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Meßverstärker für die Untersuchung von Geräuschen
Beim Empfang von
Geräuschen, z. B. beim Abhorchen und Anpeilen von Schiffsgeräuschen im Wasser oder
beim Anpeilen von Flugzeuggeräuschen müssen Frequenzen verstärkt werden, die in
einem breiten Band liegen, das von etwa 50 Hz bis I5 000 Hz reicht. Hierfür hat
man bisher allgemein aperiodische Verstärker verwendet, bei denen mittels der bekannten
Gegenkopplungsschaltungen der Frequenzgang so korrigiert ist, daß eine gleichmäßige
Verstärkung in Anpassung an den Schallempfänger erfolgt. Insbesondere bei Geräuschpeilgeräten,
wie sie auf Schiffen üblich sind, z. B. als Sinnesorgan getauchter Boote, ist es
notwendig, daß die Verstärkung möglichst hoch wird, zumal dann, wenn im Verstärker
Filter vorhanden sind, welche gestatten, die Störfrequenzen des peilenden Fahrzeuges
zu unterdrücken. Die bekannten Unterwasserhorchanlagen benutzen meistens einen piezoelektrischen
Wandler zur Umwandlung des Wasserschalls in elektrische Spannungen und daran anschließend
einen aperiodischen Breitbandverstärker. Das Einschalten der Filter zur Unterdrückung
der Eigengeräusche des Schiffes bedeutet einen Verlust, so daß die Gesamtverstärkung
derartiger Anlagen auf einige Hunderttausend beschränkt ist.
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Mit dem Verstärker nach der Erfindung ist es dagegen gelungen, die
Verstärkung etwa um zwei Größenordnungen höher zu treiben und die Empfindlichkeit
und damit die Reichweite der Peilanlage entsprechend zu steigern. Ein solcher Meßverstärker
für die Untersuchung von Geräuschen, die ein kontinuierliches Frequenzspektrum umfassen,
dessen relative Breite, bezogen auf die höchste Frequenz, nahezu gleich I ist, besteht
gemäß der Erfindung aus einer Mehrzahl parallel geschalteter einzeln abschaltbarer
Resonanzverstärker, deren Abstimmungen dicht beieinanderliegen und deren Ausgänge
vor einen Lautsprecher, Kopfhorer oder sonstigen akustischen oder visuellen Meßgerät
zusammengeführt sind.
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Bei einem Empfangsverstärker nach der Erfindung sind also an einen
Wasserschallempfänger die parallel liegenden Eingänge einer größeren Zahl von Verstärkern
angeschlossen, von denen jeder auf eine andere Frequenz abgestimmt ist und die zusammen
ein breites Band ergeben, wobei die Ausgänge dieser Verstärker wiederum zusammengeführt
sind und ein gemeinsames Ausgangsgerät, beispielsweise einen Lautsprecher oder ein
Meßinstrument, speisen. So kann z. B. der Verstärker aus zwanzig einzelnen Resonanzverstärkern
bestehen, von denen der erste auf I kHz, der zweite auf 2 kHz, der dritte auf 3
kHz (jeweils + o,s kHz) usw. abgestimmt ist. Mit einem solchen einzelnen Resonanzverstärker
und somit auch mit dem Gesamtverstärker kann eine Verstärkung von IO Millionen ohne
weiteres erreicht werden.
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Es ist zwar bereits bekannt, mehrere Resonanzverstärker eingangs-
und ausgangsseitig parallel zu schalten. In diesem Fall handelt es sich jedoch um
die Verstärkung diskreter Frequenzbänder, beispielsweise der verschiedenen Rundfunkbänder,
die sich vom Langwellen- bis zum Ultrakurzwellenbereich über ein Frequenzband von
0,I7 bis 89 MHz erstrecken, wobei jedoch die besetzten Teile innerhalb dieses Bandes
relativ schmal sind, so daß die Verwendung von Resonanzverstärkern in diesem Fall
die gegebene Lösung ist. Im Fall der Erfindung handelt es sich jedoch um die Verstärkung
vollbesetzter breiter Frequenzbänder, deren relative Breite, das ist das Verhältnis
der höchsten zu verstärkenden Frequenz zur Gesamtbreite des Bandes, nahezu gleich
I ist. Für die Verstärkung derartiger Frequenzbänder hat man bisher ausschließlich
den aperiodischen Verstärker verwendet. Es wurde jedoch festgestellt, daß der Verstärker
gemäß der Erfindung trotz der naturbedingten Ungleichmäßigkeiten in der Frequenzkurve,
die durch die Resonanzeigenschaften des Verstärkers bedingt sind, für die Untersuchung
von Geräuschen völlig ausreicht, da der Charakter des Geräusches, wie die Versuche
ergeben haben, durch einen solchen Verstärker nicht nennenswert verfälscht wird.
Andererseits bietet jedoch der erfindungsgemäße Verstärker gegenüber dem aperiodischen
Verstärker den großen Vorteil, daß die Verstärkung um zwei Größenordnungen höher
ist, so daß die Reichweite der Geräuschmeßanlage entscheidend verbessert wird. Zwar
kann man theoretisch auch mit einem aperiodischen Verstärker eine beliebig hohe
Verstärkung erreichen, praktisch ergibt sich jedoch sehr schnell eine Grenze dadurch,
daß ein solcher Verstärker leicht zur Selbsterregung neigt, während diese Grenze
bei dem Verstärker nach der Erfindung dank der Aufteilung in parallele Bänder wesentlich
höher liegt.
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In dem obengenannten Beispiel wurden zwanzig Einzelverstärker angenommen.
Es ist nun nicht immer notwendig, sämtliche Verstärker gleichzeitig einzuschalten,
vielmehr kann man sich gemäß der weiteren Erfindung mit einer geringeren Anzahl
von Einzelverstärkern begnügen und mit diesen das gesamte zu untersuchende Frequenz
gebiet abschnittweise durchmessen. In diesem Fall sind die Verstärker auf die verschiedenen
Frequenzen umschaltbar. So kann man z. B. mit nur vier Verstärkern auskommen, deren
jeder fünf verschiedene Frequenzen zu verstärken imstande ist.
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Von diesen Verstärkern, die beispielsweise als dreistufige Resonanzverstärker
ausgebildet sind, kann der Verstärker I auf die Frequenzen I, 5, 9, I3 und I7 kHz
abstimmbar sein, der Verstärker 2 auf die Frequenzen 2, 6, I0, 14 und I8 kHz, der
Verstärker 3 auf die Frequenzen 3, 7, II, 15 und 19 kHz und schließlich der Verstärker
4 auf die Frequenzen 4, 8, I2, I6 und 20 kHz. Die Abstimmungen sind zweckmäßig mittels
Drucktasten einzeln wählbar, so daß mit diesen vier Verstärkern der gesamte Frequenzbereich
in Teilbereichen von 4 kHz Bandbreite empfangen werden kann. Die Untersuchung des
Geräusches erfolgt also zweckmäßig so, daß nacheinander auf die Frequenzgruppen
I, 2, 3, 4 kHz, 2, 3, 4, 5 kHz, 3, 4, 5, 6 kHz, 4, 5, 6, 7 kHz usw. bis I7, I8,
19 20 kHz eingestellt wird. An Stelle von Drucktasten kann natürlich auch ein Drehschalter
vorgesehen sein, der diese Frequenzwahl zwangläufig vornimmt. Wenn die Geräuschpeilanlage
am Ausgang mit einem Röhrenvoltmeter versehen ist, so kann das jeweilige Frequenzspektrum
punktweise im ganzen Gebiet aufgenommen werden, indem nacheinander die einzelnen
Frequenzen gewählt werden und die Meßwerte von Hand oder selbsttätig in festgelegte
Vordrucke eingetragen werden.
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Eine solche Einrichtung hat besondere Bedeutung in all den Fällen,
bei denen es darauf ankommt, nicht nur die Geräuschamplitude, sondern auch das Charakteristische
des Geräusches zu bestimmen.
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Die Einrichtung kann nicht nur zum Einpeilen von Schiffsgeräuschen
wertvoll sein, sondern dient auch zum Abhören des Geschiebes in Flüssen, das sich
bei feinem Sand als hohe Frequenz und bei gröberem Geschiebe als tiefe Frequenz
wahrnehmen läßt.
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Der Meßverstärker kann an ungerichtete Empfänger, wie dies beim Abhören
des Geschiebes zweckmäßig ist, angeschlossen werden oder auch an bekannte Drehbasen
hoher Richtwirkung, bestehend aus Gruppen einzelner piezoelektrischer Wandler, Mikrophone
oder magnetostriktiver
Wandler für Luft oder Wasser. Der Verstärker
kann auch an Gruppenhorchgeräte angeschlossen werden, die ebenfalls zur Geräuschpeilung
dienen.
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Auch ist daran gedacht, die Empfindlichkeit einer Horchanlage dadurch
höher zu treiben, daß mehrere abgestimmte akustische Wandler für Wasser- oder Luftschall
benutzt werden, die in Resonanz eine wesentlich höhere Spannung abgeben als ein
einziger breitbandiger Wandler. Die gesamte Empfindlichkeit einer solchen Horchanlage
ist unvergleichlich höher als die der bekannten Einrichtungen und hat außerdem den
Vorteil, etwaige Störfrequenzen, wie sie beispielsweise bei Schiffen von dem Schraubenwasser
herrühren, durch Abschalten einzelner Verstärker leichter ausblenden zu können.