DE2517902C2 - Laufzeitmesser - Google Patents
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Description
JiI
Li'f
Li'f
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Laufzeit einer von einem Wandler
ausgestrahlten akustischen Welle, die nach Durchlaufen einer Meßstrecke mittels eines Reflektors entlang
derselben Meßstrecke zum selben Wandler zurückgelenkt und von diesem erfaßt wird. (Der Ausdruck
»akustisch« bzw. »Schall« ist in dieser Beschreibung in weitem Sinne aufzufassen und schließt auch die nicht
hörbaren, im allgemeinen die Ultraschallschwingungen, ein.) Die Vorrichtung dient insbesondere zum Messen
des Schallgeschwindigkeitsgradienten in Wasser, z. B. im Meer, um auf diese Weise Daten über den Verlauf
der Schallbahnen im Meerwasser zu sammeln, aus denen dann wieder die An- oder Abwesenheit von
Bodenunregelmäßigkeiten bzw. von Gegenständen unter Wasser abgeleitet werden kann.
Derartige Vorrichtungen sind bekannt, so z. B. auch aus dem Buch von L. Bcrmann: »Der Ultraschall und
seine Anwendung in Wissenschaft und Technik«, Stuttgart 1954, insbesondere Seiten 342—344.
Für den o. g. Zweck sind sogenannte operative und
nichtoperative Messer bekannt Operative sind solche, die bei voller Geschwindigkeit, nichtoperative dagegen
solche, die nur während des Stilliegens eines Schiffes verwendbar sind.
Messungen des Istwertes der Tiefenabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Meerwasser erfolgen bis zu
ίο Tiefen von z. B. 500 oder 2000 Metern. Auch mit den
genannten operativen Messern sollen nun aber die Änderungen der Schallgeschwindigkeit mit ihrer Istgröße
an Bord des Schiffes mit einer solchen Genauigkeit aufgezeichnet werden, die nahezu gleich der Genauigkeit
ist, die von den besten, bekannten nicht-operativen Messern oder von Laborinstrumenten erzielt wird, und
zwar trotz der den bei solchen operativen Messern
verwendeten und schnell (mit ca. 5 bis 6 m/sec) sinkenden, sehr kleinen »Wegwerfsonden« anhaftenden
Nachteile.
Aus diesem Grund müssen folgende Umstände berücksichtigt werden:
die sich stark ändernde Temperatur und der sich stark ändernde Druck, denen die elektronischen
und akustischen Elemente ausgesetzt sind;
2. die sich »stark« ändernde Speisespannung der eingebauten sehr kleinen Batterie;
3. die große Durchströmungsgeschwindigkeit des Meerwassers durch die akustische Meßzelle;
4. die sehr kleine (z. B. 2 · 26 mm) akustische Meßweglänge.
Zwei verschiedene Vorrichtungen sind auf diesem Gebiet bisher bekannt. Einmal eine nicht-operative
Vorrichtung, die zwar die Schallgeschwindigkeit mißt, bei der aber ein großes Meßinstrument langsam an
einem schweren Kabel von einem stilliegenden Schiff her gefiert wird. Zum anderen eine operative Vorrichtung,
die jedoch nicht die Schallgeschwindigkeit, sondern den Parameter Temperatur mißt, der zusammen
mit anderen Parametern (der bekannten Tiefe und dem unbekannten Salzgehalt) die Schallgeschwindigkeit
bestimmt.
Die Messung der Schallgeschwindigkeit kann im allgemeinen dadurch erfolgen, daß mit Hilfe eines
Wandlers eine akustische Wellenreihe ausgestrahlt wird, die dann von einem in einem festen Abstand von
so dem Wandler angeordneten Reflektor reflektiert wird, wonach die zurückkehrende Welle auf den Wandler fällt
und darin eine elektrische Spannung mit einer Zeitverzögerung in bezug auf die ausgestrahlte Welle
erzeugt, die ein Maß für die zu messende Schallgeschwindigkeit ist. Dabei ist es von Bedeutung, daß der
Abstand zwischen dem Wandler und dem Reflektor sich nicht mit der Temperatur ändert, was durch passende
Wahl des Werkstoffes und der Bauart erreicht werden kann.
Weiter ist es dabei erforderlich, daß keine unerwünschten Reflexionswellen den Wandler erreichen; zu
diesem Zweck wird u, a, der Wandler mit einem geeigneten Gegenstück (»backing«) versehen. Schließlich
ist es erforderlich, daß die nach einmaliger Reflektion zu dem Wandler zurückkehrende Welle
möglichst deutlich (elektronisch) von weiteren Störwcllen, z. B. der nach zweimaligem Hin- und Hergehen zu
dem Wandler zurückkehrenden Welle, unterschieden
werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art den Einfluß
von mehrfach reflektierten Wellen gering zu halten. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen
des Anspruches 1. Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
(Die Längserstreckung des Nahfeldes ist dabei nach Matauschek, »Einführung in die Ultraschalltechnik«,
1962, S. 50 und 5',definiert.)
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Vorrichtung zum Messen der Laufzeit,
Fig.2 das Wellenmuster einer zu dem Wandler
zurückkehrenden Welle als Funktion der Zeit, F i g. 3 eine Ausführungsform des Wandlerteilers,
Fig.4 das Schaltbild eine;. Impulsgenerators für den
Wandler,
F i g. 5 eine Ausführungsform des Reflektorteiles, und
F i g. 6 und 7 graphische Darstellungen zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Vorrichtung.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 zeigt einen Wandler 1,
der über Anschlußdrähte 2 und 3 mit Eingangsilemmen 4 und 5 verbunden ist Der Wandler ist auf der Rückseite
mit einem Gegenstück (»backing«) 6 versehen und zusammen mit diesem Gegenstück in einem Gehäuse 7
montiert, das am anderen Ende einen Reflektor 8 trägt. Das Gehäuse 7 ist auf einer Seite offen, so daß Wasser
frei in den Raum zwischen dem Wandler 1 und dem Reflektor 8 hineinströmen kann. Das Gehäuse ist aus
dem Werkstoff mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, während außerdem das
Montagematerial zum Fixieren des Wandlers 1 und des Reflektors 8 derart gewählt ist, daß der Abstand
zwischen dem Wandler 1 und dem Reflektor 8 sich nicht mit der Temperatur ändert.
Den Klemmen 4—5 wird ein elektrischer Impuls zugeführt, dessen Dauer etwa gleich einer halben
Periode der Eigenschwingung des Wandlers 1 ist. Der Wandler wird dadurch angeregt werden und eine
akustische Siiwingung emittieren, die nach einigen Pendelungen ihre Höchstamplitude erreicht und dann
wieder abnimmt. Die akustische Schwingung pflanzt sich durch das sich innerhalb des Gehäuses 7 befindende
Medium — insbesondere Meerwasser — fort, wird vom Reflektor 8 reflektiert und erreicht nach einiger Zeit τ
wieder den Wandler 1.
Der Verlauf dieser Schwingung als Funktion der Zeit ist in Fig. 2 dargestellt. Au? dieser Figur ist ersichtlich,
daß die dritte Sinushalbwelle bereits in solchem Maße so (um mehr als 15 dB) die er^te Halbwelle übersteigt, daß
die zugehörige Spannung bewirken kann, daß eine elektrische Schaltung mit einer Schwellwertspannung
Vo anspricht. Aus dem weiteren Verlauf ist zunächst ein
gleichmäßiges Abklingen der Schwingung und dann eine etwas schwächere Wiederholung h der zuerst
genannten Schwingungserscheinung ersichtlich. Dies wird durch den Rücken 6 herbeigeführt, in dem sich die
akustische Schwingung rückwärts fortpflanzt, dann von
der (linken) f linterwand reflektiert wird und danach mit einiger Verzögerung in bezug auf die vorgenannte
Schwingung den Wandler 1 erreicht.
Für das Gegenstück 6 ist dasselbe Material, z. B. ein Bleititanzirkona1, wK· für den Wandler 1 gewählt. Die
übliche remanSnte Polarisation des vorgenannten E'.ektretmaterials Venn bei dem Rücken unterbleiben.
Die Abmessungen des Rückens und des Wandlers sind aber deutlich verschiede·, gewählt, wie aus F i g. 3
ersichtlich ist. Während für den Wandler 1 eine dünne kreisförmige Scheibe mil einer Dicke etwa gleich einer
halben Wellenlänge der akustischen Schwingung gewählt wird, weist das Gegenstück 6 einen etwas
größeren Durchmesser und eine viel größere, und zwar einige Male größere. Dicke auf. An der Grenzfläche des
Wandlers 1 und des Gegenstücks 6 ist wegen der gleichen Wahl des Werkstoffes eine vollkommene
akustische Anpassung erhalten, so daß dort keine unerwünschte Reflexion der akustischen Schwingung
auftreten kann. Die Welle, die sich von dem Wandler 1 rückwärts (nach unten) fortpflanzt, legt jedoch insgesamt
eine Strecke zurück, die um die doppelte Dicke des Gegenstücks 6 länger als die Strecke ist, die von der
Welle zurückgelegt wird, die direkt in der Vorwärtsrichtung ausgestrahlt wird. Die vorgenannte Wiederholung
h der ersten Schwingungserscheinung ist für die genaue Detektion der reflektierten Welle nicht mehr störend,
während das Gegenstück (6) zugleich für eine gute Montage des Wandlers 1 dienen kann, wie aus Fig.3
hervorgeht.
Nahezu eine Zeit τ, nachdem die ürtks in F i g. 2
dargestellte Wellenerscheinung den Wandler 1 erreicht hat, trifft das sogenannte 2r-Reflexionssignal (rechts in
Fig.2 dargestellt) ein, das dadurch erhalten wird, daß
die in der Vorwärtsrichtung ausgestrahlte Welle nach Reflexion am Reflektor 8, am Wandler 1 und nochmals
am Reflektor 8 aufs neue den Wandler 1 erreicht. Obgleich dieses 2r-Signal erheblich schwächer als das
Ιτ-Signal ist, kann es trotzdem zu unerwünschten
Fehlern führen. Dieses 2T-Signal kann nämlich eine störende Wirkung auf das Ir-Signal ausüben, das von
einem elektrischen Impuls stammt, der eine Zeit τ später als der elektrische Impuls, von dem dieses
2r-Signal stammt, den Eingangsklemmen 4—5 zugeführt wird.
Dieser elektrische Impuls wird von dem Ausgangsverstärker 11 der in Fig.4 gezeigten Generatorschaltung
geliefert, welcher Verstärker 11 von ?iner stark asymmetrischen Multivibratorschaltung 12 gesteuert
wird, die Impulse erzeugt, deren Dauer etwa gleich der halbf ,1 Periode der Eigenschwingung des Wandlers 1 ist,
während die Wiederholungszeit dieser Impulse in frei schwingendem Zustand etwas länger als die maximal zu
messende Zeit τ ist. Die Ausgangsklemme 4' dieser Generatorschaltung ist mit einer der Eingangsklemmen
(z. B. 4) der Vorrichtung nach F i g. 1 verbunden, während die andere Eingangsklemme (5) geerdet ist.
Das zu dem Wandler 1 zurückkehrende Ir-Signal wird in dem Wandler 1 eine elektrische Spannung erzeugen,
die über die Klemme 4' den Eingang 13 der Generatorschaltung nach F i g. 4 erreicht. Hier wird
diese Spannung in einem Verstärker 14 verstärkt und anschlir3snd einer monostabilen Multivibratorschaltung
(z. B. einer Schmitt-Kippschaltung) 15 zugeführt, die eine V0 (Fig. 2) entsprechende Ansprechwelle
aufweist und die nach Umkippen in ihre ursprüngliche Lage innerhalb einer Zeit zurückkehrt, die kürzer als die
minimal vorkommende zu messende Zeit τ ist.
Nach dem Eintreten des Ιτ-Reflexionssignals an dem
Wandler 1 wird die entsprechende erzeugte Spannung die Ansprechschwelle V„ überschreiten; demz'ifolge
wird der monostabile Multivibrator 15 umgekippt, der seinerseits bewirkt, daß der astabile Multivibrator 12
einen Impuls erzeugt, der nach Verstärkung (in 11) über
die Klemme 4' unu 4 wieder als elektrischer Antriebsimpuls dem Wandler 1 zugeführt wird. (Obgleich
dieser Impuls auch an der Klemme 13 erscheint,
wirrl er keine weiteren Folgen haben, weil der
monostabile Multivibrator 15 dann noch nicht in seine
ursprüngliche (kippbare) Lage zurückgekehrt ist.) Er erscheint somit eine Reihe von Impulsen, deren
Wiederholungszeit genau mit der zu messenden Zeit r zusammenhängt: diese Impulse können über ein langes
dünnes Kabel an eine Zentralstelle, z. B. auf dem Untersuchungsschiff, weitergeleitet werden.
F i g. 5 zeigt den Reflektor in vergrößertem Maßstab. Die dem Wandler I (F i g. I) zugekehrte Seite (unten in
F i g. 5) ist konvex mit einem abgeplatteten Mittelteil ausgeführt. Der Abstand zwischen dem Reflektor 8 und
dem Wandler ί ist kleiner als das Anderthalbfache der I.ängserstreckung des Nahfeldes der von dem Wandler
I ausgestrahlten akustischen Welle, aber größer als die Hälfte dieser Erstreckung. Bekanntlich ist die Energiedichte
durchschnittlich über die Querschnittsoberfläche des Gehäuses 7 innerhalb des Nahfeldes praktisch
iconstiint. In größerer Entfernung, und zwar von mehr
als dem Anderthalbfachen der Längserstreckung des Nahfcldes. geht dieses in das Fernfcld über, in welchem
die Energie teilweise seitlich abgestrahlt wird und innerhalb des Gehäuses 7 durchschnittlich stark
abnimmt. Dieser Effekt wird nun dazu benutzt, das Verhältnis zwischen dem Ir- und dem 2r-Reflexionssi-
*nul zu verbessern.
Die nahezu ebene akustische Welle, die von dem Wandler i emittiert wird, füllt, weil noch keine Energie
seitlich abgeleitet wird, vollständig auf den Reflektor 8. Dort wird diese Welle mit einer geringen Divergenz
infolge der konvexen Form dieses Reflektors reflektiert, was einen geringen Verlust des (nützlichen) auf den
Wandler 1 auffallenden Ir-Signals herbeiführt. (Dieser
Verlust wird kleiner, wenn der Reflektor 8 einen abgeplatteten Teil aufweist, wie nachstehend beschrieben
wird.) Die auf den Wandler 1 auffallende Welle wird nun aufs neue in Richtung auf den Reflektor 8
reflektiert, hat aber inzwischen eine derart lange .Strecke zurückgelegt, daß sie sich im Fernfeld befindet.
in dem ein erheblicher Teil der Energie seitlich gestreut wird. Diese Streuung wird noch erheblich durch die
konvexe Form des Reflektors 8 gefördert, wodurch nur
noch ein geringer Teil der Energie als 2r-Signal auf den Wandler ausfällt. Da bei Anwendung eines konvexen
ί Reflektors jedoch auch die absoluten Größen des Irsowie
des 2r-Sigiuls abnehmen, wodurch die Genauigkeit,
mit der das Passieren der Schwelle V1, delektiert
wird, gefährdet wird, muß ein gewisser Kompromiß für den Krümmungsradius des Reflektors gewählt werden.
in der einerseits mit dem Durchmesser des Wandlers korreliert ist und andererseits noch von den Werkstoff
des Reflektors abhang'
Fig. 6 zeigt das allgemeine Verhalten. Bei kleinen
Werten des Krümmungsradius R wird /war ein sehr
r> günstiges Verhältnis zwischen dem Ir- und dem
2r-Signal gefunden (Kurve a). aber die absolute Größe des Ir-Signals hat auf einen unannehmbar niedrigen
Wert abgenommen (Kurve b). Für einen aus Metall (z. B. Messing) bestehenden Reflektor liegt dieser Koinpromiß
von R zwischen dem Drei- und dem Sechsfachen des Durchmessers D des Wandlers I. für einen aus
Kunststoff (z. B. »Perspex«) bestehenden Reflektor zwischen dem Sechs- und dem Zweifachen des
genannten Durchmessers.
2> Für einen völlig ebenen Reflektor (R = unendlich)
würde ein sehr ungünstiges Verhältnis zwischen dem Ir- und dom 2r-Signal gefunden werden (rechter Teil
der Kurve ·* in F i g. 6). Trotzdem ergibt eine teilweise
Abplattung des Reflektors, wie in F i g. 5 dargestellt ist, noch eine erhebliche Verbesserung. F i g. 7 zeigt bei
einem nahezu optimal gewählten Krümmungsradius R den Einfluß dieser Abplattung. Als Abszisse ist der
Durchmesser d des abgeplatteten Teiles im Verhältnis
zu D und als Ordinate wieder das lr/2r-Verhältnis
!5 (Kurve a') bzw. die Stärke des Ir-Signals (Kurve b')
aufgetragen. In der Strecke zwischen etwa V8 und V4 des
Durchmessers des Wandlers wird nur eine geringe Änderung oder sogar eine geringe Verbesserung des
lr/2r-Verhältnisses, aber eine erhebliche Steigerung
des Ir-Signals selber gefunden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Vorrichtung zum Messen der Laufzeit einer von einem Wandler ausgestrahlten akustischen Welle,
die nach Durchlaufen einer Meßstrecke mittels eines Reflektor!, entlang derselben Meßstrecke zum
selben Wandler zurückgelenkt und von diesem erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reflektor (8) mit einer in Richtung auf den Wandler (1) konvexen Oberfläche ausgeführt und in
einem Abstand von dem Wandler (1) angeordnet ist, der kleiner als das Anderthalbfache der Längserstreckung
des Nahfeldes der vom Wandler (1) ausgestrahlten akustischen Welle, aber größer als
die Hälfte dieser Längserstreckung ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (8) aus Kunststoff
besteht, die gekrümmte Oberfläche des Reflektors (8) einen Krümmungsradius zwischen dem Sechsund
dem Zwölffachen des Durchmessers des Wandlers (1) aufweist und daß diese gekrümmte
Oberfläche e>n;n abgeplatteten mittleren Teil mit
einem Durchmesser zwischen V8 und V4 des
genannten Durchmessers enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (8) aus Metall besteht,
die gekrümmte Oberfläche des Reflektors (8) einen Krümmungsradius zwischen dem "Drei- und Sechsfachen
des Durchmessers des Wandlers (1) aufweist und daß diese gekrümmte Oberfläche einen
abgeplatteten mittleren Teil mit einem Durchmesser zwischen 'Λ und Ve des genannten Durchmessers
enthält.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (1) mit
einem elektrischen Impulsgenerator verbunden ist, der zu dem Zeitpunkt, zu dem die an dem Wandler
eintreffende reflektierte Welle einen Schwellwert überschreitet, einen neuen Antriebsimpuls für den
Wandler erzeugt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler
(1) auf einem Gegenstück (6) (»backing«) montiert ist, das aus demselben Werkstoff besteht,
einen etwas größeren Durchmesser und eine erheblich größere Dicke als der Wandler aufweist.
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