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Vorrichtung zum Messen der Fahrtgeschwindigkeit, insbesondere von
Schiffen
Es ist bekannt, dieGeschw-indiglit eines Schiffes auf akustischem Wege unter
Ausnutzung des Dopplereffektes zu bestimmen, indem gerichtete Schallwellen mit Überhörfrequenz
in geneigter Richtung in das Wasser ausgesandt werden und die Frequenzänderung gemessen
wird, die die Schallwellen nach ihrer Reflexion am Meeresgrund aufweisen Dieses
Verfahren hat den großen Vorteil., daß, entgegen den üblichen Fahrtmessern, nicht
die Fahrt im Wasser, sondern die Fahrt über Meeresgrund gemessen wird. Bisher war
es jedoch nicht gelungen, ein nach diesem Verfahren arbeitendes brauchbares Bordgerät
zu schaffen. Dieses Mißlingen ist offenbar auf verschiedene Ursachen zurückzuführen.
Das bei der Schall. aussendung vom Meeresboden zurückkehrende Echo hat, nur wenn
ein sehr scharf gerichteter Schallstrahl verwendet wird, eine einzige bestimmte
Frequenz, die ein Maß für die Fahrtgeschwindigkeit des Schiffes darstellt.
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Die Verwendung eines derart scharf gerichteten Schallstrahles ist
aber praktisch nicht möglich, weil hierzu einerseits sehr große Sende- bzw. Empfangsgebilde
erforderlich sind und weil andererseits das Schiff selbst Schwingungen ausführt,
durch die der Hauptempfindlichkeitsbereich des Empfängers dauernd verschiedene Richtungen
annimmt, so daß bei zu großer Richtschärfe die Strahlrichtung des Echos und die
Empfangsrichtung des Empfängers während der meisten Zeit auseinander fallen und
das Echo nicht oder nicht mit genügender Intensität empfangen werden würde. Dieser
Nachteil
macht sich besonders bei starkein Seegang bemerkbar, also
gerade dann, wenn die Fahrtmessung für die Navigation von erhöhter Bedeutung ist.
Verzichtet man aber auf die Verwendung eines scharf gerichteten Schalistrahles,
so erhält man ein Echo, das sich aus Frequenzanteilen zusammensetzt, die je nach
dem Öffnungswinkel des Schallstrahles mehr oder weniger stark voneinander verschieden
sind.
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Um ein derartiges Frequenzgemisch zur Fahrtmessung ausnutzen zu können,
hat man schon direkt anzeigende Frequenzmesser vorgesehen, konnte jedoch brauchbare
Meßergebnisse damit nicht erzielen. Man haty deshalb die Messung auf akustischem
Wege durchgeführt, und zwar in der Weise, daß man das Echo abhörte und die Sendefrequenz
so lange änderte, bis die Tonhöhe des Echos mit der Tonhöhe eines Vergleichstones
übereinstimmte. Hierbei wird die Fähigkeit des menschlichen Ohres ausgenutzt, aus
einem Frequenzgtemisch eine bestimmte Teilfrequenz herauszusuchen. Das beschriebene
Tonvergleichsverfahren ist aber außerordentlich umständlich und schon deshalb für
den Bordbetrieb ungeeignet. Außerdem hat es sich gezeigt, daß schon bei nur verhältnismäßig
geringem Seegang über Erwarten große Schwankungen der Echofrequenz auftreten, die
derart schnell erfolgen, daß das Tonvergleichsverfahren völlig undurchführbar ist.
Es war zunächst zu vermuten, daß diese außerondentlich starken Schwankungen der
Echofrequenz auf Störechos zurückzuführen sind, die von Reflexionen innerhalb des
Wassers herrühren.
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Dadurch würde natürlich die Brauchbarkeit des akustischen Fahrtmeßverfahrens
und sein VOrteil gegenüber den bekannten, die Fahrt durchs Wasser messenden Geräten
grundsätzlich än Frage gestellt.
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Wie jedoch Versuche gezeigt haben, sind die starken Schwankungen der
Echofrequenz nicht auf Stönfrequenzen, sondern auf tatsächliche Schiffsbewegungen
zurückzuführen. Schon bei leichtem Seegang führt das Schiff derart starke ungleichförmige
Bewegungen sowohl in der Horizontalen als auch in der Vertikalen aus, daß eine bestimmte
Tonnhöhe des Echos oder auch nur eine gleichbleibende Freqnenzverschiebung des Echos
selbst bei günstigem Einbauort der Schwinger zum Senden und Empfangen des Schalles
nicht zu erwarten ist und infolgedessen das bekannte Tonvergleichsverfahren von
vornherein scheitern mußte. Aus dem Umstand jedoch, daß die starken Frequenzschwankungen
nicht auf Störungen, sondern auf tatsächliche Schiffsbewegungen zurückzuführen s'ind,
konnte erflndungsgemäß gefolgert werden, daß die akustische Fahrtmessung doch noch
zu einem Erfolg führen mußte, wenn es nur gelang, die verwickelten Schiffsbewegungen
zu erfassen bzw. für die Messung unschädlich zu machen. Hierzu war jedoch das bisher
vorgeschlagene Tonvergleichsverfahren unbrauchbar. Dieses Verfahren wurde erfindungsgemäß
aufgegeben und unter Überwindung der bestehenden Vorurteile durch ein objektives
Meßverfahren ersetzt, bei dem die zu messende Frequenz in an sich bekannter Weise
einem direkt anzeigenden Zeigerfrequenzmesser zugeführt wird, der entweder mit einer
starken, viele Sekunden überbrückenden Dämpfung versehen ist, so daß er auf die
durch Stampfen, Schlingern od. dgl. verursachten Schwankungen der gemessenen Frequenzänderung
nicht anspricht, vielmehr nur den Mittelwert der Frequenzänderung anzeigt, oder
als integrierendes Gerät ausgebildet ist, so daß er die gemessenen Augenblickswerte
der Frequenzänderung über eine im Vergleich zur Schwingungsperiode große Zeit summiert.
Bei Summierung der Meßwerte ist es möglich, auch die vom Schiff zurückgelegte Strecke
anzuzeigen. Diese Streckenanzeige ist für die Navigation von sehr großem Wert und
im allgemeinen wichtiger als der Augenblickswert der Fahrtgeschwindigkeit. Die Streckenmessung
kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß man von der durch den Dopplereffekt hervorgerufenen
Differenzfrequenz eine Stromgröße z. B. mit Hilfe der bekannten Zeigerfrequenzmesser
ableitet und die zurückgelegte Wegstrecke durch einen Strommenge. nmes'ser anzeigt.
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Die Erfindung sei an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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Abb. 1 zeigt ein Schaltbild einer Fahrtmeßanlage, Abb. 2 den Einbau
der Schwinger in die Schiffswand.
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Im dargestellten Beispiel ist a ein Hochfrequenzgenerator, z. B.
ein Röhrengenerator, der auf einen Unterwasserschallschwinger b arbeitet. Der z.
B. in die Bordwand eines Schiffes eingebaute Schwinger b ist mit seiner Strahlfläche
c nach voraus unter einem Winkel von z. B. 20° schräg abwärts gegen den Meeresboden
gerichtet. Der vom Meeresboden reflektierte Schall wird von einem Empfänger d aufgefangen,
dessen Empfangsfläche f wie die Strahlfläche c des Schwingers b nach voraus unter
dem gleichen Winkel gegen den Meeresboden gerichtet ist.
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Nach dem bekannten Dopplereffekt erfahren die Schallwellen infolge
der Relativgeschwindigkeit zwischen Schiff und Meeresboden eine Frequenzverschiebung,
deren Größe der Fahrtgeschwindigkeit und dem Kosinus des Winkels proportional ist.
Bei z. B. einer Sendefrequenz von 35 kHz, einem Winkel von 20° und einer Fahrtgeschwindigkeit
von 10 Seemeilen beträgt die Frequenzverschiebung etwa 240 Hz, so daß die Schallwellen
mit 35,240 kHz zum Empfänger d zurückkehren.
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Die Frequenzverschiebung um 240 Hz wird benutzt, um die Fahrtgeschwindigkeit
des Schiffes über Grund zu bestimmen. Zu diesem Zweck werden die reflektierten Schallwellen
mit der Sendefrequenz uberlagert, wobei eine Differenz frequenz von 240 Hz entsteht.
Die Überlagerung kann elektrisch erfolgen, indem man den Generator a über eine Leitung
g auf den Verstärker h einwirken läßt.
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Gegebenenfalls genügt aber auch schon der vom Sender b zum Empfänger
d gelangende direkte Schall zur Bi'l'dung einer genügend starken Differenzfrequenz.
Bei gleichzeitiger elektrischer und akustischer Überlagerung ist gegebenenfalls
in der Übertragungsleitung g ein Verzögerungsglied zur
Kompensation
des Schallaufweges vom Sender zum Empfänger vorzusehen.
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Nach Gleichrichtung und Aussiebung der Hochfrequenz wird die zu messende
Differenzfrequenz einem Niederfrequenzverstärker i und sodann einem geeigneten Frequenzmesser
zugeführt. Im dargestellten Beispiel wird zur Anzeige ein Zungenfrequenzmesser k
benutzt. Dieser ist mit zwei Reihen von Zungen m versehen. Die obere Reihe ist für
die Fahrtstufen von 2 bis 7 Seemeilen, die untere Reihe für die Fahrtstufen von
6 bis 12 Seemeilen eingerichtet. Die erste für die Anzeige von 2 Seemeilen dienende
Zunge ist auf 48 Hz abgestimmt. Die Abstimmungsintervalle der Zungen sind verschieden
groß, und zwar ist die Abstimmung für den Bereich von 2 bis 5 Seemeilen so gewählt,
daß die Fahrt jeweils von 1/10 zu 1/10 Seemeile angezeigt wird. Von 5 Seemeilen
ab dagegen wird die Fahrt nur noch von 1/5 zu 1/5 Seemeile angezeigt.
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Die Schwinger b und d weisen eine längliche Form auf. Sie werden
so angeordnet, daß ihre Längsausdehnung in der Vertikalebene liegt. Im dargestellten
Beispiel ist die Länge der Schwinger gleich dem Zehnfachen, die Breite nur gleich
dem Zweifachen der Wellenlänge des zur Messung benutzten Schalles.
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Vorteilhaft können die Schwinger, wie in Abb. 2 dargestellt, in die
Schiffswand eingebaut werden.
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Dabei bewirkt der zwischen den Schwingern liegende Schiffskörper eine
Abschattung, derart, daß die Wirkbereiche der beiden Schwinger selbst bei an sich
breiter horizontaler Richtcharakteristik sich lediglich im Vorausgebiet überschneiden.
Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, mit der Breite der Schwinger gegebenenfalls
bis zu der einfachen Wellenlänge oder gegebenenfalls noch darunter zu gehen. In
der Vertikalen dagegen ist man bauhch praktisch nicht begrenzt, so daß sich jede
gewünschte Richtschärfe erzielen läßt. Dies ist für die Fahrtmessung von besonderer
Bedeutung, weil die Meßgenauigkeit in außerordentlich starkem Maße von der Richtschärfe
in der Vertikalen abhängig ist. Natürlich ist beim Übergang zu größeren Richtschärfen
auch eine entsprechend dichtere Besetzung des Zungenfrequenzmessers vorzusehen.
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Natürlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt,
vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und auch andere Ausführungen möglich.
Insbesondere kann zur Anzeige statt eines Zungenfrequenzmessers auch ein ZeiSgerfrequenzmesser
z. B. nach der Bauart der AEG verwendet werden. Die Zei, gerfrequenzmes, ser sind
normalerweise mit einer Dämpfung versehen, die so groß ist, daß der Zeiger Frequenzen,
die als tiefste noch angezeigt werden sollen, nicht mehr folgt.
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Wie Versuche ergeben haben, ist diese Dämpfung viel zu klein, um
zu einer auch nur einigermaßen ruhigen Anzeige zu gelangen. Insbesondere ergeben
sich bei unruhigem Wasser starke akustische Schwankungen, die ein ständiges Hinundhergehen
des Zeigers verursachen und eine brauchbare Messung unmöglich machen. Um diese Schwankungen
zu beseiti, gen, ist eine starke zusätzliche Dämpfung z. B. durch einen Kondensator
vorzusehen. Diese Dämpfung kann so groß bemessen sein, daß das Instrument nur tatsächlichen
Fahrtänderungen genügend schnell folgt. Man kann so die akustischen Schwankungen,
die von Stampfbewegungen oder wechselnden Refiektionsei genschaften des Bodens herrühren
können, vom Anzeigegerät vollständig fernhalten ; denn die möglichen Fahrtänderungen
sind, besonders bei großen Schiffen, relativ sehr langsam.
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Da die Zeigerfrequenzmesser verhältnismäßig amplitudenempfindlich
sind, ist es vorteilhaft, eine Amplitudenbegrenzung vorzusehen. Diese Amplitudenbegrenzung
kann auch in Verbindung mit einem Zungenfrequenzmesser von Vorteil sein. Die Amplitudenbegrenzung
läßt sich, wenn der direkte Schall nicht bzw. nur mit geringer Amplitude durchkommt;
durch Fadingregulierung erzielen.
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Mit Rücksicht auf den direkten Schall ist es jedoch zweckmäßiger,
den Verstärkungsgrad des nie-derfrequenzen Teiles zu regeln. Dabei : kann die Regelung
durch die Zungen des Zungenfrequenzmessers gesteuert werden, indem diese bei Überschreiten
eines gewissen Maximal-ausschlages auf Regelkontakte einwirken.
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Gegebenenfalls kann auch die gleichzeitige Verwendung eines Zungenfrequenzmessers
und eines Zeigerfrequenzmessers von Vorteil sein, um die Zuverlässigkeit der Messung
zu erhöhen. Wird dabei der Zungenfrequenzmesser zur Steuerung der Amplitudenbegrenzung
benutzt, so erhält man auf diese Weise auch eine zweckmäßige Rückwirkung des Zungenfrequenzmessers
auf den Zeigerfrequenzmesser.
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Es ist ferner nicht erforderlich, Sender und Empfänger die gleiche
Form und Richtcharakteristik zu geben, vielmehr kann es, insbesondere bei großen
Meeres tiefen zur Vermeidung des zeitweiligen Auseinanderfallens von Sende- und
Empfangsrichtung, zweckmäßig sein, den einen Schwinger, z. B. den Empfänger, besonders
scharf zu machen und den Sender mit breiterem Wirkbereich arbeiten zu lassen.
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Gegebenenfalls kann auch derselbe Schwinger zum Senden und Empfangen
benutzt werden. Dabei ist es allerdings erforderlich, daß die Sinusform der Sendefrequenz
vollkommen gewahrt ist, während bei Anordnung besonderer Schwinger zum Senden und
Empfangen die Brummtöne durch die Schwinger selbst größtenteils unterdrückt werden.
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Schließlich ist auch nicht unbedingt erforderlich, einen vollständig
ununterbrochenen Dauerton auszusenden ; zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens
genügt es vielmehr schon, wenn zur Zeit des Empfanges der Sender in Betrieb ist.