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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung phasenverschiedener Spannungen
aus zwei konphasen Spannungen oder zur Erzeugung konphlaser amplitudenvers chi eden
er Spannungen oder Ströme aus zwei phasenverschiedenen Ursprungs spannungen oder
Strömen, insbesondere zum gerichteten Senden von Unterwasserschall
Es ist bekannt,
beim gerichteten Aussenden von Wellenenergie, z.B. von Schallwellen, eine Gruppe
von fest im Raum angeordneten Strahlern zu benutzen und diese von einem gemeinsamen
Generator aus mit verschiedener Phase zu erregen.
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Je nach der zwischen den einzelnen Strahlern bestehenden Phasendifferenz
ergibt sich dann bei einem bestimmten Abstand der Strahler voneinander und einer
bestimmten Frequenz der ausgestrahlten Wellenenergie eine andere- Richtung der Abstrahlung.
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Die bekannten Vorrichtungen der beschriebenen Art arbeiten mit zwischen
dem Generator und den einzelnen Strahlern angeordneten Phasendrehgliedern.
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Diese Schaltungen sind verhältnismäßig verwickelt und raumsperrend.
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Gemäß vorliegender Erfindung werden zur Erzeugung phasenverschiedener
und insbesondere amplitudengleicher Spannungen oder Ströme nicht wie bei den vorbekannten
Vorrichtungen einzelne voneinander unabhängige Phasendrehglieder verwendet,
sondern
die Ableitung der gewünschten, gegeneinander -phasenverschobenen Spannungen erfolgt
mit Hilfe von Schaltmitteln, die es ermöglichen, mit Hilfe einer einzigen Schaltanordnung
und einer einzigen Einstellung zwei Spannungen bzw. Ströme zu erzeugen, die in dem
gewünschten Maße gegeneinander phasenverschoben sind und z. B. zum Betriebe zweier
verschiedener Schallsender benutzt werden können. Dies erfolgt erfindungsgemäß in
der Weise, daß aus zwei konphasen Ursprungsspannungen, die von einer gemeinsamen
Spannung abgeleitet sein können, mittels einer aus Wechselstromwiderständen in Reihen-und/oder
Parallelschaltung zusammengesetzten Widerstandssschaltung je zwei Teilspannungen
abgeleitet werden, die dem Betrag nach gleich sind und wechselseitig denselben Winkel
einschließen, jedoch so, daß der Drehsinn dieser beiden Winkel einander entgegengesetzt
ist und daß sodann je zwei aus verschiedenen Ursprungsspannungen abgeleitete Teilspannungen
durch Summen- oder Differenzbildung zu Resultierenden zusammengesetzt werden. Diese
haben dann eine Phasenverschiebung gegeneinander, die in bestimmter Weise von dem
Amplitudenverhältnis der beiden Ursprungsspannungen abhängt und durch Verändern
dieses Amplitudenverhältnisses regelbar ist.
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In derselben Weise läßt sich auch mit Strömen an Stelle von Spannungen
verfahren. Die Stromschaltungen lassen sich durch einfache Version aus den Spannungsschaltungen
ableiten.
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Das neue Verfahren läßt sich auch in einfacher Weise umkehren, um
aus zwei phasenverschiedenen, amplitudengleichen oder -verhältnisgleichen Ursprungsspannungen
oder -strömen konphase, amplil tudenverschiedene Spannungen bzw. Ströme abzuleiten.
Eine derartige Aufgabe liegt beispielsweise bei dem gerichteten Empfang von Wellenbewegungen
vor. Eine spezielle Lösung dieses Problems ist auch bereits vorgeschlagen worden.
Dabei werden die an zwei Empfängern mit verschiedener Phase ankommenden Schwingungen
in zwei konphase, aber amplitudenverschiedene Spannungen umgewandelt, um die Phase
auf dem Schirm eines Braunschen Rohres durch einen Strich zur Anzeige bringen zu
können. Eine derartige Vorrichtung ist nicht Gegenstand der Erfindung. Die Umkehrung
des oben beschriebenen allgemeinen Verfahrens läßt sich außer zur Phasenmessung
mit einem Braunschen Rohr für viele andere Zwecke verwenden.
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Die Umkehrung für Spannungen erfolgt in der Weise, daß aus den beiden
phasenverschobenen Ursprungsspannungen je zwei Teilspannungen abgeleitet werden,
die wechselweise dem Betrag nach gleich sind und deren Phasenverschiebungen gegen
die zugehörigen Ursprungsspannungen in ihrer Summe einander gleich sind. Sodann
werden die dem Betrag nach gleichen, aus verschiedenen Ursprungsspannungen abgeleiteten
Teilspannungen zu Resultierenden zusammengefaßt, wobei die Amplitudenverschiedenheit
der Resultierenden durch die veränderliche gegenseitige Phasenverschiebung der Ursprungsspannungen
bestimmt ist. Die so erzeugten resultierenden Spannungen lassen sich für die verschiedensten
Zwecke verwenden. So können sie beispielsweise benutzt werden, um Empfangssysteme
in die Hauptstrahlrichtung der empfangenen Wellen hineinzudrehen, indem man die
beiden Spannungen gleichrichtet und ihre Differenz, je nachdem sie positiv oder
negativ ist, zur Beeinflussung eines Verstellmotors in dem einen oder anderen Sinne
benutzt.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen
veranschaulicht: Fig. I und 2 zeigen Vektorbilder zur Veranschaulichung eines Verfahrens
zur Erzeugung zweier phasenverschiedener, amplitudengleicher Spannungen aus zwei
konphasen Ursprungsspannungen; Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform zur Durchführung
des durch Fig. I und 2 veranschaulichten Verfahrens; Fig. 4 bis 6 zeigen Abänderungen
der in Fig. 3 dargestellten Schaltung; Fig. 7 zeigt die Anwendung einer Schaltung
nach Fig. 3 zum gerichteten Senden mittels einer Vielzahl von Strahlern; Fig. 8
zeigt eine Schaltung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Erzeugung zweier
konphaser, amplitudenverschiedener Spannungen aus zweiphasenverschiedenen Ursprungsspannungen;
Fig. 9 zeigt Vektorbilder zur Schaltung nach Fig. 8 ; Fig. Io zeigt eine spezielle
Ausführungsform für eine Schaltung nach Fig. 8; Fig. II zeigt eine wechselweise
zum gerichteten Senden oder Empfangen dienende Schaltung; Fig. 12 zeigt in schematischer
Darstellung die Abhängigkeit zwischen der Phasenverschiebung der Ursprungsspannungen
und derAmplitudenverschiedenheit der abgeleiteten Spannungen für ein Vektorbild
nach Fig. 9; Fig. I3 zeigt Schaukurven für verschiedene Abhängigkeiten zwischen
der Phasenverschiebung bzw.
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Amplitudenverschiebung der Ursprungsspannungen und der Amplituden-
bzw. Phasenverschiebung der resultierenden Spannungen für Schaltung nach Fig 8;
Fig. I4a bis I4c veranschaulichen die in Fig. I3 gezeigte Abhängigkeit in Skalenform;
Fig. I5 und I6 zeigen die zu Fig. I4b und 14c gehörigen Vektorbilder; Fig. I7 zeigt
eine Schaltung entsprechend Fig. 8, jedoch mit umschaltbarer Widerstandsschaltung;
Fig. I8 und 20 zeigen zwei besondere Ausführungsformen der Schaltung nach Fig. 8;
Fig. 19 und 2I zeigen die zu Fig. I8 und 20 gehörigen Vektorbilder; Fig. 22 zeigt
nochmals die in Fig. II dargestellte umkehrbare Schaltung, wobei jedoch nur der
wesentliche Teil dargestellt ist, und Fig. 23 das dazugehörige entsprechende Strombild;
Fig. 24 zeigt eine Schaltung zum gerichteten Senden mit um 90" gegeneinander phasenverschobenen
Ursprungsspannungen.
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Fig. 1 bis 3 behandeln zunächst die Aufgabe, Schall in bestimmter
Richtung abzustrahlen, indem zwei Schwinger S1 und S2 mit verschiedener Phase, aber
gleicher Amplitude erregt werden. Die Phase soll, um den gesamten Horizont überstreichen
zu können, kontinuierlich jeden Wert annehmen können.
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Hier wird folgendes Verfahren vorgeschlagen:
Um aus
einer Wechselspannung zwei phasenverschiedene Wechselspannungen zu erhalten, bilde
man zunächst zwei voneinander unabhängige konphase Spannungen, z. B. potentiometrisch,
deren Amplitude zwischen einem größten Wert A0 und 0 jeden beliebigen Wert annehmen
kann. Von jeder dieser beiden Spannungen, die im folgenden als die beiden Ursprungsspannungen
U, und U2 bezeichnet werden, bilde man je zwei abgeleitete Spannungen, und zwar
von U1 die beiden Spannungen u11 und u12 und von U2 u21 und u22. Die Spannungen
u11, u12, u21 und u22 haben komplexe Werte. Man bilde dann die Differenzapannung
R1 = u11 - u21 und R2 = u12 - u22. Die beiden Differenzspannungen sollen dann die
beiden gesuchten phasenvariablen, aber amplitudengleichen Spannungen ergeben, die
zur Erregung der Sender dienen.
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Es ist die Frage, welche Bedingungen müssen die Spannungen u11...u22
erfüllen.
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Voraussetzungsgemäß sind U1 und U2 in Phase, nur ihre Amplitude kann
variiert werden. Man bilde jetzt von U1 zwei beliebige abgeleitete Spannungen u11
und u12 (vgl. Abb. 1). Sodann bilde man von U2, das in Gedanken zunächst als gleich
groß wie U1 betrachtet werde, zwei andere abgeleitete Spannungen u21 und u22, und
zwar so, daß der Winkel von u11 nach u21 umgekehrten Drehsinn hat wie der Winkel
von t,2 nach u22. Hält man nun U, in seiner Länge konstant und ändert die Länge
von U2, so drehen sich, ganz gleich wie u1 ... u22 aussehen, die Resultierenden
R1 und R2 gegeneinander und ändern ihren Winkel gegeneinander. Bei gleichem Drehsinn
des Winkels von u11 nach u21 und u12 nach u22 braucht das nicht der Fall zu sein.
In diesem Fall drehen sich die Resultierenden miteinander, und man erhält nur eine
Phasendrehung, wenn verschiedene Winkelgeschwindigkeiten vorliegen.
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Um nun zu erreichen, daß die Resultierenden untereinander gleich
sind, muß offenbar |u11| = |u12| und |u21| = |u22| sein und ferner der Winkel u11
nach u2l gleich dem Winkel ul2 nach U22, jedoch mit entgegengesetztem Drehsinn (Fig.
2). Sollen nun noch für jede Phasenverschiebung # die Resultierenden gleich lang
bleiben, so muß u112 + u212 + 2 u11 u21 cos (u11, u21) konstant bleiben. Die verhältnisse
werden einfach für den Fall, daß u11 senkrecht auf u21 und, also entsprechend obigen
Bedingungen, u12 senkrecht auf u22, jedoch mit entgegengesetztem Drehsinn, steht.
Dann braucht nur |u11|2 + |u21|2 = |u12|2 + |u22|2 eine Konstante zu werden. Diese
Forderung bedeutet, daß sich die Länge von u11 und u12, also U11, proportional cos
α, die Länge von u21 und u22, also U21, proportional sin α ändert. Dann
ist die Länge der Resultierenden u11-u21 = u12-u22 = R1 = R2 = A0 # sin2 α
+ cos2 α.
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Die Winkeländerung, die R, gegen R2 bei Änderungen von α um
den Wert α0 erfährt, ist # = 2 α0.
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Welchen Wert die Phase, welche R1 gegen R2 hat, für den Fall α
= 0 hat, hängt von den speziellen Bedingungen ab, unter denen u11... u22 gewählt
sind. Folgendes ist leicht zu erkennen. u11 habe gegen u., den Winkel ya0. Die Lage
des Ursprungs-Vektors U1 gegen u11 und u12 ist dann für die weiteren Betrachtungen
belanglos, d. h. es gibt unendlich viele Fälle, wo gerade u11 gegen u12 den winkel
#0 hat. u21 und u22 sind dann nach Vorschrift festgelegt.
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Wird jetzt α = 0°, so wird U1 proportional cos α = 1 und
U2 proportoional sin α = 0. Die Resultierenden schließen in diesem Fall den
winkel #0 ein. #0 kann also nach Wunsch so gewählt werden, daß für α = 0 eine
Phase von jedem gewünschten Betrag, also auch 0, zwischen den Resultierenden liegt.
Das weitere Drehgesetz bei Änderung von a liegt, wie oben bereits beschrieben, fest.
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Eine einfache technische Anordnung, welche oben angegebene Bedingungen
erfüllt, zeigt Fig. 3. Mittels eines Kugelvariometers K, bestehend aus zwei rechtwinklig
gekreuzten Spulen I, 2, in deren Mitte eine dritte Spule 3 drehbar gelagert ist,
werden aus einer Spannung U zwei Spannungen U, und U2 erzeugt, deren eine proportional
dem Kosinus und deren andere proportional dem Sinus des Drehwinkels a der Innenspule
gegen die Spule 1 ist.
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Diese Spannungen U1 und U2 werden jede auf eine Brücke aus vier komplexen
Widerständen z1 bis z4 und z1' bis z4' gegeben, welche so bemessen sind, daß die
Spannungen obige Bedingungen erfüllen.
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U, und U2 werden zweckmäßig in einem Punkt zusammengefaßt, welcher
geerdet wird. Die vier an Erde liegenden Widerstände müssen dann nach Vorschrift
die Spannungen « ui, .. . g22 bilden. An den freien Eckpunkten der Brücke werden
die Resultierenden R,, R2 abgegriffen.
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Die resultierenden Spannungen R1 und R2 werden den getrennten Strahlern,
beispielsweise Unterwasserschallsendern S, und S2, zugeführt, die in einem Abstand
voneinander angeordnet sind.- Je nach der Größe dieses Abstandes d in bezug zur
Wellenlänge des ausgesandten Schalles ergibt sich für eine bestimmte Phasendifferenz
# der beiden Erregerspannungen bzw. Ströme eine andere Strahlrichtung bzw.
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Neigung # der Abstrahlung gegen die Normalrichtung N.
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Fig. 4 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel für die oben allgemein
beschriebene Schaltung (Fig. 3).
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Als Widerstände sind hierbei Ohmsche Widerstände vom Wert R und Kapazitäten
vom Wert C verwendet, wobei die Bedingung R = w.C erfüllt ist. Die abgeleiteten
Teilspannungen sind dann alle untereinander gleich groß und stehen sämtlich aufeinander
senkrecht. Da außerdem infolge der Anwendung eines Kugelvariometers die eine Ursprungsspannung
dem Sinus, die andere dem Kosinus des Drehwinkels a proportional ist, erhält man
eine proportionale Abhängigkeit zwischen dem Drehwinkel α des Variometers
und der Phasenverschiebung # der Resultierenden. Da nun aber zwischen dieser Phasenverschiebung
# und der Neigung # der Schallstrahlen gegen die Normale eine Sinusabhängigkeit
besteht, so geht diese Sinusabhängigkeit natürlich auch in die Funktion der Strahlrichtung
in Abhängigkeit von der Einstellung des Variometers ein. Wie weiter unten (vgl.
Fig. 12 bis I6 und zugehörige Beschreibung) für das Beispiel des gerichteten Empfangs
auseinander-
gesetzt ist, kann diese Sinusabhängigkeit durch entsprechende
Bemessung der Wechselstromwiderstände zur Ableitung der Resultierenden größtenteils
kompensiert werden. Man kann aber auch umgekehrt die Abweichung von der proportionalen
Abhängigkeit noch erhöhen, um etwa eine besonders genaue Einstellung der Strahlrichtung
für bestimmte Winkelbereiche zu ermöglichen.
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Fig. 5 zeigt eine Schaltung, bei der zwei Spannungen miteinander
und mit einer der Ursprungsspannungen zusammenfallen.
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Für die Wechselstromwiderstände sind die in der Zeichnung angegebenen
Widerstandswerte gewählt.
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Hierfür gilt die Beziehung R = 1/# # C = # # L. die Schaltung leistet
somit im wesentlichen das gleiche wie die Schaltung nach Fig. 4.
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An Stelle des Kugelvariometers läßt sich auch eine quadratische Widerstandsplatte
4 nach Fig. 6 benutzen, deren Mitte geerdet ist und auf der zwei Abnehmer 5, 6 drehbar
schleifen, welche die Spannungen abgreifen, die dem Kosinus und Sinus des Drehwinkels
a proportional sind.
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Man kann also mittels einer mechanischen Drehanordnung, die mit einer
elektrischen Widerstandsschaltung in Reihen- und Parallelschaltung zusammengeschaltet
ist, zwischen zwei Sendern eine Phasendifferenz erhalten, die dem Drehwinkel a der
Drehanordnung proportional oder nach sonst einer Funktion von dem Drehwinkel a abhängig
ist, wobei die elektrische Amplitude, die die Sender erregt, in jedem Augenblick
und für beide Sender gleich stark bleibt.
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Wählt man den Senderabstand gleich d, und ist A die Wellenlänge der
ausgestrahlten Wellen, so besteht zwischen dem Phasenunterschied, mit dem die Sender
erregt werden, und dem Winkel Q der Strahlrichtung gegen die Normale folgende Beziehung:
# = #d sin @ 2 sm.
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#/2 ist aber gleich dem winkel α der Verdrehung der mechanischen
Anordnung. Es ergibt sich also rsd a= = sm e Durch Wahl von d hat man es in der
Hand, eine schnelle oder langsame Änderung des Winkels, unter dem man sendet, zu
erreichen. Eindeutigkeit erhält man für d< #.
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2 Will'man mehrere Sender auf einer Geraden in gleichen Abständen
mit verschiedenen Phasen erregen, und zwar von rechts nach links immer mit gleicher
Phasendifferenz von Sender zu Sender, so läßt sich das leicht, wie in Fig. 7 veranschaulicht,
durch Vervielfachung obiger Methode erreichen, indem man z. B. die beiden äußersten
Sender zusammenfaßt, dann die beiden nächsten und so fort. Bei ungerader Anzahl
bleibt dann in der Mitte einer übrig. Dessen Phase wird dann konstant gehalten.
Je zwei zusammengefaßte Sender schaItet man auf eine Widerstandsschaltung mit einer
zugehörigen mechanischen Drehvomchtung. Die Drehvorrichtungen werden um einen verschieden
großen Betrag, entsprechend dem Phasenunterschied, den sie erreichen sollen, gedreht.
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Fig. 7 zeigt ein schematisches Beispiel für acht Sender S1 bis S8.
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Analog zur Aufgabe, einen Schall in bestimmter Richtung abzustrahlen,
indem zwei Schwinger mit verschiedener Phase, aber gleicher Amplitude erregt werden,
läßt sich ein Verfahren angeben, um mittels zweier vorzugsweise im Abstand T angeordneter
Schwinger die Einfallsrichtung eines ankommenden Schallstrahles zu ermitteln, um
in Abhängigkeit von der Phasendifferenz an den beiden Schwingern bestimmte Wirkungen
auszulösen. Ausführungsbeispiele hierfür sind in Fig. 8, 10 und 11 schematisch veranschaulicht.
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In der Schaltung Fig. 8 sind E, und E2 zwei Schallempfänger, z. B.
Magnetostriktionsschwinger, die auf eine bestimmte Frequenz von z. B. 20 kHz abgestimmt
sind. Die Empfänger sind im Abstand 2 voneinander angeordnet und gemeinsam um eine
senkrechte Achse 7 drehbar. Bei einem Einfallswinkel e der Schallwellen ist die
Phasendifferenz der Schwingungen an den beiden Empfängern ç = z sin Q. Die Phasendifferenz
ç zwischen den beiden Empfängern E, und E2 ist also ein Maß für den Einfallswinkel
e der Schallstrahlen und wird an einem Braunschen Rohr 8 zur Anzeige gebracht. Hierzu
werden die beiden Schwingungen von den Empfängern E1 und E2 nach Verstärkung in
Verstärkern 9 und 10 wie die Spannungen U1 und U2 in Fig. 3 als Ursprungsspannungen
U3 und U4 je einer Stromverzweigung II bzw. I2 mit Widerständen Z, bis Z4 und Z,'
bis Z41 zugeführt.
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Von den einzelnen Stromzweigen werden jeweils zwischen den beiden
Widerständen konphase, aber entsprechend der Phasendifferenz der beiden Ursprungsspannungen
amplitudenverschiedene Spannungen R3 und R4 als Resultierende abgegriffen und den
Platten der beiden um 900 gegeneinander versetzten Ablenkplattenpaare 16r 17r bzw.
I8rJ 19r zugeführt.
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Die Widerstände der Stromverzweigungen sind so gewählt, daß, wie
im Vektorbild der Fig. 9 beispielsweise dargestellt, die Ursprungsspannungen U3
bzw.
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U4 in Teilspannungen « 31, u34 und u22, u23 bzw. u44 und u42, u43
zerlegt werden, und zwar derart, daß die beiden zu Resultierenden R8 und R4zusammengefaßten
und demselben Plattenpaar des Braunschen Rohres zugeführten, von denUrsprungsspannungen
U3, U4 abgeleiteten Spannungen u31 und u42 bzw. u32 und u41 dem Betrag nach gleich
sind und gleich große, im Vorzeichen jedoch entgegengesetzte Phasenverschiebungen
a, ß gegen ihre Ursprungsspannungen oder gegen zu ihren Ursprungsspannungen Ua,
U4 um einen willkürlich gewählten Winkels verdrehte Spannungen S aufweisen. Dadurch
wird erreicht, daß die resultierenden Spannungen R3 = ua, - u42 und R4 = u32 - 41
für jede beliebige Phasendifferenz zwischen den Ursprungsspannungen U3, U4 -miteinander
in Phase sind. Derartige Ablenkspannungen rufen, wie bekannt, am Braunschen Rohr
eine strich-
förmige Abbildung 20r hervor, wobei die Neigung ?,
des Striches 20r, auf eine bestimmte Nullage bezogen, von der Phasendifferenz p
und damit auch von dem Einfallswinkel e der Schallstrahlen abhängig ist und als
Maß hierfür benutzt werden kann. Außer zur Anzeige an einem Braunschen Rohr können
die resultierenden Spannungen R3 und R4 auch noch zur Auslösung von Steuervorgängen
verwendet werden.
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Fig. 8 zeigt, wie die Resultierenden benutzt werden können, um die
Empfänger E,, E2 in die Front der einfallenden Schallwellen einzustellen. Hierzu
werden in den sekundären Stromkreisen zweier Übertrager I3 und I4 mit Gleichrichtern
15 und I6 sowie Belastungswiderständen I7 und I8 den resultierenden Spannungen R3
und R4 entsprechende Gleichströme erzeugt. Die Differenz der in den Belastungswiderständen
I7 und I8 auftretenden Spannungsabfälle wird zur Erregung eines Mittelstellungsrelais
A benutzt, dessen Doppelkontakt a in der Mittelstellung steht, wenn die Relaisspule
stromlos ist. Dies ist der Fall, wenn R3 und R4 gleich sind, und es ist vorausgesetzt,
daß dieses für p = 0 oder e = 0 eintritt. Dann ist an beiden Empfängern die gleiche
Phase vorhanden, oder die Empfängerbasis liegt in der Front der einfallenden Schallwellen.
Weicht dagegen die Einstellung der Empfängerbasis nach der einen oder anderen Seite
aus dieser Frontstellung ab, so entsteht eine entsprechende Ungleichheit der Phasen
und der resultierenden Spannungen R3 und R4, und es fließt infolgedessen in dem
Relais A ein Gleichstrom in der einen oder anderen Richtung. Es wird dann der Doppelkontakt
des Relais nach rechts oder links gelegt und dadurch die Feldspule eines Verstellmotors
I9, die von einer Spannungsquelle 20 gespeist wird, im einen oder anderen Sinne
erregt, so daß der Motor 19 rechts-oder linksherum läuft und die Basis E,, E2 in
einem solchen Sinne um die Achse 7 schwenkt, daß sie in die Frontstellung (4 e =
0) hineingedreht wird. Auf diese Weise wird eine selbsttätige Peilung erzielt.
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Gegebenenfalls läßt sich hiermit auch eine selbsttätige Steuerung
des Schiffes oder sonstigen Fahrzeuges, auf der sich die Empfangseinrichtung befindet,
durchführen.
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Fig. 10 zeigt eine etwas andere Ausführungsform für eine selbsttätig
gesteuerte Peilvorrichtung. Dabei sind in jeder Stromverzweigung lediglich zwei
Widerstände, und zwar je ein Ohmscher und ein kapazitiver Widerstand, vorhanden,
für deren Widerstandswerte R und C die Beziehung gilt R = C Die an der Stromverzweigungsschaltung
abgegriffenen resultierenden Spannungen R8 und R4 sind über Gleichrichter 2I, 22
an Widerstände 23, 24 gelegt. Die Widerstände 23 und 24 weisen Abgriffe25, 26 auf,
die auf die Mitte eingestellt sind und an das Mittelstellungsrelais A zur Steuerung
des Verstellmotors 19 angeschlossen sind.
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Fig. II zeigt eine Schaltung, die sowohl für gerichtetes Senden als
auch für gerichtetes Empfangen zu gebrauchen ist. Die Widerstandsverzweigung ist
hier in gleicher Weise ausgeführt wie in Fig. 10.
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Beim gerichteten Senden werden die Ursprungsspannungen U, und U2 wie
bei den Schaltungen der Fig. 3 bis 5 von den Kreuzspulen I und 2 eines Kugelvariometers
abgenommen, dessen Drehspule 3 beliebig einstellbar ist und an eine Wechselstromquelle
U angeschlossen ist. Die von der Stromverzweigung abgegriffenen resultierenden Spannungen
R1 und R2 werden mittels Übertrager 27, 28, deren primäre.
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Spulen Kondensatoren 29, 30 zur Einstellung der Resonanz parallel
geschaltet sind, auf die Sender S, und S2 gegeben.
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Bei der Verwendung als Empfangsschaltung werden umgekehrt die Ursprungsspannungen
U3 und U4 von den Empfängern E, und E2 der Stromverzweigung über die Übertrager
27 und 28 zugeleitet und die von der Stromverzweigung abgegriffenen resultierenden
Spannungen R3 und R4 den Kreuzspulen 1 und 2 des Kugelvariometers zugeführt.
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An die Drehspule 3 des Kugelvariometers wird sodann an Stelle der
Wechselstromquelle U ein Verstärkergleichrichter 3I mit Telefonhörer 32 angeschlossen.
Es ist dann beim Verstellen der Drehspule 3 leicht das Maximum der Lautstärke abzuhören,
das sich für einen bestimmten Drehwinkel a ergibt, der der an den Empfängern E,
und E2 auftretenden Phasendifferenz bzw. der Richtung der einfallenden Schallwellen
entspricht. Es ist klar, daß die Einstellung des Variometers auf das Maximum um
so leichter ist, je schärfer dieses Maximum ausgeprägt ist, d. h. je kleiner die
zu einer merklichen Lautstärkeänderung erforderliche Winkeländerung des Kugelvariometers
ist.
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In den Fig. 12 bis 14 sind Zusammenhänge zwischen der Phasenverschiebung
an den Empfängern E, und E2 und dem Abbildungswinkel a an dem Braunschen Rohr (Fig.
8) bzw. dem Drehwinkel a des Kugelvariometers schaubildlich für verschiedene Fälle
dargestellt. Was im folgenden für die Abbildung am Braunschen Rohr gesagt ist, gilt
sinngemäß auch für die Wirkung der resultierenden Spannungen R3 und R4 auf die Steuervorrichtung
zur selbsttätigen Einstellung der Empfängerbasis.
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Bei von 0 bis 3600 sich ändernder Phasendifferenz p dreht sich der
Strich 20r am Braunschen Rohr um I80". Dabei liegt an einem Plattenpaar die Spannung
und am anderen Plattenpaar die Spannung
worin ts und 12 die Längen der Vektoren « 3l bzw. 842 und u32 bzw. u4, bedeuten.
Die Endpunkte des Striches 20r bewegen sich demnach im allgemeinen auf einer Ellipse.
Die Lage des Striches ist gegeben durch
Fig. 12 zeigt die Ellipse E für das Vektordiagramm Fig. 9. Daraus ist die Lage des
Striches 20r bzw. die Größe des Abbildungswinkels S in Abhängigkeit von der Phasendifferenz
p zu erkennen. Sind die Phasenverschiebungen a, ß der beiden abgeleiteten
Spannungen
entgegengesetzt gleich und 1, = 12, so fällt die Nullage (? = O) mit einer der beiden
Ellipsenachsen zusammen, d. h. die Ellipse ist zur Nullage symmetrisch.
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Die elliptische Funktion zwischen Phasendifferenz und Abbildungswinkel
läßt sich ausnutzen, um die Unproportionalität zwischen dem Einfallswinkel g der
Schallstrahlen und der Phasendifferenz 92 zu kompensieren und dadurch eine nahezu
winkeltreue Abhängigkeit zwischen dem Abbildungswinkel S am Braunschen Rohr und
dem Einfallswinkel e der Schallstrahlen zu erzielen. Die Kurve 33 in Fig. I3 zeigt
die bei einem Spannungsdiagramm gemäß Fig. I5 erzielte Kompensation der Sinusabhängigkeit
nach Kurve 34 bzw. Angleichung an die anzustrebende proportionale Abhängigkeit nach
der Geraden 35.
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Umgekehrt kann durch entsprechende Ellipsen statt einer Entzerrung
der Sinus abhängigkeit auch eine weitere Verzerrung hervorgerufen werden, z. B.
derart, daß der Strich für kleine Phasendifferenzen sehr schnell und für die größeren
Phasendifferenzen bis 180° nur sehr langsam dreht. Eine derartige Abhängigkeit ist
auch für die Selbstpeilung und für die Hörpeilung (Fig. 11) vorteilhaft, weil dann
für kleine Abweichungen aus der richtigen Peillage große resultierende Spannungen
bzw. Lautstärkeunterschiede und damit eine hohe Empfindlichkeit und genaue Peilung
erzielt werden. Es sind aber auch Fälle denkbar, in denen die größte Empfindlichkeit
bei einer anderen Lage der Empfängerbasis zur Schallquelle gefordert wird. Die Kurve
36 (Fig. I3) zeigt die Abhängigkeit des Abbildungswinkels qp von dem Einfallswinkel
e der Schallstrahlen bei einem Spannungsdiagramm gemäß Fig. 16. Fig. I4a bis I4C
zeigen die Abbildungen von e am Braunschen Rohr für proportionale Abbildung der
Phasendifferenz gemäß Kurve 34, für Kompensation der Sinusfunktion gemäß Kurve 33
und für erhöhte Meßgenauigkeit im unteren Meßbereich gemäß Kurve 36. Fig. I5 und
I6 zeigen die zu Fig. I4b und I4C gehörigen Vektorbilder.
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Zweckmäßig sind, wenn eine selbsttätige Peilung nicht vorgesehen
ist, wie in Fig. I7 veranschaulicht, zwei wechselweise benutzbare Stromverzweigungsanordnungen
37, 38 und 39, 40 vorgesehen, von denen die eine für alle auftretenden Phasendifferenzen
etwa gleiche Meßgenauigkeit, die zweite dagegen für kleine Phasendifferenzen eine
erhöhte Meßgenauigkeit aufweist. Mit der ersten Anordnung wird zunächst die ungefähre
Richtung der Schallwellen gemessen, sodann wird die aus den beiden Empfängern E1,E2bestehende
Basis in die Front der Schallwellen gedreht und die Phasendifferenz nochmals, jedoch
jetzt mit der zweiten Anordnung, gemessen. Diese kombinierte Grob- und Feinmessung
war bisher nur unter Verwendung von zwei odermehrverschiedenen Empfängerbasen möglich.
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Durch das neue Verfahren wird daher die Anlage wesentlich vereinfacht
und verbilligt, was um so wichtiger ist, als es sich hierbei um die Einsparung von
wichtigen Werkstoffen handelt.
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Außerdem ist, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, auch bei der.
Feinpeilung allein schon volle Eindeutigkeit der Anzeige gewährleistet, da sich
auch hier der Strich am Braunschen Rohr bei Drehung der Basis über den ganzen Umkreis
X) n 360° nur um insgesamt 180° dreht. Falls daher auf Die proportionale bzw. winkeltreue
Abbildung kein W@rt gelegt wird, wie das bei Ermittlung der richtu@g durch Einstellung
der Basis in die Nullage der F@ll sein kann, kann auf die Grobpeilung ganz verzich
et werden.
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Statt zwei verschiedene, zwischen die Ausgan-sspannungen und das
Braunsche Rohr wechselweise einschaltbare Doppelstromverzweigungen vorzusehen, können
auch entsprechend kontinuierlich oder sprung haft durch eine gemeinsame Stellvorrichtung
veränderbare Wechselstromwiderstände vorgesehen sein.
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Diese verschiedenen Maßnahmen können auch in Xombination angewandt
werden.
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Leicht berechnen und praktisch leicht verwirklichen lassen sich Ellipsen
E mit 92 = 0 unter 45°. Bedingung hierfür ist, daß die beiden Phasenverschiebungen
a, ß und die Beträge der vier abgeleiteten Spannungen bzw.
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1,, 12 gleich sind. Die Stärke der Elliptizität hängt dabei von der
Größe des Winkels a = ß ab. Für α = ß = 45° geht die Ellipse in einen Kreis
über.
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Ellipsen mit # = 0 unter 0° bzw. 90° erhält man für a = 0, ß = i 900.
Die Elliptizität hängt hier von dem Verhältnis 2,: 23 ab und verschwindet (Kreis)
für 11 l2 = 1.
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In allen diesen Fällen kann die Spiegelebene S für die Vektoren von
o bis 360° gedreht werden. Form und Lage der Ellipse werden dadurch nicht verändert,
sondern lediglich die Lage der abgeleiteten Spannungen zu den Ursprungsspannungen
und damit die zur Ableitung erforderlichen Widerstände. Man hat es somit in jedem
Fall in der Hand, die Spiegelebene S so zu legen, daß sich günstige Werte für die
Widerstände ergeben.
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In dem allgemeinen Fall geht für 2, = 2, und a + ß = 90° die Ellipse
in einen Kreis über. Entsprechende Schaltungen sind anwendbar auch für Vorrichtungen
zum gerichteten Senden (vgl. Fig. II).
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Fig. I8 zeigt eine Schaltung zur Erzielung einer strichförmigen,
auf einem Kreis drehenden Abbildung.
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Dabei ist in jedem Zweig der beiden Stromverzweigungen je ein Ohmscher,
ein kapazitiver und ein induktiver Widerstand vorgesehen, um eine Resonanzerhöhung
zu erzielen. Wie aus dem zugehörigen Vektordiagramm (Fig. I9) zu ersehen ist, sind
die Ablenkspannungen hierbei mehrfach größer als die Ursprungsspannungen U3 und
U4.
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Fig. 20 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die abgeleiteten
Spannungen nicht in Stromverzweigungen gewonnen werden, sondern aus demselben Stromzweig,
indem dieser mit entsprechenden Wechselstromwiderständen 41, 42 bzw. 43, 44 versehen
ist. Die Erdsymmetrie kann man durch Erdung der zwischen den Widerständen liegenden
Punkte 45, 46 erzielen.
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Fig. 21 zeigt ein Vektordiagramm zu der Schaltung Fig. 20. Darin
sind Us, U4 die gleich großen oder auf gleich große Amplitude zurückgeführten Ursprungsspannungen,
die im Schaltbild Fig. 20 durch Spannungsquellen 47, 48 angedeutet sind. u31 und
u,, sind die von U,, u41 und u42 die von U4 abgeleiteten
Spannungen.
Als Spiegelebene S sind hier die Ursprungsvektoren angenommen, obwohl die Spiegelebene
auch dagegen verdreht werden kann. Die beiden spiegelbildlichen Vektoren u31, W42
mit der Phasenverschiebung b bzw. - 6 gegen S bzw. u32,, uz41 mit der Phasenverschiebung
y bzw. - y gegen S werden je einem der beiden Plattenpaare zugeführt.
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Für gleichen Betrag der vier abgeleiteten Spannungen und eine gegenseitige
Phasenverschiebung der aus derselben Ursprungsspannung abgeleiteten Spannungen von
90" ergibt sich ein Kreis. In der Schaltung Fig. 20 sind hierzu die Widerstände
42, 43 als gleiche Kapazitäten C und die Widerstände 4I, 44 als gleich große Ohmsche
Widerstände R zu wählen, und zwar so, daß R = 1/# # C, worin # = 2 # f und f die
Frequenz der Ursprungsspannung ist. Entsprechend erhält man bei einer Schaltung
nach Fig. 8 einen Kreis bzw. proportionale Abbildung der Phasendifferenz, wenn die
Widerstände Z2, Z4, Z2,, Z4, als gleich große Kapazitäten C und die Widerstände
Z,, Z2,Z1,, Z3' als gleich große Ohmsche Widerstände R ausgebildet werden, derart,
daß R Dieselben Ableitungen wie für Spannungen lassen sich auch für Ströme durchführen;
dabei entstehen vektormäßig dieselben Bilder, und es gelten entsprechend für die
Ströme die gleichen Vorschriften über ihre gegenseitigen Beziehungen wie für die
Spannungen. Schaltungsmäßig sind allerdings an Stelle der angegebenen Schaltungen
die Inversionen zu setzen. Hierzu ist in Fig. 22 und 23 ein Beispiel gegeben. Fig.
22 zeigt ein Schaltbild für die Ableitung von konphasen, resultierenden Spannungen
R3, R4 aus zwei amplitudengleichen, aber phasenverschiedenen Ursprungsspannungen
U3 und Ug. Es liegt hier die gleiche Widerstandsschaltung aus Ohmschen und kapazitiven
Widerständen R, C zugrunde wie in Fig. 11, so daß die Beziehung R = 1/# # C zwischen
den Widerständen besteht.
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Fig. 23 zeigt das durch Inversion aus Schaltbild Fig. 22 entstandene
Stromschaltbild. Darin sind i3 und i4 die phasenverschiedenen Ursprungsströme und
R3,, R4, die konphasen, resultierenden Ströme. Für diese Schaltung gilt entsprechend
die Beziehung R=av L.
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Zwei um eine bestimmte Phase gegeneinander verschobene Spannungen
oder Ströme, beispielsweise zum gerichteten Senden, können auf die Widerstandsschaltung
an Stelle zweier konphaser, auch um einen konstanten Betrag gegeneinander phasenverschobener
Ursprungsspannungen gegeben werden. Fig. 24 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine
derartige Schaltung.
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Darin werden die Ursprungsspannungen durch eine geeignete go°-Schaltung,
beispielsweise einen Kondensator 49 und einen Ohmschen Widerstand 50, um 90° gegeneinander
verschoben und sodann mittels Übertrager 51, 52 auf eine Widerstandsschaltung gegeben.
Diese kann wieder aus vier in Sternform angeordneten Wechselstromwiderständen, beispielsweise
aus rein Ohmschen Widerständen, bestehen.
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Eine solche Schaltung ist wegen der mit ihr erzielbaren Ausgangsleistung
besonders für das gerichtete Senden geeignet.
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Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Beispiele
beschränkt. Vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und auch andere Ausführungen
möglich.
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Bei zur Nullage (? = 0) nicht symmetrischen Ellipsen wird zweckmäßig
durch Einführung einer künstlichen Phasenverschiebung die Nullage in eine der Achsenrichtungen
der Ellipse gedreht.
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Schließlich kann die Erfindung auch zur Phasenmessung oder Steuerung
für andere Zwecke als die der Peilung benutzt werden. Sie hat aber besondere Bedeutung
für die Peilung auf Schiffen mittels Unterwasserschalles. Dabei kann natürlich auch
in Verbindung mit mehreren Empfängerbasen gearbeitet werden. Die Peilung kann dabei
entweder nach der Echomethode, sie kann- aber auch durch Abhorchen fremder Schallquellen,
z. B. fremder Schiffsgeräusche, mit einer auf eine bestimmte Frequenz abgestimmten
Empfangsanordnung oder durch Signalgebung von Schiff zu Schiff erfolgen.
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Ferner sind noch mancherlei Anwendungen möglich.
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So können die zur Erzeugung von konphasen Spannungen aus phasenverschiedenen
Ursprungsspannungen gewonnenen Resultierenden in Schaltungen benutzt werden, um
rückläufig die Phasengleichheit zwischen den Ursprungs spannungen wieder herzustellen.
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Derartige Aufgaben liegen beispielsweise vor bei dem Gleichwellenfunk
und beim Synchronisieren von elektrischen Maschinen.