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Vorrichtung zum Empfang und zur Richtungsbestimmung von Schallwellen,
insbesondere von Geräuschen im Wasser Zur Richtungsbestimmung von Schall werden
vielfachwGruppenhorchanlagen verwendet, bei denen eine Vielzahl von Empfängern,
die über eine Linie oder eine Fläche verteilt angeordnet sind (Basis), mit einem
zur Drehung des Richtvektors einstellbaren Kompensator verbunden ist.
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Die Peileigenschaften derartiger gerichteter Empfangs anordnungen
sind durch die sog.
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Richtcharakteristik geliennzeichnet, die die Empfangsamplitude in
,Xbhängigkeit vom eingestellten Peilwinkel beim Vorhandensein einer in bestimmter
Richtung liegenden Schallquelle wiedergibt. Die;Richtcharakteristik einer Empfängergruppe
weist außer einem Hauptmaximum füt die Richtung der Schallquelle mehr oder weniger
stark ausgeprägte Nebenmaxima auf, die die Eindeutigkeit der Richtungsbestimmung
stark beeinträchtigen können. Um Eindeutigkeit der :Richtungsbestimmung zu gewährleisten,
ist von der Empfangsanordnung zu fordern, daß das FIauptmaximum ihrer Richtcharakteristik
sich aus den Nebenmaxima genügend stark hervorhebt, um von diesen klar unterschieden
werden zu können. Andererseits muß das Hauptmaximum, um eine genaue Richtung bestimmung
zu gewährleisten, ausreichend scharf ausgeprägt sein.
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Die die Feilgenauigkeit bestimmende Breite des Hauptmaximums und
die für die Eindeutigkeit der Peilung maßgebliche Stärke der Nebenmaxima ist abhängig
von der Gesamtausdehnung der Empfängeranordnung (Basis) und der Besetzung bzw. dem
Abstand der Empfangsgebilde voneinander sowie von der bei der Richtungsbestimmung
benutzten-Frequenz. Die Breite des Hauptmaximums ist um so kleiner, je größer die
Gesamtausdehnung und je höher die benutzte Frequenz ist.
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Andererseits treten die Nebenmaxima um so stärker hervor, je höher
die benutzte Frequenz und je größer bei einer bestimmten Zahl der Empfänger die
Gesamtausdehnung der Empfangsanordnung und damit der Empfängerabstand ist.
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Im Hinblick; auf die Peilgenauigkeit ist es somit vorteilhaft, die
Gesamtausdehnung bzw.
die benutzte Frequenz möglichst groß zu wählen,
während im Hinblick auf die Unterdrückung der Nebenmaxima eine kleine Gesamtausdehnung
bzw. eine niedrige Frequenz vorteilhafter ist. Für eine bestimmte Empfängerzahl
läßt sich die gewünschte Peilschärfe unter Wahrung der Eindeutigkeit jeweils nur
für eine bestimmte Frequenz erreichen. Benutzt man eine derartige Empfängeranordnung
für höhere Frequenzen, so geht die eindeutigkeit s-erloren. während für tiefere
Frequenzen die Peilschirfe geringer wird.
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Die Erfahrung hat nun gelehrt, dal derartige, für engbegrenzte Frequenzgebiete
gebaute Empfangsanordnungen den praktischen Bedürfnissen nicht genügen, da einerseits
manche Geräuschquellen vorqiegend hohe Töne (z. B. um 5000 Hz) erzeugen, andererseits
bei Geräuschquellen mit urspünglich vollständigem Geräuschspektrum vielfach infolge
starker Absorption der hohen Frequenzen im wesentlichen nur die tiefen Frequenzen
(z. B. um 1000 Hz und darunter) übrigbleiben.
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Cm dem abzuhelfen hat matl zwar sclloll vorgeschlagen, die Empfangsanordnung
so auszubilden. daß sie nicht nur für ein eligbegrenztes Frequenzgebiet, sondern
für einen größeren Frquenzbereich sowohl die erforderliche Feil schärfe als auch
Eindeutigkeit gewährt. Hierzu hat man der Empfangsanordnung einerseits mit Rücksicht
auf die auch bei der niedrigsten Frequenz des ausgewählten Frequenzbereiches zu
erzielende Peilschräfe eine entsprechend große Gesamtausdehnung und andererseits
mit Rücksicht auf die auch bei der höchsten Frequenz des Bereiches noch zu wahrende
Eindentigkeit der Peilung einen entsprechend kleinen Empfängerabstand gegeben. Hierdurch
ergibt sich aber eine sehr große Empfängerzahl und für die hohen Frequenzen eine
Peilsehärfe, wie sie praktisch nicht gefordert wird und sogar vielfach unzweckmäßig
ist. Außerdem muß audi der zugehörige Kompensator eine der hohen Frequenz und der
Ausdehnung der Basis entsprechend große Anzahl von Verzögerungsgliedern erhalten.
Auch ist der mit den bekannten Anordnungen zu erfassende Frequenzbereich, wie Versuche
ergeben haben, noch keineswegs ausreichend, um alle vorkommenden Schallquellen mit
der günstigste Frequenz und der gewünschten Genauigkeit anzupeilen. Insbesondere
weisen diese Anordnungeil bei tiefen Frequenzen kleine brauchl>are Richtschärfe
mehr atif. Dies ist um so nachteiliger, als gerade bei großen Entfelnungen infolge
der Absorptionserscheinungen vielfach nur noch die tiefen Frequenzen in genügender
intensität vorhanden sind. Wollte man num den Frequenzbereich der Empfangsanordnung
auf dein bisher beschrittenen Wege lurch gleichzeitige Vergrößerung der Gesamtausdehnung
und Verkleinerung des Empfängerabstandes weiter ausdehnen, so würden die beschriebenen
Mängel dieser bekannten Anordnung nur noch weiter gesteigert. Insbesondere wäre
eine übermäßig große Empfänger- und Kettengliederzahl des Kompenstator vorzusehen.
Sodann hat eine derartige Empfangsanordnung auch den Nachteil, daß die Feilgüte
bei hohen Frequenzen infolge der dann unnötig großen Basis stark durch Schwankungen
der Schallgeschwindigkeit beeinträchtigr wird.
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Zum Zweck einer stufenweisen Steigerung der Peilgenauigkeit ist fnr
das Peilen mit zwei Empfängern bzw. zwei Empfängergruppen auch schon vorgeschlagen
worden, zwei Empfänger lizw. Empfängergruppen in kleinem und zwei Empfänger in großem
Abstand anzuordnen und die so gebildeten verschieden großen Basen wechselweise bei
gleicher Empfangsfrequenz zum Peilen zu benutzen. Beim Wechsel von der kleinen zur
großen Basis wird dabei dem Kompensator für die kleine Basis eine feste Verzögerung
zugeschaltet, die jeweils für einen mehr oder weniger großen Peilbereich von Hand
eingestellt wird.
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Diese Einrichtung ist zur Lösung des vorliegenden Problems ebenfalls
nicht geeignet, da sie weder das Auftreten starker Nebenmaxima beim Peilen mit hoben
Frequenzen zu veriiieiden vermag noch eine selbsttätige Kompensation für jede beliebige
Richtung beim Peilen mit den verschiedenen Basen gewährt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gruppenhorchanlage
zur Itichtungsbestimmung von Schall ellen zu schaffen, die für alle vorkonnenden
Schallquellen und Übertragungsverhältnisse, und zwar auch solche, in denen vorwiegend
tiefe Frequenzen für die Richtungsbestimmung zur Verfügung stehen, eine hiureiched
genaue und eindeutige Teilung gewährleistet und trotzdem mit einer verhältnismäßig
geringen Anzahl von Empföngern auskommt bzw. bei einer gegebenen Empfängerzahl eine
möglichst große Peilgenaugkeit unter Wahrung der Eindeutigkeit erzielen läßt. 13ei
der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von <ler Erkenntnis aus, daß praktisch
bei allen vorkommenden Schallquellen und Ubertrangungsverhältnissen entweder hohe
oder tiefe Frequenzen mit verhältnismäßig großer Intesität vorhanden sind. so daß
es für die praktischeii Fälle genügt, die Empfangsvorrichtung so auszubilden, daß
sie die Anforderungen an Genauigkeit und Eindeutigkeit der Richtung bestimmung nicht
nur für eine Frequenz oder
einen beschränkten Frequenzbereich, sondern
für wenigstens zwei Frequenzen bzw. Frequenbereichte, und zwar sowohl für eine hochliegende
als auch für eine tiefliegende Frequenz bzw. für zwei derartige Frequenzbereiche
erfüllt.
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Ausgehend von dieser Erkenntnis ist die Gesamtzahl der Empfänger
erfindungsgemäß in Gruppen von vorzugsweise gleicher oder annähernd gleicher Zahl
so unterteilt, daß die mittleren Empfängerabstände und die Gesamtausdehnung )Basis)
einer Gruppe, auf die gleiche Richtung bezogen, ein Vielfaches der mittleren Empfängerabstände
bzw. der Gesamtausdehnung (Basis) einer anderen Gruppe betragen, wobei die große
Basis zum Peilen mit tiefen und die kleine Basis zum Peilen mit hohen Frequenzen
bestimmt ist.
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Mit einer solchen Anlage lassen sich praktisch alle vorkommenden Geräusche
mit der erforderlichen Genauigkeit und Eindeutigkeit auffinden.
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Die Kompensationsvorrichtungen der Teilgruppen können derart miteinander
verbunden sein, daß sie durch einen gemeinsamen Bedienungsgriff, z. B. ein Handrad
0. dgl., gleichzeitig zu betätigen sind und die jeweils eingestellte Richtung an
einer gemeinsamen Skala ablesbar ist. Ferner Iiann das Anzeigeinstrument, z. B.
das Telephon, vorteilhaft wahlweise gleichzeitig mit den Teilgruppen oder nacheinander
mit jeder einzelnen Teilgruppe zu verbinden sein.
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Die mittleren Empfängerabstände un die Gesamtausdehnungen bei einer
Untereitlung in zwei Teilgruppen sind zweckmäßig so bemessen, daß die mit Rücksicht
auf die Peilschärfe bzw. Eindeutigkeit günstigste Richtcharakteristik für die eine
Gruppe in einem Bereich voii 500 his 2000, vorzugsweise bei 1000 Hz, unf für die
andere Gruppe in einem Bereich von 2000 bis 10 000, vorzugsweise bei 5000 Hz, liegt
und daß die Frequenzen für die güngstigste Richtcharakteristik der beiden Gruppen
um mindestens den Faktor 3 voneinander verschieden sind.
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Für die beiden Teilgruppen (Basen können getrennte oder gemeinsame
Kompensationsmittel vorgesehen werden. Zweckmäßig werden nur gewisse Teile vereinigt
wie gleichlietende Empfänger, Schaltersverl;santriebe, Streifensystem der Verzögerungsschaltung.
Verstarker und Kopfhörer, hingegen für jede der beiden Gruppen eine gesonderte Verzögerungsschaltung
(Ketten) vorgesehen. Zweckmäßig verhalten sich die Verzögerungsglieder der I(ompensatoren
für die beiden Teilgruppen ihrer Anzahl nach im wesentlichen wie die Basislängen
und ihren Verzögerungszeiten nach wie die gewählten Frequengebiete.
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Bei Benutzung der größeren Teilgruppe können elektrische Filter eingeschaltet
werden, die alle Frequenzen abschneiden, die oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz
liegen, wobei diese Grenzfrequenz unterhalb des Frequenzbereiches liegt, für den
die kleinere Teilgruppe benutzt wird. Im allgemeinen wird es sich empfehlen, Bandfilter
zu benutzen, wobei natürlich die gewünschte Frequenzselektion auch an anderer Stelle,
z.B. durch Anordnung abgestimmter Empfänger, durchgeführt werden kann.
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Auf der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel
veranschaulicht, und zwar zeigt: Fig. I ein Schaltbild für eine Empfangsanordnung
mit zwei geradlinigen Gruppen, Fig. 2a und 2b die Richtcharakteristiken der in Fig.
1 dargestellten Empfangsanordnulig, Fig. 3a und 3b die Richtcllarakteristiken einer
Empfangsanordnung nach der bekannten Bauart mit gleicher Gesantzahl der Empfänger
wie in Fig. e.
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Im dargestellten Beipiel sind 48 Empfänger in zwei Gruppen und B
zu je 24 Empfängern a bzw. b auf einer geraden Linie angeordnet. Die Empfänger können
aus in die Bordwand eingebauten Schwingern, z. B. aperiodischen, piezoelektrischen
Kristallschwingern bestehen. Die Empfänger a der einen Gruppe A mögen in gleichen
Abständen von 10 cm, die Empfänger b der anderen Gruppe B in einem Abstand von 50
cm angeordnet sein. Dann ergibt sich für die erste Gruppe eine Basis von 2,40 m
und für die andere Gruppe eine Basis von 12 m.
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Für die kleinere der beiden Gruppen erhält man eine günstigste Richtcharakteristik
für ein Arbeitsgehiet um 5000 Hz und für die große Gruppe für ein Arbeitsgebiet
um 1000 Hz.
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Die Charakteristik für diese günstigsten Frequenzen, die in Fig. 2a
und 2b dargestellt sind, hat den gleichen Verlauf.
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Die Gruppen A und B sind an einen Kompensator mit einem Handrad c
zum Einstellen und einer Skala d zum Ablesen des Pfeilwinkels angeschlossen. Der
Kompensator ist mit getrennten I(ompensationseinrichtungen f und g (Ketten- und
Streifensystem) für beide Gruppen versehen.
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Hinter die Kompensationsvorrichtungen f und g sind Bandfilter h und
i eingeschaltet, die in ihrer Bandbreite umschaltbar sind, z. B. derart, daß für
die große Gruppe die Bandbreitein 500 bis 1500 Hz und 750 bis 1250 Hz und für die
kleinere Gruppe die Bandbreiten 2000 bis 8000 und 4000 bis 6000 Hz einzustellen
sind.
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Das Maximum der Lautstärke, kann in einem Telephon k angehört werden,
das durch -
Schließen eines Schalters m gleichzeitig an beide Gruppen
bzw. Filter h und i angeschlossen und bei geöffneten Schalter m wahlweise durch
einen Umschalter n an die kleine oder große Gruppe angeschlossen werden kann.
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Würde man die Gesamtzahl der Empfänger (wie bei den bisher bekannten
Gruppenhorchanlagen) in gleichen Abständen von 10 cm anordnen. so ergäbe sich eine
Gruppe mit der Basislänge von 4,80 m. Fig. 3a und 3b veranschaulichen die Richtcharakteristiken
einer solchen Anordnung für die Frequenzen 1000 Hz und 5000 Hz. Daraus ist ersichtlich,
daß sich für 5000 Hz ein übermäßig schmales Haupunaximum ergibt, während für 1000
Hz eine völlig unzureichende Richtscharfe vorliegt.
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Natürlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt,
vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und auch au 1ere. Ausführungen möglich.
Insbsondere können die Gruppen auch andere Empfängerzahlen und abstände aufweisen
und für andere Freuquenzen gebaut sein. Es ist mit der neuen Empfangsanordnung möglich,
gegebenenfalls die ganze am Schiff zur Verfügung stehende Einbaulänge auszunutzen
und trotzdem mit einer verhältnismäßig geringen Empfängerzahl auszukommen.
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Bei geeingnetem Verlauf des Frequenzspektrums der Geräusche kann
man auch die Bandfilter durch Tief- oder Hochpaßfikter ersetzen.
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Will man für beide Gruppen ein gemeinsames Streifensystem benutzen,
so muß durch entsprechen le Abstimmung der getrennten Empfänger beider Gruppen oder
durch Einschaltung von Siebmitteln in die einzelnen Empfängerleitungen dafür gesorgt
werden, daß dem Streifensystem von jedem Empfänger nur die seiner Gruppe zugeordnete
Frequenz zugeführt wird, und ebenso müssen hinter dem Streifensystem bzw, hinter
den Kompensatoren entsprechende Siebmittel vorgeschen sein.