DE2630550A1 - Sender-empfaenger-einrichtung fuer akustische wellen - Google Patents

Description

Sender-Empfänger-Einriehtung für akustische Wellen

Die Erfindung betrifft eine Sender-Empfänger-Einrichtung für akustische Wellen, die insbesondere in einem Doppler-Navigationsgerät verwendbar ist.

Die mit einem Doppler-Havigationsgerät ausgestatteten fahrzeuge umfassen Wandlereinrichtungen, deren Hauptemissionsachsen entsprechend wenigstens einer bezüglich der Vertikalen geneigten Richtung und vorzugsweise entsprechend Richtungen parallel zu den Kanten einer Pyramide gerichtet sind, deren Spitze sich auf dem Pahrseug fe©fladet.

Zurückkommende akustische Impulse werden durch die Wandlereinrichtungen abgegeben. Dl© Impulsechos_?

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welche von einer Bezugsfläche, bezüglich deren man die Fortbewegung des Fahrzeugs bestimmt, reflektiert werden, werden durch die Senderwandler oder andere Wandler aufgefangen.

Die Doppler-FrequenzverSchiebung wird ausgenützt, um die Geschwindigkeit der Fortbewegung sowie die durchlaufene Bahn zu bestimmen.

Jede Wandlereinrichtung umfaßt einen oder mehrere Druckwandler, deren Diagramm der Senderichtcharakteristik eine zentrale Keule umfaßt, deren Achse die Hauptsenderichtung sowie die der seitlichen oder Sekundärkeulen definiert. Akustische Energie wird auch abgegeben und empfangen entsprechend der Richtung jeder der Achsen der seitlichen Keulen. Die Neigung der Achsen der Sekundärkeulen ist unterschiedlich zu der der Achse der Hauptkeule. Hieraus folgt, daß die Dopplerfrequenzversehiebungen, welche die akustischen in der Hauptkeule und in den Sekundärkeulen empfangenen Signale beeinflußt, unterschiedlich sind und daß das Frequenzspektrum der empfangenen Signale streut. Die Messung der Mittelfrequenz des Frequenzspektrums der empfangenen Signale ist mit einem systematischen Fehler aufgrund der Asymmetrie des Spektrums behaftet und führt so zu einer Ungenauigkeit in der Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit sowie seiner durchlaufenen Bahn.

Die Erfindung betrifft eine Empfänger- oder Einfangeinrichtung, deren Ausbildung und Arbeitsverfahren die cbigen Nachteile aii vsraeiclon gestattet. Die Torriohtuiag umfaßt wenigstens ein Paar von Wandleran-

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Ordnungen, um akustische Wellen auszusenden und zu empfangen, wobei die Wandler jeder Anordnung unter gleichem Abstand zueinander angeordnet und parallel zu ein und der gleichen Achse orientiert sind. Die Achsen der beiden Anordnungen sind symmetrisch bezüglich der Vertikalen angeordnet. Vorgesehen sind auch Einrichtungen, um Emissionssignale zu erzeugen.

Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Abstand zwischen den Wandlern jeder Anordnung derart gewählt wird, daß die Projektionslänge dieses Abstandes auf die Vertikale gleich einer ganzen Zahl der Wellenlängen der ausgesandten akustischen Wellen ist.

Im übrigen umfaßt die Anordnung Einrichtungen zum Übertragen der Sendesignale entgegengesetzter Phase auf die beiden Wandleranordnungen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen:

Fig. 1 schematisch eine Wandlernetzanordnung zeigt;

fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung der beiden Netze bezüglich der Tertikaien Achse;

Pig. 3 zeigt schematisch die Hüllkurve des Erequenzspektrums der empfangenen akustischen Signale;

fig. 4 zeigt schematisch die Anordnung der "Hauptstrahlen¹¹ des Prequenzspektrums für den Fall, daß die beiden Wandleranordnungen Signale

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entgegengesetzter Phase aussenden und abgeglichen sind;

Hg. 5 zeigt schematisch die Anbringung der beiden Wandleranordnungen für geringe Entfernungen;

Fig. 6 zeigt schematisch die Anordnung der "Hauptstrahlen¹¹ des Frequenzspektrums für den Fall, daß die beiden Wandleranordnungen Signale entgegengesetzter Phase aussenden und nicht abgeglichen sind; und

Fig. 7 zeigt schematisch Elemente zur Kombination der von einem Eompensationsgeber gelieferten Signale mit den empfangenen Signalen.

Die in Pig. I dargestellte Anordnung umfaßt ein Netz 1 aus Wandlern, deren Achsen parallel orientiert

Die Wandler 2 sind unter regelmäßigen Intervallen a auf einem Chassis 3 befestigt, welches fest mit einem Fahrzeug verbindbar ist. Das Hetz kann auch zweidimensional sein, d.h., daß die Wandler unter regelmäßigen Intervallen über die gesamte Oberfläche eines rechtwinkligen Chassis angeordnet sind.

Zwei Netze, von denen jedes beispielsweise fünf Wandler umfaßt, die schematisch in Fig. 2 in Form von Punktquellen S₁, Sg...S^ und S^, S'g··^¹,-dargestellt sind, sind am Fahrzeug befestigt.

Die Hauptemissionsachsen der Wandler, d.h. ihre Symmetrieachsen, bilden einen Winkel OG mit der Vertikalen,

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Die Amplitude der vom Hetz in einer Richtung unter einem Winkel β zu den Emissionsachsen der Wandler ausgesandten Wellen wird gegeben durch die bekannte Beziehung:

sin (2Tan sin (3 ) sin (2ira sin (3 )

wobei Λ die Wellenlänge der ausgesandten akustischen

Wellen,
a die gemeinsame Entfernung zwischen den

Wandlern und
k ein Proportionalitätskoeffizient ist.

Das der Beziehung (l) entsprechende Richtungsdiagramm der Netze umfaßt eine Hauptemissionskeule A, deren Achse die Hauptemissionsachse ist sowie seitliche Keulen B, B¹, 0, 0^! etc.,die symmetrisch bezüglich der Hauptemissionsachse ausgerichtet sind und aufeinanderfolgende Amplitudenmaxima aufweisen, die schnell in Richtungen (3 -j » ß ρ etc. abnehmen.

Mit f ist die Frequenz der ausgesandten akustischen Wellen bezeichnet. Die Frequenz der Echos der ausgesandten Wellen an der Bezugsfläche ist unterschiedlich, je nach-dem, ob sie der akustischen in der Hauptemissionskeule oder in den seitlichen Keulen ausgesandten Energie entsprechen.

Für den Fall eines gegenüber der Vertikalen in einer Richtung entgegengesetzt zur Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs geneigten Richtung sind die Frequenzen der Echos der entsprechend den Achsen der Hauptkeule A und

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und der seitlichen Keulen B, C zwischen der Hauptemissionsachse und der vertikalen Achse ausgesandten Signale jeweils gleich f^, f₂, f^ etc.,wobei die Frequenz ±„ größer als f_Q ist, wenn die Projektion der Achse der Keule C auf die Horizontale in Richtung der Vorwärtsbewegung orientiert ist.

Die Umhüllende W(f) des Frequenzspektrums der Echos der ausgesandten Signale (Fig. 3) umfaßt relative Maxima W₂ und W₅, die jeweils den Frequenzen f₂ und f~ entsprechen.

Das Frequenzspektrum der Echos der akustischen durch das symmetrisch bezüglich der vertikalen Achse angeordnete Netz ausgesandten Signale ist symmetrisch bezüglich der Frequenz f und weist relative Frequenzmaxima fJJ, f'₂, f'~ etc. auf.

Da die akustische empfangene Energie mit der Fortpflanzungsdauer und damit mit der Neigung der Emissionsachsen bezüglich der vertikalen Achse abnimmt, sind die Echos der in den seitlichen Keulen B* und C ausgesandten Signale wesentlich geringer als die entsprechend den Keulen B und C und die Umhüllende des Frequenzspektrums ist nicht mehr symmetrisch. Sie hat eine größere Amplitude für die Frequenzen zwischen f und f^. Hieraus folgt, daß die Dopplermessung entsprechend den Werten der Funktion:

Jt

⁰⁰ f^Wif) df ο

(2)

Jo'

W(f) df

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durch das Vorhandensein der relativen Maxima f„ und f- hauptsächlich gestört wird: das Ergebnis der auf den Effekt von f.. und f„ beschränkten Messung wird stark durch die relative Amplitude der beiden Strahlen gestört.

Um die Effekte der Sekundärkeulen zu annulieren, besteht das Verfahren nach der Erfindung darin:

- zunächst die erste Sekundärkeule (f«) auf die vertikale Richtung führen, was dazu führt, die Frequenz der Echos der in dieser Keule ausgesandten Signale unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit zu machen.

Um dieses Ergebnis zu erreichen, wählt man die Entfernung zwischen den Wandlern derart, daß das erste seitliche Maximum der Beziehung (1) sich für einen Wert von P gleich & einstellt, d.h., daß

a sin O^ & η λ, (3)

wobei η eine positive ganze Zahl ist,

der Abstand a wird gleich gewählt. ·— sin (j\,

In der Praxis wählt man einen Winkel ^Λ gleich 30°und

der Abstand zwischen den Wandlern ist proportional dem Doppelten der Emissionswellenlänge;

- vermindert man so weit wie möglich die Amplitude des vom Doppler-Effekt nicht betroffenen "Strahls", d.h., die in vertikaler Richtung ausgesandte Energie. Der "Strahl" f verschwindet vom empfangenen Echo, wenn

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- 8 diese Energie zu Null wird.

Die Amplitude A¹ der akustischen von jedem der Netze in einer Richtung unter einem Winkel β zur vertikalen Achse ausgesandten und unter einer Entfernung r vom Netz empfangenen Signale ist

A' ( p, r) = \^το A² (P) exp - 2 ar (4),

wobei A durch die Beziehung 1 definiert ist. k, I , Td und a bezeichnen jeweils den Reflektionskoeffizienten der Bezugsfläche, die gegen diese ausgesandte Schallintensität, einen Koeffizienten zwischen 2 und 4 sowie einen Absorptionskoeffizienten.

Die resultierende von den beiden Netzen in einer Richtung senkrecht zur Bezugsfläche ausgesandte Amplitude, die unter einer Entfernung r empfangen wird, läßt sich schreiben zu:

A« (ß, r) = 5p eip - 2 ar Fl₁ A² (β) +I₂A² (β) r L

wobei I.J und I₂ jeweils die durch die beiden Netze ausgesandten Schallintensitäten sind.

Um den "Strahl" f verschwinden zu lassen, besteht

ο ^J

das Verfahren nach der Erfindung darin, symmetrische Netze bezüglich der vertikalen Achse zu verwenden, deren erste seitliche Keulen äquivalent sind und diese Wandlernetze so zu steuern, daß sie Signale entgegengesetzter Phase (Fig.4) aussenden. Ein Phasenschieber kann in die Emissionsvorrichtung eingebaut sein.

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Da diese Netze mit entgegengesetzer Phase arbeiten, kann man hieraus ableiten, daß die in gewissen Richtungen ausgesandte Energie, insbesondere in den Richtungen der Emissionshauptachsen, vermindert ist.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wählt man die Entfernung D zwischen den Mitten der Netze so, daß eine Phasenkombination der abgegebenen akustischen Signale entsprechend den Hauptemissionsachsen eintritt, d.h., man realisiert:

D sin'X = (2 m + 1) —*r (5)

wobei m eine ganze Zahl ist.

Wenn der Winkel oC gleich 30° gewählt wird, wird D gleich (2 m + 1 ) gewählt.

Die beiden mit entgegengesetzter Phase gespeisten Wandlernetze, die unter einer Länge D zueinander angeordnet sind, erzeugen Interferenzen. Wenn jedoch die Zahl m gleich Null ist, d.h., wenn D gleich jl ist, ist eine konstruktive Interferenz zwischen den Signalen nur in den Richtungen parallel zu den Achsen der Hauptkeulen der beiden Wandlernetze vorhanden. In den der vertikalen Achse benachbarten Richtungen sind die durch die beiden Netze ausgesandten Signale von entgegengesetzter Phase.

Ist die Amplitude der akustischen im Innern der 2 Sekundärkeulen ausgesandten Signale, die entsprechend

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der vertikalen Achse orientiert sind, nicht gleich, so genügt es für den Fall, wo D gleich Λ. ist, mit der Sendevorrichtung eine Amplitudenausgleichsvorrichtung zu kombinieren, um die akustische entsprechend der vertikalen Achse empfangene Energie zu annulieren.

Ist die Zahl m unterschiedlich von O, so können der Vertikalen benachbarte Richtungen existieren, die im Emissions-Empfangswinkel der beiden Sekundärkeulen mit vertikalen Achsen vorhanden sind und für die die akustischen von den beiden Fetzen ausgesandten Signale in konstruktiver Weise interferieren; und die Kompensation erfolgt nur teilweise (Fig.6). Man kann dann das Erlöschen der entsprechend der vertikalen Richtung empfangenen Signale nicht mehr durch eine einfache Abgleichvorrichtung erhalten.

Um dann eine Annulierung zu erreichen, verwendet man einen stark direktiven zusätzlichen Kompensationsempfänger, dessen Empfangsachse vertikal ist. Sein Empfangswinkel soll höchstens gleich 2 oc sein. Er besteht aus einem linearen Netz mit vorzugsweise einem geraden Paar von Wandlern. Dieses Netz ist vertikal unter dem Fahrzeug angeordnet. Die Entfernung d zwischen den ihn bildenden Wandlern wird derart gewählt, daß das Richtdiagramm ein Maximum entsprechend der Vertikalen und ein Minimum in Richtungen (P) aufweist, die benachbart den Hauptemissionsrichtungen der beiden Netze sind. Diese beiden Bedingungen stellen sich dar durch die Beziehungenι

& = ς, Λ. (6)

C- ί U

dcosft=(2p+l) λ (7),

wobei ρ und q ganze Zahlen sind.

Hieraus ergibt sich

5 = ²?⁺¹ (8).

Man wählt die Werte für ρ und q. derart, daß der Winkel (3 nahe dem Winkel Λ wird. Für den EaIl, daß (K gleich 30° ist, wählt man "beispielsweise

ρ = 3 und q, = 4

Das Netz fängt die akustischen Signale Es ein, die benachbart der vertikalen Achse ankommen und auf Interferenzen zurückzuführen sind.

Um eine Annulierung der Signale Es in der Empfängervorriehtung zu erhalten, fügt man diese Signale jeweils den Doppler-Signalen Ep^ und E^₂ » die in den Hauptkeulen empfangen wurden, in Summiereinrichtungen 4 und 5 (Pig.7) zu. Die aus den Summiereinrichtungen austretenden Signale werden in Meßvorrichtungen 6, 7 an sich bekannter Art behandelt bzw. verarbeitet, woraus man die vom Fahrzeug durchlaufene Entfernung als Punktion der Doppler-Frequenzverschiebung erhält, mit der die akustischen Signale behaftet sind, welche von jedem der Netze empfangen wurden und dann in einer Summiereinrichtung 8 addiert wurden.

Vorteilhaft kann man die in der französischen Patentschrift 2 101 056 beschriebenen Sende-jEmpfangs-und Meßeinrichtungen verwenden.

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Claims (8)

Äff.:16O1 - 12 PATENiDAUSPRÜGHE

1..' Sende-Empfängereinrichtung für akustische Wellen mit wenigstens einem Paar von Wandlern zum Aussenden und Empfangen akustischer Wellen, wobei die Wandler jeder Anordnung unter gleichförmigem Abstand angeordnet und parallel zu ein und der gleichen Achse orientiert sind und die Achsen der beiden Anordnungen symmetrisch bezüglich einer vertikalen Achse angeordnet sind und Einrichtungen zur Erzeugung der Sendesignale vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Wandlern (2) jeder Anordnung derart gewählt ist, daß die Länge der Projektion dieses Abstandes auf die vertikale Achse gleich einer ganzen Zahl von Wellenlängen der ausgesai dten akustischen Wellen ist und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um diese Emissionssignale entgegengesetzter Phase auf die beiden Wandlereinrichtungen zu übertragen.

2. Sende-Empfängereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnungen am Fahrzeug befestigt sind, wobei die zentralen Seile dieser Anordnungen voneinander um einen Abstand (D) entfernt angeordnet sind, dessen Projektionslänge auf jede dieser Achsen gleich einer ungeraden Zahl der halben Wellenlänge der ausgesandten akustischen Wellen ist.

3. Sende-Empf anger einrichtung nach. Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Element zum Ausgleichen der Emissionssignale, die auf die Wandleranordnungen übertragen werden, wenn die Projektionslänge des Abstandes zwischen den zentralen Teilen der Wandler-

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anordnungen auf jede dieser Achsen gleich einer halben Wellenlänge der ausgesandten akustischen Wellen ist.

4. Sende-Empfängereinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Wandleranordnung zur orientierten Richtungskompensation entsprechend einer vertikalen Richtung und durch Einrichtungen zum Summieren der durch die Wandlerkompensationseinrichtung empfangenen Signale und der jeweils durch die beiden Wandleranordnungen empfangenen Signale.

5. Sende-Empfängereinrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerkompensationsanordnung eine Vielzahl von Wandlern umfaßt, deren Abstand im wesentlichen gleich einer ganzen Zahl von Wellenlängen der ausgesandten akustischen Wellen ist.

6. Sende-Empfängereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswandleranordnung ein Richtdiagramm mit einer Hauptkeule aufweist, die ein Minimum in Richtungen benachbart denen dieser Emissionsachsen aufweist.

7. Sende-Empfängereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionslänge des Abstandes zwischen den Wandlern der Kompensationswandleranordnung gleich einer ganzen ungeraden Zahl von halben Wellenlängen der ausgesaadten akustischen Wellen ist.

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8. Sende-Empf «Lageranordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß diese Eompensationswandleranordnung eine gerade Zahl von Wandlern umfaßt.

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