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Unterwasser-Schall als eine Art Beleuchtungsquelle

Während Sonargeräte aktiv Ultraschall-Signale aussenden und aus deren Reflexionen lediglich Vorhandensein und Gestalt von Oberflächen errechnen, könnte die im Meer stets vorhandene Schallkulisse als Quelle für ein bildgebendes Verfahren dienen.

Der visuelle Sinn vermag das in der Umgebung reflektierte Licht wahrzunehmen und daraus auf Ort, Gestalt und Eigenschaften der Objekte wie ihre Farbe rückzuschließen – in der transparenten Luft. Wasser absorbiert aber die elektromagnetischen Wellen des sichtbaren Spektrums so stark, daß weder die Sonne noch künstliche Beleuchtung dem Menschen die Orientierung in einigen Dutzend Metern Tiefe ermöglichen. Hingegen werden Schallwellen weit weniger gedämpft. Sonargeräte etwa senden Ultraschallwellen aus und bestimmen aus den Laufzeitunterschieden der Reflexionen Ort und Oberflächencharakteristik von Objekten: Seit dem Zweiten Weltkrieg ortet man so U-Boote; in der Ozeanographie läßt sich auf diese Weise die Topologie des Meeresgrundes erkunden – allerdings nur mit einigem Aufwand.


Akustisches Analogon von Tageslicht

Es gibt nun im Meer eine permanent vorhandene Kulisse von Schall, erzeugt von sich brechenden Wellen an der Oberfläche, aufsteigenden Gasblasen, Gischt, Schiffen, Tieren und absinkenden Teilchen. Wird dieses Geräusch richtungsabhängig und mit hoher Auflösung empfangen, sollte mittels bildverarbeitender Verfahren eine Art Sehen unter Wasser möglich sein. Daran arbeiten Wissenschaftler am Scripps-Institut für Ozeanographie in La Jolla (Kalifornien) unter der Leitung von Michael J. Buckingham seit etwa drei Jahren; sie nennen diese neue Technik acoustic daylight imaging, das Projekt trägt den Namen ADONIS (acoustic daylight ocean noise imaging system).

Die obere Grenze der dabei nutzbaren Frequenzen beträgt etwa 100000 Hertz, denn bei höheren stören thermische Schwingungen von Wassermolekülen. Weil Schall an Objekten gebeugt wird, deren Ausmaße seiner Wellenlänge ungefähr entsprechen, würde wiederum die Auflösung bei weniger als 5000 Hertz zu schlecht. Das sogenannte geometrische Zentrum des somit nutzbaren Frequenzbandes liegt bei 25000 Hertz; dort beträgt die Wellenlänge sechs Zentimeter, und die frequenzabhängige Dämpfung erlaubt eine Reichweite von maximal 500 Metern. Liegt der Durchmesser der Aufnahmefläche bei zehn Metern, betrüge die Auflösung in diesem Maximalabstand und bei dieser Frequenz lediglich drei Meter, bei einer Distanz von nur 100 Metern hingegen bereits 60 Zentimeter.


Prototypen und erste Versuche

In der ersten Versuchsphase bestand die akustische Linse aus einem parabolischen Reflektor von 1,22 Metern Durchmesser und einem unterwassertauglichen Mikrophon in seinem Brennpunkt. Diese Meßvorrichtung sollte unter einem schmalen Einfallswinkel – quasi gerichtet – Schall aufnehmen.

Im Experiment gelang es, rechteckige Objekte aus neopren-beschichtetem Aluminium in zehn Metern Entfernung anhand einer Niveauerhöhung im Energiespektrum des aufgenommenen Schallpegels zu erkennen. Auch vermochte man zu unterscheiden, ob die Testobjekte mit der Schmal- oder Längsseite zur Linse gerichtet waren; in letztem Fall zeigte das Spektrum deutliche Spitzenwerte bei verschiedenen Frequenzen, was sich als akustische Farbe deuten läßt (Bild 1).

Dieser Sensor vermochte demnach einen einzelnen Bildpunkt zu liefern; um ein ganzes Raster davon zu erhalten, plazierte man in der zweiten Projektphase 128 Hydrophone ellipsenförmig in der Brennebene. Damit ließ sich an der südkalifornischen Küste ein bewegter Aluminiumblock unter Wasser aufnehmen. Seine Kantenlänge betrug jeweils einen Meter, der Abstand zur Meßvorrichtung 38 Meter. Ausgewertet wurde der Frequenzbereich von 8000 bis 80000 Hertz; dabei wurden die Daten bereits unter Wasser elektronisch vorverarbeitet. Ein aufgerüsteter Personal Computer berechnet daraus dann 30 farbige Bilder pro Sekunde, liefert also eine dem Fernsehen vergleichbare Bildrate. In einer weiteren Ausbaustufe sollen 1000 Hydrophone kombiniert werden.


Theoretische Modellierung

Unterstützend wurden die Prinzipien des Verfahrens auch theoretisch untersucht. So ist das Unterwasser-Schallfeld im Gegensatz zum Tageslicht in verschiedenen Richtungen unterschiedlich. Einer Modellierung von Schallfeld, akustischer Linse und Testobjekt zufolge beeinträchtigt dies die Sichtbarkeit jedoch nicht – selbst bei einer Beschallung von der Rückseite her sähe man sozusagen immerhin eine Silhouette.

Welches Bild sich dem Auge auf einem Monitor bieten könnte, zeigte die detaillierte Modellierung einer von Oberflächenwellen beschallten metallischen Kugel in einem flachen Meereskanal (Bild 2). Die Darstellung erfordert allerdings einige Gewöhnung. So sieht man Schallquellen als Linien, die sich sowohl auf den Grund als auch auf die Sphäre abbilden. Deformationen der Kugelgestalt ändern diese Kurven – ein Ellipsoid beispielsweise würde sie verlängern.

Schattierungen, die gewöhnlich unsere dreidimensionale Wahrnehmung unterstützen, lassen sich aus den Daten berechnen. Die vorgestellte Simulation modellierte den Meeresgrund als fließendes Sediment, das sehr flach auftreffende Schallwellen reflektiert, steiler einfallende dagegen absorbiert. Somit könnten nur Schallstrahlen, die von weiter entfernten Oberflächenquellen stammen, die Kugel quasi von unten beleuchten. Aufgrund der Dämpfung des Wassers ist deren Intensität aber deutlich geringer, und auch aus den Tiefen des Kanals erreichen kaum horizontal wandernde Wellen den Detektor, so daß die obere Kugelhälfte heller erscheint als die untere.

Das simulierte Bild besteht zwar aus 90000 Pixeln, das Phase-III-Instrument würde aber nur 1000 enthalten (ein Fernsehbild besteht derzeit aus etwa einer halben Million). Durch geeignete Algorithmen zur Interpolation zwischen den Bildpunkten einerseits und zur Kontrastverstärkung andererseits sollten sich indes brauchbare Bilder errechnen lassen. Jedes Pixel enthielte Informationen über die akustische Reflexivität des betreffenden Objektpunkts, das Spektrum der Quelle, die Dämpfung durch das Medium und eventuelle Begrenzungen des Wasserraumes. Erstere entspricht etwa der Farbe bei der optischen Wahrnehmung. Der Quelle kann freilich nicht die Qualität "weiß" zugeordnet werden, weil sie zwar breitbandig ist, jedoch vor allem niedrige Frequenzen enthält (auf das sichtbare elektromagnetische Spektrum übertragen, wäre die Schallkulisse im Meer somit rötlich). Die Dämpfung hat kein Äquivalent in der optischen Wahrnehmung (vergleichbar wäre allenfalls die Rotfärbung der tiefstehenden Sonne infolge der stärkeren Streuung des blauen Lichtes auf dem dann längeren Weg durch die Atmosphäre), vermag aber möglicherweise zusätzliche Informationen über die akustischen Eigenschaften der ozeanischen Umgebung zu geben.

Für eine praktische geophysikalische Anwendung ließe sich die akustische Linse auf einer beweglichen Plattform befestigen. Im Abstand von etwa 100 Metern zum Boden könnte die 1000- Hydrophon-Ausstattung eine Auflösung von 60 Zentimetern erreichen. Die Daten würden in Echtzeit ausgewertet.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1995, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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