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Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung von Schallmeßergebnissen
bei der akustischen Ortung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf
Vorrichtungen zum Auswerten von Schallmeßergebnissen bei der akustischen Ortung,
bei (der der Ort der Schallquelle auf Grund der geographischen Lage der Schallmeßstellen
und der von ihnen gemessenen Zeitdifferenzen zu ermitteln ist. Diese Zeitdifferenzen
ermittelt man in der Weise, daß m mindestens drei voneinander entfernten Punkten
des Geländes Schallmeßapparate, z. B. Mikrophone, ausgelegt werden und daß die Zeiten
gemessen werden, um die der von einer unbekannten Schallquelle kommende Schall bei
den verschiedenen Meßstellen früher oder später eintrifft. Es sind also für die
Auswertung der Schallmeßergebnisse die geographische Lage der Schallmeßstellen und
die Zeitdifferenzen tj und t2 bekannt, wenn drei Meßstellen vorhanden sind. Diese
Zeitdifferenzen können negativ oder positiv sein, je nachdem, welche Meßstelle von
der Schallquelle weiter entfernt ist als die andere.
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Zur Ermittlung des Ortes der Schallquelle auf Grund dieser Angaben
sind mechanische Auswertgeräte vorgeschlagen worden, deren Wirkungsweise auf dem
Prinzip beruht, daß der geometrische Ort aller Punkte, deren Entfernungen von zwei
bekannten Punkten eine konstante Differenz ergeben, eine Hyperbel ist. Durch Ermittlung
des Schnittpunktes zweier auf diese Weise konstruierter I-Ivperbeln wird die Schallquelle
gefunden.
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Die Erfindung löst dagegen die Aufgabe auf rein elektrischem Wege
mit wenigen einfachen
und leicht bedienbaren Mitteln. Sie l)esteht
darin, daß die Entfernungen der einzelnen Meßstellen von der Schallquelle durch
elektrische Widerstände mit ihrem Widertandswert proportionaler Länge und die gemessenen
Zeitdifferenzen durch die Differenz der Spannungen an diesen Widerständen nachgebildet
werden.
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Dieses Verfahren nach der Erfindung und die zur Durchführung dieses
Verfahrens heiiutzharen Einrichtungen werden an Han(l einiger auf der Zeichnung
scheniatisch dargestellter Ausführungsbei spiele noch näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. I den prinzipiellen Aufbau einer Einrichtung zum unmittelharen Auffinden der
Schallquelle, Fig. 2 einen Führungskontakt für die Meßdrähte, Fig. 3 eine Führungsleiste
für die Meßdrähte in perspektivischer Ansicht, Fig. 4 einen Schnitt durch eine Aufwickelvorrichtung
für die Meßdrähte, Fig. 5 einen prinzipiellen Aufbau für eine andere Meßmethode,
Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen hierbei benutzbaren Führungskasten für die
Meßdrähte und Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des Führungskastens nach Fig.
6.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist 1 ein Zeichentisch 0. dgl.,
auf dem eine in geeignetem Älaßstab gehaltene Warte des in Betracht kommenden Geländes
aufgespannt ist.
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Von einem Markierungsstift 0. dgl. Z aus laufen drei gleich lange
Widerstandsdrähte Ll, L2, L3 über beispielsweise U-förmige, an den ()rten der Meßstellen
M1, M2, M3 eingesteckte leder auf sonstige Weise befestigte Führungskontakte (Fig.
2) und über Laufrollen 2, 2'. 2" an der Kante des Tisches. Durch Gewichte 3, 3',
3" werden diese Drähte gestreckt gehalten.
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Die drei untereinander elektrisch verbundenen Enden der Drähte L1,
L2, L3 einerseits und cler Punkt Z andererseits sind über einen zweckmäßig regelbaren
Vorwiderstand R an eine Spannungsquelle E angeschlossen.
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Die drei Drähte L1, L2, L3 gleicher Länge besitzen auch gleichen
Widerstand, so daß in ihnen gleiche Ströme fließen. Der Spannungsabfall. von dem
gemeinsamen Punkt Z ausgehend, bis zu den Führungskontakten in den Punkten M1, M2,
M3 ist daher der Entfernung des Zielpunktes Z von den Mikrophonpunkten M1, M2, M3
proportional. Legt man also zwischen die Mikrophonpunkte M1 und M2 einen Spannungsmesser
V1 und zwischen die Mikrophonpunkte M2 und M3 einen Spannungsmesser V2, so sind
die von den Voltmetern angezeigten Spannungsdifferenzen der Entfernungsdifferenz
ZM1-ZM2 einerseits bzw.
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ZM2-ZM3 andererseits proportional. Da die Längsdifferenzen aber den
Zeitdifferenzen des Schalles proportional sind, um die der von Z ausgehende Schall
beispielsweise am Mikrophonpunkt M2 früher ankommt als am Mikrophonpunkt M1, so
sind auch die Spannungswerte den Schallzeitdifferenzen proportional. Die Voltmeter
V1, V2 können daher unmittelbar in Zeitdifferenzen geeicht werden, wobei nur der
Kartenmaßstab und der spezifische Widerstand der Leitungen L1, L2, L3 sowie die
Größe des Widerstandes R entsprechend berücksichtigt werden müssen.
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Das Verfahren zur Auswertung der Schallmeßergebnisse mit dieser Einrichtung
ist sehr einfach. Zunächst werden die Führungskontakte (Fig. 2) so auf dem Meßplan
bzw. der Kartenunterlage befestigt, daß sie auf den geographischen Mikrophonpunkten
M1, M2, M3 liegen. Bei der Schallmessung habe sich ergeben, daß der Schall an der
Meßstelle M2 um die Zeit t1 früher ankommt als an der Meßstelle M1 und an der Meßstelle
M3 um die Zeit t2 früher als an der Meßstelle M2.
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Man bewegt nun den Markierungsstift 7, an dem die drei Widerstandsdrähte
L,, L,, L3 befestigt sind, so daß das Volüesser V1 die Zeitdifferenz t, anzeigt.
In diesem Augenblick befindet sich der Markierungsstift Z auf einer Hyperbel, deren
Brennpunkte die Punkte M1 und M2 sind und deren Leitstrahlendifferenz der Zeitdifferenz
t1 entspricht. Solange der Stifts auf dieser Hyperhel verschoben wird, zeigt also
das Voltmesser V1 die gleiche Zeitdifferenz t1 an. Bei dieser Verschiebung des Stiftes
Z auf dieser Hyperbel ändert sich auch der Ausschlag des Voltmeters V2, und es ist
leicht die Stellung des Stiftes Z zu ermitteln, bei der auch V2 die richtige Zeitdifferenz
t2 anzeigt. In dieser Stellung befindet sich der Stift Z an dem gesuchten Ort der
Schallquelle.
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Da die Zeitdifferenzen auch negativ sein können, wenn beispielsweise
der Schall an dem Mikrophon M1 früher eintrifft als beim Mikrophon M2, müssen den
Voltmetern V1 und V2 Umpoler vorgeschaltet werden, wenn ihre Skalenteilung von Null
ausgeht, damit tlas Vorzeichen der Zeitdifferenzen l>erücksichtigt werden kann.
Es ist aber auch möglich, Voltmeter mit in tier Mitte der Skala liegendem Nullpunkt
zu benutzen, bei denen der Zeiger in positiver und in negativer Richtung ausschlagen
kann. In diesem Falle wird die Anordnung von besonderen Schaltern zun Umpolen tler
Instrumente überflüssig.
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Die Anordnung nach der Erfindung und das Verfahren zu seilier Anwendung
ist auch benutzbar, wenn die Schallmessung durch mehr als drei Mikrophone vorgenommen
wurde.
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Es ist jeweils nur ein weiterer Widerstandsdraht L in entsprechender
Weise anzuordnen
und zum Anzeigen der gemessenen Zeitdifferenz ein
weiteres Meßinstrument einzuschalten. Da das Ziel bereits durch zwei Zeitdifferenzen
definiert ist, können die übrigen Zeitdifferenzen zur Kontrolle verwendet werden.
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Die Führungskontakte, die gemäß Fig. 1 an die Orte der Meßstellen
M1, M2, ii gesetzt werden, können gemäß Fig. 2 ausgeführt sein, d. h. aus einem
U-förmigen Bügel 4 mit einer Nadelspitze 5 bestehen, die ein Anheften auf dem Zeichentisch
1 gestattet. Zur Kontaktbildung mit den Leitungsdrähten L kann eine Feder 6 o. dgl.
vorhanden sein, während zum Anschluß der Meßinstrumente eine Kontaktschraube 7 benutzbar
ist.
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Anstatt die Widerstandsdrähte L1. L2, L3 über Laufrollen 2, 2', 2"
zu führen, kann an der Tischkante gegebenenfalls auch nur eine isolierende runde
Führungskante oder eine durchgehende Walze aus Isolierstoff vorgesehen sein, die
eine Lageveränderung der Laufrollen bei einem Umsetzen der Führungskontakte überflüssig
machen.
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Die Widerstandsdrähte Lt, L2, L3 können von den Führungskontakten
bei M1, M2, M3 ab auch in isolierenden Führungsleisten oder -kästen untergebracht
sein, von denen ein Ausführungsbeispiel in Fig. 3 dargestellt ist und die entweder
durch eine Zwinge 8 o. dgl. am Tisch festgehalten werden oder auch durch Gewichtseinlagen
so schwer gemacht werden können, daß sie sidl bei der Bedienung des Auswertgerätes
nicht verschieben.
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An der Eintrittsstelle in den Führungskasten kann eine scharfkantige
Öse (ähnlich wie bei 9 in Fig. 6) vorgesehen sein, die die von der Anschlußklemme
10 abnehmbare Spannung am Widerstandsdraht L abgreift und senkrecht über die Mikrophonpunkte
M1, M2, M3 zu legen ist. Um ein genaues Einstellen der Kontaktstelle zu ermöglichen,
kann senkrecht unter ihr eine Nadelspitze vorgesehen sein.
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Statt der Gewichte 3, 3', 3" können auch Aufwickeltrommeln für die
Leitungen Lt, L", L3 benutzt werden, die durch Federn angetrieben werden. Ein Beispiel
hierfür zeigt Fig. 4, bei der in einem Kasten 11 eine Trominel 12 gelagert ist,
die unter der Spannung einer bei 13 untergebrachten Feder steht. Damit sich die
einzelnen Drahtwicklungen beim Aufwickeln auf die Trommel nicht berühren und dadurch
die wirksame Länge, der Leitungsdrähte L nicht verkürzt wird, kann die Trommel aus
Isolierstoff bestehen und schraubenförmige Rillen tragen. Das Ende der Leitungsdrähte
kann in an sich bekannter Weise entweder iiber einen Schleifring 14 und einen Stromabnehmer
15 oder auch über eine Spiralfeder o. dgl. mit einer Anschlußklemme 16 verbunden
sein. Diese Aufwickelvorrichtung nach Fig. 4 kann entweder für sich auf dem Tisch
I befestigt oder mit dem in Fig. 3 dargestelltenFührungskasten vereinigt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 muß die Bedienungsperson
den Markierungsstift Zso lange verschieben, bis die Spannungsmesser V1, V2 die vorher
von den Meßstellen M1, M2, M3 ermittelten Zeitdifferenzen anzeigen.
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Statt dessen kann aber auch ein Nullverfahren Anwendung finden, bei
dem der MarkierungsstiftZ auf das Ziel zeigt, wenn die Spannungsmesser auf Null
eingestellt sind.
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Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 5 dargestellt, in der
gleiche Bezugszeichen auf gleiche an Hand der Fig. I bereits beschriebene Teile
verweisen. Bei dieser Ausführungsform liegen die Abgriffe für die Spannungsmesser
nicht fest in den-Mikrophonpunkten M1, M2, M3, sondern sie sind auf den Widerstandsdrähten
L1, L2, L3 in Richtung der Laufrollen 2, 2', 2" verschiebbar angeordnet. Beispielsweise
befindet sich der rechte Abgriff für das Voltmeter V1 auf dem Widerstandsdraht L2
an der Stelle A und der entsprechende Abgriff für das Voltmeter V2 auf dem Draht
L3 an der Stelle B, während die linken Abgriffe an den Mikrophonpunkten bzw. den
dort vorgesehenen Führungskontakten liegen. Die Widerstandslänge 3L2-A entspricht
dann -der positiven Zeitdifferenz, die durch die Mikrophone M1 und M2 gemessen wurde,
und die Entfernung M3-B der durch die Mikrophone M2, M3 ermittelten Zeitdifferenz.
Es ist damit der Spannungsabfall an den Drähten L*, und L3 zwischen Z und den Abgriffen
A bzw. B um je einen Betrag vergrößert worden, der der Zeit entspricht, um die der
Schall an den Mikrophonpunkten 313, M3 früher eingetroffen ist als an den Mikrophonpunkten
M1 bzw. M2. Bei richtiger Einstellung des Markierungsstiftes Z auf das Ziel bzw.
den geographischen Ort der Schallquelle müssen also die Voltmeter V1, V2 auf Null
zeigen.
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Dieses Nullverfahren hat den Vorteil, daß es für die Bedienungsperson
leichter ist, durch Ausprobieren eine Einstellung der Zeiger auf Null zu erreichen
als auf einen bestimmten Skalenwert. Ferner ist es genauer, und es können statt
Voltmeter einfache Nullinstrumente mit der gleichen Empfindlichkeit verwendet werden.
Die Stromstärke in den Widerstandsdrähten L1, L2, L3 kann außerdem beliebig sein,
sodaß der Vorwiderstand R gegebenenfalls auch entfallen kann und ein Einregeln des
Stromes vor Beginn des Auswerteverfahrens nicht nötig ist. Es wird also auch in
dieser Hinsicht Zeit gespart. Schließlich ist die Genauigkeit unabhängig von der
an die Widerstandsdrähte Lt, 1.2 L3 gelegten
Spannung. Die Spannungsquelle
E hraucht daher nicht konstant zu sein.
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Bei der Darstellung in Fig. 5 ist angenommen. daß die Zeitdifferenzen
positiv sind. Je nach der Lage der Schallquelle zu den Meßpunkten M1, M2, M3 können
diese Zeitdifferenzen aber auch negativ sein, wenn beispielsweise der Schall an
der Meßstelle M1 früher eintrifft als an der Meßstelle M2. Ist beispielsweise die
Zeitdifferenz t1, die von dem Meßstellen M1 und M2 ermittelt wurde, negativ. so
muß der Abgriff m1 an die Stelle M2 gelegt und dafür der linke abgriff für das Meßinstrument
V1 auf dem Widerstandsdraht L1 um einen entsprechenden Betrag gegen die Laufrolle
2 verschoben werden. Das gleiche gilt auch für die Abgriffe des Spannungsmessers
10, wenn die von den Meßstellen M2, M3 ermittelte Zeitdifferenz t3 negativ ist.
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Damit die den Zeitdifferenzen entsllreclleiiden Spannungsabgriffe
für die :\ullinstrumente V1, t genau eingestellt werden können. ist es zweckmäßig,
die Widerstandsdrähte L1, L2 an den Abgriffspunkten. z. B. bei AI, und 4, über Schneiden
laufen zu lassen, welche gegebenenfalls mit einer Mikrometersehraube o. dgl. in
ihrer Entfernung genau eingestellt werden können. Hierzu kann eine in Fig. 6 und
7 dargestellte Allordnung zweckmäßig sein, in denen der durch die Kontaktöse 9 in
den Führungskasten 1 1 eintretende NViderstandsdraht L ähnlich wie in Fig. 4 auf
eine Trommel 12 aufgewickelt wird. Auf einer Spindel oder Führungsstange 17 kann
ein Kontaktschlitten 18 verschoben oder verschraubt werden, des-Seil Kontaktscheibe
19 den Draht L berührt.
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Ein zusammen mit einem Bedienungsgriff 20 durch einen Längsschlitz
21 aus dem Führungsgehäuse 1 1 herausragender Zeiger 22 ermöglicht die Einstellung
der Entfernung zwischen den Schneiden g und 19 an Hand einer Skala 23, die gegebenenfalls
auch mit einer Noniusteilung o. dgl. versehen sein kann.
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Die Schneiden g und 19 werden zweckmäßig etwas gegeneinander geneigt,
damit die beispielsweise den Abgriff A in Fig. 5 darstellende Schneide 19 bis an
die Schneide 9 herangeführt werden kann, wenn die einzustellende Zeitdifferenz Null
ist.
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Die Skalen 23 auf den Führungskästen 11 können ebenso wie die Skalen
der Spannungsmesser 1-, und 1%. in Fig. I unuiittelbar in Zeiteinheiten geeicht
sein. Da die Schallgeschwindigkeit von Witterungseinflüssen, beispielsweise von
der Temperatur, der Windgeschwindigkeit, Windrichtung usw. abhängig ist, müssen
diese Falitoren bei der Auswertung der Schallmeßergebnisse berücksichtigt werden.
Das kann dadurch geschellen, daß man mehrere auswechselbare Skalen 23 vorsieht,
die verschiedene diese Korrekturfaktoren berücksichtigende Tei lungen haben. Ähnliche
Maßnahmen können auch bei den Spannungsmessern in Fig. I getroffen werden, oder
es können vor der Auswartung die genlessenen Zeitdifferenzen auf eine bestimmte
Schallgeschwindigkeit umgerechnet werden.
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Senkrecht unter der Kontaktschneide der Öse 9 kann zum leichteren
Einstellen auf den geographischen Meßpunkt der Kartenunterlage eine Nadel spitze
24 vorhanden sein. 25 ist eine mit dem Kontaktschlitten 18 bzw. aber Kontaktschneide
19 verbundene Anschlußklemme.
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Als Werkstoff für die Widerstandsdrähte eignet sich besonders hartes
Material, z. B.
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Stahl, damit eine schnelle Abnutzung bzw.
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Änderung des Widerstandes vermieden wird.
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Die praktische Ausführung der Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist ist auf die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt,
und es wird die Erfindung durch Abänderungen nicht verlassen, so lange der an Hand
der Fig. I und 5 beschriebene Grundgedanke beibehalten wird, der darin hesteht,
daß die Entfernungen der einzelnen Meßstellen von der Schallquelle durch elektrische
Widerstände mit ihrem Widerstandswert proportionaler Länge und die gemessenen Zeitdifferenzen
durch Spannungsabfälle an diesen Widerständen nachgebildet werden.