DE2517902C2

DE2517902C2 - Laufzeitmesser

Info

Publication number: DE2517902C2
Application number: DE2517902A
Authority: DE
Inventors: Cornelis Martinus Van Der Burgt; Gerardus Andreas van Eindhoven Maanen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-05-06
Filing date: 1975-04-23
Publication date: 1982-10-07
Also published as: DE2517902A1; IT1035607B; CA1032263A; AU499051B2; US4038629A; AU8078575A; FR2270568A1; JPS50151573A; JPS574853B2; NL7406033A; GB1489013A; FR2270568B1

Description

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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

Patentansprüche:

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.