Wasserschall

Begriff, Bedeutung und Entwicklung

Wasserschall ist Schall, der im Wasser übertragen wird. Das zugehörige Fachgebiet heißt Hydroakustik; gelegentlich bezeichnet Wasserschall auch die technische Anwendung der Hydroakustik. Weil sich elektromagnetische Wellen wie Radiowellen und Licht im Wasser stark absorbieren und meist nur wenige Meter bis höchstens etwa 100 m weit ausbreiten, ist Wasserschall für Kommunikation, Navigation, Ortung sowie für die Messung physikalischer, chemischer und biologischer Größen besonders wichtig. Der genutzte Frequenzbereich reicht ungefähr von 10 Hz bis 1 MHz. Schallwellen mit ausreichender Sendeleistung können im tieffrequenten Bereich über jede nicht durch Land unterbrochene Wasserstrecke der Erde wahrgenommen werden.

Leonardo da Vinci beschrieb 1490 das Hören von Schiffen durch ein ins Wasser getauchtes Rohr. Colladon und Sturm bestimmten 1827 die Schallgeschwindigkeit im Genfersee. Maury wies 1855 auf die Echolotung der Wassertiefe hin; als Erfinder des Echolots in den Jahren 1912 bis 1914 gelten jedoch Behm, Fessenden und Richardson unabhängig voneinander. Die Entwicklung stand offenbar auch unter dem Eindruck des Untergangs der Titanic.

Die passive Ortung von U-Booten wurde bereits im Ersten Weltkrieg eingesetzt. Die zunächst in Großbritannien als ASDIC bezeichnete Technik wurde später in Anlehnung an Radar Sonar genannt. Im Zweiten Weltkrieg nahm die U-Boot-Ortung stark zu; für die nachlassende Wirksamkeit der U-Boote waren jedoch vor allem Radar und die Bekämpfung aus der Luft entscheidend. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden U-Boote zu dauerhaft unterwasserfähigen Fahrzeugen. Nuklear angetriebene und konventionelle AIP-U-Boote sind daher fast nur noch mit Wasserschall beziehungsweise Sonar zu orten. Auch Seeminen werden überwiegend mit Sonar detektiert.

Physikalische Grundlagen und Messgrößen

Schallwellen sind longitudinale Druckwellen: Die Moleküle schwingen in Richtung der Schallausbreitung. Sie benötigen deshalb ein Medium. Für die Wellenlänge gilt

λ = c_S / f.

Dabei ist c_S die Schallgeschwindigkeit im Wasser, f die Frequenz und λ die Wellenlänge. Im Ozean beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 1480 m/s, in Luft unter normalen Bedingungen ungefähr 340 m/s. Sie steigt mit Temperatur, Druck und Salzgehalt. Eine einfache Berechnungsformel lautet:

c_S = (1449 + 4,6 T − 0,05 T² + 1,4(S − 35) + 0,017 D) m/s.

T ist die Temperatur in °C, S der Salzgehalt in psu und D die Tiefe in Metern. In der oberen Wasserschicht bestimmt vor allem die Temperatur die Schallgeschwindigkeit; eine Änderung von 20 °C auf 4 °C entspricht etwa −55 m/s. Unterhalb der Temperatursprungschicht ist die Temperaturänderung gering, sodass die Tiefe beziehungsweise der Druck überwiegt. Der Salzgehalt hat im offenen Ozean meist wenig Einfluss, weil er ungefähr 3,5 % beträgt. Beispiele für seine Wirkung sind +10 m/s im Roten Meer, −25 m/s im Schwarzen Meer und −50 m/s im Finnischen Meerbusen. Durch die Tiefe steigt die Schallgeschwindigkeit um etwa 17 m/s pro Kilometer und an den tiefsten Stellen der Weltmeere um etwa 190 m/s.

Wichtig ist der Schalldruckpegel. Für Luftschall gilt der Bezugswert 20 µPa, für Wasserschall 1 µPa. Gleiche Pegelangaben sind daher schwer vergleichbar. Die Bezugsintensität des Wasserschalls beträgt etwa 0,65 · 10⁻¹⁸ W/m². Bei den jeweiligen Bezugsdrücken unterscheiden sich gleiche Pegelangaben in der Intensität näherungsweise um 26 dB; für einen groben Vergleich wären deshalb vom Wasserschallpegel etwa 26 dB abzuziehen. Moderne Hochleistungs-Sonare und -Echolote erzeugen in 1 m Entfernung etwa 220 bis 240 dB bezogen auf 1 µPa.

Schallausbreitung und charakteristische Phänomene

Schall wird im Meer durch Absorption und durch Divergenz schwächer. Absorption wandelt Schallenergie in Wärme um. Im Seewasser unter 100 kHz ist vor allem die Relaxationsdämpfung bedeutsam: Bei Druckänderungen stellen sich chemische Gleichgewichte verzögert ein. Unter 10 kHz wird sie durch Borsäure, bei höheren Frequenzen durch Magnesiumsulfat verursacht. Die Absorption ist im Seewasser geringer als in Luft und nimmt zu tieferen Frequenzen ab. In einem unbegrenzten Raum nimmt die Intensität durch Divergenz mit 1/r² und der Schalldruck mit 1/r ab, wobei r die Entfernung ist.

Wegen der Schichtung der Schallgeschwindigkeit werden Schallstrahlen gekrümmt und an Oberfläche oder Meeresboden reflektiert. Dadurch entstehen mehrere Übertragungswege. Im Flachwasser haben diese oft nahezu gleiche Laufzeiten, aber unterschiedliche Phasen und erzeugen Interferenzen. Kleine Änderungen durch raue Begrenzungen oder interne Wellen lassen die Übertragung schwanken. Bei großen Entfernungen im Tiefwasser können deutlich getrennte Laufzeitgruppen auftreten.

Flachwasser liegt unter anderem vor, wenn das Produkt aus Wassertiefe in Metern und Frequenz in kHz kleiner als 100 ist. Dann wirkt das Wasser als Wellenleiter mit wenigen akustischen Moden. Tiefwasser liegt vor, wenn die Wassertiefe größer als die kritische Tiefe ist, also größer als die Tiefe, in der die druckbedingte Schallgeschwindigkeit der temperaturbedingten Geschwindigkeit an der Oberfläche entspricht. Bei hohen Frequenzen kann auch eine Übertragung als Tiefwasser gelten, wenn die Entfernung höchstens in der Größenordnung der Wassertiefe liegt. Sonarfachleute sprechen außerdem von blauem Wasser für unstrittiges Tiefwasser, grünem Wasser für den Übergangsbereich und braunem Wasser für flaches Küstenwasser. Schwierige Sondergebiete wie Fjorde werden als Confined Water bezeichnet.

An der schallweichen Meeresoberfläche wird der Schalldruck bei der Reflexion um 180° phasenverschoben. Die Interferenz mit dem direkten Schall verursacht den Lloyd-Mirror-Effekt. Für großen Abstand r gilt:

P/P₀ = 2(1 − cos(4πz₁z₂/(rλ))).

P₀ ist der Freifeld-Schalldruck, z₁ und z₂ sind die Abstände von Sender und Empfänger zur Oberfläche und λ die Wellenlänge. In einer Schattenzone oder Zone des Schweigens erreichen wegen der Brechung keine Strahlen den Bereich oberhalb des obersten möglichen Strahls. Im Flachwasser können Bodenreflexionen die Zone aufhellen. Morgens kann eine nächtlich abgekühlte, durchmischte Schicht gute Sonarbedingungen schaffen. Erwärmt sie sich durch Sonneneinstrahlung, verschlechtert sich die Ortung oft am Nachmittag: Dieser Afternoon-Effekt ist besonders bei windarmem, sonnigem Wetter im Tiefwasser ausgeprägt.

Im SOFAR-Kanal steigt die Schallgeschwindigkeit an der Oberfläche durch die Temperatur und in der Tiefe durch den Druck. Die niedrigste Geschwindigkeit liegt ungefähr in 1000 m Tiefe. Schall kann sich dort ähnlich wie in einem Lichtwellenleiter ohne Randreflexion über sehr große Entfernungen ausbreiten. Der Kanal ist für SOSUS und die akustische Meerestomographie wichtig. In der Ostsee existiert im Sommer teilweise ein ähnlicher, aber kleinerer und störanfälliger Baltic Duct. Bei größeren Tiefen als der kritischen Tiefe können außerdem Konvergenzzonen entstehen: Der Schall taucht zunächst ab und wird typischerweise in 50 bis 70 km Entfernung wieder stark gebündelt. Solche Zonen wiederholen sich ringförmig in ähnlichen Abständen.

Blasen, Umgebungsgeräusch und Nachhall

Blasen bilden zusammen mit dem Wasser und dem eingeschlossenen Gas ein schwingungsfähiges System. Bei ihrer Resonanzfrequenz ist der Rückstreuquerschnitt sehr groß. Für eine Blase mit Durchmesser a in Millimetern und Tiefe z in Metern gilt:

f_r = (3260/a) √(1 + 0,0982 · z) Hz.

Eine Blase mit 1 mm Durchmesser nahe der Oberfläche hat somit eine Resonanzfrequenz von 3,26 kHz. Unterhalb der Resonanz nimmt der Streuquerschnitt mit der vierten Potenz der Frequenz ab; oberhalb nähert er sich dem geometrischen Querschnitt. Wichtige Blasenquellen sind brechende See, Fischschwimmblasen, Schiffskielwasser und aufsteigende Methangasblasen. Blasen können Schall streuen, dämpfen und Geräusche erzeugen. Fishfinder nutzen besonders die Rückstreuung von Schwimmblasen.

Umgebungsgeräusch ist unerwünschter Schall, der ohne das Messgerät vorhanden ist. Davon unterscheidet man Eigengeräusch des Hydrofons oder seiner Plattform, übertragenen Körperschall und elektrische Störungen. Unterhalb 1 Hz tritt vor allem Pseudoschall durch Wasserstandsänderungen oder strömungsbedingte Druckschwankungen auf. Zwischen 1 und etwa 20 Hz fällt das Spektrum mit ungefähr 8 bis 10 dB pro Oktave; bei 1 Hz beträgt es etwa 120 dB rel. 1 µPa und 1 Hz Bandbreite. Zwischen 10 und 200 Hz, bei starkem Schiffsverkehr bis 1 kHz, prägen vor allem entfernte Schiffe das Geräusch. Das Maximum um 80 Hz liegt bei schwachem Schiffsverkehr bei etwa 70 dB und bei starkem Verkehr bei etwa 90 dB rel. 1 µPa und 1 Hz. Oberhalb von etwa 200 Hz bis 20 kHz, bei starkem Seegang bis 100 kHz, dominieren brechende See, Regenblasen und nahe Schiffe. Oberhalb von 20 kHz gewinnt thermisches Rauschen; bei 100 kHz beträgt es etwa 25 dB rel. 1 µPa und 1 Hz.

Nachhall sind kontinuierliche Reflexionen in einem natürlich begrenzten Bereich; einzelne Objektreflexionen heißen Echos. Bei Wasserschall ist Nachhall vor allem bei Aktivsonar wichtig. Man unterscheidet Oberflächen-, Volumen- und Bodennachhall. Im Flachwasser dominiert meist der Bodennachhall. Rauer oder felsiger Grund erzeugt starken Nachhall, während Schlick besonders tieffrequenten Nachhall verursachen kann. Volumennachhall entsteht durch Plankton und Fische beziehungsweise deren Schwimmblasen und ist gewöhnlich schwächer als der Nachhall an den Begrenzungen. Reichweiten können nachhallbegrenzt oder geräuschbegrenzt sein. Gegen Nachhall helfen Dopplerselektion sowie eine bessere Zeit- und Winkelauflösung.

Technische Anwendungen und Sonartypen

Wasserschall wird für Tiefenmessung, Ortung, Fishfinding, Unterwasserbilder, Kommunikation, Navigation, Strömungsmessung und Ocean Acoustic Tomography eingesetzt.

Das Navigationslot misst die Wassertiefe und gehört zur Standardausrüstung von Schiffen. Forschungs- und Vermessungslote sind eng gebündelt und stabilisieren die Messung gegen Schiffsbewegungen. Fächerlote erfassen viele Richtungen gleichzeitig und ermöglichen eine flächige Abbildung des Meeresbodens. Sedimentpenetrierende Lote durchschallen die oberen Sedimentschichten; wegen der starken Bodendämpfung arbeiten sie tieffrequent.

Militärische Sonare umfassen Ujagd-, U-Boot-, Minenjagd-, Minenmeide- und Waffensonare. Ujagdsonare können aktiv, passiv oder bistatisch arbeiten, wobei Sender und Empfänger auf getrennten Plattformen liegen. Tieffrequente Schleppsonare arbeiten typischerweise bei 100 Hz bis 3 kHz; frühere Aktivsonare nutzten meist 3 bis 20 kHz. SOSUS war ein im Kalten Krieg weltweit eingesetztes stationäres Passiv-Sonarsystem zur Überwachung von U-Booten. Minenjagdsonare benötigen kurze Reichweiten unter 1 km, aber hohe Auflösung und arbeiten meist bei 100 kHz bis 1 MHz. Waffensonare von Torpedos liegen wegen des geringeren Reichweitenbedarfs in höheren Frequenzbereichen als Ujagdsonare.

Fishfinder sind hochfrequente Aktivsonare, die Fischschwimmblasen orten. Mehrfrequenzgeräte wie das Simrad EK60 können über unterschiedliche Resonanzfrequenzen Fischgrößen unterscheiden. Seitensichtsonare erfassen mit jedem Ping einen seitlichen Streifen des Meeresbodens. Rückstreuung und Schatten zeigen Bodenarten und Objekte; unmittelbare Tiefeninformationen fehlen meist, können aber unter anderem interferometrisch gewonnen werden. Hochauflösende Geräte arbeiten bei 200 kHz bis 1 MHz und erreichen nur einige 10 m, während Systeme im unteren kHz-Bereich im Tiefwasser nahezu 100 km Reichweite erzielen können.

Unterwasserkommunikation ist wegen der starken elektromagnetischen Absorption über Strecken von 10 bis 300 m praktisch auf Wasserschall angewiesen. Das frühere Unterwassertelefon Gertrude übertrug Sprache analog in SSB-Technik mit 9 kHz Trägerfrequenz und 300 Hz bis 3 kHz Bandbreite. Heute werden Verfahren aus der Mobilfunktechnik genutzt; wegen schlechter Ausbreitung und geringer Bandbreite, vorwiegend 5 bis 40 kHz, bleiben Informationsmenge und Reichweite begrenzt. Akustische Navigationssysteme bestimmen die relative Position getauchter Geräte zu Plattformen oder Bezugsstationen zentimetergenau. Releaser liefern Antwortsignale zur Kontrolle und Ortung oder lösen ein Grundgewicht, damit Messsysteme aufsteigen können.

ADCP-Geräte bestimmen mit der Dopplerverschiebung des Nachhalls von Streukörpern, vor allem Plankton, die Strömungsgeschwindigkeit. Für die Auflösung gilt Δv_n Δz = c²/(2f₀), mit c ≈ 1480 m/s und der Sendemittenfrequenz f₀. Höhere Frequenzen verbessern die Auflösung, verkürzen aber wegen stärkerer Dämpfung das Messprofil. Breitband-ADCPs können die Auflösung durch große Sendesignalbandbreite erhöhen.

Bei der akustischen Meerestomographie werden Laufzeiten zwischen vielen Sendern und Empfängern ausgewertet, um großräumige dreidimensionale Schallgeschwindigkeits- oder Temperaturfelder zu bestimmen. Da sich Schall nicht geradlinig ausbreitet, ist die Beziehung zwischen Laufzeit und Temperaturschichtung nichtlinear. Deshalb benötigt man ein funktionales Modell mit begrenzter Zahl freier Parameter. OAT eignet sich vor allem für großräumige Phänomene und zeitliche Veränderungen. Ein bekanntes Experiment war ATOC im Pazifik.

Wasserschall und Meeressäuger

Wale und Delfine nutzen Wasserschall zur Kommunikation und Echoortung. Dadurch entstehen Nutzungskonflikte mit technischen Schallquellen. Meeressäuger sind besonders auf ihr Gehör angewiesen. Auf der Nordhalbkugel wird das Unterwassergeräusch inzwischen dauerhaft durch diffuse Schiffsgeräusche im Bereich von 100 bis 300 Hz geprägt, sofern es nicht bei Stürmen durch natürliches Oberflächengeräusch übertönt wird.

Zu den lautesten Schallquellen gehören Seebeben, unterseeische Vulkane, kalbende Eisberge und seismische Hochenergie-Sonare, sogenannte Air Guns oder Schallbomben. Letztere werden bei der Suche nach Erdöl und Erdgas eingesetzt, erreichen bis über 220 dB und werden rund um die Uhr in Abständen von wenigen Sekunden ausgelöst. Die bekannten Schäden durch technischen Schall sind relativ gering, die Dunkelziffer ist jedoch unbekannt.

Als gesichert gilt, dass mittelfrequente militärische Sonare von 2 bis 5 kHz Strandungen von Schnabelwalen auslösen können. Seit 1996 strandeten bei mehreren Ereignissen etwa 50 Schnabelwale, jeweils ungefähr 10 Tiere pro Ereignis. Als Ursache gilt eine panische Auftauchreaktion tief tauchender Schnabelwale, die zur Taucherkrankheit, also zu einer Embolie durch ausperlenden Stickstoff, führen kann. Die Gefährdung durch Schall ist signifikant, aber weiterhin geringer als die Gefährdung durch Walfang einschließlich Beifang und durch Kollisionen mit Schiffen.