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Verfahren und Vorrichtung zur Richtungsbestimmung von Wellenenergie
eines breiten Frequenzbandes, insbesondere von Schallwellen in Wasser Die Erfindung
bctritit ein Verfahren zur Bestimmung der Einfallsrichtung von Wellenenergie, insbesondere
von SchaHweDen in Wasser. Dabei werden z. T. ähnliche Hilfsmittel benzutzt, wie
sie hei den sogenannten S-Anlagen zur Ortung von Gegenständen in Wasser nach dem
implusrückstrahlverfahren benutzt werden. Bei diesen Anlagen werden in größeren
Zeitalbständen Impuse bestimmter Frequenz, z. B. 20 kHz, in eine verhaltnismäßig
breiten Scktor der Hirzotaben ausgestrahlt und im, Anschluß an jede Impulsaussendung
die von Hinderissen zurückkehrenden Echos empfangen, deren auf (lie Impulsaussendung
bezogenen Eintreffzit den Abstand und deren Einfallsrichtung die Winkellage des
Ilinodermisses angibt Für den empfang der Echos sind zwei in geringem Abstand voneinander
angeordnete Empfänger oder auch zwei seitlich versetzte gleichartige Empfängergruppen
vorgesehen, deren Schwerpunkte gewöhnlich einen so geringen Abstand haben, daß ide
gruppen ineinandergreiifen.
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Die l) ei l=intreffen eines l ; chos erhaltenetl l) eirlen Empfangsspannungen,
deren Frequenz mit der des ausgesanclten Impulses iibereinstimmt, weisen im aligemeinen
einen Phasenunterschied auf, der nur dann zu Null wird, wenn die Echoeintreffrichtnng
mit der Richtung der Normalen zur Verbindungslinie der Empfänger bzw. der Schwerpunkte
der Gruppne, die auch als » lassis « bezeichnet wird, übereinstimmt, und dessen
Große dem auf die Normale bezogenen Einfallswinkel des Echos entspricht. Zur unmittelbaren
Anzeige des Einfallswikels bei feststehender Basis dient ein Phasenmeßgerät, bei
dem Summe und Differenz der beiden Empfangsspannungen als gleichphasige Spannungen
den Ablenk-
plattenpaaren eines Kathodenstrahlrohres zugeführt werden
und eine Ablenlcfigur in Form eines geraden Striches erzeugen, dessen Neigung gegen
eine z. B. senkrechte Bezugs-oder Nullinie den Einfallswinkel angibt und der bei
Einfall des Echos genau senkrecht zur Basis mit der Nullinie zusammenfällt (vgl.
z. B. Elektrische Nachrichten-Technik «, 1937, S. 307 bis 3in).
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Das richtige Arbeiten des erwähnten Phasenmeßgerätes ist daran gebunden,
daß die zugeführten Wechselspannungen eine bestimmte Frequenz haben, auf die das
Gerät eingestellt ist. Wird die S-Anlage mit einer anderen Frequenz oder einem Gemisch
mehrerer Frequenzen betrieben, so hat ein bestimmter Weg-bzw. Laufzeitunterschied
der Schallwellen an den Enden der Basis für verschiedene Freqtienzen, entsprechend
der Verschiedenheit der Wellenlängen, verschiedene Phasenunterschiede zur Folge,
so daß insbesondere für den Fall eines Frequenzgemisches statt einer klaren Strichanzeige
eine flächenhaft verbreiterte Anzeigefigur erhalten wird, die zwar das Vorliegen
einer von der Normalen abweichenden Einfallsrichtung erkennen läßt, aber eine Ablesung
dieser Richtung nicht mehr zuläßt.
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Insbesondere bei Empfang der von einer Geräusschquelle in Wasser,
z. B. einer Schiffsschraube, ausgehenden Wellen, die ein Gemisch verschiedener,
im voraus nicht bekannter Frequenzen darstellen, ist daher die ursprüngliche Anordnung
nicht melir zur Richtungsbestimmung geeignet. Aufgabe der Erfindung ist die Ausbildung
eines Verfahrens, das es ermöglicht, die hohe Anzeigegenauigkeit des nach der Summe-Differcnz-Nlethode
arbeitenden Phasenmeßgerätes auch für den Fall des Empfanges eines breiten Frequenzbandes
auszunutzen.
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Zur Richtungsbestimmung von Wellenenergie, insbesondere von Schallwellen
in Wasser, geht die Erfindung aus von zwei in gewissem Abstand angeordneten Empfängenr
oder zwei Empfängergruppen mit einem gewissen Schwerpunktsabstand, die Empfangsspannungen
mit einetn von der Wellencinfallsrichtung abhängigen Laufzeitunterschied liefern,
in Verbindung mit einer Einrichtung, welche die Richtvektoren der Empfänger oder
Empfängergruppen auf einander gleiche, beliebige Wclleneinfallsrichtungen einzustellen
gestattet, so daß für eine aus bestimmter Richtung eintreffende Welle die Aufhebung
des Laufzeitunterschiedes der Empfangsspannungen bewirkt wird, wenn sie genau auf
diese Welleneinfallsrichtung eingestellt wird, wobei für die Nullanzeige ein nach
dem Summe-Differenz-Verfahren arbeitendes Anzeigegerät vorgesehen ist, das die Phasendifferenz
zweier ihm zugeführter Wechselspannungen bestimmter Frequenz durch die Neigung eines
Ablcnkstriches auf dem Schirm eines Kathodenstrahlrohres gegen eine Bezugslinie
anzeigt.
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Gemäß der Erfindung wird die angegel) enc Anordnung zum Empfang von
Wellenenergie cines breiten Frequenzbandes benutzt und bei Einstellung auf eine
zu bestimmende WeHeneinfalIsrichtung das Auftreten einer mit der Bczugslinie zusammenfallenden
Strichanzeige als Kriterium für die genaue Aufhebung des Laufzeitunterschiedes,
d. h. für die Bestimmung der Richtung verwendet.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das nach der Summe-Differenz-Methode
arbeitende, für eine bestimmte Frequenz geeichte Anzeigegerät geeignet ist, nicht
nur für die Eichfrequenz, sondern auch für beliebige andere Frequenzen die Phasengleichheit
der beiden zugeführten Wechselspannungen durch einen mit der Bezugslinie zusammenfallenden
Ablenkstrich anzuzeigen. Dies erklärt sich dadurch, daß bei Phasengleichheit die
der Differenz der beiden Wechselspannungen entsprechende, senkrecht zur Bezugslinie
wirkende Ablenkung des Leuchtpunktes in jedem Falle verschwindet, so daß nur die
der Summe entsprechende Ablenkung in Richtung der Bezugslinie übrigbleibt. Eine
ebensolche Nullanzeige wird auch erhalten, wenn dem Gerät zwei zusammengesetzte
Wechselspannungen gleicher Kurvenform, die zeitlich nicht gegeneinander verschoben
sind, zugeführt werden, da in diesem Falle die in den zusammengesetzten Wechselspannungen
enthaltenen verschiedenen Frequenzkomponenten keine Phasenverschiebung aufweisen.
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Sind dagegen die zugefüllrten zusammengesetzten Wechsclspannungen
zeitlich gegeneinander verschoben, so wird dies durch das Auftreten einer mehr oder
weniger flächenhaft verbreiterten und gleichzeitig eine dem Vorzeichen des Zeitunterschiedes
entsprechende Schräglage aufweisendenAblenkfigur angezeigt.
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Es ist bekannt, bei einer an einem Schiffskörper angeordneten Gruppe
von Schallempfängern, die zur Bestimmung der Richtung ankommender Schallwellen mit
einer Kompensationscinrichtung zur künstlichen Herstellung der Phasengleicliheit
für wählbare Schalleinfallsrichtungen verbunden sind, die Empfänger in etwa gleichen
räumlichen Abständen auf einem kontinuierlichen, von der einen Seite des Schiffes
über den Kicl zur anderen Seite verlaufenden symmetrischen Kurvenzug anzuordnen.
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I3ekannt ist weiter, bei symmetrisch auf beiden Sciten eines Schiffskörpers
angeordneten Empfängergruppen diese zurAusschaltung des eigenen Schraubengeräusches
gegeneinanderzuschalten und außerdem in jeder der Empfängergruppen zwei Empfänger
oder Reihen von Enupfängern im Abstand einer halben Wellenlänge lotrecht übereinander
anzuordnen und hintereinanderzuschalten, um bei Empfang von in horizontaler Ebene
einfallcnden Schallwellen auch nicht durch das vom Meeresboden reflektierte, von
unten kommende Schraubengeräusch gestört zu werden. Bei Gruppenhorchanlagen fiir
die Feststellung der Richtung einer Schallquelle in Wasser in waagerechter Ebene,
bei denen die Empfangsspannungen mehrerer eine Gruppe bildender limpfänger zwecks
Kompensation der Laufzeitunterschie(le des an den Empfängern ankommen (len Schalls
für eitistellbai-c tSchalleinfallsrichalngell iiber gemcinsam verstellbare auf einem
ebenen Strcifenkollektor gleitende Kontakte einer pelerzögerungskette zugeführt
werden, ist es bekannt, die Streifen des Kollektors (lueur zu ihrer Längsrichtung
zu teilen und die beiden Teilstreifengruppcn
über getrennte Verzögerungsketten
mit einem Anzeigegerät zu verbinden. Bei dieser Anordnung wird die Empfangsspaimung
eines Empfängers je nach der Stellung des zugehörigen Gleitkontaktes auf dem Streifenkollektor
der einen oder der anderen Verzögerungskette zugeführt.
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Die einfachste Möglichkeit, bei dem Verfahren nach der Erfindung
die zeitliche Verschiebung der beiden Empfangsspannungen zu Null zu machen, besteht
darin, die beiden Empfänger bzw. Empfängergruppen mechanisch so zu drehen, daß die
Basislinie senkrecht zur Welleneinfallsrichtung zu liegen kommt.
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Bei größeren Empfängergruppen ist es vorteilhafter, die Gruppen feststehen
zu lassen und die gewünschte Empfangsrichtung durch Kompensation der bei Welleneinfall
aus dieser Richtung vorhandenen Zeitunterschiede der Empfangsspannungen einzustellen.
Um einen Vergleich der beiden Gruppenempfangsspannungen zu ermöglichen, sind zwei
elektrische Laufzeitkompensatoren vorzusehen, die zwecks gemeinsamer Verstellung
mechanisch gekuppelt sind, eine Skala zurAblesung der eingestellten Empfangsrichtung
haben und von denen jeder die Empfangsspannungen einer der beiden Gruppen mit einer
wählbaren Einfallsrichtung entsprechenden Verzögerungen zu einer Gruppenempfangsspannung
vereinigt, und zwar in der Weise, daB auch die beiden Gruppenempfangsspannungen
keinen Zeitunterschied aufweisen. Weicht die tatsächliche Welleneinfallsrichtung
von der eingestellten Empfangs- ngsrichtung ab, so ist die Folge eine gegenseitige
zeitliche Verschiebung der Gruppenempfangsspannungen, die dem Schwerpunktsabstand
der Gruppen in Richtung senkrecht zur eingestellten Empfangsrichtung und der Groie
der Abweichung proportional ist und deren Vorliegen von dem vorgesehenen Nullanzeigegerät
angezeigt wird. An Stelle der Richtungsbestimmung einer ein breites Frequenzband
ausstrahlenden Wcllenenergiequelle in der beim Kompensationsverfahren sonst üblichen
Weise durch Maximalpeilung tritt demnach die genaue Anzeige der zeitlichen Ubereinstimmung
der beiden Gruppenempfangsspannungen gemäß der Erfindung.
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Die Verwenciung kompensierter Empfängergruppen hat wie bei der Maximalpeilung
den Vorteil, daß alle nicht aus der eingestellten Empfangsrichtung kommenden Störgeräusche
stark geschwächt werden. Es versteht sich von sell) st, daß die in den Kompensatoren
verwendeten elektrischen Vcrzögerungsketten iiber Teilstiicke wechselnder Lange,
von welchen die Empfangsspannungen geführt werden, so beschaffen sein müssen, daß
sie alle in Betracht kommenden Frequenzen in gleichem Masse verzögern.
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Die bei dem Verfahren nach der Lrfindtlng erzielbare hohe Peilgenauigkeit
gestattet die Verwendung einander teilweise überlappender bxw. zusammenfallender
Empfängergruppen, die einen verhältnismäßig kleinen Schwerpunktsabstand haben. Dabei
werden im UberlappungsbereichanStellegetrennter Empfänger fiir die beiden Gruppen
zweckmäßig doppelt ausgenutzte Empfänger vorgesehen, die beiden Gruppen zugleich
angehören und ihre Empfangsspannungen gleichzeitig an zwei Kanäle zur Bildung der
den beiden Empfängergruppen zugehörigen resultierenden Empfangsspannungen abgegeben
werden. Durch diese Doppelausnutzung von den beiden Gruppen gemeinsamen Empfängern
im aberlappungsbereich ergibt sich eine Ersparnis an Empfängern und eine Vereinfachung
des Einbaues. An die mittlere Gruppe doppelt ausgenutzter Empfänger schließen sich
nach beiden Seiten hin weitere Empfänger an, die nur einfach ausgenutzt werden und
nur der einen bzw. anderen der beiden Gruppen angehören.
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Für wenig von der Verbindungslinie der Schwerpunkte abweichende Pfeilrichtungen
ist bei feststehenden kompensierten Gruppen die I'eilgenauigkeit verhältnismäßig
gering. Zur Vermeidung dieses Nacliteiles geht man von einer Anordnung von Empfängern
auf einem Kreise, einem Kreisbogen oder einer ähnlichen Kurve aus und greift aus
dieser zwei teilweise zusammenfallende Teilgruppen mit einem gewissen Schwerpunktsabstand
heraus, deren Lage innerhalb der Gesamtanordnung entsprechend der durch Kompensation
der Teilgruppen einzustellenden Empfangsrichtung jeweils so gewählt wird, daß die
Verbindungslinie der Schwerpunkte ungefähr senkrecht zur Empfangsrichtung liegt.
Auf diese Weise ist es möglich, eine für alle Richtungen nahezu gleichbleibende
Peilschärfe zu erzielen. Die Verschiebung der Teilgruppen innerhalb der Gesamtanordnung
kann selbsttätig durch die für die Kompensation der bogenförmigen Teilgruppen vorzusehenden
beiden Kompensatoren durch gleichzeitiges Zu-bzw. Abschalten von Empfängern an den
Enden jeder Teilgruppe in Abjhängigkeit von der Einstellung der Empfangsrichtung
erfolgen, und zwar durch entsprechende Ausbildung der die Einschaltung wechselnder
Verzögerungen für die einzelnen Empfänger bewirkenden Schaltwerke.
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Diese Art der Ausiibung des ernndungsgemäßen Verfahrens ist im folgenden
als Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Es zeigen Abb. i und 2 eine Empfängeranordnung mit einem Sender in
Seitenansicht und Draufsicht, Abb. 3 die Streifenkollektoren eines Doppelkompensators
mit den darauf gleitenden Bürsten für die Empfängeranordnung nach Abb. i in schematischer
Darstellung.
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In dem vorderen Teil i eines dafür besonders ausgebildeten U-Boot-Kieles
ist eine Empfängeranordnung, bestehend aus drei übereinanclerliegenden Reihen gleicher
Empfänger 2 eingebaut, ferner ein nach voraus gerichteter, einen Wirkbereinch von
a = 30° aufweisender Sender 3 und gegebenenfalls noch eine zur Aussendung gerichteter
Schallcnergie fester Frequenz vorgesehene Sendeeinrichtung 4, die als Drehhasis
ausgebildet ist. Je drei übereinanderlicgende Empfänger sind zusammengeschaltet,
so daß sic für den Empfang in der Horizontalebcne als ein Empfänger angesehen werden
konnen.
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Bei der in Abb. 3 dargestellten Kompensationsanordnung sind die Bürsten
5, 6 der beiden Kompensatoren, deren Anordnung ein verkleinertes Abbild der Empfängeranordnung
gibt, als feststehend angenommen. Unter jeder Bürstenanordnung ist ein Streifenkollekotr
7 bzw. 8, dessen Streifen mit den Gliedern einer Verzögerungskette 9 bzw. ru verbunden
sind, drehbar angeordnet. Die Empfangsspannung jedes Empfängers 2 wird iiber einen
Transformator i und Entkopplungswiderstände 12 den zugeordneten Bürsten zugefiihrt.
Die Ausgangsspannungen der Verzögerungsketten 9, po werden einer Schaltung I3 zur
Bildung ihrer Summe und Differenz und gegenseitigen Phasenverschiebung und anschließend
den Ablenkpaaren eines Braunschen Rohres zugeführt. Die beiden Streifenkollektoren
7, 8 haben eine gemeinsame Dreliachse I5, auf der ein Zeiger 16 zur Anzeige der
Empfangsrichtung angebracht ist. Da jeweils nur ein Teil der Bürsten sich auf den
Flächen der Streifenkollektoren befindet, wird immer nur ein mit der Empfangseinrichtung
wechselnder Teil der gesamten Empfängerzahl zur Richtungsbestimmung ausgenutzt.
Die benutzten Teilgruppen haben die Form zweier ungefähr senkrecht zur jeweiligen
Empfangsrichtung angeordneter Bögen mit seitlich vcrsetzten Schwerpunkten. Die Auswahl
der beiden Teilgruppen erfolgt durch geeignete Ausbildung der Grenzen 16, 17 der
Kollektorflächen, über die die Bürsten auf diese Flächen auf-und ablaufen.
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Wenn Empfangsrichtung und Schalleinfallsrichtung nicht übereinstimmen,
tritt ein Phasenunterschied zwischen den Ausgangsspannungen der Verzögerungsketten
auf, der sich beim Empfang einer bestimmten, geeignet gewählten Frequenz durch Schrägstellung
des Striches am Braunschen Rohr oder bei Empfang eines Frequenzgemisches durch Verbreiterung
des Striches bemerkbar macht.
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Die Empfänger werden zweckmäßig so angeordnet und die Form der Grenzen
16, 17 so gewählt, daß die Zu-und Abschaltung von Empfängern bei den beiden Teilgruppen
gleichzeitig erfolgt. Gegehenenfalls kann dies auch durch beim Drehen der Kollektoren
selbsttätig betätigte Relais in den Bürstenzuleitungen oder den Verbindungen der
den Grenzen 16, 17 benachbarten Streifen mit den Verzögerungsketten sichergestellt
werden. Auch kann an Stelle der plötzlichen Zu-und Abschaltung von Empfängern ein
allmähliches An-und Abschwellen ihrer Wirkung vorgesehen sein, indem die in der
Nähe der Grenzen 16, 17 liegenden Streifen über gestuffte dämpfungsglieder mit der
Kette verbunden werden.
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Durch die Ausnutzung eines breiten Frequenzbandes ist das neue Verfahren
insbesondere auch zum Anpeilen von Geräuschquellen geeignet, im Gegensatz zu den
loekannten S-Anlagen, die hisser ausschließlich zur Richtungsbestimmung nach dem
Echoverfahren mit fester Frequenz benutzt worden sind, Natürlich kann aber acuh
das vorliegende Verfahren bei der Horizontal-Echolotung Anwendung finden, inc (em
gleichzeitig Impulse verschiedener Frequenz mit einem zur Abstrahlung verschiedener
Frequenzen geeigneten Sender ausgesandt werden. Die Horizontallotung kann man in
der Weise mit der Methode der Geräuschrichtungsbestimmung kombinieren, daß die Geräuschrichtungsbestimmung
in einem weiten Winkelbereich, vorzugsweise im gesamten Umkreis erfolgt, wahrend
die Horizontallotung nur auf den Vorausbereich von z. B. 30° beschränkt ist. Hierzu
kann in einem Hohlkörper am Bug des U-Bootes ein entsprechend gerichteter Sender
3 fest eingebaut sein. Man kann aber auch, wie bereits oben gesagt, mit einem drehbaren,
scharf gerichteten Sender 3, 4 arbeiten. Zur Unterdrückung von Störgeräuschen können
z. B. an den Ausgängen der Verzögerungskolben geeignete Hochpaßniter einschaltbar
sein.