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Empfangsvorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsrichtung eines Strahlers
beim Durchgang durch eine Ebene im Raum
Die Erfindung betrifft eine Empfangsvorrichtung
zur Ermittlung der Bewegungsrichtung eines Strahlers beim Durchgang durch eine Ebene
im Raum und soll die Aufgabe lösen, daß nur dann eine Signalgabe ausgelöst werden
kann, wenn der Strahler in einer bestimmten Richtung durch die Ebene hindurchgeht,
während bei Durchgang in der Gegenrichtung keine Signalgabe erfolgt. Mit der Erfindung
wird ferner der Zweck verfolgt, zu verhindern, daß Störungen, die von anderen Strahlern
hervorgerufen werden, die Empfangsvorrichtung beeinflussen können.
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Es sind an sich bereits akustische und drahtlose Peilanordnungen
bekannt, mit deren Hilfe es auch möglich wäre, die Lage eines Strahlers in bezug
auf eine Ebene im Raum zu ermitteln sowie gegebenenfalls die Bewegungsrichtung des
Strahlers beim Durchgang durch diese Raumebene zu bestimmen. Bei den bekannten Vorrichtungen
werden im allgemeinen Richtcharakteristiken periodisch geschwenkt oder periodisch
umgetastet, wobei synchron mit dieser Schwenkung bzw. Umtastung das Anzeigeinstrument
umgeschaltet wird. Derartige Vorrichtungen sind jedoch nicht immer einsetzbar und
nicht ohne weiteres universell verwendbar.
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Außerdem arbeiten sie mit ziemlichem Aufwand und wegen der laufenden
Umschaltung auf mechanischem oder elektrischem Wege nicht immer betriebssicher.
Ferner können z. B. bei schräger tYberquerung des Strahlers infolge seines wechselnden
Abstandes die Intensitäten, die durch die beiden Richtwirkungen ein vorgeschriebenes
Verhältnis
haben müssen, gefälscht werden. Ebenso ist durch Ausbreitungsbedingungen
(Wind und Wetter) eine Fälschung des Intensitätsverhältnisses möglich. Bei der Erfindung
spielt dies keine Rolle, da sie nur auf die Phase, nicht aber auf die Intensität
reagiert. Es kann sogar unter Umständen zweckmäßig eine elektrische Amplitudenbegrenzung
angebracht werden, um die Anzeige entfernungsunabhängig bzw. nur von einem räumlichen
Winkel abhängig zu machen.
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Ferner ist es beim Intensitätsverfahren schwierig, die Richtwirkung
so auszubilden, daß eine räumlich allseitig »schielende« Richtwirkung der beiden
Empfänger entsteht, so daß sowohl bei seitlicher wie direkter Uberquerung die Intensitätsfolge
in gleicher Weise erfolgt.
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Zur Ermittlung der Bewegungsrichtung eines Strahlers beim Durchgang
durch eine Ebene im Raum sind auch bereits gerichtete Empfänger oder Empfängergruppen
verwendet worden, deren Ausgangsspannungen, gegebenenfalls nach Phasendrehung um
etwa go0 gegeneinander, einer Phasenvergleichsschaltung zugeführt werden. Zur Lösung
der eingangs erläuterten Aufgabe wird dieses Prinzip nach dem Erfindungsgedanken
weitergebildet, daß eine an die Phasenvergleichsschaltung angeschlossene und auf
die Durchgangsrichtung des Strahlers durch die Ebene ansprechende polarisierte Empfangseinrichtung
zur Auslösung einer Signalgabe einen Signalgeber über einen Zeitkonstantenkreis
steuert, dessen Zeitkonstante unter Berücksichtigung der Richtcharakteristiken der
Empfänger bzw. Empfängergruppen auf einen bestimmten Bereich der Bewegungsgeschwindigkeit
des Strahlers beim Durchgang durch die Ebene abgestimmt ist, so daß die Signalgabe
bei von diesem Bereich abweichenden Folgegeschwindigkeiten der Empfangsspannungen
unterdrückt wird. Diese neuartige Verwendung eines zeitkonstanten Kreises, der auf
den Bereich der Bewegungsgeschwindigkeiten der mit der Empfangsvorrichtung zu erfassenden
Strahler abgestimmt ist, ermöglicht in erster Linie eine Störunterdrückung, um außerhalb
dieses Bereiches liegende Störungen mit abweichender Folgegeschwindigkeit auszuschalten.
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Die Empfänger bzw. Empfängergruppen weisen sowohl zur phasenmäßig
richtigen Bevorzugung des direkten Schalles als auch zur Befreiung restlicher Störgeräusche
zweckmäßig eine Richtcharakteristik auf, die in der einen Schnittebene scharf gebündelt,
z. B. keulenförmig ist und in der dazu senkrechten Schnittebene breit, z. B. nierenförmig.
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Die Empfänger bzw. Empfängergruppen werden erfindungsgemäß derart
beiderseits der Durchgangsebene angeordnet, daß die Schnittebenen mit dem breiten,
z. B. nierenförmigen Richtdiagramm beiderseits parallel zur Durchgangsebene liegen.
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Vorzugsweise werden als Empfängergruppen gegeneinander versetzte gerade
Strahlergruppen vorgesehen, die aus einer Vielzahl von in einer Reihe angeordneten
und untereinander gleichphasig zusammengeschalteten Empfängern, z. B. Mikrofonen,
bestehen, wobei vorzugsweise beide Empfängergruppen versetzt in einer geraden Linie
ineinandergeschachtelt angeordnet sind. Die gerade Linie, in der die Empfänger,
z. B. Mikrofone, liegen, wird dabei zweckmäßig quer zur Durchgangsebene angeordnet.
Die Empfänger können akustisch auf den gewünschten Frequenzbereich abgestimmt sein,
wodurch ihre Empfindlichkeit gesteigert werden kann.
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Das als Empfangseinrichtung dienende polarisierte Relais wird erfindungsgemäß
zweckmäßig für die Signalgabe mit einem Hauptrelais zusammengeschaltet. Dabei werden
erfindungsgemäß Mittel vorgesehen, die verhindern, daß das Hauptrelais bereits nach
einmaligem Umlegen des polarisierten Relais anspricht, daß vielmehr das polarisierte
Relais erst nach Umlegen sowohl nach rechts als auch nach links das Hauptrelais
zum Ansprechen bringt. Hierdurch wird verhindert, daß ein Störer, der auf der einen
Seite der Ebene vorübergehend auftritt, die Signalgabe auslösen kann. Erforderlich
für die Signalgabe ist beim Erfindungsgegenstand vielmehr das aufeinanderfolgende
Auftreten der Strahlung zunächst auf der einen Seite der Ebene und dann auf der
anderen Seite, also der Durchgang durch die Ebene, innerhalb einer gewissen Zeitspanne.
Es wird dabei zweckmäßig die Vorrichtung so eingerichtet, daß die Signalgabe nur
bei Durchgang in der einen Bewegungsrichtung anspricht, während in der anderen Bewegungsrichtung
das Ansprechen verhindert wird.
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Ein Mittel zur Verhinderung der Signalgabe bereits bei einmaligem
Ansprechen des polarisierten Relais besteht darin, daß mit dem polarisierten Relais
und dem Hauptrelais ein Kondensator mit Lade- und Entladestromkreis zusammengeschaltet
ist, der beim Umlegen des polarisierten Relais nach der einen Seite aufgeladen und
beim folgenden Umlegen des polarisierten Relais nach der anderen Seite über das
Hauptrelais entladen wird und erst dabei das Hauptrelais erregt. Die Zeitkonstante
des Lade- und Entladekreises des Kondensators wird dabei auf die Richtcharakteristik
der Empfänger bzw. Empfängergruppen abgestimmt, unter gleichzeitiger Berücksichtigung
der praktisch möglichen Bewegungsgeschwindigkeiten der Strahler beim Durchgang durch
die Ebene.
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Für den Kondensator haben sich in speziellen Fällen Lade- und Entladezeitkonstanten
im Bereich zwischen 0,1 und 10 Sekunden als praktisch geeignet erwiesen.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten sind an Hand von Fig. I bis
15 beispielsweise erläutert.
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In Fig. I ist das Prinzipschaltbild einer Empfangsanordnung nach
der Erfindung dargestellt.
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Die Ebene E ist eine gedachte Raumebene, durch die Strahler, insbesondere
akustische Strahler, hindurchgehen können. Mit der Empfangsvorrichtung nach der
Erfindung wird der Zweck verfolgt, die Bewegungsrichtung des Strahlers beim Durchgang
durch die Ebene E zu ermitteln und dabei unter bestimmten Voraussetzungen eine Signalgabe
auszulösen. Die Empfangsvorrichtung besteht im einzelnen aus den Empfängergruppen
G1 und G2, die
einen bestimmten Abstand d voneinander haben und
mit ihren Mitteln beiderseits der Durchgangsebene liegen. Der Abstand d ist etwa
gleich einer halben Wellenlänge der Empfangsfrequenz. Jede Empfängergruppe besteht
aus je einem oder vorzugsweise aus mehreren gleichphasig zusammengeschalteten, d.
h. also parallel oder in Reihe geschalteten Einzelempfängern, z. B. Mikrofonen M,
die jeweils eine sogenannte gerade Strahlergruppe bilden. Die Richtcharakteristiken
der Gruppen G1 und G2 sind mit Rl und R2 bezeichnet. Die Ausgänge der Empfängergruppen
G1 bzw. G2 sind, um Mehrdeutigkeiten der Anzeige bei höheren Frequenzen zu vermeiden,
mit Frequenzsieben Oj bzw. 0i, verbunden, welche einen bestimmten Durchlaßbereich,
z. B. zwischen 400 und 800 Hz, aufweisen. Diese Frequenzhöhe bestimmt sich z. B.
daraus, daß einerseits die Windgeräusche nicht zu hoch sind, andererseits die Luftdämpfung
des Schalles noch nicht zu stark wird. Die Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches
steht in Übereinstimmung mit dem Abstand d zwischen den Empfängergruppen G1 und
G2, d. h., der Abstand d wird etwa gleich einer halben Wellenlänge der Mittenfrequenz
der Frequenzsiebe Oj bzw. 02 gewählt. An die Frequenzsiebe Oi und 2 schließen sich
Phasendrehglieder P1 und P2 an, mit deren Hilfe die Ausgangsspannungen der Empfängergruppen
G1 und G2 etwa um einen Betrag von 900 in der Phase gegeneinander verschoben werden.
Im Stromkreis der Empfängergruppen liegen ferner die Verstärker l'l und lot2, die
als Elektronenröhrenverstärker oder auch zwecks Stromersparnis als Transistorverstärker
oder als rückgekoppelte, selbstschwingende, hochfrequenzerregte Verstärkerröhre
ausgebildet sein können. Nunmehr werden die Empfangsspannungen einer Phasenvergleichsschaltung
SD zugeführt, an deren Ausgang die Empfangseinrichtung in Form des polarisierten
Relais PR od. dgl. angeschlossen ist. Dieses polarisierte Relais spricht auf die
phasenmäßig zusammengesetzten Spannungen der Empfängergruppen Gl und G2 an. Als
Phasenvergleichsschaltung SD wird vorzugsweise eine Summen- und Differenzgleichrichterschaltung
oder eine Ringmodulatorschaltung oder ein Kreuzspuleninstrument verwendet, und die
Schaltung wird dabei so getroffen, daß das polarisierte Relais PR auf die gleichgerichtete
Differenzspannung anspricht. Mit dem polarisierten Relais PR ist das Hauptrelais
H zusammengeschaltet, das in bestimmter Weise beim Ansprechen des polarisierten
Relais erregt wird und dabei ein Signal über die Leitung L abgibt. Das polarisierte
Relais PR und das Hauptrelais H sind zu diesem Zweck mit einem Kondensator C, einer
Batterie B und den Widerständen Wl, W2 und W3 zusammengeschaltet. Die Anordnung
ist dabei so getroffen, daß beim Umlegen des polarisierten Relais nach der einen
Seite der Kondensator C aus der Batterie B aufgeladen wird, wobei zunächst das Hauptrelais
noch nicht ansprechen kann. Beim nachfolgenden Umlegen des polarisierten Relais
PR nach der anderen Seite wird der Kondensator C über das Hauptrelais H entladen,
und jetzt erst spricht das Hauptrelais H an und löst die Signalgabe aus. Durch diese
Schall tung wird erreicht, daß das Hauptrelais H erst dann ein Signal bewirkt, wenn
das polarisierte Relais sowohl nach links als auch nach rechts umgegeschlagen ist.
Dies setzt wiederum voraus, daß der Strahler zunächst auf der einen Seite der Ebene
E aufgetreten ist und anschließend auf der anderen Seite der Ebene, d. h., es muß
ein Durchgang des Strahlers durch die Ebene stattfinden, wenn eine Signalgabe ausgelöst
werden soll. Störstrahler, die nur vorübergehend auf einer Seite der Ebene auftreten,
werden somit nicht erfaßt und können kein Signal auslösen, ebenso Strahler, die
zuerst von der rechten und dann auf die linke Seite der Ebene kommen, d. h. in Gegenrichtung
sich bewegen. Die Lade- und Entladezeitkonstante des Kondensators C wird durch die
Widerstände Wl und W5 eingestellt und soll in speziellen Fällen der Flugzeugortung
einen Wert zwischen O, I und IO Sekunden haben, je nach den Verhältnissen, die durch
die Richtcharakteristiken der Empfängergruppen G1 und G2 sowie durch die Bewegungsgeschwindigkeit
des Strahlers gegeben sind.
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Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind die Empfängergruppen G1 und G2.
ineinandergeschachtelt in einer geraden Linie, zweckmäßig auf dem gemeinsamen Träger
T, angeordnet. Dabei gehören zur Empfängergruppe G1 die Empfänger, z. B. Mikrofone
llIl, und zur Empfängergruppe G2 die Empfänger, z. B. Mikrofone M2. Als Mikrofone
kommen beispielsweise dynamische Mikrofone oder Lautsprechersysteme in Betracht,
die einzeln aufeinander nach Empfindlichkeit und Phase abgeglichen werden.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3 und 4 sind die Empfängergruppen G1
und G2 dicht am Erdboden angeordnet, zweckmäßig ebenfalls entsprechend Fig. 2 in
einer geraden Linie ineinandergeschachtelt. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind
die Gruppen G1 und G2 in Fig. 3 und 4 übereinanderliegend dargestellt. Die Fig.
3 zeigt einen Horizontalschnitt senkrecht zur Durchgangsebene E und die Fig. 4 einen
Vertikalschnitt parallel zur Durchgangsebene. Die Empfängergruppen Gl und G2 liegen
senkrecht zur Durchgangsebene E und haben in der senkrecht zur Ebene E liegenden
Schnittebene die gebündelten keulenförmigen, beidseitig wirkenden Richtcharakteristiken
Rg und in der in Fig. 4 dargestellten Parallelebene zur Durchgangsebene E die verhältnismäßig
breiten nierenförmigen Richtcharakteristiken Rb, z. B. um Störgeräusche und Reflexionen
vom Erdboden auszuschalten, wobei die Maxima der Richtcharakteristiken beiderseits
der Durchgangsebene E liegen. Die Mikrofone können auch auf einem Mast angebracht
werden und einen Windschutz aus einem schalldurchlässigen feinmaschigen Stoff haben.
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Bei der detaillierten Schaltung nach Fig. 5 besteht jede Empfängergruppe
G1 bzw. G2 wiederum aus einer Anzahl von gleichphasig parallel oder in Reihe geschalteten
Mikrofonen Ml bzw. M2, und daran schließen sich die Oktav- oder Terzsiebe °
bzw.
°2 an. Statt der Oktavsiebe können auch die Eingangskopplungs- oder Endübertrager
so ausgebildet werden, daß sie nur ein gewünschtes Frequenzband hindurchlassen (Resonanzübertrager).
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Darauf folgen die Phasendrehglieder in Form der Resonanzkreise Ll,
C1 bzw. L2, C2, die mit Widerständen R5, R4 bzw. Rg> R6 zusammengeschaltet sind.
Die Ausgangsspannungen vom Ausgang der Oktavsiebe öl bzw. °2 sind einerseits an
einen Punkt zwischen der Spule L1 und dem Kondensator C1 bzw. L2 und C2 angeschlossen
und andererseits an einen Punkt zwischen den Widerständen R3 und R4 bzw. R5 und
R6. Die phasengedrehte Spannung wird am Widerstand R4 bzw. R5 abgegriffen und den
Verstärkern V1 bzw. V2 zugeführt.
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Mit Hilfe dieser Phasendrehglieder werden die Spannungen der beiden
Empfängergruppenkreise um etwa 000 gegeneinander verschoben, wenn bestimmte Bedingungen,
z. B.
dabei erfüllt sind, wobei die Resonanzfrequenz
die Mittenfrequenz des Ubertragungsbereiches ist.
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An die Stelle der Phasendrehglieder in Form von Resonanzkreisen können
auch Phasendrehglieder in Form an sich bekannter Kreuzglieder treten. An die Verstärker
Vl und V2 schließt sich die Summen- und Differenzgleichrichterschaltung an, die
aus zwei Differentialübertragern Ül und 22 besteht.
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Jeder Übertrager hat eine Primärwicklung I und zwei Sekundärwicklungen
2 und 3. Am Übertrager tAl sind die Sekundärwicklungen gegenphasig und am Übertrager
82 gleichphasig in Reihe geschaltet, und im Mittenzweig liegen einmal die entgegengesetzt
parallelgeschalteten Gleichrichter D1 und D2 und die Wicklung 4 des polarisierten
Relais PR.
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Hat das Relais zwei Wicklungen, so kann man beide Halbwellen ausnutzen
(Doppelweggleichrichtung). Statt der Summen-Differenzschaltung kann auch eine andere
Phasenanzeige, z. B. mit Hilfe von Doppelgegentaktmodulatoren oder Ringmodulatoren
(Pfannenmüller-Waltersche Gleichrichterbrücke) oder nach wattmetrischem Prinzip
(Kreuzspulinstrument, Quotientenmesser), benutzt werden U1 U2 cos o oder mit einem
Instrument nach dem Induktionsprinzip (Drehfeldinstrument). Die Reihenfolge der
einzelnen Schaltteile kann natürlich auch je nach Anpassungszweckmäßigkeiten anders
gewählt werden.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Bei der Empfangsvorrichtung
nach der Erfindung dient als auslösendes Moment die Phase der Welle des Strahlers.
Die beiden Mikrofongruppen G1 und G2 werden mit kleiner seitlicher Verschiebung
von etwa 20 cm zueinander aufgestellt. Kommt der Schall von rechts, so trifft er
auf die rechte Gruppe G2 etwas früher als auf die linke. Kommt der Schall von links,
so trifft er auf die linke Mikrofongruppe Gl etwas früher als auf die rechte auf.
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Fällt der Schall senkrecht zu beiden Gruppen ein, so trifft er auf
beide Mikrofongruppen gleichzeitig.
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Das bedeutet, daß bei einer bestimmten Frequenz der Phasenwinkel positiv,
Null oder negativ wird, je nachdem der Schall von rechts, von vorn oder von links
kommt. In der nachfolgenden elektrischen Schaltung wird nun von den durch den Schall
bedingten elektrischen Spannungen die Summe und die Differenz gebildet. Fällt der
Schall von rechts ein, so würde im Fall einer Phasenverschiebung von + 1800 die
Summe Null, die Differenz aber das Doppelte der Amplitude sein. Fällt der Schall
von vorn ein, so ist die Phasenverschiebung Null, und die Summe wäre das Doppelte,
die Differenz aber Null. Fällt der Schall ganz von links ein, entsprechend einer
Phasenlage von - 1800, so ist die Summe wieder Null, die Differenz das Doppelte.
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Die Auswertung erfolgt in der erläuterten Summen-und Differenzschaltung
mit den Übertragern Üi und 22 und den Gleichrichtern D1 und D2 sowie dem polarisierten
Relais PR. Die Summen- und Differenzströme werden in dieser Schaltung gleichgerichtet
und derart über die Wicklung 4 des Relais PR geführt, daß nur ihre Differenz den
Relaisausschlag verursachen kann. Sind beide Ströme gleich groß, so ist ihre Differenz
Null, und das Relais tritt nicht in Tätigkeit. Ist die Summe größer als die Differenz,
der Phasenwinkel also gleich Null, so schlägt das polarisierte Relais PR nach rechts,
ist dagegen die Differenz bei einem Phasenwinkel = I800 größer als die Summe, so
schlägt es nach links aus. Bei einem Phasenwinkel von go0 würde die Summe gleich
der Differenz sein, und das Relais würde überhaupt nicht ausschlagen.
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Dieser Fall würde eintreten, wenn die Schallquelle etwa unter 450
sich zur Senkrechten der Ebene der Mikrofonzeilen G1 und G2 befände. Es ist hingegen
oft erwünscht, daß dieser Fall nicht erst stattfindet, wenn die Schallquelle senkrecht
zu den Mikrofonzeilen G1 und G2 liegt. Daher wird erfindungsgemäß mit Hilfe der
Phasendrehglieder eine künstliche Phasenverschiebung von go0 auf elektrischem Wege
bewirkt. Dann legt eine Schallquelle jenseits, also rechts der Ebene E, das Relais
auf die rechte Seite und eine Schallquelle diesseits, also links der Ebene, auf
die linke Seite um. Damit nun das einmalige Umlegen des Relais noch kein Signal
auslösen kann, wird das Hauptrelais H über die bereits erläuterte Kondensatorschaltung
so betätigt, daß das Hauptrelais H erst in Tätigkeit tritt, wenn das polarisierte
Vorrelais PR beim Umlegen nach rechts den Kondensator C aufgeladen hat und ihn darauffolgend
mit einer gewissen Zeitkonstante über die Wicklung 5 des Hauptrelais H entlädt,
und zwar dadurch, daß das Vorrelais PR nach links umgeklappt ist. Beim Ansprechen
schaltet der Kontakt des Hauptrelais H einen Summer S od. dgl. auf die Leitung L,
so daß ein Signal fortgeleitet wird.
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Die Wahl der Lade- und Entladezeitkonstanten des Kondensators C spielt
dabei eine bestimmte Rolle. Damit nicht ganz kurze Impulse oder ein Schallrichtungswechsel
in sehr langen Zwischenräumen das Signal auslösen können, werden die Ladezeitkonstanten
nicht zu klein und die Entladezeitkonstanten nicht zu groß gewählt.
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Die Länge der Mikrofonzeilen G1 und G2 steht in einem gewissen Zusammenhang
mit dem ausgenutzten Frequenzband. Gerichtete Mikrofonzeilen haben einen doppelten
Vorteil. Einmal werden seitliche Störgeräusche unterdrückt, ferner werden durch
die Richtwirkung Reflexionen des Schalles od. dgl. unwirksam gemacht, so daß Sekundärschall
die Vorrichtung nicht auslösen kann. Die Richtwirkung der Mikrofonzeilen soll einerseits
sehr scharf sein, andererseits soll sie aber unter dem Winkel, bei dem der Ausschlag
des Relais erfolgt, genügend Schallintensität aufnehmen. Die Erfindung ist auch
bei Schallgeräuschen, die sich über ein großes Schallspektrum erstrecken, anwendbar.
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Es ist zweckmäßig, aus dem Schallspektrum nur einen Teilfrequenzbereich
herauszusieben und in der Vorrichtung auszunutzen. Dies erfolgt durch geeignete
Dimensionierung der Frequenzsiebe O, und 02. Zur weiteren Verschlüsselung kann man
für verschiedene Frequenzbereiche dieselbe Vorrichtung mehrmals anwenden, wenn das
Geräusch charakteristische Frequenzgebiete hat.
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An Stelle der Empfängergruppen, die aus mehreren parallelgeschalteten
Mikrofonen od. dgl. bestehen, kann auch eine Mikrofongruppe verwendet werden, die
in Fig. 6 dargestellt ist, Hier ist nur cin einziges Mikrofom M vorgesehen, an das
Röhren oder Schläuche Rö so angeschlossen sind, daß ihre öffnungen Ö auf einer geraden
Linie liegen.
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Die Röhren bzw. Schläuche Rö sind alle gleich lang, d. h., die mittleren
Röhren sind in entsprechenden Windungen geführt, um gleiche Laufzeit des Schalles
innerhalb der Röhren zu gewährleisten.
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Eine solche Röhrengruppe hat eine entsprechende Richtcharakteristik
wie eine gerade Strahlergruppe nach Art der erläuterten Mikrofonzeilen.
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Entsprechend der Darstellung in Fig. 7 können die Mikrofonzeilengruppen
oder sonstigen Empfänger versenkt in den Erdboden eingebaut sein und senkrecht nach
oben wirken, so daß der Wirkungsbereich im Luftraum oberhalb der Empfängergruppe
liegt.
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Der in Fig. 5 dargestellte Signalsummer S kann auch durch einen der
Verstärker V1 bzw. V2 ersetzt werden, indem durch das Hauptrelais dieser Verstärker
zu einem Röhrensummer umgeschaltet wird. Zu diesem Zweck werden die gestrichelt
angedeuteten Verbindungsleitungen F zwischen dem Verstärker Vl bzw. V2 und dem Hauptrelais
H bzw. der Fernleitung L gezogen.
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Die geschilderten Zusammenhänge lassen sich unter Hinweis auf Fig.
g bis 11 rechnerisch durch folgende Betrachtungen erfassen: Es seien M1 und M2 die
beiden Mikrofongruppen mit einem Abstand d. Der räumliche Winkel zwischen ihrer
Mittelsenkrechten und der Schalleinfallsrichtung sei # (s. Fig. 10).
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Zum Mikrofon M1 muß dann der Schall um das Stück b länger als zum
Mikrofon M2 laufen. Dieses Stück entspricht bei der Wellenlänge A einem elektrischen
Winkel von b = 360= 3600, um den die Spannungen der Mikrofone gegeneinander verschoben
sind.
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Durch die nachfolgende elektrische Schaltung wird nun der Winkel
v,' um go0 gedreht, so daß #=#' - 90° ist. Es wird drerner die Summe und die Differenz
dieser beiden Spannungen, die gleiche Amplitude U1 = U2 = U haben mögen, gebildet.
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Aus der Vektordarstellung Fig. 11 ergibt sich # D sin = , 2U' cos
#/2 = S/2U.
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Der Relaisstrom ist wegen der Gleichrichtung der Differenz der Absolutbeträge
von 1 S! - D proportional.
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Es ist daher
statt dessen läßt sich auch schreiben:
und dieses ist nach einer einfachen trigonometrischen Umformung
Es ist aber yr = W + go0 und daher w = sin f 360 + 90°
das ist für d = #/2 Is - |D| = {/2 U R sin (go sin), wenn R = f(#) die Richtwirkung
der Mikrofonzeile ist.
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Eine Auswertung für eine Zeile von 60 cm Länge zeigt Fig. 9.
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Es ist zweckmäßig, mehrere Stationen in lückenloser Aneinanderreihung
über ein bestimmtes Gebiet verteilt vorzusehen, um dieses Gebiet zu überwachen.
Ein Prinzipschaltbild dieser Art ist in Fig. 8 dargestellt, wo die Stationen S...
Ss in gewissen Abständen in der Durchgangsebene E aufeinanderfolgend angeordnet
sind. Die einzelnen Stationen stehen über Fernleitungen oder drahtlose Verbindungen
mit der Zentralstation Z in Verbindung, wo die Signale empfangen und überwacht werden.
Dabei werden zweckmäßig von den einzelnen Stationen S... Ss die Signale nach dem
Prinzip der Mehrfachtelegraphie mit unterschiedlichen Frequenz- oder Zeichenfolgen
an die Zentralstation Z abgegeben, sobald in den entsprechenden Stationen ein Strahler
durch die Ebene hindurchgeht.
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Um größere Sicherheit zu erlangen, können zwei oder mehrere Reihen
von Peilanlagen hintereinandergeschaltet werden. Auf diese Weise ist es möglich,
mit feststehenden Stationen bewegliche Strahler zu empfangen und zu überwachen,
z. B. für Blindlandung auf einfachen Feldflugplätzen.
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Man kann umgekehrt jedoch auch die Empfangsstation beweglich machen,
um damit feststehende Strahler zu peilen. Die Empfangsvorrichtung wird hierfür nach
Art der Drehpeiler drehbar gemacht oder mit Hilfe eines motorischen Antriebes in
Umlauf gesetzt oder derart angetrieben, daß sie eine periodische Schwenkbewegung
ausführt, z. B. zur Anpeilung von Nebelsignalen auf Schiffen.
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Der Erfindungsgegenstand ist nicht auf Schallstrahler und Schallempfänger
beschränkt, er kommt auch für Hochfrequenzstrahler und drahtlose Sender und Empfänger
od. dgl. in Betracht.
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Die Fig. 5 a zeigt das Schaltbild eines Ringmodulators in Verwendung
als Phasenvergleichsschaltung und die Fig. 5 b das Schaltbild eines Doppel-Gegentaktmodulators
als Phasenmeßschaltung. Beide Schaltungen können in Fig. 5 an die Stelle der Summen-
und Differenzschaltung treten.
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Die Fig. g zeigt in einem Polardiagramm den Relaisstrom der Schaltung
in Abhängigkeit vom räumlichen Winkels. In den schräg schraffierten Bereichen ist
der Relaisstrom positiv entsprechend einem Relaisausschlag nach links und in den
über Kreuz schraffierten Bereichen ist der Relaisstrom negativ entsprechend einem
Ausschlag nach rechts.
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An Hand von Fig. I2 bis 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung nach der Erfindung erläutert. Hier wird das Erfindungsprinzip dadurch
verwirklicht, daß ein Druckempfänger mit einem Gradientenempfänger iiber eine Summen-und
Differenzschaltung zusammengeschaltet ist, in der einmal die Summenspannung beider
Empfänger und einmal die Differenzspannung beider Empfänger gebildet und gegebenenfalls
getrennt verstärkt wird, worauf die gleichgerichtete Differenzspannung beider Kanäle
dem polarisierten Relais zugeführt wird.
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In Fig. 12 besteht die Vorrichtung aus dem Druckgradientenempfänger,
z. B. Druckgradientenmikrofon DG, und dem Druckempfänger, z. B.
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Druckmikrofon DE. Die Ausgangsklemmen des Druckgradientenempfängers
DG sind mit der Primärwicklung des Differentialübertragers Ü1 und die Ausgangsklemmen
des Druckempfängers DE mit der Primärwicklung des weiteren Differentialübertragers
22 verbunden. Die Übertrager Si und 22 haben je zwei Sekundärwicklungen, von denen
jeweils die einen in gleichphasiger Reihe geschaltet und mit dem Verstärker Vl verbunden
sind, während die anderen Sekundärwicklungen gegenphasig in Reihe geschaltet und
mit dem Verstärker V2 verbunden sind. Am Verstärker V1 entsteht somit die Summenspannung
der Ausgangsspannungen des Gradientenempfängers DG und des Druckempfängers DE, während
am Verstärker V2 die Differenzspannung der beiden Empfänger wirksam wird.
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Am Ausgang der beiden Verstärkerkanäle V1 und V2 werden die Summen-
und die Differenzspannung mit Hilfe der Gleichrichter D1 und D2 unter Bildung der
Differenzspannung beider Kanäle gleichgerichtet und dem polarisierten Relais PR
zugeführt.
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Die Wirkungsweise der Schaltung ist an Hand der Richtdiagramme in
Fig. 13 erläutert. Der Druckgradientenempfänger hat die achtförmige Richtcharakteristik
DG und der Druckempfänger die kugelförmige Richtcharakteristik DE. Bei der achtförmigen
Richtcharakteristik DG sind die Spannungen beiderseits der Raumebene E einander
gegenphasig, während bei der Kugelcharakteristik DE ringsherum Spannungen gleichbleibender
Phase entstehen. Durch die Summenbildung entsteht rechts der Ebene E die nierenförmige
Richt-
charakteristik N1 und durch die Differenzbildung auf der
linken Seite der Ebene E die spiegelbildliche Nierencharakteristik N2.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung beruht darauf, daß hier die Summen-
und Differenzbildung auf rein akustischem Wege vorgenommen wird.
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Der Druckempfänger ist ungerichtet und nimmt von allen Seiten den
Schall mit gleicher Phase auf.
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Bei dem Gradientenempfänger mit achtförmiger Richtcharakteristik tritt
eine Phasenumkehr ein, je nachdem, ob der Schall von hinten oder von vorn einfällt.
Dies beruht darauf, daß der Schalldruck ein Skalar und der Schalldruckgradient ein
Vektor ist. Kombiniert man die achtförmige Richtcharakteristik mit der Kugelcharakteristik,
so ergibt sich in bekannter Weise eine Nierencharakteristik.
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Durch Vertauschung in der Polung der Achtcharakteristik kann man eine
nach rechts gerichtete und eine nach links gerichtete Niere erzeugen und damit ähnlich
wie bei der elektrischen Summen-und Differenzbildung das Relais nach links oder
nach rechts zum Ausschlagen bringen, je nachdem, welche Nierencharakteristik die
überwiegende Spannung zur Folge hat.
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Man kann die Richtwirkung verbessern, wenn man erfindungsgemäß als
Druckempfänger DE eine Gruppe von mehreren gleichphasig zusammengeschalteten und
nach Art der geraden Strahlergruppe wirkenden Druckempfängern verwendet und als
Gradientenempfänger eine entsprechende Gruppe von mehreren gleichphasig zusammengeschalteten
Gradientenempfängern. Man erhält dann ähnliche scharf gerichtete Richtcharakteristiken,
wie sie in Fig. 3 dargestellt sind.
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Es ist an sich denkbar, an Stelle des mit einem D ruckempfänger kombinierten
Gradientenempfängers zwei getrennte Mikrofone mit Nierencharakteristik zu verwenden.
Hierbei ergeben sich jedoch dann Mängel, wenn das eine Nierenmikrofon unempfindlicher
wird als das andere Nierenmikrofon, so daß sich dann Peilfehler ergeben.
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Daß Summen- und Differenzbildung, die sonst elektrisch vorgenommen
wurde, ebenso wie die go°-Verschiebung hier akustisch geschieht, läßt sich durch
folgende Rechnung zeigen: Die Eingangsspannungen an den Verstärkern sind S = p +
gradp und D = p - grad p.
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Das Potential einer ebenen Welle ist 3 = A ej(#t-kx), p = q ##/#t
= j # A ei(#i - kx), ## gradp = = -j2#Q k ej (#t - kx) oder grad p -jkp, d. h.,
der Gradient p und der Schalldruck sind wegen der Multiplikation mit j um go0 zeitlich
gedreht.
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Vorteile dieses Verfahrens sind, daß es eindeutig für alle Frequenzen
gilt, Nachteile, daß das Gradientenmikrofon schallweicher ist und daher windempfindlicher
sowie daß in der stehenden Welle räumliche Phasenverschiebungen zwischen Druck und
Gradient eintreten können.
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Zur Erläuterung der prinzipiellen Unterschiede zwischen der in Fig.
5 dargestellten Vorrichtung und der Vorrichtung nach Fig. 12 wird folgendes ausgeführt:
In der fortschreitenden Welle besteht zwischen Schalldruck und Schalldruckgradient
eine zeitliche Verschiebung um go0, da gradp= zip ist.
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In der stehenden Welle besteht dagegen zwischen Schalldruck und Schalldruckgradient
eine räumliche Verschiebung um
p = jo) 2Qeittcoskx und gradp = ja)2QketWtsink% ist.
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Q = Ergiebigkeit, k = 2#/# = #/c Kreiswellenzahl.
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Zum Beispiel direkt am Erdboden (x = 0.) ist p ein Maximum und grad
p = o. Es würde also nur eine Kugelrichtwirkung herrschen, d. h., das Verfahren
ginge nicht.
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Bei den ersten Schalldruckverfahren reagieren beide Kanäle nur auf
den Schalldruck, so daß es auch auf dem Erdboden funktioniert.
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Da allerdings selten eine reine stehende Welle vorkommt, kann in
der Praxis auch diese Anordnung funktionieren, namentlich wenn die Empfänger in
einer Höhe über dem Erdboden aufgestellt sind und der Schall kein reiner Sinuston
ist.
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In Fig. 14 und 15 ist der Zusammenbau des Druckgradientenempfängers
DG mit dem Druckempfänger DE im Grundriß und Aufriß dargestellt.
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Beide Empfänger bzw. Mikrofone werden zweckmäßig übereinander angeordnet,
und zwar in der gleichen Vertikalachse.