DE376522C - Verfahren zur Messung von Entfernungen mit Hilfe von Schallwellen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Messung von Entfernungen mit Hilfe von Schallwellen. Es ist ein längst bekannter Gedanke, Entfernungen durch Messung der Zeit zu bestimmen, die ein Schall zum Durchlaufen der Entfernung braucht. Handelt es sich darum, die Entfernung einer den Schall reflektierenden Fläche von einer gegebenen Stelle zu bestimmen, so benutzt man das Schallecho. Letztere Methode ist besonders für die Messung von Meerestiefen von Bedeutung und es sind verschiedenartige Vorrichtungen hierfür ausgebildet worden. Die größte Schwierigkeit dieser Methoden liegt darin, daß bei geringen Entfernungen die Zeit, die der Schall zur Zurücklegung braucht, außerordentlich klein ist. Für eine Entfernung von 1,5 m im Wasser braucht der Schall z. B. nur etwa 1/100o Sekunde. Einrichtungen zur Messung solch kleiner Zeiten sind jedoch sehr schwer herzustellen.
• Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, daß sie von einer direkten Zeitmessung, d. h. von der zeitlichen Fixierung des Anfanges und Endes eines Ereignisses überhaupt absieht und dafür die Feststellung der Gleichzeitigkeit zweier Ereignisse benutzt, denn die Gleichzeitigkeit zweier Ereignisse kann mit außerordentlicher Genauigkeit festgestellt werden. Dieser Gedanke wird in der Weise ausgenutzt, daß von einer Schallquelle Schallimpulse ausgesandt werden und ihre zeitliche Aufeinanderfolge so lange verändert wird, bis das Eintreffen eines Impulses am Ende der zu messenden Strecke zeitlich zusammenfällt mit der Aussendung eines folgenden Impulses bzw. mit dessen Eintreffen am Anfang der zu messenden Strecke und die Zahl der Impulse pro Zeiteinheit ein Maß für die Entfernung abgibt.
• Das zeitliche Zusammenfallen beider Ereignisse wird entweder akustisch mit Hilfe eines Mittenrichtungseindruckes nach der binauralen Hörmethode oder elektrisch durch Überlagerung der Einwirkungen beider Ereignisse auf ein gemeinsames Anzeigeinstrument, welches im Falle der Gleichzeitigkeit ein Maximum oder Minimum anzeigt, bestimmt.
• Ist Gleichzeitigkeit festgestellt, so hat man nur die Impulse pro Zeiteinheit zu zählen und hat in dieser Zahl ein Maß für die Entfernung, denn diese ist gleich der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles in dem betreffenden Medium dividiert durch die Zahl der Impulse pro Sekunde. Man verfährt dabei auf folgende Weise. Es wird z. B. auf akustischem Wege durch die Einstellung des Mittenrichtungseindruckes nach der binauralen Hörmethode festgestellt, wann das Eintreffen eines Impulses am Ende der zu messenden Strecke genau zeitlich mit der Aussendung eines folgenden Impulses am Anfang der Strecke zusammenfällt. Wenn nun die Frequenz der Impulse von den niedrigsten Werten beginnend immer größer gemacht wird, so läßt sich feststellen, ob der auftretende Mittenrichtungseindruck der erste, zweite oder dritte usw. Mittenrichtungseindruck war. Man fängt mit den niedrigsten Impulszahlen an und steigert die Zahl kontinuierlich. Der erste Mittenrichtungseindruck, welcher wahrgenommen wird, entspricht dem zeitlichen Zusammenfallen des Eintreffens eines Impulses am Ende der zu messenden Strecke mit der Aussendung des nächstfolgenden Impulses. Wird die Impulszahl weiter gesteigert, so verschwindet dieser Mittenrichtungseindruck, bis bei einer gewissen Steigerung, nämlich der doppelten Impulszahl, wieder ein Mittenrichtungseindruck auftritt usw.
• Ist nicht auf Gleichzeitigkeit des Eintreffens zweier unmittelbar aufeinanderfolgender Impulse eingestellt, sondern auf Gleichzeitigkeit des Eintreffens eines Impulses mit dem übernächsten oder drittnächsten, so ist die Zahl der Impulse vorher mit 2 bzw. 3 zu multiplizieren.
• Zur Erzeugung der Schallimpulse können z. B. eine Klopfvorrichtung, ein elektrischer Membransender oder eine Reihe von aufeinanderfolgenden Explosionen dienen. Die Zahl der Impulse wird durch eine Tachometervorrichtung (Frequenzmesser) angezeigt und diese direkt in Metern geeicht. Zur -Messung von Meerestiefen wird der reflektierte Schall benutzt und die Skala des Anzeigeapparates direkt in Tiefenmetern geeicht.
• Die Erfindung möge an Hand der Abb. i bis 5 näher erläutert werden.
• In Abb. i ist S ein Schallsender (Membransender), von dem die als stark gedämpfte Wellenzüge gezeichneten Schallimpulse ausgehen. F_ 1 und E" sind zwei Schallempfänger. Die Impulsfolge ist so gewählt, daß in E., gerade ein Impuls ankommt, wenn der nächstfolgende in El anlangt. Ist die Zahl it. der Impulse pro Sekunde bekannt, so ist die zu messende Entfernung wo c die Schallgeschwindigkeit ist.
• Der Empfänger E1 kann wegfallen, wenn man den Moment des Aussendens eines Impulses dadurch festlegt, daß man im Moment des Einschaltens des Senders etwa einen Hilfsstromkreis, der parallel zum Sender liegt, schließt und dadurch ein Anzeigeinstrument betätigt.
• Abb. 2 zeigt die Anordnung des Senders S und des Empfängers F_2 an Bord eines Schiffes. Der Schall läuft von S nach dem Meeresboden, wird dort reflektiert und gelangt dann nach B.,. Aus der sich aus der Impulszahl n und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles im Wasser ergebenden Strecke 2b und der bekannten Entfernung 2c läßt sich die Tiefe t leicht ermitteln.
• In Abb. 3 ist eine Anordnung dargestellt, die gestattet, die Gleichzeitigkeit des Eintreffens der Schallimpulse in El und £., nach der bekannten binauralen Hörmethode festzustellen. El und E., sind als zwei Mikrophonempfänger gedacht, die durch die Batterien B1 und B.., gespeist werden und mit den Telephonen T1 und T, verbunden sind. Die Stromkreise I und Il beider Empfänger sind vollständig getrennt voneinander. Der Beobachter K hält das eine Telephon an das linke Ohr, das andere an das rechte Ohr. Wenn der Schall nicht gleichzeitig ankommt, hört er ihn, je nach der Zeitdifferenz, entweder in jedem Ohr für sich getrennt, oder er hat einen einheitlichen Richtungseindruck. Dieser tritt auf, wenn die Zeitdifferenz kleiner als etwa 0,03 Sekunden wird. Der Schall scheint von der Seite des zuerst erregten Ohres zu kommen. Wird die Zeitdifferenz noch kleiner, so hat man den Eindruck, als wandere die Schallquelle mehr nach der Mitte. Besteht keine Zeitdifferenz mehr oder ist sie kleiner als etwa 0,00003 Sekunden, so hat man genau Mitteneindruck, d. h. die Schallquelle scheint gerade voraus zu liegen. Dieser Fall ist sehr scharf einstellbar und ermöglicht also eine Feststellung der Gleichzeitigkeit des Eintreffens der Schallimpulse in El und E, mit nahezu z/zooooo Sekunde Genauigkeit.
• Abb.4 zeigt einen elektrischen Membransender S, der durch Gleichstromimpulse von der Batterie B mit Hilfe der rotierenden Kontaktvorrichtung M (Motor) gespeist wird. Auf der Kontaktscheibe R aus Isoliermaterial ist ein Kontakt IL angeordnet, der mit dem Stromzuführungsring Z leitende Verbindung hat. Die Bürste A2 führt den Strom zu, A1 nimmt ihn ab. Bei jeder Umdrehung erhält also der Sender einen Gleichstromstoß. S, und S2 sind zwei Schleifringe, von denen z. B. Wechselstrom, zu Speisung eines Frequenzmessers abgenommen werden kann. Die Empfänger El und E2 wirken über die Induktionsspulen 11 und 1, auf ein gemeinsames Anzeigeinstrument G, das j e nach der Polung der Empfänger den Moment der Gleichzeitigkeit des Eintreffens der Schallimpulse in El und E2 durch ein Maximum oder Minimum anzeigt. Die parallel geschalteten Widerstände LW, und LW, gestatten ein Abgleichen der Wirkungen beider Empfänger auf möglichst gleiche Intensität. Man ändert also bei dieser Vorrichtung die Tourenzahl des Motors M so lange, bis das Anzeigeinstrument ein Maximum oder Minimum anzeigt und liest dann am Frequenzmesser F die Kontaktzahl pro Sekunde ab, um daraus die Entfernung a zu berechnen, oder ersieht, wenn der Frequenzmesser in Meter geeicht ist, direkt die Entfernung bzw. bei einer Anordnung gemäß Abb. z die Tiefe.
• Abb.5 zeigt eine analoge Anordnung wie Abb. 4. Doch ist hier nur ein Empfänger E2 nötig. Im Moment des Kontaktgebens wird durch einen parallel zum Sender gelegten Stromkreis eine direkte Wirkung auf das Anzeigeinstrument G ausgeübt. Die Stärke wird auf die vom Empfänger E2 gelieferte Wirkung mit Hilfe des Widerstandes W z. B. abgeglichen. Es wird also hier auf Gleichzeitigkeit des Aussendens eines Schallimpulses und des Eintreffens eines vorangegangenen an E2 eingestellt. Diese Anordnung kann natürlich zweckentsprechend auch auf die binaurale Hörmethode (Abb. 3) angewandt werden.

Claims (1)

1. PATENT-ANSPRÜCFIE: z. Verfahren zur Messung von Entfernungen mit Hilfe von Schallwellen, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Schallquelle Schallimpulse in solchen Zeitabschnitten ausgesandt werden, daß die Aussendung eines I.mpulsesbzw. sein Eintreffen an einer Empfangseinrichtung am Anfang der zu messenden Strecke zeitlich zusammenfällt mit dem Eintreffen eines vorausgegangenen Impulses an einer Empfangseinrichtung am Ende der zu messenden Strecke, so daß die Zahl der Impulse pro Sekunde ein Maß für die Entfernung ist. Verfahren nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß der Moment des Aussendens eines Impulses bzw. dessen Eintreffens am Anfang der zu messenden Strecke mit dem einen Ohr, der Moment des.Eintreffens eines vorangegangenen Impulses am Ende der zu messenden Strecke mit dem anderen Ohr abgehört und die Gleichzeitigkeit beider durch einen Mittenrichtungseindruck nach der binauralen -Hörmethode festgestellt wird. 3. Verfahren nach Anspruch z, dadurch gekennzeichnet, daß im Moment des Aussendens bzw. Eintreffens eines Impulses am Anfang der zu messenden Strecke und im Moment des Eintreffens eines vorangegangenen Impulses am Ende der zu messenden Strecke Einwirkungen auf ein gemeinsames Anzeigeinstrument hervorgerufen werden und daß die Gleichzeitigkeit beider Momente durch ein Maximum oder Minimum der Wirkung festgestellt wird. 4. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach den Ansprüchen z bis 3, gekennzeichnet durch einen mit einzelnen Stromstößen durch einen rotierenden und mit einem Umdrehungszähler verbundenen Kontaktgeber gespeisten elektrischen Schallsender und einem zur Aufnahme der an einer Fläche reflektierten Schallimpulse bestimmten Schallempfänger. 5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Schallsender und zwei in Entfernung voneinander angeordneten Schallempfängern, von welchen der eine zur Aufnahme der Schallimpulse unmittelbar nach Verlassen der Schallquelle dient, während der andere zur Aufnahme der von einer Fläche reflektierten Schallimpulse bestimmt ist.