-
Verfahren und Vorrichtung zur selbsttätigen Änderung der Strahlungsrichtung
einer Strahlergruppe
Zur Erzeugung einer gerichteten Strahlung von Wellenenergie,
z. B. von Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen, werden vielfach Gruppen
von einzelnen Strahlern benutzt, die in bestimmten Abständen voneinander in einer
geraden Linie, in einer Ebene oder im Raum angeordnet sind und mit Schwingungen
einer bestimmten Frequenz betrieben werden. Um die Strahlungsrichtung einer solchen
Strahlergruppe zu ändern, z. B. durch alle Richtungen des Horizontes zu drehen,
sind bisher zwei Verfahren üblich. Entweder wird durch mechanische Drehung der Strahlergruppe,
z. B. um eine vertikale Achse, die natürliche Richtcharakteristik der Gruppe nacheinander
in die verschiedenen Richtungen eingestellt, oder es wird bei feststehender Strahlergruppe
durch Einschaltung von Verzögerungsgliedern in die Energiezuleitungen zu den einzelnen
Strahlern bzw. durch entsprechende Phasenverschiebung der zu den einzelnen Strahlern
geleiteten Schwingungen eine künstliche Drehung der Richtcharakteristik bewirkt.
Beide Verfahren haben den Nachteil, daß mechanische Schwenkwerke bzw. Kontakt- und
Schaltvorrichtungen erforderlich sind und daß infolgedessen eine sehr schnelle Änderung
bzw. Drehung der Richtcharakteristik auf Schwierigkeiten stößt.
-
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, schnell nacheinander
selbsttätig alle oder bestimmte Richtungen des Raumes bzw. einer Ebene mit Hilfe
einer Gruppenanordnung von Strahlern, die eine bestimmte Richtcharakteristik besitzt,
zu bestrahlen, ohne daß
mechanische Schwenkwerke oder umfangreiche
Schalt-und Kontaktvorrichtungen erforderlich sind.
-
Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß zur selbsttätigen Änderung
der Strahlungsrichtung einer Gruppe von Strahlern, die in bestimmten Abständen voneinander
in einer geraden Linie, in einer Ebene oder im Raum angeordnet sind, die einzelnen
Strahler Schwingungen verschiedener, vorzugsweise aber nahe benachbarter Frequenz
abstrahlen. Die Frequenzunterschiede werden je nach der geometrischen Anordnung
der Strahler entweder konstant gehalten und in ihren Beträgen proportional den Abständen
der Strahler bemessen, oder es werden die Frequenzunterschiede periodischen Änderungen
unterworfen.
-
Sind bestimmte, sich um kleine Beträge unterscheidende Frequenzen
gegeben, so kann auch die geometrische Anordnung der Strahler diesen Frequenzunterschieden
angepaßt werden.
-
Der grundsätzliche Gedanke der Erfindung soll in folgendem an Hand
der Abbildung näher erläutert werden. Diese stellt beispielsweise die bekannte Richtcharakteristik
7 einer in einer geraden Linie angeordneten Gruppe von sechs an sich ungerichteten
Strahlern I bis 6 dar, wenn sie gleichzeitig mit einer bestimmten Frequenz betrieben
werden und der gegenseitige Abstand eine halbe Wellenlänge beträgt.
-
Die auftretenden Nebenmaxima und der spiegelbildlich zur Geraden I
bis 6 liegende Teil der Charakteristik sind für die Betrachtung zunächst fortgelassen.
Nach den bisher bekannten Verfahren kann man diese Richtcharakteristik durch alle
Richtungen der Zeichenebene drehen, indem man die Strahlergruppe als Ganzes z. B.
um die vertikale Achse 8 dreht oder indem man den einzelnen Strahlern dem gegenseitigen
Abstand angepaßte, proportional zum Drehwinkel wachsende Verzögerungsglieder für
die zugeleitete Schwingungsenergie vorschaltet bzw. entsprechende Phasenverschiebungen
vornimmt.
-
Erfindungsgemäß werden die sechs Strahler nun nicht wie bisher mit
Schwingungen der gleichen Frequenz v betrieben, sondern mit Schwingungen verschiedener,
aber nahe benachbarter Frequenz.
-
Das geschieht insbesondere in der Weise, daß der Frequenzunterschied
d v, wenn man von einem Strahler am Ende der Gruppe, z. B. vom Strahler 1 ausgeht,
um dem gegenseitigen Abstand proportionale Beträge anwächst oder abnimmt.
-
Nimmt man zunächst an, daß in einem bestimmten Zeitpunkt alle sechs
Schwingungen gleichzeitig ihren Maximalausschlag aufweisen, so eilen anschließend
die schnelleren Schwingungen den langsameren in der Phase voraus; es treten immer
größere Phasenunterschiede auf, bis nach Ablauf einer bestimmten Periode wieder
Phasengleichheit aller sechs Schwingungen besteht und der Vorgang von neuem beginnt.
-
Das Verfahren wirkt also ähnlich wie das bekannte Verfahren, bei dem
alle Strahler mit Schwingungen gleicher Frequenz betrieben werden und durch künstliche
Mittel die Phasen der zu den einzelnen Strahlern geleiteten Schwingungen verschoben
bzw. geregelt werden. Nach dem neuen Verfahren tritt die Phasenverschiebung und
damit eine Änderung der Strahlungsrichtung der Gruppe selbsttätig ein. Die Geschwindigkeit
der Richtungsänderung hängt ab von dem Frequenzunterschied der Schwingungen. Je
kleiner die Frequenzunterschiede A v in bezug auf v bei einer bestimmten Strahlergruppe
gewählt werden, um so langsamer dreht der Richtvektor, d. h. um so größer wird die
Periode.
-
Allgemein ergibt sich, wenn eine gerade Gruppe von n Schwingern mit
den Frequenzen v, v + iI v + 2 d v,... v + (» - x) a v betrachtet wird und zu einer
bestimmten Zeit (t = 0) alle Schwingungen ihren Maximalausschlag haben, die resultierende
Amplitude in hinreichender Entfernung in der Richtung senkrecht zur Gruppe A = cos2a1Vt
+cos2z (vt + av) +... (I) oder
n-1 Dabei bedeutet v + #v den Mittelwert vm 2 der n Frequenzen. die Formel (2) besagt
also, daß es sich in dem betrachteten Aufpunkt um eine Schwingung dieser Mittelfrequenz
handelt, deren Amplitude sich im Laufe der Zeit nach dem Gesetz sin n # #v sich
im Laufe der Zeit nach dem Gesetz ändert. Dies ist dasselbe Gesetz, nach dem sich
die Charakteristik einer geraden Gruppe aus n gleichen Schwingern mit gleicher Frequenz
im Raum richtet.
-
Die Amplitude änderte sich also in dem betrachteten Aufpunkt zeitlich
genau so, wie wenn alle Schwinger mit der Mittelfrequenz strahlten und man um die
Gruppe herumginge. Der Ansatz (I) läßt ja auch schon erkennen, daß die Frequenzunterschiede
wie eine zeitlich veränderliche Phasenverschiebung wilken. sin n n # v t Der Bruch
Slni A v t erreicht seinen größtmöglichen Wert n, wenn a v t = 0, I, 2, 3, ... ist,
d. h. alle au Sek.
-
In ähnlicher Weise wie für einen Aufpunkt in der Richtung senkrecht
zur Strahlergruppe kann man für jede beliebige andere. Richtung nachweisen, daß
sich dort eine resultierende Schwingung ergibt, deren Frequenz gleich ist dem Mittelwert
der verwendeten verschiedenen Frequenzen und deren Amplitude sich zeitlich nach
dem gleichen Gesetz ändert, wie die Richtcharakteristik einer geraden Gruppe im
Raume sich ändert, wenn die Strahler der Gruppe mit Schwingungen unter sich gleicher
Frequenz betrieben werden, nämlich mit der Mittelwertfrequenz. Der zeitliche Verlauf
in bezug auf das Auftreten der Hauptmaxima sowie der Nebenmaxima und der Nullstellen
ist an allen Stellen des Schallfeldes der gleiche, und die Periode ist 3/#v Sek
Damit dies mathematisch genau zutrifft, müssen sich die beiden Abstände von drei
aufeinanderfolgenden Strahlern verhalten wie die Frequenzen des ersten und dritten
von diesen drei Strahlern. Da bei genügend kleinem a v in bezug auf v dieses Verhältnis
nahezu gleich I ist, kann man praktisch die Strahler in gleichen Abständen dl von-
einander
anordnen, wenn die Frequenzen sich wie v : (v + #v) : (v + 2 # v) ... : [v + (n-1)
# v] verhalten.
-
Im Falle der in der Abbildung dargestellten Richtcharakteristik einer
geraden Sechsergruppe mit #/@ -Abstand der Strahler besteht zur Zeit t 0 nur ein
Hauptmaximum bie 0° (und 180°). Wenn man die Strahler mit den Frequenzen v,v + 2
# v,v + 3 #v ... betreibt, dreht sich dieses Hauptmaximum im laufe der Zeit in der
Pfeilrichtung und verschwindet bei go°. In demselben Augenblick entsteht bei +90°
ein neues Hauptmaximum, das wieder die Halbebene überstreicht. Bei einer geraden
Gruppe mit 22 Strahlerabstand ist die Überstreichungsdauer also gerade gleich der
Periode # , die an jeder Stelle zwischen den aufeinanderfolgenden Hauptmaxima liegt.
Die Überstreichungsgeschwindigkeit ist für die verschiedenen Richtungen verschieden,
und zwar für 0° am kleinsten und für #90° am größten. Das in der Abbildung fortgelassene
spiegelbildliche Maximum bei 180° wandert in umgekehrtem Sinne wie das bei 0° gezeichnete.
-
Wird der Strahlerabstand kleiner gewählt als z. B. #/20, so streicht
ein Hauptmaximum in 1/10 der Periode 1/#v über die Halbebene, Während 9/10 der Periode
sind nur Nebenmaxima im Spiel. Dann folgt wieder für 1/10 der Periode das Überstreichen
der Halbebene durch ein Hauptmaximum und so fort.
-
Ist der Strahlerabstand größer als #/2, aber kleiner 2 als #, geht
bei + 90° schon ein neues Hauptmaximum auf, ehe das alte bei -90° untergegangen
ist.
-
Ist der Strahlerabstand größer als A, z. B. 3 A, so sind gleichzeitig
mehrere Hauptmaxima vorhanden, und während einer Periode 1/#v wandert ein Haputmaximum,
das beispielswesie zu Beginn der Periode rechts stand, bis zu der Stelle nach links,
wo zu Beginn der Periode das nächste Hauptmaximum sich befand.
-
Von besonderem Interesse ist noch die Betrachtung des Falles, wo
der Abstand der einzelnen Strahler voneinander sehr klein und schließlich gleich
Null wird, wo also alle Strahler sich an derselben Stelle bzw. auf einer Linie senkrecht
zur betrachteten Ebene befinden bzw. von jeder Stelle der strahlenden Fläche die
sämtlichen verschiedenen Frequenzen abgestrahlt werden. In diesem Falle wird ein
Impuls, d. h. eine beschränkte Anzahl von Schwingungen, gleichzeitig in alle Richtungen
der betrachteten Ebene oder eines mehr oder weniger engen Bereiches ausgesandt.
Das neue Verfahren kann also auch zur gleichzeitigen Abstrahlung von Impulsfolgen
einer Strahlung benutzt werden, wobei die Länge und Form der Impulse sowie die Impulsfolge
von der Anzahl der verwendeten Strahler bzw. Schwingungsfrequenzen und von den Frequenzdifferenzen
der verwendeten Schwingungen abhängen.
-
Um die Nebenmaxima in ihrer Amplitude möglichst klein zu halten,
kann man in an sich bekannter Weise die Amplitude der Schwingungen, die die einzelnen
Strahler betreiben, entsprechend abgleichen, insbesondere z. B. die in der Mitte
der Strahlergruppe befindlichen Strahler mit größerer Amplitude betreiben als die
äußeren Strahler.
-
ZweiZahlenbeispiele mögen die Verhältnisse näher erläutern. Sechs
Ultraschallsender I bis 6, die in einergeraden Guppe mit gleichen Abständen voneinander
angeordnet sind, werden mit den Frequenzen v1=34750 Hz, v2 = 34 850 Hz, v3 = 34
950 hz, v4 = 35 050 Hz, v5 = 35 150 Hz und v6 = 35 250 Hz betireben. die Mittelwertsfrequenz
ist dann vm = 35 000 Hz und die Periode I = I Sek., d.h. wenn man die Ab-#v 100
stände der Strahler voneinander gleich 22 wählt, wandert das eine jeweils vorhandene
Hauptmaximum in 1/100 Sek. von + 90° über 0° bis -90°. Ist es bei - 90° angekommen,
so tritt bei + 90° ein neues Hauptmaximum auf, das seinerseits die Halb ebene in
I Sek. durchläuft und so fort.
-
I00 Hat man eine Sechsergruppe von Dipolen, die mit den Frequenzen
300 ooo ooo, 300 ooq ooo, 300 004 ooo ... 300 OIO 000 Hz betrieben werden, und wählt
man die Abstände der Dipole voneinander kleiner als 2 so wandert das Hauptmaximum
in weniger als I Sek. über die Halbebene von +90° über 0° 2000 nach 900; dann tritt
eine kurze Pause ein, bis bei + go° wieder ein Hauptmaximum auftaucht und seinerseits
durch die Halbebene wandert.
-
Wenn die Strahler nicht in einer geraden Gruppe, sondern als Kreis-
bzw. Flächengruppe angeordnet sind, müssen an Stelle von Schwingungen mit konstanten
Frequenzdifferenzen Schwingungen zum Betrieb der Strahler benutzt werden, deren
Frequenzen periodischen Änderungen unterworfen sind, entsprechend den sich je nach
der Strahlungsrichtung ändernden Abständen der Projektionspunkte der Strahlen auf
der Senkrechten zur Strahlungsrichtung.
-
Für die Ausübung des neuen Verfahrens ist die Erzeugung mehrerer
der Zahl der vorhandenen Strahler entsprechender Schwingungen verschiedener Frequenz
erforderlich, und zwar muß dafür gesorgt werden, daß alle Schwingungen gleichzeitig
zu periodisch wiederkehrenden Zeitpunkten ihren Maximalausschlag erreichen. Dies
ist auf verschiedene Weise möglich. Wenn es sich z. B. darum handelt, eine Gruppe
von Schallstrahlern mit Nieder- oder Mittelfrequenz zu betreiben, so kann man diese
Frequenzen dadurch erzeugen, daß man auf einer von einem Motor angetriebenen Welle
eine entsprechende Anzahl von Generatoren anordnet, deren Polzahlen um den zu erzeugenden
Frequenzen proportionale Beträge verschieden sind und bei denen nach jedem Umlauf
einmal Gleichphasigkeit erreicht wird. Es können
auch Generatoren
gleicher Polzahl unter Zwischenschaltung von entsprechenden Getrieben verwendet
werden. Für die Erzeugung hoher Frequenzen kann man so verfahren, daß man in einem
hochfrequenten, durch ein oder mehrere Spulensysteme erzeugten Drehfeld Spulen mit
verschiedener Geschwindigkeit rotieren läßt und die in ihnen induzierten Frequenzen,
die infolge der verschiedenen Drehgeschwindigkeit sich um geringe Beträge unterscheiden,
zum Betrieb der Strahler verwendet. Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung von Schwingungen,
deren Frequenzen verschiedene, aber nahe benachbarte Werte besitzen, besteht darin,
daß man in an sich bekannter Weise durch gegebenenfalls wiederholte Modulation einer
Schwingung neue Frequenzen, die untereinander bestimmte Frequenzabstände haben,
als Seitenbänder gewinnt und durch entsprechende Siebmittel herausfiltert.
-
Bei allen diesen Verfahren zur Erzeugung von Schwingungen verschiedener,
aber nahe benachbarter Frequenz wird man zweckmäßig so verfahren, daß man zunächst
diese Schwingungen mit geringer Leistung erzeugt und dieselben zur Steuerung von
Endverstärkerstufen, die vor die Strahler geschaltet sind, benutzt.