitenwinkel α0 und der Welle 58 den optischen liöhenwinkel Das ganze Gerät
wird von zwei Mann bedient; der erste bestimmt die Zielwegrichtung, der zweite die
Größe der Winkelkorrekturen. Die Bedienungsweise sei an Hand der Abb. 7 erläutert.
An einer Skala I wird die Flugzeuggeschwindigkeit eingestellt. Das Gerät wird durch
den Schalter 12 eingeschaltet. Durch die beiden auf der linken Seite angedeuteten
Wellen 2 und 3 werden die akustischen Winkel in das Gerät fortlaufend eingeführt.
Verändern sich diese Winkel, d. h. liefert das Horchgerät akustische Peilungen,
so bewegt sich auch der Punkt P' auf der Scheibe 4, die mit einer Schar von Kurven
versehen ist. Diese Scheibe wird nun an dem Wulstrand 5 erfaßt und vom ersten Bedienungsmann
so gedreht, bis der Punkt P' sich nur noch parallel zu den Kurven bewegt.
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Gleichzeitig sorgt der zweite Bedienungsmann durch Drehen an den Rädern
6 und 8 dafür, daß die Instrumente 7 und 9 in der Nullage bleiben. Die Drehungen
erfolgen entgegengesetzt den Ausschlägen der Instrumente. Die Geber 10 und II werden
dann automatisch mit den gesuchten optischen Winkeln angetrieben.