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Echolotanordnung Erzeugt man inmitten einer Flüssigkeit eine Schallwelle,
so breitet sich diese kugelförmig aus, und alle Punkte der Kugelwelle besitzen dabei
die gleiche Schallintensität. Erzeugt man dagegen in einer Flüssigkeit in oder nahe
einer Grenzfläche gegen Luft oder ein anderes Gas eine Schallwelle, so breitet sich
auch hier der Schall kugelförmig aus, wenn die Schallwelle punktförmig ist. Aber
die Intensitätsverteilung ist in diesem Falle durchaus keine gleichförmige, sondern
die Schallausbreitung entlang der Grenzfläche erfolgt mit weit geringerer Intensität
als nach allen anderen Richtungen. Diese Erscheinung ist bekannt und macht sich
besonders bei Tonsignalverkehr in horizontaler Richtung im Wasser störend bemerkbar,
wenn man nicht dafür sorgt, daß Sender und Empfänger so tief ins Wasser gehängt
werden, daß sie der Einwirkung dieser im nachstehenden als Grenzflächeneffekt bezeichneten
Erscheinung entzogen sind.
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Der Grenzflächeneffekt, der bisher in der Unterwasserschalltechnik
keine Nutzanwendung fand und nur störend auftrat, kann nun aber bei Echolotungen
mit großem Nutzen angewandt werden, indem man nämlich die geschwächte Schallausbreitung
entlang einer Grenzfläche Flüssigkeitgas dazu benutzt, die Sende- und Empfangsorgane
vor gegenseitiger direkter Schalleinwirkung zu schützen. Solches Verfahren ist möglich,
weil bei Anordnung von Sender und Empfänger an der Wasseroberfläche oder nahe derselben
unter Wasser wohl die Schallausbreitung in horizontaler Richtung vom Sender zum
Empfänger außerordentlich geschwächt ist, nicht aber die Schallausbreitung zum Meeresgrunde
hin und von dort zum Echoempfänger zurück.
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Vom Erfinder angestellte Versuche haben gezeigt, daß die abschirmende
Wirkung des Grenzflächeneffektes entgegen aller Erwartung in der Tat so stark ist,
daß man mit bestem Erfolg selbst auf kleinen Tiefen Echolotungen vornehmen kann,
wenn man einen Sender und einen Empfänger in mäßiger Entfernung nebeneinander im
freien Wasser in der Grenzfläche oder nahe derselben aufhängt. Bei solcher Anordnung
ist es sogar möglich, ganz kleine Wassertiefen bei direkter Anzeige ohne Abschalten
oder Stummachen des Echoempfängers zur Sendezeit zu loten, weil das Echo z. B. auf
2o m Wassertiefe noch um viele Male stärker auf den Echoempfänger trifft als der
Schall des Senders auf direktem Wege, da dieser durch die oberflächlichen Wasserschichten
hindurch zufolge des Grenzflächeneffektes auf den Echoempfänger nur sehr schwach
einzuwirken vermag.
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Die Abschirmung von Sender und Empfänger durch den Grenzflächeneffekt
wird besonders vorteilhaft da angewandt, wo es sich darum handelt, kleine Wassertiefen
bei Vermessung von Binnengewässern und auf Expeditionen zu loten, wo große Schiffe
mit fest eingebauten Echolotanlagen keine oder nur selten Anwendung finden können.
Hier genügt es zum Zwecke der Echolotung, von einem kleinen Kahn, Falt- oder Gununiboot
aus Sender und Empfänger neben oder hinter dem Fahrzeug an
oder
eben unter der Wasseroberfläche anzuordnen, um mit bestem Ergebnis Echolotungen
ausführen zu können. Dabei ist es zweckmäßig, Geber und Empfänger in einem unveränderlichen,
festen Abstand voneinander zu halten, damit man eine feste Basis hat und das Anzeigegerät
für diese Basis direkt in Tiefenmetern eichen kann. In Fahrt kann dies einfach dadurch
erreicht werden, daß man beispielsweise den Sender an kurzer Leine hinter dem Fahrzeug
oder an einem Davit seitwärts anbringt und den Empfänger durch eine zweite Leine
oder Seil in Länge der Basis mit dem Sender verbindet. Dabei können selbstverständlich
Sender und Empfänger auch in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sein. Ersetzt man
hierbei die Leine durch ein Gestänge, so bietet dies den Vorteil, daß auch bei gestopptem
Fahrzeug die Basis in ihrer Länge unveränderlich erhalten bleibt. Damit nun aber
weder durch die Leine noch durch das Gestänge Schall durch diese Verbindung auf
direktem Wege übertragen werden kann, ist es zweckmäßig, die Befestigung der Verbindungsglieder
am Sender und Empfänger so vorzunehmen, daß sie akustisch isoliert erfolgt. Dies
kann beispielsweise durch Benutzung von Gummizügen oder Gummipuffern geschehen.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, eine Reihe von akustischen Isolatoren anzuwenden,
die durch möglichst starre und schwere Zwischenglieder voneinander getrennt sind,
so daß eine akustische Isolierung in ähnlicher Weise zustande kommt, wie sie bei
der Antennenisolierung in der Elektrotechnik üblich ist, indem man schwere und feste
Körper mit elastischen wechseln läßt, wodurch die Übertragung von mechanischen Schwingungen
bedeutend herabgesetzt ist. Da man bei Expeditionen zumeist in bezug auf die mitzuführenden
Gewichte und auch sonst in seinen Mitteln beschränkt ist, so kann es unter Umständen
vorteilhaft sein, einen Schallsender mit Handbetrieb zu benutzen. In solchem Falle
wird man den Sender unmittelbar außenbords anordnen, so daß er von einer im Boot
sitzenden Person von Hand betrieben werden kann. Da Kähne u. dgl. Fahrzeuge nur
einen geringen Tiefgang besitzen, so kann, wenn die Umstände dies sonst zulassen,
der Sender auch in die Bordwand oder in den Boden eingebaut werden, ohne daß die
Wirkung des Grenzflächeneffektes dadurch verlorenginge oder in diesem Falle einet
besondere Isolierung des Senders Anwendung finden müßte, weil ja auch der auf den
Bootskörper übertragene Schall in seiner Ausbreitung zum Empfänger hin dem Oberflächeneffekt
-unterliegt-Will man von einem Luftfahrzeug aus der Luft heraus Echolotungen zur
Bestimmung der Wassertiefe vornehmen, so kann man in ähnlicher Weise wie eben dargestellt,
verfahren, indem man Geber und Empfänger an Kabeln zu Wasser läßt und dafür sorgt,
daß diese an der Wasseroberfläche oder eben darunter schwimmend erhalten werden.
Denn im praktischen Betriebe wird es hier und auch beim Loten von kleinen Booten
aus nicht immer möglich sein, Sender und Empfänger in die Wasseroberfläche zu hängen,
da Wellen und Seegang hierbei stören würden. Aus diesem Grunde kann es in beiden
Fällen notwendig werden, Sender und Empfänger ein Stück unter Wasser zu hängen,
um sie diesen Einflüssen zu entziehen. Sie zu tief zu hängen, verbietet sich schon
von selbst, da alsdann die abschirmende Einwirkung des Grenzflächeneffektes verlorengehen
und der Echoempfänger auf direktem Wege so stark erregt werden würde, daß man nur
noch große und nicht die kleinen Wassertiefen loten kann: Natürlich kann auch eine
schallisolierende Verbindung zwischen Sender und Empfänger als künstliche Basis
benutzt werden, wenn bei Lotungen aus großer Flughöhe die Einhaltung einer genauen
Basislänge gewährleistet sein soll.
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Baut man, wie dies bisher bei akustischen Loten geschah, Sender und
Empfänger direkt in die Bordwand ein, so kann naturgemäß die Wirkung des Grenzflächeneffektes
nicht zur Geltung kommen, weil alsdann der Sendeschall sich auf direktem Wege durch
das Eisen der Bordwand auf den Empfänger überträgt, und zwar bei kleinem Abstand
von Sender und Empfänger zumeist stärker als auf dem Wasserwege. Die Abschirmung
durch den Grenzflächeneffekt kann aber dadurch nutzbar gemacht werden, daß man den
Sender und den Empfänger vom Schiffskörper akustisch isoliert in den Boden oder
die Schiffswand einsetzt, oder wenn man aus irgendwelchen Gründen nicht beide isolieren
kann, dies mindestens beim Sender tut. Da bei solcher Anordnung der Sendeschall
nicht mehr auf direktem Wege durch den Schiffskörper zum Echoempfänger zu gelangen
vermag, so bleibt für die direkte Schalleitung nur der Weg durch die Wasserschichten
entlang der Grenzfläche: Wasser -;- Eisen - Luft übrig, und dieser Weg ist der direkten
Schallwelle praktisch durch den Grenzflächeneffekt gesperrt.
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Wenn besonders bei bekannten Signaleinrichtungen gelegentlich eine
Isolierung beim Sender oder beim Empfänger zur Anwendung gelangt, so geschieht dies,
um Störungen des Schallempfanges durch die im Schiff entstehenden Eigengeräusche,
wie Maschinenlärm u. dgl., zu verhindern oder um den Sender daran zu hindern, das
ganze Schiff in Mitschwingung zu versetzen und Mannschaft und Passagiere zu stören,
nicht aber zu dem ausgesprochenen Zweck, den Grenzfiächeneffekt zwecks Echolotung
wirksam zu machen.
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Bringt man zusammen mit der Abschirmung
durch den
Grenzflächeneffekt auch noch eine körperliche Abschirmung durch einen besonderen
Schirmkörper oder durch Teile des Schiffskörpers selbst zur Anwendung, so wird dadurch
die Beeinflussung des Echoempfanges durch die Schallwelle auf direktem Wege noch
wesentlich stärker herabgesetzt. Diese Wirkung kann noch erhöht werden, wenn man
neben dem Grenzflächeneffekt und körperlicher Abschirmung einen Sender benutzt,
der eine ganz oder teilweise gerichtete Schallwelle aussendet. Die Anwendung einer
solchen Kombination ist deshalb, weil man, um kleine Tiefen zu loten, einerseits
zweckmäßig mit einer möglichst kleinen Basis arbeiten muß, anderseits aber weder
der Grenzflächeneffekt noch die körperliche Abschirmung noch das Aussenden einer
gerichteten Schallwelle in ihrer Wirkung allein ausreichend sind, den Empfänger
absolut von der Einwirkung des Senders bei kleiner Basis zu schützen. Aber auch
da, wo eine größere Basis Anwendung finden soll, ist diese Kombination zweckmäßig,
weil sie gestattet, sehr große Sendeenergien zur Anwendung zu bringen, ohne daß
der Echoempfänger auf direktem Wege zu stark erregt wird, so daß kleine Tiefen nicht
,gelotet werden könnten.
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Die akustische Isolierung von Sender und Empfänger bei dem vorbeschriebenen
Echolotverfahren bietet auch noch einen weiteren wesentlichen Vorteil, nämlich den
des Sendens und des punktförmigen Echoempfanges. Beim Loten großer Wassertiefen
bietet ein solcher Empfang allerdings keine Vorteile, dagegen ist er außerordentlich
wichtig beim Loten allerkleinster Wassertiefen. Ohne eine Isolierung des Senders
ist nämlich auch die Umgebung des Senders mit an der Schallaussendung beteiligt,
und die Sendung erfolgt nicht punkt-, sondern mehr flächenförmig. Welcher Schallweg
in diesem Falle als Echoweg für die Berechnung der Wassertiefe auf kleinen Tiefen
in Frage kommt, kann dann abhängig werden von der Intensität, mit der gesendet wird,
und der Empfindlichkeit, mit der empfangen wird, weil dann die Sendestelle, von
der der Schallstrahl ausgeht, der dann zuerst den isolierten Echoempfänger mit genügender
Intensität erregt, nicht unbedingt in der Membran des Senders gelegen sein muß,
sondern ein Punkt der Bordwand sein kann, der näher zum Sender gelegen ist als der
Sender selbst, so daß der dem Sitz von Geber und Empfänger entsprechende Echoweg
in Wirklichkeit größer ist als der tatsächliche Weg bei solcher Echolotung. Ohne
Isolierung des Empfängers aber besteht die Gefahr, daß das zuerst von der senkrecht
unter dem Sitz des Senders gelegenen Stelle des Meeresbodens mit einer Geschwindigkeit
von z 5oo m pro Sekunde zurückgeworfene Echo, das auf kürzestem Wege zuerst die
Bordwand an dieser Stelle trifft, auf dem Wege transversaler oder longitudinaler
Eisenleitung, die mit 5 000 m pro Sekunde erfolgt, durch den Schiffsboden
früher auf den unisolierten Empfänger trifft und hier wirksam wird, als der Teil
der Echofrontwelle beim Echoempfänger eintrifft, der auf dem Wasserwege mit 1500
m pro Sekunde für die in Frage kommende Tiefe den kürzesten Echoweg zurücklegt.
Es wird -dann also eine Echozeit gemessen, die kürzer ist, als sie dem Echowege
entspricht, der sich für die in Frage kommende Tiefe für den Sitz von Geber und
Empfänger rechnerisch ergibt.
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Aber es ergibt sich beim Senden mit unisoliertem Empfänger auch noch
der weitere Nachteil, daß die gemessene Echozeit für ein und dieselbe Tiefe schwankend
und abhängig ist von der Intensität der jeweiligen Schallsendung und der jeweiligen
Empfindlichkeit des Empfängers, weil es von diesen zwei Faktoren abhängt, welcher
Punkt der Bordwand den Schallstrahl aussendet, durch den die Lotung bewirkt wird.
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Wird aber weder der Empfänger noch der Sender isoliert, so sind weder
Echoempfang noch Aussendung punktförmig, und die oben geschilderten Nachteile kommen
in ihrer Wirkung zusammen und machen die Echolotungen noch unsicherer und ungenauer.
Für diesen Zweck aber wird sowohl der Sender wie der Empfänger isoliert werden.
Der Echoempfang ist alsdann punktförmig und erfolgt nur auf dem Wasserwege, und
die Intensität des Senders sowie die schwache Empfindlichkeit des ' Empfängers vermögen
aus obigen Gründen das Ergebnis der Echolotung nicht zu fälschen.
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In welcher Weise man die akustische Isolierung von Geber und Empfänger
vornimmt, ist gleichgültig. Man kann dazu Körper von Gummi usw. benutzen, auch kann
man sich der Massenwirkung bedienen. In vielen Fällen kann man die sendenden und
empfangenden Teile von Geber und Empfänger, die häufig Membranen sein werden, akustisch
isoliert in den Empfänger oder Geber einsetzen und diese alsdann ohne Isolierung
in die Bordwand einbauen. Man kann aber auch so verfahren, daß man die Isolierung
nicht in Geber und Empfänger, sondern zwischen Geber und Empfänger und der Bordwand
einbaut. Sehr zweckmäßig wird es oft sein, Geber und Empfänger von außen isoliert
auf die Bordwand des Schiffes zu setzen. Auch hier kann man so verfahren, daß man
entweder den ganzen Empfänger isoliert aufsetzt oder nur die schallsendenden und
empfangenden Teile beispielsweise in Gestalt von Membranen. Der übrige Teil des
Senders kann dann entweder außerhalb der Bordwand liegen, er kann aber auch teilweise
im Innern des Schiffes angeordnet werden.
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Unter einer akustischen Isolierung ist eine Isolierung zu verstehen,
die nicht lediglich den Zweck hat, eine Wasserdichtung herbeizuführen,
sondern
die neben diesem Zweck darüber hinaus auch noch die Übertragung von Schwingungen
und Stößen des einen Teils auf den anderen verhindert.
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Es wird noch bemerkt, daß es an sich bereits bekannt war, den Empfänger
eines Unterwasserschallgerätes gegen die in der Schiffswandung verlaufenden Störungsgeräusche
akustisch zu isolieren, um einen möglichst störungsfreien Empfang der Unterwasserschallwellen
zu erzielen.