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Michael Ronner Experte für Technik & Hörakustik
Das Echolot ist seit über 100 Jahren ein elementares Instrument in der Schifffahrt und misst die Tiefe des Wassers mittels Wasserschall in der Vertikalen, also wie ein Lot eines Zimmermannes. Die Echolotung wird in der Seefahrt zur Tiefenmessung, zum Kartographieren, zur Forschung und zum Auffinden von Fischschwärmen eingesetzt.
Mit einem Echolot an Bord wäre das berühmteste Filmschiff die «Titanic» wohl nicht gesunken und viele Fischer würden einen weitaus kleineren Fang von der See mit nach Hause bringen.
Inhaltsverzeichnis
Entwicklung des Echolotes
Durch das Unglück der Titanic im Jahre 1912 wurde die Notwendigkeit deutlich, mit einem Gerät die Tiefe sowie Hindernisse im Wasser, wie beispielsweise Gletscher oder Felsen, zuverlässig bestimmen und orten zu können. Der deutsche Ingenieur Alexander Behm hatte sich zuvor bereits mit Wasserschall befasst und forschte in Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern in Kiel an einer Tiefenbestimmung durch die Messung von Schallechos im Wasser. Bereits im Jahre 1913 meldete er das erste Patent für ein Echolot an. In den darauffolgenden Jahren hat er das Funktionsprinzip sukzessive verfeinert und seit 1920 fertigte und verkaufte er Echolote in Serie mit seiner Firma, der Behm-Echolot-Gesellschaft. Unternehmen weltweit übernahmen das Prinzip und veränderten es teilweise geringfügig, wodurch in kurzer Zeit eine grosse Anzahl von Echoloten in der Schifffahrt zur Verfügung standen. Bis heute ist die Echolotung fester Bestandteil in der Seefahrt zur Tiefenmessung, zum Kartographieren des Gewässerbodens, Forschung und Auffindung von Fischschwärmen.
Was misst ein Echolot?
- Ein Echolot misst die Tiefe des Gewässers unter dem Rumpf eines Schiffes. So kann verhindert werden, dass es zu Unglücken durch Auflaufen auf Sandbänke, Untiefen oder zu flache Gewässer kommt. Das Echolot hat die Seefahrt damit in einem erheblichen Ausmass sicherer gemacht. Selbst kleine Boote sind heute zumeist mit einem solchen System ausgestattet.
- Darüber hinaus kann mit dieser Technik auch ein Profil des Gewässerbodens erstellt werden, um präzise Seekarten anzufertigen. Selbst die Zusammensetzung des Bodens und die verschiedenen Sedimentschichten können bestimmt werden. Durch das Kartographieren des Ozeanbodens mit Echoloten ist es auch auch gelungen, Rückschlüssen auf die Plattentektonik der Erde und somit auf die Entstehung der Kontinente zu ziehen.
- Auch beim Fischen kommen Echolotsysteme zum Einsatz, da der Aufenthaltsort und die -tiefe von Fischschwärmen sicher bestimmt und so die Fangquote verbessert werden können. Diese Geräte werden als "Fishfinder" bezeichnet.
Wie funktioniert ein Echolot?
Ein Echolot sendet Schallwellen im Wasser aus, misst die Zeit, bis das Echo des Signals wieder am Ausgangspunkt eintrifft und errechnet dann anhand dieser Zeit die zurückgelegte Wegstrecke zum reflektierenden Objekt und somit die Wassertiefe. Das gleiche Prinzip nutzen auch Meeressäugetiere wie Wale und Delfine, um im Wasser zu navigieren und Beute zu finden. Da sie sogar mehrere Signale in unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig aussenden können, erstellen diese Tiere hochauflösende, dreidimensionale Abbilder ihrer Umgebung nur anhand der zurückkehrenden Echos. Leider können Schiffsecholote mit hoher Sendeleistung die Navigation der Meeressäuger stören und ihnen sogar Schmerzen und Schäden wie Taubheit zufügen. Echolotsysteme bestehen aus mehreren Komponenten. Zum einen wird eine Schallquelle benötigt, die ein spezifisches, elektronisches Signal in ein akustisches umwandelt und aussendet. Eine weitere Einheit muss das Echo des Ausgangssignal auffangen. Eine Messeinheit stoppt die Dauer zwischen Abgabe und Wiederaufnahme des Signals und berechnet anhand dieser Laufzeit und der Schallgeschwindigkeit unter Wasser die vom Schall zurückgelegte Entfernung.
Ein Echolot sendet Schallwellen im Wasser aus und misst die Zeit, die das Echo des Signals braucht.
In Salzwasser beträgt die durchschnittliche Schallgeschwindigkeit 1480 Meter pro Sekunde. Vergeht also eine Sekunde zwischen Emission und Absorption des Signals beziehungsweise des Echos, hat dieses 1480 Meter zurückgelegt - vom Schiff zum Gewässerboden und zurück. Die Tiefe beträgt dann 740 Meter. Es kann stets nur eine Messung zugleich durchgeführt werden, da das System sonst die einzelnen Signale nicht mehr korrekt zuordnen und so fehlerhafte Ergebnisse ausgeben kann. Es muss also stets erst auf das Echo des ausgesendeten Schalls gewartet, bevor ein neues Signal emittiert werden kann. In Wassertiefen unter 1.000 Metern ist dies aufgrund der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls irrelevant. Erst in grossen Tiefen, wenn es mehrere Sekunden dauert, bis das Echo zurückkommt, ist dies zu beachten. Je nach Gewässertiefe muss auch die Frequenz der Schallwellen gewählt sein. Im Freizeitbereich kommen Frequenzen von 50 bis 200kHz zum Einsatz. Wasser dämpft solch hohen Frequenzen jedoch sehr stark, wodurch Tiefwasserecholote mit niedrigen Frequenzen im Bereich 10k bis 20kHz arbeiten müssen. Diese Frequenzen sind sogar für das menschliche Gehör wahrnehmbar. Der Nachteil niedriger Frequenzen ist eine geringere Detailerfassung. Kleinere Objekte wie Felsen oder Teile von Schiffswracks können mit niederfrequenten Signalen nicht wahrgenommen werden. Auch zum Auffinden von Fischen sind diese nicht geeignet. Die Sendeleistung sowie die Empfindlichkeit des Gerätes bestimmen den Tiefenmessbereich ebenfalls. Wird mit zu wenig Leistung gesendet, wird das Signal bei hoher Wassertiefe so stark gedämpft, dass das entsprechende Echo nicht mehr wahrgenommen werden kann. Wird die Empfindlichkeit erhöht, können Störgeräusche, zum Beispiel ausgelöst durch andere Boote oder starken Wellengang, für Fehler sorgen. Eine zu hoch eingestellte Sendungsleistung kann auch Quelle für Fehler sein. Das vom Gewässerboden zurückgeworfene Echo kann an der Wasseroberfläche erneut reflektiert und vom Empfänger aufgefasst werden. So entsteht zwar das korrekte Profil des Meeresbodens, aber es wird eine falsche Tiefe angezeigt. Gerade in flachen Gewässern kann das die Gefahr eines Auflaufens bergen. Je nach Einsatzzweck und Tiefe muss das korrekte Gerät gewählt und adjustiert sein, um Fehlerquellen zu minimieren. Bei Tiefseeecholoten zu Forschungszwecken muss sogar die Konstruktion des Schiffes an den Einsatz angepasst sein. Eine gewisse Fehlerquote ist jedoch kaum vermeidbar, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Wasserschalls durch Temperatur, Druck und Salzgehalt beeinflusst wird. In Salzwasser wird üblicherweise mit 1480 und in Süsswasser mit 1450 Metern pro Sekunde gerechnet. Etwaige Sprungschichten und der mit steigender Tiefe zunehmende Wasserdruck können so nicht berücksichtigt beziehungsweise nur gemittelt werden. Die Tiefenfehler liegen daher bei etwa zwei bis fünf Prozent.
Sonderfall Fischfinder
Auch im Bereich des Freizeitfischens sind Fischfinder oder auch Fishfinder weit verbreitet. Es handelt sich hierbei um Echolotgeräte, die mit hohen Frequenzen (Einh. Hertz) im Bereich 200 kHz und geringer Sendeleistung arbeiten. Die Reichweite ist somit oftmals auf 20 bis 30 Meter begrenzt. Im kommerziellen Einsatz und im Hochseefischen sind diese Werte durch den Einsatz professioneller Systeme natürlich höher.
Beim Fischfinder erzeugt die Luft in der Schwimmblase das Echo.
Es ist jedoch nicht der Fisch oder Schwarm selbst, der das Echo erzeugt, sondern die Luft in der Schwimmblase. Der restliche Körper des Fisches ähnelt in Dichte und Kompressibilität zu stark der des umgebenden Wassers und kann so nicht detektiert werden. Anhand des Schwimmblasenechos kann auch nur sehr bedingt auf die Grösse des Tieres geschlossen werden - lediglich Anzahl und Tiefe werden erfasst. Für Angler und Fischer stellt dies aber bereits einen grossen Vorteil dar, weshalb die Technologie gerne angenommen wird. Das Echolot ist aus der heutigen Schifffahrt nicht mehr wegzudenken und als ausgereifte Technik anzusehen. Ob auf Seen, Flüssen oder Ozeanen - es finden sich diverse Einsatzszenarien, die für Sicherheit sorgen, der Navigation oder zu Forschungszwecken dienen. Es bleibt abzuwarten, wann es eine neue Methode geben wird, mit höherer Präzision und gleichzeitig geringerer akustischer Belastung der Unterwasserwelt.
Funktioniert ein Echolot über GPS?
Nein, ein Echolot funktioniert über eine elektroakustische Messung, also über die gemessene Zeit, welche zwischen dem Senden und Empfangen eines am Boden reflektierten Schallimpulses (Wasserschall) verstreicht. Heutige Echolote beinhalten und kombinieren jedoch häufig ein GPS und sogar einen sogenannten Kartenplotter, also eine Art digitale Karte. Dieses GPS (Global Positioning System) ist ein wie im Auto ein satellitengestütztes System mit welchem sich der aktuelle Standort auf etwa 10 bis 30 Meter genau bestimmen lässt.
Echolot nicht gleich Sonar
Es wird unterschieden zwischen einem Sonar Gerät und einem Echolot Gerät. Aktive Sonargeräte haben eine ähnliche Funktionsweise und orten primär in der Horizontalen, während Echolote vorwiegend vertikal orten und die Wassertiefe messen.