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Unterwasserschallapparat mit einer schwingenden Membran, der eine
zweite parallel verlaufende schwingende Membran zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft
eine Unterwasserscballvorrichtung mit schwingenden Membranen.
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Gemäß der Erfindung wird der Schallapparat (Sender oder Empfänger)
mit zwei parallel schwingenden Membranen versehen, und jede Membran stößt mit ihrer
Rückseite auf einen ihr besonders zugeordneten Luftraum, und der einsteabare Membranenabstand
ist derart gewählt, daß die Membranen durch die an sie beide anstoßende Flüssigkeit
akustisch aufeinander einwirken. Der Wirkungsgrad, sei es für das Senden, sei es
für den Empfang, wird durch die Einwirkung der einen Membran auf die andere erhöht.
Die Membranen können durch Druckwehen oder Schallwellen in Schwingungen versetzt
werden, wenn es sich. um einen Empfänger handelt, oder durch elektrischen Strom
oder andere hierfür geeignete Mittel, wenn es sich darum handelt, Druckwellen in
das flüssige Mittei, z. B. das Wasser, zu senden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Unterwasserschallvorrichtung
(Sender oder Empfänger) mit einer schwingenden Membran und mit einer luft-oder gasgefüllten
Kammer die durch die Membran. aufgenommene oder ausgesandte Energie erheblich gesteigert
wird, wenn zwei solche an der Rückseite dem Gas bzw. der Luft ausgesetzte Membranen
nahe beieinander angeordnet sind. Nicht nur der Wirkungsgrad wird hierdurch gesteigert,
sondern auch die Abstimmung und Empfindlichkeit kann beliebig geändert werden dadurch,
daß der Abstand zwischen den beiden Membranen oder die akustischen. Eigenschaften
derselben geändert werden. Beide Mittel können auch gleichzeitig angewendet werden.
Die Änderung der akustischen Eigenschaften der Membranen erfolgt dadurch, daß der
der Luft ausgesetzte Teil der einen oder beider Membranen durch die Anbringung Austisch
durch:ässigen Materials, wie Gummi, Gelatine o. dgl., oder auch. einer Flüssigkeit,
wie Wasser, Alkohol oder Paraffin, verändert wird. Es lassen sich also alle erwünschten
Bedingungen durch Einstellung des Abstandes der Membranen oder durch richtige Abmessung
der hinter den Membranen angebrachten festen oder flüssigen Masse erreichen.
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Das Prinzip, auf welchem die vorliegende Erfindung beruht, kann kurz
wie folgt dargelegt werden. Eine unter Wasser befindliche Membran, deren Rückseite
an einen Luftraum stößt, arbei.et als Resonator und absorbiert von einer auftreffenden
Welle mehr Energie, als durch, eine gleichartige Fläche hindurchgehen würde, wenn
kein Resonator vorhanden, wäre. Eine Kombination von zwei Meanbranen, deren Rückseiten
an Lufträume stoßen, wie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ,bildet einen
doppelten Resonator. Beim Aussenden von Druckwellen mittels zweier Membranen mit
an Lufträume anstoßenden Rückseiten hat die zweite Membran die Wirkung, daß die
Phasenbeziehungen zwischen den Bewegungen der Schall aussendenden Membran und den
Schwingungen in. dem umgebenden Wasser verändert werden. Wird eine einzige Membran
verwendet, so ist ein Teil der auf das Wasser ausgeübten Kraft mit der Beschleunigung
des Wassers gleichphasig und ein anderer Teil mit der Geschwindigkeit gleichphasig,
wobei nur der erste Teil wirksam ist. Durch die Anwendung einer passend eingestellten
zweiten
Membran kann die Phase der aussendenden Membran so geändert wer- . den, daß die
Membran entweder mit der! Beschleunigung oder mit der Geschwindigkeit gleichphasig
ist oder daß die Phase der . Membran zwischen der Beschleunigung und der Geschwindigkeit
liegt. Diese Einsteilung wird durch Änderung des Abstandes der zweiten Membran bewirkt,
wodurch die Zeit, die eine Schwingung zum Lbergang von der ersten nach der zweiten
Membran unrl dann zum Zurückgehen nach der ersten Membran braucht, verändert wird.
Die Betriebsbedingungen lassen sich nicht nur dadurch einstellen, daß die Fläche
des hinter der Membran anstoßenden Lustraumes geändert wird, sondern auch dadurch,
daß die Abstände der Membranen geändert werden, indem diese auf Träger montiert
sind, die in bezug aufeinander verschiebbar sind.
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Besteht das Doppelmembransystem aus zwei voneinander unabhängigen
Membranen, so verhält sich der ganze Apparat im Falle eines Senders vcqe eine einfache
Schallquelle und im Falle eines Empfängers wie ein einfacher Schallaufnehmer, der
die Schallwellen absorbiert. Bei der Schällaussendung mit einem Membranenpaar, dessen
Membranen nahe beieinander und einander zugekehrt sind, wird der Schall aus dem
zwischen den Membranen liegenden Raum nach allen Richtungen ausgesandt, während
beim Schallempfang Wellen aus allen Richtungen in den Zwischenraum gelangen und
die Membranen in Schwingungen versetzen. Bei einem Apparat mit Rich:ungswirkung
verhalten sich die Membranen wie eine doppelte Schallquelle bzw. wie ein doppelter
Schallaufnahmeapparat, wobei die Wirkung zum großen Teil aufgehoben wird, bis auf
diejenige Richtung, für welche der Apparat eingestellt ist.
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Als Gasfüllung hinter den Membranen kommen außer Luft auch Wasserstoff,
Stickstoff oder ein sonstiges geeignetes Gas unter beliebigem geeigneten Druck in
Frage.
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Die Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele.
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Abb. i ist ein senkrechter schematischer Schnitt durch eine Sendevorrichtung
gemäß der Erfindung und Abb.2 eine abgeänderte Ausführungsform derselben.
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Abb.3 ist ein senkrechter schematischer Schnitt durch eine Empfangsvorrichtung
uad Abb. ¢ eine abgeänderte Ausäührungsform, bei welcher zwei Membranenpaare an
einem Instrument vereinigt sind.
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In Abb. i schließt eine Membran i die eine Seite eines Gehäuses 2
ab, welches einen Elektromagneten 3 enthält, dessen Stromleitungen bei 4 angedeutet
sind. Mit dieser Meribran ist eine zweite (5) zusammen angeordnet, welche ein entsprechendes
Gehäuse 6 abschließt, derart, daß hinter der Membran entweder ein Luftraum oder
ein mehr oder weniger schalldurchlässiger Raum 7 bleibt. Die beiden Membranen i
und 5 sind mit ihren parallelen, gegeneinandergekehrten Flächen auf veränderlichen
Abstand einstellbar. Das eine der beiden Gehäuse 2 und 6 oder beide können teilweise
mit einer Füllung aus festem oder flüssigem Stoff in dem Raum hinter der Membran
versehen sein, so daß nur ein Teil der Rückseite der Luft ausgesetzt ist. Der Abstand
zwischen den beiden Membranen und das Füllungsmaß, d. h. die Größe der der Luft
ausgesetzten Fläche, werden je nach den Anforderungen an Empfindlichkeit und Abstimmung
geändert.
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Jede Schwingung der zweiten Membran wirft eine Reflektion auf die
erste zurück, und für die Zurücklegung des Weges von der einen Membran zur zweiten
und zurück zur ersten ist eine gewisse Zeit erforderlich. Werden die Membranen so
eingestellt, daß die von der zweiten Membran reflektierte Welle die Schwingungen
der ersten Membran unterstützt, so ist der Apparat für die betreffende Frequenz
besonders empfindlich, und bei Änderung des Abstandes wird die größte Empfindlichkeit
bei .einer anderen Frequenz auftreten. Wird angenommen, daß es sich z. B. um einen
Schallsender handelt, dessen erste Membran eine bestimmte Schwingungsfrequenz hat,
so wird die Intensität des ausgesandten Schalles bei verschiedenen Abständen der
zweiten Membran sehr verschieden sein. Wird die zweite Membran von einer Stellung,
in welche die erste bzw. aussendende Membran auf gleicher Phase mit der Beschleunigung
, der Flüssigkeit zwischen den beiden Membranen gebracht ist, also von der Stellung
größter Wirksamkeit plötzlich in eine andere Stellung gebracht, so wird die S.ärke
des ausgesandten Schalles sofort herabgesetzt. Auf diese Weise können durch Änderung
des Membranenabstandes stoßweise Signale bzw. Stakkatosignale ausgesandt werden.
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Dieses Verfahren ist anwendbar zum synchronen Signa"gecen, zur akustischen
Tie_enmessung oder zum Auffinden von Eisbergen und zu ähnlichen Zwecken.
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Abb.2 zeigt eine dahin abgeänderte Ausführungsform, daß beide Gehäuse
2 einen Elektromagneten 3 en,halten, wobei diese Elektromagneten in Serie oder auch
parallel geschaltet sein. können und so erregt werden, daß die beiden Membranen
synchron schwingen, in welchem Falle sie sich gegenseitig verstärken. Wie bei dem
vorigen Beispiel kann die lufthintersetzte Fläche jeder Membran durch Anbringen
oder Einbringen fester
oder flüs--i,er Stoffe in den Innenraum hinter
der Membran geändert werden, um die Empfindlichkeit und die Abstimmung zu ändern.
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Abb. 3 zeigt einen senkrechten Schnitt durch zwei zusammengehörende,
untereinander gleiche Hydrophone (Wassertelephone) i i, i IQ, die mit ihren Membranen
12, 12" gegenseitig zugekehrt und parallel zueinander angeordnet sind. Mikrophone
13 sind an den Membranen in bekannter Weise befestigt und mit Stromleitungen i ¢
versehen. Die Einzelheiten eines solchen Mikrophons sind dem Fachmann geläufig und
bedürfen daher keiner näheren Beschreibung.
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Durch die Zusammenordnung zweier solcher Hydrophone in der gezeigten
Weise wird außerdem der Vorteil erreicht, daß, wenn das eine beschädigt wird oder
sonst in Unordnung gerät, immer noch -das andere zur Aufnahme in der gewöhnlichen
Weise verfügbar ist, während, wenn beide in Ordnung sind, sie sich gemäß der Erfindung
gegenseitig verstärken.
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Die Einstellung des Abstandes zwischen den beiden Membranen und die
regelnde Veränderung der Luftkammer jeder Membran kann in der gleichen Weise wie
bei dem beschriebenen Sender erfolgen, so daß sowohl die Abstimmung a:ls auch die
Empfindlichkeit zur Erzielung jeder gewünschten Bedingung veränderbar sind.
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Bei allen beschriebenen Vorrichtungen wird vorteilhaft, wenn die Abstimmung
und Empfindlichkeit durch entsprechende Anbringung von schalldurchiässigem Material
an der Rückseite der Membranen erfolgt ist und diese in dem gewünschten Abstand
eingestellt sind, die ganze Vorrichtung in ein Außengehäuse oder einen Mantel aus
Gummi oder anderem geeigneten Material eingeschlossen, und alle Zwischenräume, naturgemäß
mit Ausnahme des eingeregelten Raumes hinter den Membranen, werden mit einem schalldurchlässigen
Stoff, wie Gelatine, Gummi und einer geeigneten Flüssigkeit, beispielsweisem auch
der, in die die Vorrichtung eingetaucht ist, also auch Wasser, gefüllt.
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In Abb.4 ist :eine abgeänderte Ausfü'hlrungsform :einer Empfangsvorrichtung
dargestellt, bei welcher 25 ein Innenring ist, an dem mittels geflanschter Ringe
23 je eine Membran 24 befestigt ist, während jeder Ring 23 selbst mit einer Membran
22 versehen ist. Die Membranen 24 werden durch die Flanschen der Ringe 23 zwischen
diesen und dem Innenring 25 in Stellung gehalten, während die Ringe 23 ihrerseits
mittels überwurfringen 21 unter Einschaltung von Dichtungsringen 26 mit dem Innenring
verbunden sind.
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Zwischen den inneren Membranen 24 ist ein Rohr 27 eingesetzt, das
an dem einen Ende eine Gewindebüchse 28 trägt, die durch ,eine Öffnung in der einen
Membran hindurchgeht und .einen vorstehenden Rand hat, um eine Einwärtsbewegung
der Büchse durch die Membranöffnung zu verhüten. Durch die andere Membran geht ebenfalls
eine Büchse, welche den Kopf 29 einer Stiftschraube aufnimmt, deren Gewinde in der
Büchse 28 verschraubt ist. An dem Rohr 27 ist mittels eines geeigneten Hängestückes
210 ein Mikrophon 2 i i aufgehängt, dessen Stromleiter bei 212 angedeutet sind.
Durch Drehen des Kopfes 29 der Stiftschraube kann das innere Membranenpaar 24 etwas
näher zusammengezogen oder etwas weiter auseinanderfedernd gelassen werden, wodurch
der Abstand zwischen den Innenmembranen und den Außenmembranen 22 etwas regelnd
verstellt wird, oder es kann auch der Abstand durch Drehen der Gewinderinge 21 geändert
werden, wobei die elastischen Dichtungsringe 26 die geringe Bewegung, die hier in
Frage kommt, zulassen. Ferner kann die Größe der luftbedeckten Fläche der Membranen
22 in der schon bereits beschriebenen Weise geändert werden, indem in den Zwischenraum
zwischen den Membranen eine geeignete feste Masse, wie Gelatine oder Gummi, oder
eine Flüssigkeit eingebracht wird, die in einem vorbestimmten Maße den engen Spalt
zwrlschen den Membranen 22 und 24 füllt.
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Da die beiden inneren Membranen 24 starr miteinander verbunden sind,
sind sie gezwungen, sich in Obereinstimmung miteinander zu bewegen, so daß also
:eine Einwärtsbewegung der einen Membran einer Auswärtsbewegung der anderen Membran
entspricht. Kommen die Erregerwellen von :enex parallel zu den Membran:ebenen gehenden
Richtung an und sind die Membranenanordnungen an beiden Seiten in bezug auf ihre
Größe, Biegsamkeit usw. genau ausgeglichen, so werden die äußeren Membranen 22 immer
gleichzeitig nach innen und außen bewegt, so da.ß die auf die fest miteinander gekuppelten
inneren Membranen 24 ausgeübten Wirkungen einander aufheben. Kommen die Erregerwellen
jedoch links oder rechts in der Achsenrichtung des Apparates an, so werden die beiden
äußeren Membranen nicht in demselben Augenblick :einwärts und auswärts bewegt, so
daß die miteinarMer starr verbundenen inneren Membranen 24 gleichzeitig und mit
größter Wirksamkeit schwingen können. Die Wirkung nimmt ab; je mehr- die Schallrichtung
gegen die Achse des Apparates geneigt ist. Die relative Empfindlichkeit für verschiedene
Richtungen der Erregerwellen oder erregten Wellen bei Sendern könnte durch einen
Doppelpilz dargestellt werden, dessen Massen gleiche Größe haben und
durch
ein dünnes Verbindungsstück verbunden sind. Ein solcher Apparat hat die kleinste
Empfindlichkeit in der rechtwinklig zu seiner Achse liegenden Richtung.
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Durch Änderung des Abstandes der Membranen 22 von den Membranen 24
oder durch Änderung der luftbedeckten Teile oder durch beides läßt sich nicht nur
die Empfindlichkeit und die Abstimmung an sich ändern; sondern auch die Richteigenschaft
der Vorrichtung regeln. Werden die Membranen: Anordnungen auf beiden Seiten durch
die angegebenen Mittel so eingestellt, daß sie einander akustisch genau entsprechen,
so spricht der Apparat auf- allen Wellen, die in der Achsenrichtung von der einen
:oder anderen Seite herankommen, am meisten an. Wellen, die von anderen Richtungen
.eintreffen, werden also weniger laut empfunden. Ist die akustische Einstellung
der beiden Membranenanordnungen ein wenig verschieden, so spricht der Apparat am
schärfsten auf Wellen aus einer mehr oder weniger bestimmten Richtung an. Bei sehr
verschiedener akustischer Einstellung der beiden Membranenan.ordnungen verschwindet
die Richteigenschaft des Apparates. Durch Einstellung der Membranenabstände und
der hinter den Membranen liegenden Luftschichten ist es möglich, die Schärfe der
Richteigenschaften auf eine Höchstwirkung einzustellen. Bei dem in der Abb. 4 dargestellten
Apparat stoßen die Membranen gegen einen Flüssigkeitsweg, der um das Gehäuse herumgeht,
die. Membranen also nicht auf geradem Wege miteinander verbindet. Es ist bekannt,
daß für die gleichphasige Beeinflussung zweier Gegenstände es nur darauf ankommt,
daß die: Abstände zwischen den Gegenständen weniger als 1,1i Wellenlänge sein müssen.
Ob der Verbindungsweg dabei geradlinig oder krumm ist, ist gleichgültig. Der Apparat
nach Abb. 4 wird so gebaut, daß der die Membranen verbindende krumme Flüssigkeitsweg
dieser Bedingung entspricht.
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Die ganze Vorrichtung kann in eine gallertige oder sonstige schalldurchlässige
Massei in einem äußeren Gehäuse aus Gummi oder ähnlichem Material eingeschlossen
werden.