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Anordnung zum gerichteten Senden und Empfangen von Wellenenergie Bei
den zahlreichen bisher vorliegenden Vorschlägen zum gerichteten Senden und Empfangen
mit einer Mehrzahl von Oszillatoren (z. B. Unterwasserschallsendern oder Empfängern)
hat man in .der Regel, von drehbaren Einrichtungen abgesehen, sich mit Gruppen von
Oszillatoren von linienähnlichem Charakter begnügt, die entweder mit variablen Kompensatoren
betrieben wurden oder bei denen Kompensationsmittel von nicht veränderlichem Kompensationsmaß
wechselnd am Gruppenteile von verschiedener Lage gelegt wurden. Drehbare Anordnungen
haben, wenigstens für längere Wellen (hörbare Schallfrequenz), ihrer unhandliche::
Größe und häufig auch wegen der Unzulänglichkeit der Anordnung im Betrieb für die
praktische Anwendung nur ein geringes Interesse. Feste einreihige Anordnungen mit
Kompensator, insbesondere geradlinige, haben aber eine Reihe schwerwiegender Nachteile.
Einer derselben ist die Bipolarität. Mit einer geraden Empfängerreihe z. B. läßt
sich beim Auftreten eines Schallmaximums nicht feststellen, ob die Schallquelle
auf der einen, oder anderen Seite steht. Man muß dann stets mehrere Reihen verwenden
und mehrere Beobachtungen anstellen, sei es, daß man zwei Reihen durch Schattenkörper
trennt, sei es, daß man sie im Winkel zueinander anordnet. Ein zweiter Nachteil
ist die beschränkte Störungsfreiheit. Eine waagerechte Reihe von Empfängern nimmt
Schall, also auch Störungen, mit gleicher -größter Lautstärke aus einem Raume auf,
der gebildet wird durch die Drehung des Richtungsöffnungswinkels mit seinem Scheitel
in der Mitte der Empfängerreihe um diese als Achse, also auch von oben und unten,
was z. B. bei solchen Empfangsanordnungen. auf Schiffen wegen der Aufnahme der Schiffsgeräusche
sehr unangenehm ist. Ein dritter Nachteil bei Verwendung einer Reihe von Oszillatoren
in Verbindung mit einem Kompensator ist die ungleichförmige Genauigkeit, mit der
die Richtung eintreffender Impulse je nach ihrem Neigungswinkel zur Reihe bestimmt
werden kann. Die Zunahme der Ungenauigkeit beträgt bei geradliniger Anordnung von
senkrechtem Einfall zu streifendem Einfall etwa r zu 6. Endlich tritt bei derartigen
Anordnungen fast immer noch eine Mehrdeutigkeit der Richtungsbestimmung dadurch
auf, daß bei .gewissen Kompensatorstellungen Nebenmaxima bis zu der Stärke des Hauptmaximums
auftreten und Schallquellen oder Sender vortäuschen können, wo keine sind. Man hat
auch bereits vorgeschlagen, Flächengruppen von Oszillatoren- zu verwenden, die senkrecht
zur Schallfeldrichtung stehen und bei denen die Schwenkung des Richtstrahls durch
einen Konipensator erfolgt, der eine Drehung des auf der Oszillatorenfläche senkrechten,
sogenannten natürlichen Maximums hervorruft. Diese Anordnungen sind ebenfalls doppeldeutig
und erreichen hinsichtlich der
Störungsfreiheit nicht das, was praktisch
möglich ist, weil sie Störungen von beiden Seiten der Fläche aufnehmen.
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Es war auch-im Unterwasserschallwesen bereits bekannt, die Empfänger
irgendwie über Flächen oder Räume zu verteilen, hierbei wurde jedoch entweder ein
sogenannter reinakustischer Kompensator verwendet, bei dem statt der einfach zu
bauenden und zu verwendenden elektrischen Kettenleiter veränderliche Schallrohre
Verwendung fanden, oder aber es wurde eine an sich feste Gruppe von elektrischen
Kettenleitern wechselweise an einen Teil der Empfänger der Gruppe geschaltet. Akustische
Kömpensatoren sind wegen ihrer Unbequemlichkeit und wegen der Unmöglichkeit, sie
störungsfrei zu bauen, für derartige Anlagen in der Praxis nicht bauchbar.
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Gemäß der Erfindung werden alle diese Nachteile vermieden durch eine
Verteilung der in fester relativer Lage zueinander befindlichen Oszillatoren über
eine Fläche, und zwar im Prinzip mit ortsfest angeordneten Oszillatoren, die zwecks
Schwenkung des Strahles oder Suchens der Richtung mit Kompensatoren verbunden sind,
welche die von der Richtung des Wellenstrahles abhängigen Zeitunterschiede der Impulse
an den Schwingern jeweils in bezug auf den in der Richtung dieses Strahles entferntesten
Schwinger der Gruppe in der hauptsächlich in Betracht kommenden Schallfeldebene
kompensieren. Hierbei liegt die Gruppe selbst in der Schallfeldebene, oder derKompensator
wird für die in der Schallfeldebene liegende Projektion der Gruppe gebaut.
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Die mehrdimensionale Anordnung von Schwingern zum Zwecke -der gerichteten
Aussendung von Signalen ist aus der elektrischen Wellentelegraphie bekannt. Die
Verbindung derartiger Anordnungen mit Kompensatoren befreit von der lästigen und
in der Praxis (Unterwasserschallwesen) oft unmöglichen Notwendigkeit der Schwenkung
derartiger Anlagen bei Veränderung der Senderichtung oder der Empfangsrichtung.
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Im folgenden wird die Erfindung an dem Beispiel des Schallempfangs
an Hand einer Reihe flächenhafter Oszillatorensysteme erläutert.
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Abb. i zeigt eine aus drei auf einem Kreise angeordneten Oszillatoren
bestehende Anordnung in Verbindung mit einem Kompensator, Abb.2 eine doppelte Dreiecksanordnung
mit Kompensator, Abb.3 eine Anordnung mit gekreuzten geradlinigen Empfängerreihen,
Abb.4 eine Anordnung der Oszillatoren im Kreise, Abb. 5 eine Anordnung nach Abb.4
auf einem festen Gestell auf dem Meeresboden, Abb.6 eine Anordnung nach Abb.4 auf
einem Fahrzeug.
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Abb. i zeigt die einfachste Form einer fi'ichenhäften Anordnung mit
drei Oszillatoren an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks. Die Oszillatoren sind
mit ei, e2, es bezeichnet. Der Kömpensator ist so ausgebildet, daß
entsprechend der Deizahl der Oszillatoren drei Kontaktarme auf der Bahn der Anschlußkontakte
schleifen, deren Winkelverhältnis der Verteilung der Oszillatoren auf dem Kreise
entspricht. Diese kann auch unsymmetrisch sein. Alle Elemente des Kompensators werden
bei dieser Anordnung doppelt ausgenutzt, indem sie mit je zwei Kontakten der Kontaktbahn
verbunden sind.
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Bei solchen Anordnungen läßt sich erreichen, daß bei feststehender
Basis und veränderlichem Kompensator die Nebenmaxima stets unter einem vorgeschriebenen
Betrag des Hauptmaximums bleiben, z. B. stets unter 0,25 des Hauptmaximums.
Es gibt einen Durchmesser D des das Dreieck umgebenden Kreises, bei dein obige Forderung
erfüllt ist, d. h. bei dem das größte Nebenmaximum gerade 0,25 des Hauptmaximums
ist. - Zu dieser Fläche gehört ein Hauptmaximum von bestimmter Peilschärfe. Die
Peilschärfe ändert sich kaum noch mit dem Azimut des Einfallswinkels. Ihre größte
Schwankung liegt bei o° und 6ö° Einfallswinkel und beträgt nur noch etwa i : 44,
während sie in der geraden Linie bei- o° und go° Einfallswinkel liegt und etwa i
: 6 abweicht. Ist der Durchmesser des Dreiecks kleiner, so werden die Nebenmaxima
kleiner, die Peilschärfe aber geringer; ist der Durchmesser größer, so wird die
Peilschärfe größer, die Nebenmaxima wachsen aber über den vorgeschriebenen Betrag
hinaus.
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Ordnet man die Empfänger so an, ,daß kein Nebenmaximum größer ist
als 0,25 des Hauptmaximums, so kann die "Peilschärfe manchen Anforderungen
der Praxis nicht genügen. Dann kann man ein zweites größeres Dreieck zur genaueren
Einpeilung benutzen, wie Abb. 2 zeigt.
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Das kleine Dreieck dient zur Festlegung der Eindeutigkeit; das größere
zur genaueren Peilung.
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An Stelle- der Dreieckanordnungen der Abb. i und 2 kann man mit Vorteil
auch andere Anordnungen benutzen, so z. B. diejenigen der gekreuzten Basen (Abb.
3) oder des Kreises (Abb.4).
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Der Fall der gekreuzten Basen zeigt in sehr charakteristischer Weise
den Unterschied der neuen Methode gegenüber .der alten. Auch bei der alten Methode,
die mit Linienanordnun.
-.en arbeitet, kommt man zur Anwendung von
zwei gekreuzten Basen, die aber zeitlich nacheinander zu zwei verschiedenen Messungen
eingeschaltet werden. Bei der neuen Methode dagegen sind beide Basen dauernd eingeschaltet
und liefern damit direkt durch eine einzige Beobachtung und ohne störende Umschaltung
eindeutige Richtungsbestimmung bei nahezu konstanter Peilschärfe und stark vergrößerter
Störungsfreiheit. Die Kreisanordnung (Abb. 4.) ist die idealste Anordnung, wenn
man die Forderung der geringsten Schwankung der Peilschärfe bei größter Peilschärfe,
größter Eindeutigkeit und größter Störungsfreiheit stellt. Im Falle der Kreisanordnung
ist ohne Rechnung sehr leicht einzusehen, daß der Durchmesser des Kreises die Peilschärfe
und die Folge der Empfänger auf dem Kreise, d. h. die Anzahl der Empfänger, Eindeutigkeit
liefert. Will man Peilschärfe und Eindeutigkeit groß machen, so muß man eine große
Anzahl von Empfängern auf einem großen Kreise anordnen. Es ist selbstverständlich,
daß aus Symmetriegründen die Verteilung der einzelnen Empfänger auf dem Kreise zweckmäßig
gleichmäßig ist.
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Der Kompensator für den Kreis von Oszillatoren kann im Prinzip genau
so gebaut sein wie für das Dreieck, jedoch mit so viel Kontaktarmen, wie Oszillatoren
vorhanden sind.
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Der Kompensator für mehrere Gruppen, z. B. für mehrere konzentrische
Kreise oder mehrere konzentrische Vielecke, wie sie beispielsweise zur Vorpeilung
und zur exakten Peilung dienen, kann im Prinzip so aufgebaut sein, wie der in Abb.
i dargestellte, jedoch mit dem Unterschied, daß für jede Figur eine besondere Kette
vorgesehen ist, deren Unterteilung dem gewünschten Genauigkeitsgrade und deren Verzögerungswert
jeweils den Empfängerabständen (Kreisdurchmessern) entspricht. Es müssen im übrigen
Schaltmechanismen vorgesehen sein, welche gestatten, nach Wahl die Empfängergruppen
und die zugehörigen Ketten wahlweise zusammen und auf den Hörer zu schalten. Eine
solche Einrichtung ist in einfachster Form in Abb. 2 dargestellt, d. h. an Hand
des Falles einer Oszillatorengruppe von zwei gleichseitigen, in konzentrischen Kreisen
liegenden Dreiecken von verschiedener Seitenlänge. Der Kompensator hat zwei Ketten,
von denen die innere dem inneren Dreieck, die äußere dein äußeren Dreieck entspricht.
Letztere ist entsprechend der erhöhten Peilschärfe feiner unterteilt und hat den
höheren Verzögerungswert, da im äußeren Dreieck der Oszillatorenabstand größer ist.
Jede Kette hat ihre zugehörige Kontaktbahn und ihre zugehörigen Arme (Leiter) auf
dein Gleitkontakt. Gleitarme,' .Oszillatoren und Telephon sind über einen Umschalter
U geführt, der gestattet, die äußere Kette mit der größeren, die innere Kette mit
der kleineren Gruppe von Empfängern zu verbinden.
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Abb. 5 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung von sechs
Empfängern im Kreis, die in an sich bekannter Weise an einem Gestell auf dem Meeresgrund
ausgelegt gedacht sind. Die Oszillatoren sind ei, e2, e3, e4, e5, e, Sie
sind über die Kabel h, 12, 13, 14,
15, 16 mit der Kabeldose
K und über das Kabel 1, mit der an Land befindlichen und den Kompensator
enthaltenden Sendestation verbunden. Das Gestell, welches die Empfänger trägt, hat
die Form einer nach außen möglichst glatten Haube, um das unfreiwillige Verschleppen
der Anordnung durch Netze u. dgl. zu verhindern.
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Abb.6 zeigt eine Anordnung mit sechs Empfängern im Kreis, wie sie
auf Schiften eingebaut wird. S ist der Schiffsboden. Die Empfänger cl, c2, c3, c4,
c," co sitzen in an sich bekannter Weise in Ausfahrkörpern, die in Führungsrohren
r1, r2, rs, r4, r5, y, laufen. Die Räume oberhalb der Kolben der Ausfahrkörper sind
an Druckluftleitungen p1, P2, P3, $4, p;" p6 angeschlossen, so daß die Ausfahrkörper
gegen den äußeren Wasserdruck herausgedrückt werden können. Das Einfahren geschieht
mit Hilfe des Wasserdruckes. Falls ,dieser nicht geniigt, können die unterhalb der
Kolben befindlichen Räume abgeschlossen und ebenfalls mit Druckluftleitungen verbunden
werden. Man kann ebensogut mit Uberdruck gegen Unterdruck oder Normaldruck gegen
Unterdruck arbeiten, wobei man im letzteren Falle statt an ein Drucknetz an ein
Vakuumnetz gehen müßte.
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Die Erfindung hat in gleicher Weise für Senden und Empfang von allen
Arten von Wellen Bedeutung, nicht nur für mechanische (Schall), sondern auch für
elektrische, in welchem Fall--an Stelle der in den Zeichnungen dargestellten mechanischen
Oszillatoren elektrische (Antennen) treten würden.