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Anordnung zum Senden und Empfangen von Unterwasserschall Gegenstand
der Erfindung ist eine Anordnung zum Senden und Empfangen von Schallenergie, wobei
der verwendete elektroakustische Wandler durch eine Zwischenwand von dem Raum getrennt
ist, in den die Schallenergie eingestrahlt bzw. aus dem sie aufgenommen werden soll.
Insbesondere ist die Erfindung anwendbar auf Echolote, die beispielsweise für Zwecke
der Tiefenlotung auf Schiffen montiert sind. Das Vorhandensein der Zwischenwand
erschwert oder verhindert im allgemeinen durch die mehr oder weniger starke Reflexion
an der Oberfläche der Wand das Durchtreten von Schallenergie. Für senkrechten Einfall
der Schallwellen und bei geeigneter Dicke der Wand in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
wenn nämlich die Wandstärke einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen der halben
Wellenlänge im Wandmaterial entspricht, ist ein nahezu ungehinderter Schalldurchgang
durch die Wand möglich. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, diesen Effekt
für die Schallaussendung mit Unterwasserschallsendern für Echolote auszunutzen.
Dabei ist der Schallsender zur Schiffswand mit seiner Abstrahlungsrichtung senkrecht
angeordnet. Bei einer solchen Anordnung ist man bei der Anbringung des Schallgebers
an solche Stellen des Schiffskörpers gebunden, an denen die Schiffswand senkrecht
zu der gewünschten Richtung des Schallstrahles steht.
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Um von dieser Beschränkung freizukommen, wird erfindungsgemäß von
einem anderen an sich bekannten Effekt Gebrauch gemacht. Dieser besteht darin, daß
bei schrägem Einfall von Schallwellen auf eine Trennwand zwischen zwei Medien unter
bestimmten Voraussetzungen und für einen bestimmten Einfallswinkel in Abhängigkeit
von den Schallgeschwindigkeiten in der Trennwand und im umgebenden Medium und weiter
von der Frequenz der Schallwellen ein ungehinderter
Schalldurchgang
durch die Trennwand erfolgt, sofern man von der Absorption im Wandmaterial absieht.
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Der Einfallswinkel, für den dies erfüllt ist, wird Koinzidenzwinkel
genannt.
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Erfindungsgemäß wird ein Sender oder Empfänger für Unterwasserschall
so im Innern des Schiffskörpers angeordnet, daß seine Richtcharakteristik,
d. h. die Richtung seiner maximalen Abstrahlung oder Empfindlichkeit, unter
dem Koinzidenzwinkel gegen die Normale zur Schiffswand geneigt ist. Zweckmäßig wird
dabei der Wandler im Innern des Schiffes in einen Tank oder ein Gehäuse gesetzt,
das mit Wasser oder mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, deren Scha11geschwindigkeit
annähernd gleich der des Wassers ist. Hierdurch wird die Schallübertragung zwischen
dem Wandler und dem Seewasser erheblich erleichtert.
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Die angegebene Anordnung hat besondere Bedeutung für Echolotgeräte,
bei denen die Richtung der ausgesendeten bzw. empfangenen Schallwellen festliegt,
wie dies bei der Tiefenlotung senkrecht nach unten der Fall ist.
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Gegenüber der sonst üblichen Anordnung der elektroakustischen Wandler
für Echolotzwecke an der Schiffswand ergibt sich hierbei der Vorteil, daß die Schiffswand
selbst zwecks Montage des Wandlers nicht durchbrochen zu werden braucht oder der
Wandler von außen an die Schiffswand angesetzt werden muß. Da sich bei der erfindungsgemäß
angegebenen Anbringung der Wandler im Innern des Schiffskörpers befindet, ist er
vor der Einwirkung des Seewassers geschützt. Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß
der Schwinger auch auf dem schwimmenden bzw. fahrenden Schiff jederzeit leicht überprüft
werden kann. Bei der üblichen Art der Montage am Schiffskörper kann die Prüfung
am schwimmenden Schiff nur durch Taucher oder aber bei Überholung des Schiffes im
Dock durchgeführt werden.
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Der Koinzidenzwinkel, für den quasioptischer Durchgang der Schallwellen
durch die Trennwand erfolgt, ist durch die Beziehung sin 0 = c: C-a angegeben,
wobei cB die Geschwindigkeit der Biegewellen in der Trennwand und c die Schallgeschwindigkeit
in dem umgebenden Medium, beispielsweise Wasser, ist. Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit
der Biegewellen in der Wand von der Frequenz der Schallwellen ist gegeben durch
die Formel
wobei co die Kreisfrequenz der Schallwellen, E den Elastizitätsmodul des
Wandmaterials, ß seine Poissonsche Zahl und Q seine Dichte darstellt, während
d die Dicke der Wand bedeutet.
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In Fig. i ist die Abhängigkeit der Wandstärke d
vom Koinzidenzwinkel
z9 für Eisen als Wandmaterial bei einer Frequenz von 3o kHz dargestellt,
wobei als angrenzendes Medium Wasser angenommen ist.
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Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung eines Schwingers im Innern
eines Schiffskörpers. Die Wandstärke der Schiffsplatten ist hierbei mit 2 cm angenommen,
wobei sich aus Fig. i ein Koinzidenzwinkel von 38' ergibt.
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In dieser Figur bedeutet i: die Außenwand eines Schiffes, an der das
Gehäuse ?, für die Aufnahme des Schwingers 3 montiert ist. Die Hauptabstrahlungsrichtung
des Schwingers bildet mit der Normalen 4 auf der Schiffswand den Winkel e. Das Innere
des Gehäuses 2 ist mit Wasser gefüllt.
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Für Zwecke der Tiefenlotung muß die Abstrahlungsrichtung, die durch
den Pfeil 5 gekennzeichnet ist, senkrecht nach unten weisen, d. h.
auch die Hauptabstrahlungsrichtung des Schwingers 3 im Innern des Schiffes
muß senkrecht nach unten orientiert sein.
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Die Erfindung ist keineswegs auf solche Anordnungen beschränkt, bei
denen die Füllung des Gehäuses, in dem der Schwinger angeordnet ist, aus Wasser
besteht. Grundsätzlich kann auch ein beliebiges anderes Medium an dessen Stelle
verwendet werden, Besteht die Füllung aus einem Material, dessen Schallgeschwindigkeit
gleich oder annähernd gleich der des Wassers ist, so ergeben sich besonders übersichtliche
Verhältnisse bei der Berechnung des Koinzidenzwinkels.