DE975134C

DE975134C - Device for echolocation with sound waves

Info

Publication number: DE975134C
Application number: DEM26433A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr-Ing Matusche
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1955-03-13
Filing date: 1955-03-13
Publication date: 1962-04-19

Description

Einrichtung zur Echoortung mit Schallwellen Bei den bekannten akustischen Lotungsverfahren bzw. Ortungsverfahren wird die Reichweite der Lotungs- bzw. Ortungsapparatur im allgemeinen durch das Verhältnis von Nutzpegel zu Störpegel begrenzt. Der Nutzpegel ist gegeben durch die Intensität des Echos des angeloteten Zieles. Der S törpegel wird von im Wasser befindlichen Ger ãuschquellen, wie z. B. des Fahrtgeräusches des eigenen Schiffes, verursacht. Sehr oft ist der Störpegel auch aus der Summe von Störechos bestimmt, die durch Reflexionen der Sendeimpulse an dem Meeresl)oden, der Wasseroberfläche und an inhomogenen Stellen im Wasser entstehen können. Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren soll den Störpegel weitgehend ausschalten und damit die Reichweite des Lot- bzw. Ortungsgerätes wesentlich erweitern.Device for echolocation with sound waves With the known acoustic The sounding or location method is the range of the sounding or location apparatus generally limited by the ratio of the useful level to the interference level. The useful level is given by the intensity of the echo from the target. The body leech is caused by sources of noise in the water, such as B. the driving noise of your own ship. Very often the interference level is also the sum determined by false echoes caused by reflections of the transmitted pulses on the sea l) oden, the water surface and inhomogeneous places in the water. That The method on which the invention is based is intended to largely eliminate the interference level and thus significantly extend the range of the plumbing or locating device.

Bei den bekannten Lotungsverfahren wird in regelmäßigen, der abzutastenden Strecke entspre chenden Zeitabständen ein akustisches Signal von einer bestimmten Zeitdauer ausgesendet. Das zurückkommende Echo wird von zwei Älikrophonen bzw. Mikrophongruppen empfangen und in zwei sinusförmige Spannungen der Schallfrequenz umgewandelt. Nach einer Verstärkung in getrennten Kanälen werden die Summen- und die Differenzspannung gebildet. Diese beiden Spannungen gibt man nach einer künstlichen Phasendrehung um go0 auf die Ablenkplattenpaare einer Braunschen Röhre. Die elektroakustischen Wandler sind bei der horizontalen Lotung auf einer gemeinsamen Halterungsplatte so montiert, daß die Schwingerflächen in der senkrechten Ebene im Raum, also parallel zur Halterungsplatte liegen. Die Halterungsplatte, die sogenannte Basis, ist um die senkrechte Achse drehbar am Schiff befestigt. In the known sounding method, the scanning to be carried out is carried out at regular intervals Distance corre sponding time intervals an acoustic signal from a certain Duration sent out. The returning echo is generated by two élikrophonen or microphone groups received and converted into two sinusoidal voltages of the sound frequency. To a gain in separate channels is the sum and difference voltage educated. These two voltages are given after an artificial phase rotation around go0 on the pairs of deflector plates of a Braun tube. The electroacoustic For horizontal plumbing, transducers are on a common mounting plate Mounted so that the transducer surfaces are in the vertical plane in space, i.e. parallel to the mounting plate. The bracket plate, the so-called Base, is attached to the ship so that it can rotate around the vertical axis.

Liegt das angelotete Ziel in der Lotrichtung. dann sind die Mikrophonspannungen gleichphasig, und die Differenzspannung ist bei gleicher Amplitude der Mikrophonspannungen Null, so daß sich als Anzeige auf dem Braunschen Rohr ein senkrechter Strich ergibt, der durch die an den senkrechten Ablenkplatten liegende Summenspannung erzeugt wird. Wandert das Ziel aus der Lotrichtung aus, dann sind die Mikrophonspannungen nicht mehr gleichphasig, und es entsteht außer der Summenspannung auch eine Differenzspannung. Wegen der Phasendifferenz von go0 zwischen der Summenspannung und der Differenzspannung ergibt sich auf dem Schirm des Braunschen Rohres ein schrägliegender Strich. Aus dieser Anzeige läßt sich erkennen, in weller Richtung die Basis gedreht werden muß, damit das Ziel in die Lotrichtung der Anlage zu liegen kommt. Is the plumbing target in the plumb direction? then are the microphone voltages in phase, and the differential voltage is at the same amplitude of the microphone voltages Zero, so that the display on the Braun tube is a vertical line, generated by the total voltage applied to the vertical deflection plates. If the target moves out of the perpendicular direction, the microphone voltages are not more in phase, and besides the sum voltage there is also a differential voltage. Because of the phase difference of go0 between the sum voltage and the difference voltage there is an inclined line on the screen of the Braun tube. the end this display shows in which direction the base must be turned, so that the target comes to lie in the perpendicular direction of the system.

Die Entfernung des Zieles wird in ebenfalls bekannter Weise aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Impulses und dem Eintreffen des Echos ermittelt. Entsprechend den Amplituden-und Phasenverhältnissen der Mikrophonspannungen gehen aber auch die Störgeräusche in die Anzeige ein und verfälschen sie. The distance of the target is also known from the The time difference between the transmission of the pulse and the arrival of the echo is determined. Go according to the amplitude and phase relationships of the microphone voltages but also the disturbing noises in the display and falsify them.

Die Reichweite einer Echolotanlage wird von den Störeinflüssen entscheidend heeillträclltigt und ist im wesentlichen durch das Verhältnis von Nutz- zu Störspannung bestimmt. Das Verhältnis von Nutzzu Störpegel kann in bekannter Weise durch Bündem der Richtcharakteristik oder durch Beschneiden des empfangenen Frequenzbandes z. B. durch Filter verbessert werden. Beiden Maßnahmen sind aber Grenzen gesetzt. Eine starke Bündelung bedingt eine großflächige Basis und erhöht die Gefahr, ein bewegtes Ziel aus dem schmalen Schallbündel zu verlieren. Das Frequenzband darf durch Filter nicht so schmal gemacht werden, daß die durch den Dopplereffekt verschobene Echo frequenz außerhalb des Durchlaßhereiches zu liegen kommt. The range of an echo sounder system is determined by the interference and is mainly affected by the ratio of useful to interference voltage certainly. The ratio of the useful to the interference level can be determined in a known manner by bundling the directional characteristic or by cutting the received frequency band z. B. can be improved by filters. However, there are limits to both measures. One strong bundling requires a large base and increases the risk of a moving To lose the aim from the narrow beam of sound. The frequency band is allowed through filters not be made so narrow that the echo shifted by the Doppler effect frequency comes to lie outside of the pass band.

Die Störechos können durch beide Maßnahmen nicht grundsätzlich ausgeschaltet werden.The false echoes cannot generally be switched off by either of these measures will.

Das im folgenden beschriebene Verfahren, das die Phasenverhältnisse der Störgeräusche zu einer weitgehenden Verringerung des Störpegels benutzt, erlaubt ohne weiteres, die bisher bekannten Mittel zur Verbesserung des Verhältnisses von Nutz- zu Störpegel gleichzeitig anzuwenden, um eine zusätzliche Verbesserung zu erzielen. The procedure described below that shows the phase relationships which uses background noise to reduce the noise level to a large extent readily, the heretofore known means for improving the ratio of To apply useful to interference level simultaneously in order to achieve an additional improvement achieve.

Das Verfahren wird im folgenden als Schiellotung bezeichnet, wobei sich der Begriff des Schielens aus der Eigenart des Verfahrens ergibt. Es handelt sich nicht um ein Schielen im Sinne einer get,enseitigen Beeinflussung benachbarter Schwinger. Auch diese Erscheinung wurde gelegentlich als Schielen bezeichnet. The method is referred to below as Schiellotung, where the concept of squint arises from the peculiarity of the procedure. It deals It is not a question of squinting in the sense of a positive influence on neighbors Schwinger. This phenomenon was also sometimes referred to as strabismus.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Echoortung mit Schallwellen unter Verwendung einer Doppelbasis mit mindestens zwei Paaren von Empfängern oder Empfängergruppen gleicher Ausrichtung auf einer geradlinigen Basis bei getrennter Verstärkung der vier Empfänger- bzw. Empfängergruppenspannungen in zwei Doppelkanälen, bei Auseinanderdrehung der Ausgangsspannungen der Doppelkanäle um 900 und Bildung der Summen-und Differenzspannung für jedes Empfänger- oder Empfängergruppenpaar bei Anzeige auf dem Schirm einer Braunschen Röhre. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Verhältnis des Abstandes by der Empfängerorgane des einen Empfängerpaares bzw. des Abstandes der Schwerpunkte des einen Empfängergruppenpaares zu dem Abstand bx der Empfängerorgane des anderen Empfängerpaares bzw. zu dem Abstand der Schwerpunkte des anderen Empfängergruppenpaares von 1 : 2 nach Auseinanderdrehung der Ausgangsspannungen zusammengehöriger Organe eines Paares um go0 und darauffolgender Bildung der Summe und der Differenz der so gewonnenen Spannungen jedes Paares mit der sich aus der Gegeneinanderschaltung der gleichgerichteten 5 Summenspannung gegen die gleichgerichtete Differenzspannung des ersten Empfänger- bzw. Empfängergruppenpaares ergebenden Spannung das vertikale Ablenkplattenpaar der Braunschen Röhre und mit der entsprechend gewonnenen Spannung des zweiten Empfänger- bzw. Empfängergruppenpaares das horizontale Ablenkplattenpaar der Braunschen Röhre beaufschlagt wird und daß durch Drehen der Basis die horizontale Ablenkung zu Null gemacht werden kann, wobei die Phasendifferenz der von den Empfangs organen mit dem größeren Basisabstand abgegebenen Spannungen t beträgt, womit sich die Einfallsrichtung des Schallechos als um den Winkel s = zt arc sin 4by gegen die Normale zur Basis geneigt ergibt, wobei A die Wellenlänge des verwendeten Schalles und by den Abstand der Organe bzw. der Schwerpunkte des ersten Empfänger- bzw. Empfängergruppenpaares bedeutet. The invention relates to a device for echolocation with sound waves using a dual base with at least two pairs of receivers or Recipient groups of the same orientation on a straight line basis with separate Amplification of the four receiver or receiver group voltages in two double channels, if the output voltages of the double channels are rotated apart by 900 and formation the total and differential voltage for each pair of receivers or groups of receivers when displayed on the screen of a Braun tube. The invention is characterized in that that with a ratio of the distance by the recipient organs of one recipient pair or the distance between the focal points of one recipient group pair and the distance bx the recipient organs of the other recipient pair or the distance between the focal points of the other receiver group pair of 1: 2 after turning the output voltages apart related organs of a pair around go0 and subsequent formation of the sum and the difference between the voltages thus obtained for each pair with that resulting from the Connection of the rectified 5 sum voltage against the rectified one against the other Differential voltage of the first receiver or receiver group pair resulting voltage the vertical pair of baffles of the Braun tube and with the one obtained accordingly Voltage of the second pair of receivers or groups of receivers, the horizontal pair of deflectors the Braun tube is applied and that by turning the base the horizontal Distraction can be made zero, the phase difference being that of the reception organs with the larger base distance given voltages is t, which means the direction of incidence of the sound echo as opposed to the angle s = zt arc sin 4by gives the normal inclined to the base, where A is the wavelength of the sound used and by the distance between the organs or the focal points of the first recipient or recipient group pair means.

Bei der gekennzeichneten Einrichtung werden die Störspannungen weitgehend ausgeschaltet. Geht man nämlich davon aus, daß die Störgeräusche Empfängerspannungen hervorrufen, die alle möglichen Phasenlagen besitzen, dann ist es verständlich, daß bei den bekannten Verfahren infolge der statistischen Schwankungen des Einfallswinkels und auch der Amplituden die Störgeräusche am Braunschen Rohr als Striche und Ellipsen verschiedener Neigung, Größe und Elliptizität angezeigt werden und unter Umständen das Nutzecho unkenntlich machen. Wie nun die mathematische Behandlung der gekennzeichneten Einrichtung zeigt. ist die Ausschaltung der Störechos und der weißen Geräusche um so vollkommener, je homogener die Verteilung von reflektierenden Stellen bzw. der Einfallsrichtungen beliebiger Störgeräusche in den in Frage kommenden Volumen ist und je symmetrischer ihre Verteilung zur Normalen der Empfangsbasis ist. Darin unterscheidet sich die Einrichtung nach der Erfindung in vorteilhafter Weise gegenüber den bekannten Einrichtungen- zur Ausübung des Summe-Differenz-Verfahrens. In the case of the marked device, the interference voltages are largely switched off. If one assumes that the background noise is receiver voltages that have all possible phase positions, then it is understandable that in the known method as a result of the statistical fluctuations in the angle of incidence and also the amplitudes, the background noises on the Braun tube as lines and ellipses different inclination, size and ellipticity are displayed and under certain circumstances obscure the useful echo. As now the mathematical treatment of the marked Establishment shows. the elimination of false echoes and white noises is over the more perfect, the more homogeneous the distribution of reflective points or the Directions of incidence of any background noise in the volume in question and the more symmetrical their distribution is to the normal of the receiving base. That differs the device according to the invention in an advantageous manner opposite to the known facilities for exercising the sum-difference procedure.

Die Einrichtung zur Schiellotung nach der Erwindung werde an Hand von Fig. I erläutert. Die Empfangsanlage ist auf einer geradlinig erstreckten Basis angeordnet. Es sind zwei Empfänger-bzw. Empfängergruppen mit dem Basisabstand by vorgesehen. die auf das vertikalablenkende Plattenpaar der Braunschen Röhre einwirken. Die beiden anderen Empfänger- bzw. Empfängergruppen haben einen Basisabstand bx, der doppelt so groß ist wie by. Diese wirken auf das horizontale Ablenkplattenpaar des Braunschen Rohres ein. Die vier Empfänger- bzw. Empfängergruppenspannungen werden, wie die Fig. I zeigt, in zwei Doppelkanälen getrennt verstärkt. Von den Ausgangsspannungen werden nach paarweisem Auseinanderdrehen um 90° die Summen- und die Differenzspannungen gebildet und durch Gleichrichten und (legeneinanderschalten der jeweiligen Summen- und Differenzspannung die Ablenkspannungeu für das Braunsche Rohr gewonnen. The device for Schiellotung after the winding will be on hand of Fig. I explained. The receiving system is on a linearly extended basis arranged. There are two recipients or. Recipient groups with the base distance by intended. which act on the vertically deflecting pair of plates of the Braun tube. The other two recipient or recipient groups have a basic distance bx, which is twice as big as by. These act on the horizontal pair of baffles of the Braun tube. The four receiver or receiver group voltages are as FIG. I shows, reinforced separately in two double channels. From the output voltages After twisting them apart in pairs by 90 °, the total and differential voltages become formed and by rectifying and (interconnecting the respective sum- and differential voltage, the deflection voltage for the Braun tube.

In Fig. 2 ist für den gegebenen Fall b = = by 2 i, die Abhängigkeit der Plattenspannungen Ux und voin vom Einfallswinkel iy dargestellt. Für diese Anordnung erhält man als Schielwinkel 5 = 300. In dem Einfallwinkelbereich von - 90 bis - 300 ist Ux positiv und Uy negativ. so daß der Lichtfleck schräg nach unten abgelenkt wird. In dem Einfallwinkelbereich von -30 bis Oc sind beide Plattenspannungen negativ, so daß der Lichtfleck schräg nach links unten abgelenkt wird. Im Einfallwinkelbereich von O bis +300 sind beide Al)lenkspannungen positiv. Der Lichtfleck wird schräg nach rechts oben abgelenkt. Im Einfallwinkelbereich von +30 bis +go° ist Ux negativ und Uy positiv. Der Lichtfleck bewegt sich also schräg nach links oben. Aus der Art der Echoanzeige kann also ohne weiteres festgestellt werden, aus welchem Einfallsektor das Nutzecho einfällt und nach welcher Richtung die Basis gedreht werden muß, damit der Einfallwinkel gleich dem Schielwinkel wird und als Anzeige ein senkrechter Strich entsteht. Damit ist die Peilbedingu1lg für das Nutzecho eindeutig erfüllt. In FIG. 2, the dependency is for the given case b = = by 2 i of the plate stresses Ux and voin of the angle of incidence iy. For this arrangement the squint angle is 5 = 300. In the angle of incidence range from - 90 to - 300 is Ux positive and Uy negative. so that the light spot is deflected obliquely downwards will. In the angle of incidence from -30 to Oc, both plate stresses are negative, so that the light spot is deflected obliquely to the bottom left. In the angle of incidence from 0 to +300 both Al) steering voltages are positive. The light spot becomes oblique deflected to the top right. In the angle of incidence range from +30 to + go °, Ux is negative and Uy positive. The light spot therefore moves obliquely to the top left. From the The type of echo indication can therefore easily be determined from which incident sector the useful echo is incident and the direction in which the base must be rotated so that the angle of incidence is equal to the squint angle and a vertical line is used as a display arises. This clearly fulfills the bearing condition for the useful echo.

Rührt der Störschall von Schallquellen her, die statistisch und gleichmäßig über den gesamten Einfallwinkelbereich von -go bis +go° verteilt sind, dann summieren sich die einzelnen Anteile der Störschallquellen wegen des sinusförmigen Verlaufes von Ux und Uy zu Null. Diese lkompensationsbedingung für den Störschall ist auch schon dann erfüllt, wenn die Störschallquellen in ihrer liäufigkeit und Intensität symmetrisch zur akustischen Achse (v = o) verteilt sind, weil die Plattenspannungen als Funktion des Einfallswinkels ungerade Funktionen sind. The background noise comes from sound sources that are statistical and uniform are distributed over the entire angle of incidence range from -go to + go °, then add up the individual components of the noise sources because of the sinusoidal course from Ux and Uy to zero. This oil compensation condition for the background noise is also already fulfilled when the noise sources in their flow and intensity distributed symmetrically to the acoustic axis (v = o) because the plate tensions as a function of the angle of incidence are odd functions.

Fiir die zweckmäßige Ausbildung der Richtcharakteristiken der Empfänger bzw. Empfängergruppen und des Senders sind zwei Bedingungen zu erfüllen: 1. Möglichst große Empfindlichkeit in Richtung der Schielwinkel, damit eine möglichst große Spannung U, und eine möglichst große Steilheit der Ux-lQurve bei den Nulldurchgänge erzielt wird. For the appropriate formation of the directional characteristics of the receiver or recipient groups and the sender, two conditions must be met: 1. If possible great sensitivity in the direction of the squint angle, so that the greatest possible tension U, and the greatest possible steepness of the Ux -IQurve achieved at the zero crossings will.

2. Symmetrie zur akustischen Achse (u = wegen der Störschallkompensationsbedingung. 2. Symmetry to the acoustic axis (u = because of the noise compensation condition.

Beiden Forderungen genügt weitgehend eine in Fig. 3 gezeigte Gruppenschaltung, bei der insgesamt fünf Empfänger im Abstand von beispielsweiseR/2 voneinander auf der Basis angeordnet sind. Bezeichnet man die Mikrophonspannungeii mit E, bis E5, dann werden als Eingangsgrößen für den Doppelverstärkerkanal X die Spannungen E2-E1 und E2-E5 benutzt. Der Schwerpunktabstand dieser beiden Empfängergruppen beträgt dann i., so daß sich ein Schielwinkel von 300 ergibt. Die Richtcharakteristik ist eine Schmetterlingskurve, deren Maxima bei 1300 liegen, also mit dem Schielwinkel zusammenfallen. Als Eingangsgrößen für den Doppelverstärkerkanal 1 werden die Spannungen E,-E, und E2-E4 benutzt. Der Schwerpunktabstand dieser beiden Empfängergruppen beträgt i./2, so daß die Maxima der Plattenspannung Uy hei Einfall des Schalles aus Richtung des Schielwinkels erreicht werden. Die Richtcharakteristik jeder Empfängergruppe ist eine Schmetterlingskurve mit den Maxima bei 1300. A group circuit shown in Fig. 3 largely satisfies both requirements, with a total of five receivers at a distance of, for example, R / 2 from each other the base are arranged. If the microphone voltage is denoted by E, to E5, then the voltages E2-E1 and E2-E5 are used. The distance between the centers of gravity of these two recipient groups is then i., so that a squint angle of 300 results. The directional characteristic is a butterfly curve whose maxima are at 1300, i.e. with the squint angle to coincide. The voltages E, -E, and E2-E4 are used. The distance between the centers of gravity of these two recipient groups is i./2, so that the maxima of the plate tension Uy upon incidence of the sound from direction of the squint angle can be achieved. The directional characteristic of each group of receivers is a butterfly curve with the maxima at 1300.

In bekannter Weise wird bei der Erfindung davon Gebrauch gemacht, gegebenenfalls die Empfängerwandler auch zum Senden zu benutzen. In dem zuletzt genannten Beispiel werden vorteilhaft die Schwinger 2 und 4 gegeneinandergeschaltet, wenn es sich um das Senden handelt. In diesem Falle deckt sich die Richtcharakteristik beim Senden mit derjenigen beim Empfangen. In a known manner, use is made of this in the invention, if necessary, to use the receiver transducers also for sending. In the last The mentioned example, the transducers 2 and 4 are advantageously switched against each other, when it comes to sending. In this case the directional characteristics coincide when sending with that when receiving.

Stimmt man die Zeitkonstanten der Gleichrichtung in geeigneter Weise auf die zeitliche Länge der Nutzechos ab, dann wandert der Lichtfleck des Braunschen Rohres mit solcher Geschwindigkeit von seiner Nullage bis zum Maximum seiner Auslenkung und wieder zurück, daß auf dem Schirm des Rohres der optische Eindruck eines Striches entsteht. Dadurch wird die Ablesung erleichtert. If one tunes the time constants of the rectification in a suitable manner on the temporal length of the useful echoes, then the light spot of the brown wanders Tube at such a speed from its zero position to the maximum of its deflection and back again, that on the screen of the tube the optical impression of a line arises. This makes reading easier.

Claims

PATENT CLAIM: I. Device for echolocation with sound spots using a dual base with at least two pairs of receivers or Recipient groups of the same orientation on a straight line basis with separate Reinforcement of the four receivers hzw. Receiver group voltages in two double channels, with failure of the output voltages of the double channels by 900 and formation the total and differential voltage for each pair of receivers or groups of receivers and when displayed on the screen of a Braun tube, characterized in that at a ratio of the distance by the recipient organs of one recipient pair or the distance between the focal points of one recipient group pair and the distance bx the recipient organs of the other recipient pair or the distance between the focal points of other recipient group pairs of 1: 2 after turning apart of the output voltages of related organs of a pair around go0 and beyond Formation of the sum and the difference of the voltages obtained in this way for each pair which results from the counter-circuit of the rectified total voltage against the rectified differential voltage of the first receiver or receiver group pair resulting voltage the vertical pair of baffles of the Braun tube and with the correspondingly obtained voltage of the second receiver or receiver group pair the horizontal pair of baffles of the Braun tube is acted upon and that by rotating the base the horizontal deflection can be made zero, whereby the phase difference between those emitted by the receiving organs with the larger base distance Tensions +, which means that the direction of incidence of the sound echo is around the Angle = = A arc sin-4by inclined to the normal to the base, where i results in the Wavelength of the sound used and b the distance between the organs or the centers of gravity of the first recipient or

Recipient group pair means.

2. Device according to claim I, characterized in that the four Receiver groups have a directional characteristic that is in the acoustic axis have a pronounced minimum and a maximum in the direction of the squint angle.

3. Modification according to claim 1, characterized in that the receiving organ from five equidistant, e.g. B. A, / 2, located recipients or receiving groups exists, which are connected in such a way that as input variables for the generation of the a display voltage the difference of the third and first and the difference of the second and fourth receiver and that as input variables for generating the other Display voltage the difference of the third and first and the difference of the third and fifth receiver is used.

4. Device according to claim I to 3, characterized in that the recipients or

Recipient groups can also be used for sending.

5. Device according to claim I to 4, characterized in that the time constants of the rectifier circuits are matched to the pulse length of the echoes are that on the Braun tube when a useful echo occurs, an: itrich display he follows.

Publications considered: German Patent No. 732 892; U.S. Patent Nos. 2,535,134. 2,658,186.