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Vorrichtung zum gerichteten Senden oder Empfangen von Wellenenergie
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum gerichteten Senden oder Empfangen
von Wellenenergie, insbesondere zum Senden und Empfangen von Schallwellen. Eine
solche Vorrichtung wird im folgenden kurz Basis genannt. Die Sende- bzw. Empfangsfläche
der benutzten Schwingungsgebilde ist im allgemeinen groß im Vergleich zu den benutzten
Wellenlängen. Für die Wirkungsweise dieser Gebilde ist die Richtcharakteristik maßgebend,
die den Verlauf der empfangenen bzw. gesendeten Amplitude in Abhängigkeit von der
Richtung darstellt. Meist kommt es nur auf die Richtcharakteristik in einer bestimmten
Ebene an. In diesem Falle ist für die Richtwirkung die Projektion der Basis auf
diese Ebene maßgebend, Je nach Wahl des Empfangsgebildes und des Frequenzbereiches
weisen die Richtcharakteristiken außer dem Hauptmaximum mehr oder weniger starke
Nebenmaxima auf, die bis zur Größe des Hauptmaximums ansteigen können. Dadurch wird
das Peilen vielfach sehr erschwert, insbesondere wird die Eindeutigkeit durch die
Nebenmaxima stark beeinträchtigt und geht sogar bei Nebenmaxima von der Größe des
Hauptmaximums ganz verloren.
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Ferner wird beim Vorhandensein mehrerer verschieden starker und aus
verschiedenen Richtungen ankommender Schwingungen leicht das Hauptmaximum der schwachen
Schwingungen durch die Nebenmaxima der starken Schwingungen überdeckt bzw. seine
Unterscheidung unmöglich gemacht.
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Es ist bekannt, bei einer geraden Strahlergruppe die Nebenmaxima dadurch
herabzudrücken, daß die absoluten Beträge der Ströme in den Einzelstrahlern von
der Mitte der Basis nach den Enden zu abnehmen. Dabei hat man aber den Abstand der
Einzelstrahler größer als die halbe Wellenlänge gemacht. Das hat den Nachteil, daß
man vielfach zu unerwünscht
großen Abmessungen kommt oder bei vorgegebenen
räumlichen Bedingungen nicht die nötige Empfangs-bzw. Sendeenergie erzielen kann.
Ferner ist es bekannt, bei einer geradlinigen Gruppe von auf eine gemeinsame Anzeigevorrichtung
für die Einfallsrichtung der empfangenen Schallwellen einwirkenden Empfängern die
Verstärkung der einzelnen Empfangsströme derart unterschiedlich einzustellen, daß
der Verstärkungsgrad von den Enden der Basis nach ihrer Mitte zunimmt. Dieses Verfahren
läßt sich jedoch nur da anwenden, wo sich die Basis aus Einzelschwingern mit getrennten
elektrischen Zu- und Ableitungen zusammensetzt, da nur hier eine ungleiche Regelung
des Verstärkungsgrades über die Länge der Basis möglich ist.
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Bei Strahlergruppen für elektromagnetische Wellen ist es bekannt,
durch verschieden starke Strahlungskopplung eine unterschiedliche Schwingungsamplitude
der einzelnen Strahler zu erzielen. Dabei war jedoch vorgeschrieben, daß die Strahler
weiter als eine halbe Wellenlänge voneinander entfernt sind. Derartige Gruppenanordnungen
sind nicht Gegenstand der Erfindung.
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Es ist ferner vorgeschlagen worden, bei einer kreisförmigen Basis
nach dem bekannten Vorbild einer einfachen schwingenden Membran eine Abnahme der
Schwingungsamplitude von der Mitte nach außen vorzusehen, um die Nebenmaxima zu
schwächen. Hierzu hat man die Kreisbasis in eine regelmäßige Gruppe von Einzelstrahlern
aufgelöst, die von der Mitte der Basis nach außen mit abnehmender Potentialdifferenz
betrieben werden, oder man hat bei gleicher Schwingungsweite der Strahlerfläche
in den Strahlengang ein Filter aus absorbierendem Stoff eingeschaltet, dessen Dicke
von der Mitte aus zunimmt.
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Gegenüber diesen bekannten Anordnungen, die mit außerhalb der Basis
liegenden Mitteln zur Erlangung einer abnehmenden Sende- bzw. Empfangsamplitude
arbeiten, besteht das Wesen der Erfindung darin, daß bei einer kontinuierlich bzw.
quasikontinuierlich besetzten Basis die Abnahme der Amplitude durch ungleiche Umsetzung
der Wellenenergie in der Basis selbst bewirkt wird. Auf diese Weise läßt sich sowohl
die Auflösung in Einzelstrahler mit getrennter Speisung oder Abnahme als auch die
Anordnung absorbierender Körper im Medium vermeiden und mit einfachen Mitteln ein
hinreichend peilscharfes Schwingungsgebilde mit kontinuierlicher oder quasikontinuierlicher
Strahl- bzw. Empfangsfläche und insbesondere nur einer elektrischen Zu-oder Ableitung
des Sende- oder Empfangsstromes schaffen, bei dem die Nebenmaxima auf einen nicht
mehr störenden Betrag herabgedrückt sind.
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Die verschiedene Stärke der Energieumsetzung über die Länge der Basis
läBt sich auf verschiedenste Art und Weise erzielen; bei Magnetostriktionsschwingern
zur Schallerzeugung z. B. dadurch, daß der Schwinger aus verschieden geformten Elementen,
z. B. verschieden starken Blechen, aufgebaut ist. Ferner läßt sich die gewünschte
Verteilung der Empfindlichkeit dadurch herstellen, daß das wirksame Schwingermaterial
ungleichmäßig über die Basis verteilt ist. Eine solche Anordnung läßt sich auch
bei piezoelektrischen Schwingern anwenden. Bei Magnetostriktionsschwingern kann
man die ungleichmäßige Verteilung durch Lücken oder durch Einfügen magnetostriktiv
unwirksamer Zwischenlagen zwischen die einzelnen Blechlamellen erzielen.
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Wie durch rechnerische Ermittlungen und Versuche mit kontinuierlicher
Sende- bz«-. Empfangsfläche festgestellt würde, läßt sich schon eine beträchtliche
Verbesserung der Richtcharakteristik dadurch erzielen, daß die Basis in wenige Abschnitte
unterteilt wird, in denen die Stärke der Energieumsetzung gleichbleibend ist, während
sie von Abschnitt zu Abschnitt sich stufenweise ändert. Hierbei kommt es jedoch
darauf an, die Längen der Abschnitte und das Verhältnis der Stärke, mit der sie
an der Energieumsetzung beteiligt sind, richtig zu bemessen. Die richtige Wahl der
Stufung stellt daher einen wesentlichen Teil der Erfindung dar. Schon mit einer
Unterteilung in drei Abschnitte, nämlich zwei Endstücke von etwa einem Viertel der
Gesamtlänge der Basis und ein '.Mittelstück von einer halben Basislänge, läßt sich
das am meisten störende erste Nebenmaximum fast vollkommen zum Verschwinden bringen,
wenn die beiden Endabschnitte der Basis mit dem halben Wirksamkeitsgrad des Mittelstückes
arbeiten.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an mehreren Ausführungsformen beispielsweise
und schematisch dargestellt.
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Abb. i zeigt eine kontinuierlich besetzte Basis, mit über die gesamte
Basislänge gleichmäßigem Wirksamkeitsgrad, Abb. 2 deren Richtcharakteristik; Abb.
3 bis 8 zeigen je eine Basis mit über ihre Länge ungleichmäßigem Wirksamkeitsgrad
und dazu die zugehörigen Richtcharakteristiken; Abb.9 bis ii zeigen drei Magnetostriktionsschwinger
zu der Richtcharakteristik der Abb.8, wobei die Wicklungen und die Aufteilung in
Lamellen nur angedeutet sind; Abb. 12 und 13 zeigen in schematischer Darstellung
zwei bzw. drei kombinierte Halbkreisbasen.
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Die Richtcharakteristik R (Abb. 2) eines Schwingers nach Abb. i, die
den Verlauf der empfangenen bzw. gesendeten Amplituden in Abhängigkeit von der Richtung
wiedergibt, erhält man bei einer kontinuierlich besetzten Basis mit über die gesamte
Basislänge gleichem Wirksamkeitsgrad der Schallumsetzung von z. B. 41 cm Länge bei
22 kHz oder 6,6 cm Wellenlänge im Wasser. Wie aus der Zeichnung zu ersehen, treten
zu beiden Seiten des Hauptmaximums i eine Reihe Nebenmaxima 2, 3, 4, 5, 6 auf, deren
Amplitude mit zunehmendem Richtungsabstand vom Hauptmaximum abnimmt. Das erste Nebenmaximum
2 beträgt etwa noch 22 °/o des Hauptmaximums.
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Die Richtcharakteristik des Schwingers nach Abb. i läßt sich durch
die Gleichung
darstellen, worin d die Länge der geraden Basis, A die benutzte
Wellenlänge und y die Abweichung der Richtung von der Richtung des Hauptmaximums
(y = 0) ist.
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Denkt man sich nun zwei kontinuierliche Basen 7, 8 von je d cm Länge,
wie in Abb. 3 dargestellt, unter gegenseitiger Längsverschiebung um den Betrag ö
zu einer Basis verbunden, so ist die Richtcharakteristik (Abb. 4) dieser Anordnung
Setzt man hierin zur Abkürzung
so wird
Der Faktor
hat seine Nullstelle bei 99 = -r, 2 ,7c, . . .
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i 7r , sein erstes Nebenmaximum bei Ti = 4494
mit dem Betrag 0,22 und die weiteren Maxima dicht vor
mit abnehmendem Betrag. Wählt man ö so, daß
also
wird, so wird der cos
und damit R = 0, d. h., das erste Nebenmaximum von
wird aufgeteilt in zwei erheblich kleinere io, ii vom Betrag 0,04. Ähnlich ergeht
es dem vierten, siebenten... Maximum, während die zwei jeweils dazwischenliegenden
Maxima nur wenig geschwächt werden.
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Praktisch läßt sich die in Abb. 3 dargestellte Basis auf mannigfache
Art und Weise ausführen. Zunächst kann man direkt, wie in Abb.3 dargestellt, zwei
kontinuierliche Basen mit über ihre ganze Länge d gleichmäßigem Wirsamkeitsgrad
unter gegenseitiger Mittenverschiebung um den Betrag ö zusammenschalten. Mit dem
gleichen Erfolg kann man aber auch eine gleichmäßige Basis von der Länge (d +- ö)
und eine ebenfalls gleichmäßige Basis von der Länge (d - ö) gleichmittig zueinander
anordnen und zusammenschalten. Ferner kann man auch die Basis, statt sie aus zwei
getrennten Basen mit gleichmäßigem Wirksamkeitsgrad zusammensetzen, von vornherein
als einheitliche Basis mit über ihre Länge entsprechend veränderlichem Wirksamkeitsgrad
der Schallumsetzung aufbauen. Dabei läßt sich der veränderliche Wirksamkeitsgrad
der Schallumsetzung nicht nur durch stufenweise Basisverbreiterung, sondern auch
durch andere Mittel erzielen, bei Magnetostriktionsschwingern z. B., indem man in
der Mitte der Basis entsprechend dünnere Bleche verwendet als an den Enden und so
die Verluste mit der gemäß der Erfindung vorgesehenen Ungleichmäßigkeit über die
Basis verteilt. Man kann auch die Zahl der Windungen nach der Mitte der Basis zu
in dem wirksamen Verhältnis zunehmen lassen oder auch das wirksame Schwingungsmaterial
ungleichmäßig über die Basis verteilen, z. B. durch Anordnung von Lücken oder unwirksamen
Zwischenlagen an den Stellen, wo der Grad der Schallumsetzung verringert werden
soll. Eine Querschnittsänderung über die Länge der Basis kann bei unveränderlicher
Breite durch Zusammensetzung des Schwingers aus Lamellen verschiedenen bzw. veränderlichen
Flächeninhaltes, durch Anordnung von Durchbrechungen oder Randaussparungen geeigneter
Größe erzielt werden.
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In allen diesen Fällen ist das folgende Stufungsgesetz einzuhalten.
Wird, um einfache Zahlen zu erhalten, Ö statt 0,35 d gleich 1/3 d gemacht,
so ist die Länge des äußeren Teilstückes, wo keine Überlappung der beiden gleichmäßig
strahlenden geraden Basen stattfindet und die Wirksamkeit gleich i gesetzt werde,
1/3 d, die des mittleren, wo Überlappung stattfindet und die Wirksamkeit also gleich
2 zu setzen ist, 2/3 d. Bei einem Wirksamkeitsverhältnis von 1 : 2 ist das Längenverhältnis
der zugehörigen Teilstücke also i : 2.
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Man kann durch die nur zweifache Stufung gemäß Abb. 3 bei entsprechender
Wahl der Größe ö natürlich auch ein beliebiges anderes Nebenmaximum wirksam unterdrücken.
Will man gleichzeitig mehrere Nebenmaxima unterdrücken, so sieht man eine mehr als
zweifache Stufung des Wirksamkeitsgrades vor.
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Bei einer Dreifachstufung 12, 13, 14 gemäß Abb. 5 erhält man die Richtcharakteristik
Macht man hierbei ö - 0,23 d (etwa 2/9 d), so werden die drei ersten Nebenmaxima,
wie aus der Richtcharakteristik (Abb. 6) ersichtlich, von auf den Betrag von 0,04
herabgedrückt, während
das vierte Nebenmaximum seinen Betrag von o,o8 behält.
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Mit dem Wert ö = 2/9 d wird in diesem Falle die Länge des äußersten
Teilstückes, dessen Wirksamkeit gleich i gesetzt werde, gleich 2/9 d, die des nächstfolgenden,
wo zweifache Überlappung stattfindet und die Wirksamkeit also gleich 2 zu setzen
ist, ebenfalls 2/9 d und die des mittleren Teilstückes' mit der Wirksamkeit
3 d - 2/9 d - 2/9 d = 5/R d. Um die gewünschte Schwächung
der Nebenmaxima zu erhalten, genügt es, die genannten Teillängen wie 2: 2: 5 zu
bemessen.
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Abb.7 schließlich zeigt das Schema einer vierstufigen Basis 15, 16,
17, 18, die man durch Zusammensetzen zweier mittenverstärkter Basen gemäß Abt. 3
in einem Mittelpunktabstand
erhält.
Die Verschiebungen der einzelnen gleicbmäßig strahlenden
Basen gegen die Mittellinie des Ganzen sind hierbei o, i d -' o, r 75 d , o, i d
- o, i75 (1, - OJ d -- 0a75 d , - o.i d - 0.i75 11,
oder, der
Größe nach geordnet, 0,275 d, 0,075 d, - 0,075 (1, - 0,275
d, Die Länge der Teilstücke mit Wirksamkeiten wie 1 : 2: 3: 4 wird hiernach o,2
d, O,i5 d, o,2 d, 0,45 d. Die letzte, für das Mittelstück geltende Zahl ergibt sich
aus (i - 0,275 - o,275) - d.
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Das Längenverhältnis der Teilstücke ist hiernach 4: 3: 4: g.
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Bei einer weiteren Wiederholung des eben angewendeten Verfahrens müßte
man den neuen Mittelpunktabstand
machen und erhielte damit die Richtcharakteristik
Durch fortschreitende weitere Stufung des Wirksamkeitsgrades lassen sich die jeweils
noch verbliebenen Nebenmaxima weiter aufteilen und schwächen. Der Anstieg des Wirksamkeitsgrades
von den Enden der Basis nach der ',Mitte zu wird dabei immer steiler und nähert
sich dabei einer stetigen Kurve. Zu den für die Unterdrückung der Nebenmaxima geeigneten
Stufungen kann man auch auf anderem mathematischem oder experimentellem Wege gelangen,
z. B. dadurch, daß man zwei oder mehrere Basen unterschiedlicher Länge, gegebenenfalls
auch unterschiedlicher Wirksamkeit, gleichmittig zueinander anordnet und dabei wieder
die Zahlenverhältnisse so wählt, daß das erste oder sonstige störende Nebenmaxima
unterdrückt werden.
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Für die praktische Anwendung gibt schon die erste Ausführungsform
(Abb.3), bei der die Enden der Basis über 1i,. der Gesamtlänge mit halbem Wirkungsgrad
gegenüber der Mitte arbeiten, recht gute Wirkungen und die Vierfachstufung führt
schon zu einer praktisch von Nebenmaxima freien Charakteristik. Diese Anordnungen
sind wegen des geringeren Unterschiedes im Wirksamkeitsgrad technisch besonders
leicht zu verwirklichen.
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Abb. g zeigt einen Magnetostriktionsschwinger mit Breitenstufung zur
Erlangung einer Richtcharakteristik gemäß Abb. B.
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Ein besonders einfaches Verfahren, die Wirksamkeit der Schallumsetzung
in der durch die Erfindung angegebenen Weise abzustufen, besteht darin, daß man
die wirksame Strahl- bzw. Empfangsfläche des in normaler Weise ausgebildeten Schwingungsgebildes
durch Abdecken z. B. mittels Schaumgummi von der Schallumsetzung ausschließt. Wie
in Abb. io gezeigt, kann der Schwinger dann selbst eine unveränderliche Breite aufweisen
und durch Aufkleben von z. B. Schaumgummistücken in der Form der Stücke ig die Charakteristik
eines vierfach gestuften Schwingers erhalten. Ein derartiges Verfahren läßt sich
insbesondere auch an fertigen Anlagen nachträglich durchführen. Wenn hierbei die
verdeckten Schwingerteile infolge Kopplung noch teilweise an der Schallumsetzung
teilnehmen, so kann dem durch entsprechende Vergrößerung der Stücke ig Rechnung
getragen werden.
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Abb. ii zeigt einen Magnetostriktionsschwinger, bei dem die Stufung
des Wirksamkeitsgrades durch die Art der Wicklung 2o erzielt ist, indem die Windungszahl
abschnittweise verschieden gewählt ist.
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Die Erfindung läßt sich auch auf Basen, die nicht geradlinig sind,
sinngemäß anwenden, wenngleich hierbei die Unterdrückung der Nebenmaxima im allgemeinen
nicht in allen Richtungen gleich gut erzielt werden kann, wenn die Krümmung ganz
oder teilweise in die Peilebene bzw. in die Ebene der Richtcharakteristik fällt.
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Insbesondere kann man mehrere kontinuierlich oder quasikontinuierlich
besetzte Kreislinien in derselben Ebene kombinieren und dabei den Mittenabstand
so wählen, daß für die auf den Kreisflächen senkrecht stehende, durch die Kreismittelpunkte
gehende Ebene E die Richtcharakteristik nahezu frei von Nebenmaxima wird. Für den
Fall zweier Kreise 2i, 22 vom Radius r und Mittelpunktabstand ö (Abb. 12) ist die
Richtcharakteristik in der Ebene E
wobei J. die Besselsche Funktion ist und zur Abkürzung
gesetzt ist.
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J, (T) erreicht sein erstes Nebenmaximum von der Größe 0,4 des Hauptmaximums
bei (9l = 3,83. Dieses Nebenmaximum wird durch den Faktor cos in zwei Maxima von
etwa der Größe O,i aufgeteilt;wenn
man
oder y = o,82 y macht. Das zweite Nebenmaximum von der Größe 0,3 bei
(P = 7 wird nur wenig geschwächt. Um auch das zu unterdrücken, kann man zwei Kreispaare
mit dem Mittenabstand
kombinieren und hätte als Richtcharakteristik R = JO (p) - cos (0,41(p)
- cos (0,225 (p) . Man kann auch von vornherein drei gleiche Kreise 23 24, 25 (Abb.
13) mit dem Mittenabstand ö kombinieren und erhält dann für die Ebene E die Charakteristik
Für
oder = o,65 y wird
R (T1) = 0 und allgemein
Das zweite Nebenmaximum wird hierdurch von 0,3 auf etwa o,o5 herabgedrückt.
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Die sich ergebenden Charakteristiken sind ganz ähnlich den in Abb.
Z bis 8 für gerade Basen gezeichneten.
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Die gleichen Wirkungen erzielt man, wenn man statt der Kreise Halbkreise
setzt und die Charakteristik in der Ebene E aufnimmt (Abb. i3). Mit diesem Fall
nähert man sich denjenigen Gruppenhorchanlagen, bei denen die Empfänger in halbkreisförmigen
Bogen an der Schiffswand angeordnet sind. Man erzielt also die Bekämpfung der Nebenmaxima,
indem man statt eines Bogens beispielsweise drei mit dem Mittenabstand o,56 r gemäß
obiger Berechnung anordnet oder, was technisch einfacher ist, einen Bogen 26 benutzt,
der so gestuft ist, daß sich in der Horizontalprojektion dieselbe Verteilung der
Wirksamkeit ergibt wie in dem Falle mit mehreren Bogen. Da in der Praxis die Bogen
etwa halbkreisförmig sind und annähernd in einer Ebene liegen, die etwa unter 6o°
zur waagerechten Beobachtungsebene geneigt ist, so wird man die für den Idealfall
berechnete Wirkung annähernd erzielen.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt,
sondern es sind noch mancherlei Abänderungen und andere Ausführungsformen möglich.
Insbesondere können die Schwinger statt magnetostriktiv piezoelektrisch wirksam
oder als einfache Elektromagnetschwinger ausgebildet sein. Die angegebenen Zahlenwerte
für die Stufung der Basis müssen auch nicht genau eingehalten werden, wenngleich
sie die wirksamste Unterdrückung der Nebenmaxima gewähren. Die Stufen können gegebenenfalls
mehr oderweniger stetig ineinander übergehen.
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Wenn auch die oben angegebene mathematische Behandlung von einer Basis
mit kontinuierlicher Sende- bzw. Empfangsfläche ausgeht, so lassen sich die praktischen
Ergebnisse jedoch auch mit einer quasi,kontinuierlichen Basis erzielen, d.h. einer
Basis, die aus Einzelschwingern in genügender Anzahl und hinreichender Dichte im
Verhältnis zur benutzten Wellenlänge aufgebaut ist. Dabei wird man die Gruppe zweckmäßig
so ausbilden, daß sich die für kontinuierliche Besetzung der Basis berechnete günstigste
Stufung in möglichster Annäherung durchführen läßt. Im einfachsten Fall, nämlich
bei der zweistufigen Anordnung, wird man im Sinne der Erfindung acht, zwölf, sechzehn
usw. Schwinger vorsehen. -Bei der Dreistufenanordnung ist es zweckmäßig, mindestens
dreizehn Schwinger vorzusehen.
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Die Vorteile der Erfindung werden nicht nur bei Benutzung einer einzigen
Frequenz, sondern, was bei Geräuschpeilung wichtig ist, für alle Frequenzen zugleich
erzielt, sofern nur die quasikontinuierliche Besetzung in bezug auf alle benutzten
Wellenlängen vorhanden ist. Besondere Bedeutung hat die Erfindung bei Anwendung
von objektiven Anzeigemethoden, weil hierbei die Nebenmaxima störender wirken als
beim Abhorchen mit dem Ohr.
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Bei Basen, die in verschiedenen Ebenen eine ausgesprochene Richtwirkung
aufweisen, kann man die Stufung sinngemäß in verschiedenen Richtungen vornehmen,
bei einer Kreisflächenbasis z. B. allseitig von der Peripherie nach der Mitte hin.
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Um eine unerwünscht starke Beeinflussung der einzelnen Abschnitte
einer kontinuierlich besetzten Basis durch Kopplung zu vermeiden, kann durch Trennfugen
od. dgl. künstlich eine gegenseitige Entkopplung der Stufen vorgenommen werden.
Bei lamellierten Magnetostriktionsschwingern kann man eine Entkopplung schon dadurch
erreichen, daß man die Lamellen quer zur Längsrichtung der Basis anordnet.
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Man kann die Stufung auch wahlweise einschaltbar machen, insbesondere
dann, wenn man ohnehin schaltet, um von einer kleineren zu einer größeren Basis
überzugehen. Bei Kreis- oder sonstigen Flächenbasen mit veränderlicher Strahl- bzw.
Empfangsrichtung kann die Stufung mit dem Peilwinkel veränderbar sein, um in jeder
Richtung eine gleich oder annähernd gleich gute Unterdrückung der Nebenmaxima zu
erhalten.