Echolot

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Dieser Artikel behandelt das akustische Messgerät in der Nautik.
Für die Buchreihe von Walter Kempowski siehe Das Echolot, für das Musikalbum siehe Echolot (Album).

Das Echolot ist ein in der Schifffahrt verwendetes Gerät zur elektroakustischen Messung von Wassertiefen (Lotung). Gemessen wird die Zeit, die zwischen der Aussendung eines Schallimpulses (Wasserschall) und der Ankunft der vom Gewässerboden reflektierten Schallwellen verstreicht.

Schallausbreitung beim Echolot (schematisch)

Geschichte[Bearbeiten]

Aufzeichnung der Echos auf einen Papierstreifen

Das Echolot wurde in den Jahren des Ersten Weltkriegs in verschiedenen Staaten gleichzeitig und weitgehend unabhängig voneinander entwickelt. In Deutschland gelang dem Physiker Alexander Behm der Durchbruch mit seinen Reichspatenten Nr. 310690 vom 7. Januar 1916 und Nr. 367202 vom 1. Juni 1920.[1] Zur wirtschaftlichen Verwertung seiner Erfindung gründete er 1920 in Kiel die Behm-Echolot-Gesellschaft.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Schallwandler

Das Echolot sendet über einen Geber ein Schallsignal nach unten. Dort wird das Signal vom Gewässerboden, aber auch Schiffswracks oder Fischschwärmen, reflektiert. Der reflektierte Impuls wird am Schiff empfangen. Aus der Laufzeit kann die Wassertiefe berechnet werden.

Die meisten Echolote verwenden Impulse mit einer Frequenz im Bereich zwischen 50 und 200 kHz (Ultraschall mit einer Wellenlänge von 7,5 mm bis 3 cm). Ein Ultraschallgeber (meist ein Piezolautsprecher) im Schiffsboden oder am Heck strahlt Impulse aus. Die Schallwellen werden am Gewässerboden reflektiert und vom Schallwandler empfangen. Aus der Laufzeit der Wellen und der Ausbreitungsgeschwindigkeit wird die Tiefe ermittelt.

Die Zahl der Impulse pro Sekunde liegt zwischen etwa 5 und 40. Die Impulse dauern nur wenige Millisekunden, damit das Echolot dazwischen genügend Zeit hat, die reflektierten Impulse zu empfangen. Bei großen Wassertiefen müssen die Impulse wegen der längeren Laufzeit weiter auseinander liegen.

Der Öffnungswinkel des Messstrahls liegt meistens zwischen 5° und 20° (An dieser Grenze ist nur noch die Hälfte der Signalleistung von der Mitte messbar). Dadurch ergibt sich am Boden ein flächiger Messbereich, dessen Durchmesser proportional zur Tiefe zunimmt. Je nach Krängung des Schiffes, aber auch bei nicht senkrechter Montage des Gebers, entstehen durch schräge Messungen zu große Laufzeitwerte und falsche (zu große) Tiefen.

Öffnungswinkel und Fußabdruck

Im Idealfall entspricht das erste Echo der gesuchten Tiefe. Bei geneigtem bzw. unregelmäßigem Untergrund oder bei Schlick und Schlamm entstehen Messfehler und sind Korrekturen notwendig. Die Beschaffenheit des Untergrunds kann durch die Verwendung von zwei Frequenzen bestimmt werden. Die üblichen 100–200 kHz werden schon an Schichten geringer Dichte reflektiert, die tiefer eindringende niedrige Frequenz von 15 bis 50 kHz (Wellenlänge 3 cm bis 10 cm) hingegen erst an festeren Schichten.

Messbereich[Bearbeiten]

Der Tiefenmessbereich variiert je nach Sendeleistung und Störgeräuschen. Einfache Geräte mit einer Sendeleistung zwischen 100 und 1000 Watt erreichen meist mehr als 100 Meter. Für größere Tiefen wird mehr Sendeleistung eingesetzt. Niedrige Frequenzen, beispielsweise 50 kHz, werden im Wasser weniger gedämpft und reichen tiefer als hohe Frequenzen. Gedämpft wird der Strahl auch wenn der Geber im Schiffsinneren montiert ist und der Strahl erst die Bordwand durchdringen muss. Eine starke Dämpfung wird durch Luft erzeugt, beispielsweise, wenn der Rumpf in "Sandwichkonstruktion" gefertigt ist, oder wenn unter dem Geber durch rauhe Oberflächen und das schnell vorbeiströmende Wasser Luftblasen entstehen (Kavitation). Luftblasen entstehen auch durch das Schraubenwasser vorbeifahrender Schiffe.

Berechnung der Schallgeschwindigkeit im Wasser[Bearbeiten]

Die Schallgeschwindigkeit im Wasser ist abhängig von der Temperatur, vom Salzgehalt und vom Druck; und diese drei Größen sind ihrerseits abhängig von der Wassertiefe. Die Schallgeschwindigkeit beträgt etwa 1500 m/s im Salzwasser und 1463 m/s im Süßwasser. In großen warmen salzhaltigen Tiefen (Rotes Meer) kann sie bis 1900 m/s betragen.[2]

Für genaue Messungen müssen diese Parameter jeweils bestimmt und bei der Umrechnung der Laufzeit in eine Wassertiefe berücksichtigt werden. Dazu existieren verschiedene empirische Formeln.[3][4]

Fächerecholot[Bearbeiten]

Fächerecholot

Für die Vermessung von Gewässersohlen, Flussmündungen und Flachküsten werden Fächerlotsysteme eingesetzt. Durch ein Strahlenbündel wird die Vermessung genauer und bei mehrfacher Überdeckung der gemessenen Streifen gut kontrollierbar.

Fächerecholote werden zunehmend auch auf Yachten und von Anglern und Fischern (Fischfinder) verwendet.

Das Fächerecholot sendet nacheinander mehrere hundert Messstrahlen mit einem Öffnungswinkel von etwa 1,5°. Je nach Verteilung der Strahlen quer zur Fahrtrichtung entsteht ein Fächer von 120 bis 150° Breite. Die Fächeröffnung kann bei modernen Systemen dem Gewässerprofil, der Schiffsgeschwindigkeit und der Wassertiefe angepasst werden. Zur Vermessung von Hafenanlagen werden Fächerwinkel bis 210° verwendet. Der Fächer erfasst Streifen des Meeresbodens entlang des Schiffskurses. Je größer die Wassertiefe, desto breiter ist der erfasste Streifen. Fügt man mehrere überlappende Streifen zusammen, kann daraus ein digitales Geländemodell berechnet und schließlich eine topografische Karte erstellt werden.

Flächenecholot[Bearbeiten]

Schwingereinheit (zusammengeklappt) eines Flächenecholot; zum Messbetrieb werden die beiden beweglichen Rahmenteile mit Schwingern nach aussen geklappt

Auch das Flächenecholot wird zur Gewässersolenvermessung eingesetzt. Im Gegensatz zum Fächerecholot werden hier mehrere Schwinger mit definiertem Abstand und geringem Öffnungswinkel eingesetzt. Jeder Schwinger wird beim Ping mit einer unterschiedlichen Sendefrequenz betrieben. Sendefrequenzbereich, Öffnungswinkel und Schwingerabstand bestimmen sich nach der Messtiefe und dem Solezustand des Messgebietes und können in der Regel eingestellt oder verändert werden.[5][6]

Fischfinder[Bearbeiten]

Sediment echo-sounder hg.png
Darstellung der Echos auf einem Farbbildschirm

Der Fischfinder zeigt auf einem Farbbildschirm ein Profil des Meeresbodens. Boden, Bewuchs und Fischschwärme können unterschieden werden. Echos von Fischen werden dabei besonders hervorgehoben.

Neben solchen Echolotgeräten für die Hochsee- und kommerzielle Fischerei gibt es auch kleinere Geräte für den Angler und Hobby-Fischer. Der Deeper Fishfinder beispielsweise hat einen Durchmesser von lediglich 6,5 cm und wiegt knapp 100g.[7] In Verbindung mit einem mobilen Endgerät (Smartphone oder Tablet-PC) zeigt dieses Echolot Profi- und Amateur-Anglern neben der Bodenbeschaffenheit des Angelspots auch an, wo sich die Fische gerade befinden.

Sedimentecholot[Bearbeiten]

Das Sedimentecholot verwendet niedrigere Schallfrequenzen im Bereich zwischen 0,5 und 6 kHz (Wellenlänge 3 m bis 25 cm) und dringt damit bis zu 100 m in den Meeresboden ein. Es liefert Geologen und Geophysikern Informationen über Härte und Beschaffenheit der Bodenschichten (Sedimente). Diese Bodenbeschaffenheit ist auch wichtig für den Wasserbau.

Echoortung[Bearbeiten]

Die Echoortung ist ein eng verwandtes Verfahren, mit dem sich auch die Lage von Objekten, wie Schiffen oder Fischen, bestimmen lässt. Echoortung wird für die U-Boot-Suche und für die Minensuche eingesetzt (aktives Sonar-Verfahren). Hochauflösende Geräte dienen zur Wrack-Suche und zur Personen- und Leichen-Suche. Zahnwale und Fledermäuse verwenden die Echoortung zur Orientierung.

Verwandte Verfahren[Bearbeiten]

Vereinzelt wird eine vergleichbare Methode auch in der Luftfahrt verwendet. Das Sonic Altimeter dient zur Höhenmessung von Flugzeugen über Grund.

Das Autofokus-System einiger Fotoapparate arbeitet mit einem Ultraschall-Entfernungs-Messgerät.

Mit dem Geoscanner werden Bodenveränderungen sichtbar gemacht.

Auch der Mensch kann ein gewisses Gefühl für die Grösse von Räumen entwickeln, wenn diese etwas Halligkeit aufweisen, was besonders im Dunkeln oder von Blinden genutzt wird.

Bathymetrische Karte[Bearbeiten]

General Bathymetric Chart of the Oceans (GEBCO) ist ein bathymetrischer, weltweiter Datensatz, der auf zusammengetragenen Daten aus Schiffs-Echoloten basiert. Auf den daraus erstellten Karten sieht man die genaue Form des Meeresgrundes mit seinen Rücken und Tälern. Google und OpenSeaMap verwenden solche Karten.

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Echolot – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Echolote – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Patentschriften als pdf siehe Alexander Behm: Dokumente, Downloads, abgerufen am 12. Januar 2014.
  2. Fouad Ghattas, Springer
  3. Formeln zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit in Seewasser (engl.)
  4. Quantum Hydrometrie (PDF; 1,0 MB)
  5. Lisa-Maria Mic: Gegenüberstellung hydrographischer Messmethoden zur Gewässeruntergrundmessung von Fließgewässern und Seen. In: Diplomarbeit. 2013, S. 25–26, abgerufen am 7. März 2014 (pdf, 11,7 MB, deutsch).
  6. EA MCU - Hydrografisches Flächenecholot. Kongsberg Maritime AS, abgerufen am 7. März 2014 (deutsch).
  7. buydeeper.de Technische Daten des Klein-Echolots für Angler: Deeper Fishfinder