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Vorrichtung zum gerichteten Senden oder Empfangen von Schallwellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum gerichteten Senden und Empfangen
von Schallwellen mittels magnetostriktiver, aus gleichartigen geschichteten Blechen
aufgebauter elektroakustischer Wandler, und zwar auf eine derartige Ausbildung solcher
Wandler, daß in übersichtlicher Weise bei im Prinzip gleichbleibendem Aufbau durch
passende Wahl einiger veränderlicher Abmessungen Richtkennlinien mit besonderen
Eigenschaften, vorzugsweise mit verkleinerten Nebenmaxima, erhalten werden.
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Die Richttrennlinien einer kontinuierlich strahlenden geraden oder
Kreislinie und einer Kreisfläche sind bekannt. Bei einem Kreisflächenstrahler hat
man durch Einschalten eines linsenförmigen schallabsorbierenden Körpers mit von
der Mitte nach außen zunehmender Dicke in den Strahlengang die Nebenmaxima verkleinert.
Bei kontinuierlichen geradlinigen Strahlern hat man für den gleichen Zweck den Umsetzungsfaktor
zwischen elektrischer Energie und Schallenergie über die Länge nach einem bestimmten
Gesetz, z. B. durch verschiedene Breite der Strahlfläche, veränderlich gemacht.
Bekannt sind weiter Gruppen von gegebenenfalls über Laufzeitglieder zusammengeschalteten
Einzelstrahlern in bestimmter, mehr oder weniger regelmäßiger Anordnung, die selbst
keine Richtwirkung aufweisen und bei denen man die Sende- bzw. Empfangsamplitude
geeignet abstuft, um die Nebenmaxima zu schwächen oder, z. B. für den Fall der natürlichen
Raumcharakteristik konzentrischer Kreisgruppen, praktisch zu beseitigen. Derartige
Gruppen können auch als durch Kombination; mehrerer Untergruppen oder von Untergruppen
mit Einzelempfängern entstanden gedacht werden.
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Erfindungsgemäß werden daher bestimmte Teilabschnitte des im übrigen
gleichmäßigen Blechpaketes,
unter Wahrung des körperlichen Zusammenhangs
und der Form des Gesamtpaketes durch Füllstücke aus magnestriktiv unwirksamem Werkstoff
derart ersetzt, daß die so entstandenen wirksamen Teilstücke des Wandlerpaketes
in einer Ebene senkrecht zur Schichtung der Bleche nicht übereinstimmende Richtcharakteristiken
aufweisen, mit Ausnahme einer etwaigen spiegelbildlichen Übereinstimmung symmetrisch
zur Wandlermitte gelegener Teilstücke, wobei die Gesamtcharakteristik vorzugsweise
ein verkleinertes Nebenmaximum aufweist.
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Es hat sich gezeigt, daß mit einer geringen Zahl passend bemessener
Lücken in einem im übrigen gleichmäßig geschichteten Paket eine in gewünschter Weise
veränderte Richtkennlinie, die die einer gleichmäßig strahlenden, Unterbrechungen
aufweisenden geraden Linie ist, erhalten werden kann. Die durch die Anordnung von
Lücken geschaffenen Paketteile, kann man gegebenenfalls ohne ScTiwiengkeiten
mit Wicklungen versch--W-in iedener Windungszahl oder mit entgegengesetztem dungssmn
versehen. Bei Ausfüllung der Lücken mit planparallele Flächen aufweisenden Körpern
aus nichtleitendem, akustisch nicht störendem Werkstoff, die im übrigen nach dem
Stanzprofil der Bleche geformt sind, unterscheidet sich ein Wandler in der Bauart
nach der Erfindung äußerlich kaum von einem völlig aus Blechen hergestellten. Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Bleche der normalen Form verwendet werden
und eine Änderung der vorausberechneten Anordnung der Lücken leicht möglich ist,
wenn die Erprobung eine solche angezeigt erscheinen läßt, ferner darin, daß solche
Wandler untereinander und gegen solche ohne Lücken ohne weiteres austauschbar sind,
wenn nur die Gesamtlängen übereinstimmen.
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Weiter ergibt sich eine übersichtliche Berechnungsweise, wenn man
von der Richtcharakteristik des lückenlos gedachten Blechpaketes ausgeht und von
dieser die Richtcharakteristik der Lücken abzieht. Man geht dabei von dem Gedanken
aus, daß die Lücken nur eine Art Korrektion an der Richtcharakteristik des lückenlosen
Blechpaketes bewirken sollen.
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Für manche Zwecke ist es ausreichend, wenn nur das erste Nebenmaximum
möglichst weitgehend unterdrückt wird, nämlich überall dort, wo ein zweites Nebenmaximum
entweder überhaupt nicht zur Ausbildung kommt oder in eine nicht mehr interessierende
Richtung fällt. Für diesen Fall genügt es, nur zwei Lücken vorzusehen, wenn diese
nur in einem günstigen Abstand voneinander angeordnet werden und die richtige Breite
aufweisen.
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An Stelle unwirksamer Lücken können auch Teile des Paketes, die etwa
die halbe Breite der Lücken haben, in Gegenphase betrieben werden. Die Erfindung
ist besonders vorteilhaft dann anzuwenden, wenn die Gruppe nur ein einziges Erreger-
bzw. Abnahmesystem aufweist.
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Die Erfindung sei an zwei Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es
zeigt Abb. i ein elektroakustisches Wandlergebilde (Basis) aus in Paketform geschichteten
magnetostriktiven Blechen mit zwei darin angeordneten Lücken, Abb.2 das Zustandekommen
der Richtcharakteristik nach Abb. i an Hand von Schaukurven, Abb. 3 die Richtcharakteristik
der Basis mit Lücken nach Abb. i und die einer kontinuierlichen Basis von gleicher
Länge, Abb. q. eine Abänderung der Basis nach Abb. i, Abb. 5 die zugehörigen Schaukurven
gemäß Abb. 2, Abb.6 die beiden Richtcharakteristiken entsprechend der Abb. 3.
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Bei der Basis nach Abb. i sind in einem aus gleichartigen, mit Ausschnitten
für die Wicklung versehenen Nickelblechen geschichteten Paket zwei Lücken symmetrisch
zur Mitte ausgespart und mit Kunststoffplatten ausgefüllt. Die verbleibenden Teile
des Paketes haben nicht übereinstimmende Richtcharakteristiken und sind mit einer
gemeinsamen Wicklung versehen. Die Richtcharakteristik der Lückenbasis wird in der
oben angegebenen Weise als Differenz zweier Richtcharakteristiken berechnet.
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Die Charakteristik R, der lückenlosen Basis von der Länge
L ist
, wobei
sin y und y
den Einfallswinkel der Strahlung bedeutet. Die Charakteristik
R2 der beiden Lücken zusammen ist (bei den aus Abb. i und 2 ersichtlichen Bezeichnungen)
oder Daher wird unter Berücksichtigung der Intensitäten die resultierende Charakteristik
Durch passende Wahl von
und - kann man den
Verlauf des Korrektionsgliedes so beeinflussen, daß das erste Nebenmaximum des Hauptgliedes
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im Vergleich zum Hauptmaximum weitgehend geschwächt wird. In Abb. 2 ist der Verlauf
der Kurven für den Fall
und - dargestellt. Das
Hauptmaximum von R ist o,8o, das erste Nebenmaximum
a
0,03, d. h. etwa 4 °/o des Hauptmaximums. Das zweite Nebenmaximum b von R
ist 0,13, also 16 °/o des Hauptmaximums. Es ist demnach größer als bei lückenloser
Basis (13 °/o). Das dritte Nebenmaximum wäre auch größer als bei lückenloser Basis.
Wählt man, wie im vorliegenden Falle (Abb.1) L = 1,71 - A,, so wächst p nur zum
Betrag 5,4 an (bei y = go°), und es handelt sich nur um das erste Nebenmaximum.
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In Abb. 3 sind die Charakteristiken einer solchen Lückenbasis und
der lückenlosen Basis auf die Variable y bezogen und im Hauptmaximum auf gleichen
Betrag 1 gebracht. Beachtenswert ist, daß die Peilschärfe (definiert durch den Winkel,
bei dem die Amplitude auf o,7o7 des Hauptmaximums gesunken ist), durch die Lücken
nur ganz unerheblich beeinträchtigt ist. Man kann sie genau aufrechterhalten, wenn
man
wählt, und sie sogar schärfer machen, wenn man
festsetzt. Die Charakteristik R2 in Abb. 2 geht dann nicht bei (p = 2,4 durch die
cp-Achse, , sondern näher bei n. In diesen Fällen lassen sich aber die Nebenmaxima
nicht ganz auf 40/, drücken.
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Das angegebene Verfahren zur Herstellung nebenmaximumschwacher Sender
oder Empfänger ist fabrikatorisch außerordentlich einfach.
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Für manche Zwecke kommt es nur darauf an, in einem bestimmten, beschränkten
Winkelbereich die Nebenmaxima möglichst klein zu halten. Die Basis kann dann beispielsweise
wie in Abb. 4 ausgebildet sein, wobei
und L = 3 A, gewählt ist. Die Charakteristik R3 der kontinuierlichen Basis, der
Lücken R4 und die resultierende Charakteristik R5 haben dann die aus Abb. 5 bzw.
6 ersichtliche Form. Man sieht daraus, daß zwar das erste Nebenmaximum a1 stark
herabgedrückt ist, daß aber bei einem Winkel von go° ein starkes Nebenmaximum cl
sich bemerkbar macht. In einem Winkelbereich bis zu etwa 7o° ist jedoch eine erhebliche
Minderung der Nebenmaxima erzielt. Eine derartige Basis läßt sich beispielsweise
für auf den Grund des Meeres ausgelegte Empfänger verwenden, die lediglich einen
bestimmten, gegen die Meeresoberfläche gerichteten Winkelbereich beherrschen sollen
und bei denen somit der Winkelbereich in der Nähe von go° ohne Belang ist.
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Je nach dem Zweck der Einrichtung kann es unter Umständen sogar erwünscht
sein, kräftige Nebenmaxima zu erzielen. Eine Verstärkung der Nebenmaxima erhält
man durch eine solche Wahl der Lage der Lücken in der Basis, daß die umgekehrte
Wirkung wie bei den dargestellten Beispielen auftritt. Zur Unterdrückung der Nullstellen
der Charakteristik ist eine unsymmetrische Anordnung von Lücken geeignet.