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Anordnung zur Abstandsanzeige auf Fahrzeugen, insbesondere Luftfahrzeugen
Zur Anzeige oder Messung von Gegenständen, z. Bi der Entfernung von Hindernissen
oder der Höhe über Grund bei Luftfahrzeugen und Schiffen oder der Tiefenlage eines
unter Wasser fahrenden Wasserfahrzeugs, sind schon eine ganze Reihe von Einrichtungen
und Verfahren bekannt oder sonstrvie vorgeschlagen. Sehr viele solcher Verfahren
beruhen auf dem Prinzip der Echolotung mit Schall oder mit elektromagnetischen Wellen
und verwenden beispielsweise eine vergleichende Laufzeitmessung oder eine Frequenz
oder Phasenmessung der ausgesandten bzw. nach Reflexion an dem entfernten Gegenstand
empfangenen Impulse.
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Zur Durchführung derartiger Messungen ist ein Impulsgenerator erforderlich,
der Schall-oder andere Wellen möglichst genau definierter Frequenz, u. U. nur einer
einzigen Frequenz, abstrahlt. All diese bekannten Verfahren arbeiten mit verhältnismäßig
großem Energieaufwand und gestatten gleichwohl häufig nicht, die Abstandsmessung,
insbesondere in Bodennähe, mit der gewünschten oder notwendigen Genauigkeit und
Sicherheit durchzuführen.
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Die Erfindung betrifft eine mit Schall arbeitende Anordnung zur Abstandsanzeige,
insbesondere in Bodennähe, welche mit einfachen Mitteln zumindest eine Signalgabe
bei unzulässiger Annäherung an den Boden oder ein Hindernis bewirkt und gegebenenfalls
innerhalb eines begrenzten Meßbereiches auch zur messenden Verfolgung des Abstands
ausgebaut werden kann. Sie zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß zur Messung
jedes vom Fahrzeug ausgehende Schallfrequenzgemisch verwendet werden kann, sofern
dies
nur außer tiefen auch hohe Frequenzen etwa über 2000 Hz enthält.
Das bedeutet, daß besondere Schallgeneratoren nicht unbedingt notwendig sind, insbesondere
bei Flugzeugen., Erfindungsgemäß ist auf dem Fahrzeug eine ein Anzeige- oder Meßgerät
steuernde Schallempfangseinrichtung mit ausgeprägter Itichtkennlinie vorgesehen
und derart in bezug auf die fahrzeugfesten Schallquellen angeordnet, daß die von
der Schallquelle ausgesandten Schallwellen genügend hoher Frequenz das Aufnahmeorgan
nicht auf direktem Wege treffen können, sondern nur nach Reflexion an einer zur
Richtkennlinie entsprechend liegenden entfernten Fläche, falls das Fahrzeug sich
dieser reflektierenden Fläche, z. B. dem Erdboden in lotrechter Richtung oder einem
Hindernis in einer anderen Richtung, nähert; mit anderen Worten, die Anordnung des
Schallaufnahmeorgans, soll eine derartige sein, daß Schallwellen unmittelbar von
der Schallquelle zum Schallaufnahmeorgan nur insoweit gelangen können, als sie sich
genügend stark beugen lassen, und daß die letztere Voraussetzung lediglich von einem
Teil des verfügbaren Schallspektrums mit genügend tiefen Frequenzen erfüllbar ist.
Die Anordnung ist dabei noch derart ausgebildet, daß das schallempfindliche elektroakustische
Organ über einen Verstärker und ein oder mehrere Frequenzfilter eine Anzeigeeinrichtung,
beispielsweise eine Glimmlampe, beeinflußt, wobei der Verstärker oder die Anzeigeeinrichtung
vorzugsweise einen Schwellwert aufweist, so daß das Auftreffen nur solcher Schallwellen
-in dem vom Filter durchgelassenen Frequenzbereich - angezeigt wird, die mit. einer
vorgegebenen Mindestintensität empfangen werden.
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Zur Erzeugung des Meßschalls können beliebige Geräuschquellen dienen,
gegebenenfalls auch besondere, zu diesem Zweck vorgesehene Schallsender. Insbesondere
bei Luftfahrzeugen läßt sich vorteilhaft das sowieso vorhandene Eigengeräusch verwenden,
in welchem außer tiefen Frequenzen (Motor-und Auspuffgeräusch) auch viele hohe Frequenzen,
z. B. die sogenannten Schneidentöne an den Schneiden der Propellerblätter oder an
sonstigen im Luftstrom liegenden EÇanten vorhanden sind. Besondere Schall sender
können auch zur Ergänzung oder Verstärkung eines Eigengeräusches, etwa auf Wasserfahrzeugen
oder für den Fall des Fluges mit abgestelltem Motor, vorgesehen sein. Gegebenenfalls
sind solche Hilfsschallsender nur zur Erzeugung bestimmter, ausgezeichneter Frequenzen
vorzusehen, die im an sich vorhandenen Gräuschspektrum fehlen oder doch nicht in
genügender Stärke vorhanden sind.
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Das Schallaufnahmeorgan. z. B. Etikrophon, steuert zweckmäßig einen
Verstärker, mit denm eine Frequenzfiltereinrichtung verbunden ist, und der ausgangsseitig
eine Signalvorrichtung oder ein Meßgerät beeinflußt.
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Das Frequenzfilter ist so zu bemessen, daß diejenigen Schall frequenzen
oberhalb einer gewissen Grenzfrequenz, die vermöge der gewählten Anordnung nicht
zum Mikrophon gebeugt werden können, vom übrigen Frequenzgemisch getrennt werden,
um zu einer auf Intensitätsmessung oder -vergleich beruhenden Anzeige verwendbar
zu sein.
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Solange beispielsweise ein solcher Art ausgerüstetes Flugzeug in
größerer Höhe fliegt, kann die Reflexion am Erdboden vernachlässigt werden. In das
Mikrophon gelangen nur die tiefen Schallfrequenzen. die sich genügend stark beugen
lassen. während die höheren Frequenzen am Aufnahmeorgan vorbeigeleitet werden. In
dem vom Filter gesteuerten Anzeigekreis tritt daher keine Meßgröße auf.
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Nähert sich das Flugzeug aber dem Boden, so wird ein beträchtlicher.
Teil des Schalls reflektiert, so daß nun auch die hohen Schalltöne ins Mikrophon
gelangen, allerdings nur auf dem Reflektionsweg, und daß nunmher auch im Ausgangskreis
des Filters meßbare Amplituden auftreten. Es sei hierbei bemerkt, daß die Verwendung
von Eigengeräuschen des Fahrzeuges zur Echolotung an sich liekannt ist. Es ist auch
grundsätzlich bekannt, in den Echolotanordnungen gerrichtete Empffänger zu benutzen.
Bei allen bisher bekannten Echolotanordnungen ist der gerichtete Empfänger mit ausgeprägter
Richtcharakteristik nicht so zur Schallquelle orientiert. daß die tiefen Frequenzen
des Spektrums eines zur Lotung benutzten Schallgemisches unmittelbar durch Beugung
zum schallempfindlichen Organ gelangen, während die hohen Frequenzen nur über eine
reflektierende Fläche zum Aufnahmeorgan gelangen können.
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Die gemaß der Erfindung benutzten Eigenschaften eines Geräusches
hinsichlich der Begungsfähigkeit der einzelnen Töne sind in den Abbildungen 1 und
2 dargestellt, die am Luftfahrzeug beim Flug in verschiedenen Höhen aufgenommen
wurden.
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Abb. 1 zeigt das aufgenommene Gesamtspektrum, und zwar Kurve a beim
Flug in großer Höhe, Kurve b beim Flug in geringer Höhe über der Erde. Es ist insbesondere
zu beachten, daß die Kurven a und b sich für Frequenzen unterhalb von etwa i6oo
I-tz praktisch kaum unterscheiden; das bedeutet, daß für die tiefen Frequenzen der
zum Mikrophon reflektierte Anteil gegenüber dem zum Mikrophon unmittelbar gebeugten
Anteil stets vernachlässigt werden kann, zumal
die Kurve b in sehr
geringer Höhe übet einer Wasserfläche aufgenommen ist.
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Abb. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab die aufgenommenen Schallintensitäten,
wenn ein Filter vorgeschaltet ist, dessen untere Durchl'i'3grenze etwa- bei 1600
Hz liegt. Bs ist leicht zu erkennen, daß bei der Annäherung an die Erde (Kurve b)
diese Frequenzen um ein mehrfaches stärker auftreten als beim [lug in größerer Höhe
(Kurve a).
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Die Ausgestaltung der Erfindung sei an 1 land zweier Ausführungslieispiele
näher beschrieben, die den Aufbau des Schallempfangs-und Anzeigegeräts zeigen. -In
Abb. 3 sei 1 das Aufnahmemikrophon. dem z. J3. ein in den Boden des Flugzeugs eingelassener
Trichter 2 mit solcher Bemessung vorgeschaltet ist, daß hohe Töne von der Schallquelle
nicht zum Mikrophon gebeugt werden können. Das Mikrophon steuert über einen Eingangstransformator
3 den Empfangsverstärker 4. Dieser besteht z. B. aus einer Vorverstärkerstufe 5,
deren Ausgangsspannung einrnal dem Eingang eines Filters 6 und ferner dem Steuerkreis
einer zweiten, das gesamte Frequenzspektrum verstärkenden Stufe 7 zugeführt wird.
Auf deren Ausgangsseite ist ein Detektor 8 vorgesehen, so daß am Widerstand g eine
Gleichspannung auftritt, deren Größe von der Intensität des einfallenden Gesamtschalls
(vgl. Abb. I) abhängt. Der Ausgang des Filters 6 enthält nur noch die hohen Frequenzen,
führt also nur in dem Maße merkliche Amplituden, als reflektierter Schall zum Mikrophon
I gelangt, d. h. das Flugzeug sich der Erde nähert. Mit diesen Spannungen wird vorteilhaft
eine Regelröhre 10 gesteuert, z. B. eine Exponenü'alröhre. Um eine Pegelregelung
in Abhängigkeit von der Stärke des überhaupt erzeugten Schalls zu ermöglichen und
so die Anzeige z. B. von der Drehzahl des den Meßschall erzeugenden Flugmotors unabhängig
zu machen, ist in Reihe zu. den Ausgangsklemmen des Filters 6 der Widerstand 9 der
Vorstufe 7 in den Steuerkreis der Regelröhre 10 geschaltet.
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Die Amplitude im Anodenkreis ist damit ein Maß für Eintreffen reflektierter
hoher Fre-(luenzen und damit für die Annäherung an den Boden, unabhängig davon,
ob der Motor mit voller Drehzahl (Reiseflug) läuft oder gedrosselt ist, z. B. bei
einer Landung. Die Ausgangsspannung der Röhre 10 kann nochmals in einer Stnfell
verstärkt und darauf einem Anzeigegerät zugeführt werden. Als Anzeigegerät ist im
Ausführungsbeispiel eine Glimmlampe 12 vorgesehen Beim Ausführungsbeispiel der Abbildung
3 beschränkt sich die Erfindung bewußt darauf, mittels des Schwellwertes der Glimmlampe
12 bzxv der einzelnen Verstärkerglieder eine reine Signalgabe für den Fall zu gewährleisten,
daß das Flugzeug eine gewisse Minclesthöhe über Grund unterscheidet Selbstverständlich
ist es bei entsprechender Empfindlichkeit der Geräte auch möglich, ein messendes
Anzeigeinstrument statt der Glimmlampe wI2 vorzusehen, das wenigstens in einem gewissen
Höhenbereich über Grund den jeweiligen Abstand angibt.
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Eine andere Ausführung zeigt Abb. 4. Zunächst wird ebenso wie bei
der Anordnung der Abl). 3 das gesamte Geräusch in einer Vorstufe 5 des Verstärkers
4 verstärkt. Die angeschlossene Filtereinrichtung 6 besteht aus zwei Filtern, von
denen das eine 6' nur die tiefen, der Beugung am Trichter 2 unterliegenden Frequenzen
und das andere 6" nur die hohen, nicht merklich beugbaren Frequenzen durchläßt.
Die tiefen Frequenzen werden in einer Stufe t3, die hohen Frequenzen parallel dazu
in- einer Stufe 14 weiterverstärkt.
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I)ie Gleichstromspeisung beider Verstärkerröhren erfolgt iiber die
Widerstände 15 und I6, während die verstärkten Wechselströme über Kondensatoren
17 bzw. 18 und gleichrichtende Elemente 19 bzw. 20 je einer Wicklung eines Quotientenmeßgeräts
21 zugeführt werden.
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Diese Einrichtung arbeitet also mit dem Prinzip der Vergleichsmessung
zwischen tiefen und hohen Frequenzen. Sie benutzt dabei die an Hand der Abbildung
1 bereits besprochene Tatsache, daß die empfangene Schallintensität sich für den
unteren Frequenzbereich mit der Annäherung an den Boden durch den reflektierten
Anteil nicht wesentlich ändert, so daß die Intensität der tiefen Töne als praktisch
unveränderliches Vergleichsnormal dienen kann. Änderungen der Gesamtschallstärke
der Geränschquelle bleiben ebenfalls ohne Einfluß, da sie bei tiefen und hohen Frequenzen
in gleicher Weise auftreten und sich so im Vergleichsinstrument 21 aufheben. Das
Instrument 21 kann als Schwellwertgerät ausgebildet sein oder bei Erreichen einer
vorbestimmten Stellung einen Kontakt zur Betätigung eines Warnsignals schließen.
Es kann aber auch zur messenden Anzeige der jeweiligen Höhe dienen.
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Bei der Anordnung des Schallempfängers nach der Erfindung ist das
Mikrophon so anzuordnen, daß es gegen den von der Schallquelle kommenden Schall,
gegebenenfalls auch gegen die Übertragung durch Körperschall genügend abgeschirmt
ist, damit wenigstens die hohen Frequenzen ferngehalten werden Die absolute Frequenzgrenze
kann verschieden sein, je nach der Anordnung des Mikrophons. Die Abschirmung kann
durch einen Trichter bewirkt werden, der gleichzeitig eine
Riditwirkung
für den Empfang reflektierter Strahlung gewährleistet. Zu diesem Zweck ist der Trichter
0. dgl. vorzugsweise nach der Richtung zu orientieren, aus der für die gewünschte
Anzeige der reflektierte Schall hauptsächlich zu erwarten ist. Besonders zweckmäßig
ist die versenkte Anordnung des Mikrophons im Fahrzeug, so daß keine zusätzlichen
Widerstände entstehen Soll eine zusätzliche Abschirmung gegen die Schallquelle vorgesehen
werden, so ist aus dem gleichen Grund die Anordnung vorteilhaft so zu wählen, daß
Teile des Fahrzeugs diese Abschirmung übernehmen können.
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Die Erfindung erlaubt also eine sichere Anzeige oder Warnung bei
Unterschreitung eines gewissen Mindestabstandes. Die Anzeige ist um so genauer und
verläßlicher, je mehr der Reflexionskoeffizient des reflektierenden Gegenstandes
gleichbleibend und bekannt ist.
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Die Anwendung der Erfindung kommt daher in erster Linie für Flugzeuge
bei der Landung auf vorbereiteten Landeplätzen in Frage, wo die Bodenverhältnisse
leicht bestimmbar cmd annähernd über den ganzen Platz konstant sind, oder vor allem
beim Flug über Gewässer; besonders wichtig dürfte die genaue Anzeige, z. B. beim
Transozeanflugverkehr, sein, wo bekanntlich die wirtschaftlichste Reiseflughöhe
nur wenige Meter über der Wasseroberfläche ist und der Flug hierbei oft bei unsichtigem
Wetter durchgeführt werden muß. Ein anderes weites Anwendungsfeld ist die Militärluftfahrt,
z. B. die Höhenanzeige für niedrig fliegende Schlachtflugzeuge, sogenannte Infanterieflieger,
oder im Sèekrieg vor allem für Torpedoflugzeuge. Gerade im letzteren Fall kommt
es auf die genaue Einhaltung sehr geringer Höhen an, wobei u. U. künstlicher Nebel
0. dgl. zu durchfliegen ist.
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In all diesen Fällen wird der Erfindungsgegenstand wertvolle Hilfe
leisten können.