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Verfahren zur Entfernungsbestimmung mittels reflektierter Schallwellen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Einrichtungen zur Entfernungsbestimmung
durch reflektierte Schallwellen, wobei als Maß für die Entfernung des Beobachtungsobjekts
der Zeitunterschied dient, der zwischen dem Eintreffen eines von einem Sender ausgehenden
direkt aufgenommenen Schallimpulses und dem Eintreffen des gleichen von der entfernten
Reflektionsstelle zurückgeworfenen Impulses liegt.
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Man kann diese Entfernungsbestimmung in der Weise vornehmen, daß man
die zu verschiedenen Zeiten eintreffenden Schallimpulse nacheinander auf das Gehör
einwirken läßt und den Zeitunterschied durch entsprechend einstellbare Meßinstrumente,
die gleichzeitig mit Entfernungsskalen versehen sein können, feststellt.
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Es ist ferner vorgeschlagen worden, mit Hilfe einer einstellbaren
Vorrichtung eine Verbindung zwischen dem Echoempfänger und der Anzeigestelle in
dem Augenblick herzustellen, w o das Echo eintrifft, und aus der Einstellung dieser
Schaltvorrichtung die Tiefe bzw. die Entfernung zu bestimmen.
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Die Erfindung geht einen anderen Weg. Sie besteht darin, daß die zu
verschiedenen Zeiten eingehenden Schallimpulse, d. h. der direkte und der reflektierte
Schallimpuls, in der Abhör- und Anzeigevorrichtung zur Koinzidenz gebracht werden:
Man benutzt dazu das für die Richtungsbestimmung einer Schallquelle bereits verwendete
Verfahren der Verzögerung des einen Schalles, z. B. durch Verlängerung eines der
von den Empfängern zu den Ohren geführten Schallwege, indem man gemäß der Erfindung
den Weg des direkt aufgenomtnenen Schallimpulses so weit verlängert, bis er dem
Gesamtweg des reflektierten Schalles entspricht, beide also gleichzeitig auf die
Ohren einwirken. Aus der Verlängerung des direkten Schallweges kann alsdann die
Entfernung der Reflektionsstelle, beispielsweise also bei Schallotungen, die Tiefe
des Meeresbodens festgestellt werden.
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Ein weiteres Merkmal eines besonderen Verfahrens gemäß der Erfindung
ist das, daß die Aufnahme des direkten und reflektierten Schalles binaural erfolgt,
das soll heißen, daß der eine Schall (der direkte) nur mit einem Ohr (etwa dem rechten)
und der andere Schall (der reflektierte) nur mit dem anderen Ohr (etwa dem linken)
wahrgenommen wird. Dadurch wird eine besonders feine und exakte Entfernungsmessung
möglich, nämlich die Benutzung des psychophysischen Mitteneindrucks als Indikator
für die Gleichzeitigkeit. Es ist bekannt, daß, wenn die gleiche Schallwelle an beiden
Ohren zu wenig verschiedenen Zeiten eintrifft, man den Eindruck des mehr oder weniger
seitlichen Hörens hat, je größer die Zeitdifferenz ist, und daß Gleichzeitigkeit
den Eindruck hervorruft, daß der Schall genau von vorn kommt.
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Von diesem für die Bestimmung der Richtung einer Schallquelle bereits
bekannten Verfahren wird hier erfindungsgemäß Gebrauch gemacht, indem man das Eintreffen
des direkten Schalles an dem einen Ohr so lange verzögert, bis auch der reflektierte
Schall das andere Ohr erreicht hat. Es ist nicht einmal nötig, so weit zu gehen,
sondern schon das Auftreten eines klaren Richtungseindrucks an Stelle zweier unterscheidbarer
Impulse oder eines gänzlich »raumlosen« Eindrucks zeigt an, daß die Koinzidenz nahezu
erreicht ist. Es wird oft nötig sein, die Intensität des direkten und reflektierten
Schalles miteinander abzugleichen, um einen guten Richtungs- oder M itteneindruck
zu erhalten, und hierfür sind alle im folgenden geschilderten Anordnungen, gegebenenfalls
unter Verwendung besonderer Regulierungs-, Schwächungs- oder Verstärkungseinrichtungen,
einzurichten.
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Die Durchführung des Verfahrens ist in verschiedener Weise möglich,
und zwar sowohl auf rein akustischem Wege wie auch auf elektroakustischem bzw. elektrischem
Wege.
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Einige praktische Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung sind in der
beiliegenden Zeichnung näher erläutert: Abb. r zeigt eine rein akustische Anlage
gemäß der Erfindung.
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Bei dieser Anlage sind beispielsweise an geeigneter Stelle eines Schiffes
ein Sender S
und zwei Empfänger EI und EI angeordnet.
Der Empfänger EI dient zur direkten Aufnahme des von dem Sender ausgehenden
Schallimpulses, und in seine zu dem entsprechenden Hörer Hl führende Schalleitung
L1 ist in an sich bekannter Weise eine Verlängerungsvorrichtung P nach Art eines
Posaunenrohres eingebaut. Der Empfänger E2, der zur Aufnahme des reflektierten Schallimpulses
dienen soll, ist in üblicher Weise durch die Leitung EI zum Hörer Hz geführt.
Um mit dieser Einrichtung die nacheinander eingehenden Schalleindrücke zur Deckung
bringen zu können, sind noch folgende Gesichtspunkte zu berücksichtigen: Da bei
der kurzen Entfernung der Empfänger vom Sender der Ton des letzteren außerordentlich
laut auf die Ohren einwirken würde, würden diese für den nachfolgenden schwachen
Reflektionsimpuls unempfindlich sein, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen
sein würden, die starken Eindrücke abzuschwächen.
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Am Empfänger EI bzw. in dessen Schallleitung ist daher eine
Abschwächungsvorrichtung, beispielsweise in Form eines in der Leitung angebrachten
Wattebausches W vorgesehen, so daß im Hörer Hl der vom Sender S ausgehende Schallimpuls
nur schwach gehört wird. Da der reflektierte von dem Empfänger EI bzw. dem
Hörer HZ aufzunehmende Schalleindruck aber an sich schon verhältnismäßig schwach
ist, würde er im Hörer Hz überhaupt nicht mehr zu hören sein, wenn dort die gleiche
Abschwächungsvorrichtung Verwendung finden würde. Man hilft sich daher erfindungsgemäß
auf anderem Wege, indem man eine Vorrichtung vorsieht, durch welche der Hörer Hz
während der Betätigung des Senders vom Empfänger EI momentan abgeschaltet unmittelbar
darauf aber wieder angeschaltet wird. Diese Einrichtung ist in der Abb. r in Form
einer von dem Klöppel K des Senders betätigten Absperrvorrichtung <q angedeutet.
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Der Vorgang bei dieser Einrichtung ist also folgender: Der vom Sender
S ausgehende Schallimpuls wird im Hörer Hl schwach gehört, während er im Hörer HZ
überhaupt nicht gehört wird. Der reflektierte schwache Schallimpuls wird ausschließlich
im Hörer HZ gehört, weil die Abschwächungsvorrichtung W in der Leitung L1 bzw. der
Posaune P ihn nicht zum Hörer Hl gelangen läßt. Man erhält somit zu Anfang zunächst
zwei nacheinander an den einzelnen Hörern eintreffende Schallimpulse, die man jetzt
durch Einstellung der Posaune P, also durch Verlängerung der Leitung L1 zur Deckung
bringt. Aus der Verlängerung der Leitung LI kann man alsdann die Entfernung der
Reflektionsstelle ermitteln. Dadurch, daß man die Leitung an der Verlängerungsstelle
mit einer entsprechenden Skala versieht, kann man ein direktes Ablesen der Entfernung
ermöglichen.
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Die Abb. z zeigt eine ähnliche Einrichtung für elektroakustischen
Empfang. Gemäß derselben ist im Schiff in einem Wassertank Ti ein von dem Sender
S direkt zu -beeinflussender Empfänger EI angeordnet und gegen den Senderschall
in an sich bekannter Weise abgeschattet in einem Tank TZ ein zweiter Empfänger EI.
Der Empfänger EI ist an die Primärspule Cl eines Poulsenschen Parlographen
G angeschlossen, dessen Sekundärspule C2 im Stromkreis des Telephonhörers Hl liegt.
Der abgeschattete Empfänger EZ ist direkt an den Telephonhörer HZ angeschlossen.
Die Spulen Cl, C2 des Parlographen sind gegeneinander verstellbar.
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Der vom Sender S ausgesandte Schall beeinflußt unmittelbar den Empfänger
Ei. Der Schalleindruck wird mit Hilfe der Primärspule Cl auf dem Draht des Parlographen
registriert, wandert zur Sekundärspule C2 und von dieser zum Hörer Hl. Der gleiche
Schallimpuls wandert inzwischen zur reflektierenden Fläche und von da zurück zu
beiden Empfängern, während er nun, da an sich schon schwach, infolge der Verluste
im Parlographen im Hörer Hl nicht mehr wahrgenommen werden kann, ist er im Hörer
H= vernehmbar. Man stellt nun die Entfernung der Spulen des Parlographen in der
Weise ein, daß der von der Primärspule dem Draht übermittelte Schalleindruck für
die Wanderung nach der Sekundärspule C2 bzw. zum Hörer Hl dieselbe Zeit braucht,
wie sie der reflektierte Schall braucht, um zum Empfänger EI bzw. zum Hörer HZ zu
gelangen. Man -erhält auf diese Weise in den beiden Hörern Koinzidenz der
Schalleindrücke und kann aus der Stellung der Spulen zueinander die Entfernung der
Reflektionsstelle bestimmen.
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An Stelle des. Poulsenschen Parlographen kann man natürlich auch eine
analog wirkende Verzögerungsvorrichtung, beispielsweise in Gestalt eines Grammophons
verwenden, auf dessen Platte ein die Primärspule ersetzender Stift den Schalleindruck
aufzeichnet, während ein die Sekundärspule ersetzender Stift den Schalleindruck
abnimmt.
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Die Empfänger El, E2 brauchen bei dieser Einrichtung nicht unbedingt
unter Abschattung des einen örtlich voneinander getrennt zu liegen, vielmehr kann
man sie auch beide in dem Tank T1 unterbringen (Abb. 3). Die Schaltung muß jedoch
alsdann so ausgeführt sein, daß der Empfänger EI im Moment des
vom
Sender ausgehenden Schallimpulses automatisch abgeschaltet und unmittelbar darauf
wieder eingeschaltet wird. Wie in Abb. 3 dadurch angedeutet ist, daß beispielsweise
der Taster R eines elektrischen Schlagwerksenders im Moment des Stromschlusses den
Stromkreis des Empfängers EZ unterbricht.
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Zeigt es sich, daß die im Parlographen bzw. Grammophon oder in der
Schwächungsvorrichtung (Abb. z und q.) hervorgerufenen Verluste nicht groß genug
sind, um ein Hören des reflektierten Schallimpulses im Hörer Hl unmöglich zu machen
und, was für die Benutzung des binauralen Mitteneindruckverfahrens besonders wichtig
ist, den direkten Schalleindruck in dem einen Ohr in seiner Intensität dem Eindruck
des reflektierten Schalles im anderen Ohr möglichst gleich zu machen, so ist zur
Aufnahme des direkten Schalleindruckes ein schwach empfindlicher Empfänger zu benutzen.
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Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist es nicht erforderlich,
zwei Empfänger zu verwenden, sondern man kann auch mit einem solchen auskommen.
Eine solche Einrichtung zeigt für rein akustischen Empfang beispielsweise die Abb.
q., in welcher alle nicht direkt zur Meßanlage gehörenden Teile weggelassen sind.
Hier ist ein einzelner Empfänger E durch eine Umschaltvorrichtung U, deren Steuerhebel
F zwangläufig mit der Antriebsstange D des SchlagwerksendersS verbunden ist, abwechselnd
so auf die Leitungen L' P des Hörers Hl bzw. L2 des Hörers HZ schaltbar,
daß im Moment des Schlages lediglich der Hörer HI mit dem Empfänger verbunden ist,
während unmittelbar darauf lediglich der Hörer HZ mit ihm in Verbindung tritt.
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Der vom Sender ausgehende Schallimpuls gelangt somit zunächst unmittelbar
zum Empfänger und von diesem zum Hörer Hl, während HZ abgeschaltet ist, und später
erst gelangt der reflektierteSchall zum Empfänger und alsdann zum Hörer HZ, mit
dem er inzwischen verbunden ist. Auch hier kann man durch Einstellung der Posaune
P die gewünschte Koinzidenz herbeiführen.
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Das Gleiche ist auf elektroakustischem Wege möglich, wie das einfache
Schaltungsschema der Abb. 5 zeigt. Der Empfänger E ist hier an federnde Kontaktlamellen
M'-, M2 angeschlossen, welche durch einen Nocken N des Senderklöppels K in der Ruhestellung
des Klöppels mit im Stromkreis des Hörers HZ liegenden Gegenkontakten 0 in Berührung
gehalten werden. Auf der anderen Seite der Federlamellen Ml, M2 liegende Kontakte
Q sind an die Primärspule Cl des Poulsenschen Parlographen G angeschlossen, dessen
Sekundärspule C2 in der -vorstehend bereits genannten Weise mit dem Hörer Hl verbunden
ist.
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Bei Betätigung des Klöppels K kommen die Federlamellen Ml-, M2 zum
Ausschlag, lösen sich also von den Kontakten 0 und kommen im Moment des Schlages
in Berührung mit den Kontakten Q (in ausgezogenen Linien gezeichnete Stellung),
wodurch der Parlograph und der Hörer Hl auf den Empfänger E geschaltet werden. Unmittelbar
darauf kehrt der Klöppel in die Ruhestellung zurück, löst also die Federkontakte
Ml, 1'V12 von den Kontakten Q und bringt sie wieder in Berührung mit den Kontakten
0 (punktiert gezeichnete Stellung), so daß jetzt der Empfänger E an den Hörer HZ
angeschlossen ist. Die Einstellung der Verzögerungsvorrichtung des direkten Schallweges
erfolgt in gleicher Weise wie bei Abb. 2. Als Verzögerungsvorrichtung kann hier
natürlich ebenfalls ein Grammophon o. dgl. verwendet werden.
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Die Verzögerungsvorrichtung der Einrichtungen der Abb. 2 und 5, wie
sie eben beschrieben wurden, können gleichzeitig dazu dienen, den direkten Schall
zu schwächen, und zwar in durchaus regelbarer Weise. Es ist bei diesen Einrichtungen
z. B. nur notwendig, die Schreibspule Cl oder die Abnahmespule C2 mehr oder weniger
von dem Draht G zu entfernen. Auf diese Weise kann man die Intensität des direkten
Schalleindrucks gleichzeitig in bequemer Weise mit der Intensität des reflektierten
Schalleindrucks abgleichen.
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Als Verzögerungsvorrichtungen können im übrigen bei elektrischer Schallübertragung
auch alle diejenigen Mittel verwendet werden, die eine Vergrößerung der Zeitkonstante
der elektrischen Leitung herbeiführen. Solche Mittel wirken in derselben Weise wie
die verschiebbaren Rohre bei rein akustischer Leitung. Da es sich hier um Wechselströme
handelt, kommen als Mittel zur Vergrößerung der - Zeitkonstante in erster Linie
Selbstinduktionsspulen in Frage.
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Anstatt den direkten Schall besonders zu schwächen, kann man naturgemäß
auch den reflektierten Schall so lange verstärken, gegebenenfalls unter Verwendung
besonderer Verstärker oder Relais, bis die für die Anwendung des psychophysischen
Richtungshörens erforderliche Gleichheit der Intensitäten an beiden Ohren hergestellt
ist.
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Die Methode, bei der nur ein Empfänger verwendet wird, hat gegenüber
der Zwei-Empfänger-Methode den Vorzug, daß alle die bekannten Nachteile, die aus
der unvermeidlichen Verschiedenheit zweier Empfänger hinsichtlich Phase und Färbung
des wiedergegebenen Schallimpulses entstehen, hinwegfallen.
Die
Erfindung kann abgesehen von dem hesonders hervorgehobenen psychophysischen Richtungseindruckverfahren,
natürlich auch unter Verwendung beliebiger anderer Koinzidenzindikatoren ausgeführt
werden. In erster Linie kommen hierfür optische Registriermethoden, allenfalls auch
photographische Methoden in Frage. Das psychophysische Richtungseindruckverfahren
führt aber, wie z. B. Abb. i und 4 zeigen, zu besonders einfachen und bordfähigen
Apparaten.
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Für die geschilderten Methoden kann jede Art von Schallsendern oder
Impulserzeugern und jede beliebige Art von Empfängern angewandt werden.