Marine Geophysik und Hydroakustik

Sediment Echolot

Neben den auf deutschen Forschungsschiffen meist fest installierten Systemen (PARASOUND) kommt in unserer Gruppe auch das parametrische Sediment Echolot vom Typ Innomar SES-2000 Standard zum Einsatz. Dieses Gerät zeichnet zwei Frequenzen, eine Primärfrequenz um die 100 kHz und einersekundär Frequenz, die zwischen 4 kHz und 15 kHz gewählt werden kann, auf. Der Öffnungswinkel der ausgesendeten Schallkeule beträgt 3,6°, woraus eine kleine Footprint-Größe und somit hohe Flächenauflösung resultiert. Die tieffrequente sekundär Frequenz dringt je nach Untergrundbeschaffenheit mehrere 10 m in den Meeresboden ein und ermöglicht damit eine hochauflösende Aufnahme oberflächennaher Sedimentschichtung. Zusätzlich zum Untergrund kann auch die Wassersäule aufgenommen werden, wodurch Streukörper (Fische, Gasblasen, Seegras und Pyknoklinen) dargestellt werden können. Mehr...

Abbildung 1: SES-2000 Standard Transducer, © Innomar Technologie GmbH Rostock
Abb. 1: SES-2000 Standard Transducer; © Innomar Technologie GmbH Rostock

 

Das Innomar SES-2000 Standard hat eine Range-Auflösung von ungefähr +/- 6 cm. Die meisten Systeme können außerdem Schiffsbewegungen ausgleichen, und so einen konstanten Schall-Einfallswinkel am Meeresboden sicherstellen. Hierzu wird die aktuelle Roll-, Nick- und Gierbewegung (engl. roll, pitch & yaw) des Schiffes mit einem Bewegungssensor (IMU) gemessen und der Schall-Abstrahlwinkel durch elektronisches Beam-Steering angepasst.

Das besondere an parametrischen Systemen ist, dass durch Ausnutzung des parametrischen Effekt stark gebündelte tieffrequente Schallkeulen mit verhältnismäßig kleinen Transducern (30 cm x 26 cm große Abstrahlfläche, beim SES-2000, Abb. 1) erzeugt werden können. Aufgrund der geringen Größe und des geringen Gewichts, kann das SES-2000 daher auf nahezu jeder beliebigen Messplattform, vom Schlauchboot bis hin zu den großen Forschungsschiffen eingesetzt werden.

 

parametrische Schallerzeugung:

Als Öffnungswinkel einer Schallquelle wird meist der Raumwinkel zwischen den seitlichen Bereichen in denen die Schallintensität um 3 dB abnimmt genommen. Der Öffnungswinkel ϕ kann mit folgender Formel abgeschätzt werden:

ϕ = 2 asin(0,44 λ/l)

hierbei ist λ die Wellenlänge der ausgesendeten Schallwelle und l die Größe des Schwingers. Anhand dieser Formel wird sichtbar, dass die Schallbündelung von dem Verhältnis zwischen der Wellenlänge λ (und damit von der verwendeten Frequenz) und der Transducergröße l abhängt. Je größer die Wellenlänge (niedrigere Frequenz) bei gleicher Transducergröße ist, desto größer wird der Öffnungswinkel und desto breiter die Hauptschallkeule. Um eine tieffrequente stark gebündelte Schallkeule zu erzeugen benötigt man daher normalerweise einen großen Transducer, für eine 4 kHz Schallkeule mit 3,6° Öffnungswinkel, wie beim SES-2000, dementsprechend einen Transducer mit ungefähr 2,6 m Seitenlänge. Außerdem, breitet sich die ausgesendete Schallenergie nicht nur innerhalb der Hauptkeule aus, sondern es entstehen durch Interferenz auch zusätzliche Nebenkeulen (Abb. 2).

 

Zwei Studenten und eine Tasse Kaffee

Abb. 2: Beispiel für Haupt- und Nebenkeulen einer Schallquelle. © Innomar Technologie GmbH Rostock

Abhilfe schafft hierbei der akustische parametrische Effekt. Werden zwei Schallwellen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen und mit hoher Intensität (hoher Schalldruck) ausgesendet, entstehen neue, sogenannte sekundär Frequenzen. Der hohe Schalldruck verursacht nämlich eine Überlagerung der Schallgeschwindigkeit mit der Schallschnelle (Geschwindigkeit mit der die Wasserteilchen aufgrund der Schallwelle um ihre Ruhelage schwingen), wodurch die Schallwellen verzerrt werden (Abb. 3). Zusätzlich kommt es zu nicht-linearen Wechselwirkungen zwischen den beiden ausgesendeten Frequenzen. In Kombination sorgt das dafür, dass neue harmonische Frequenzen entstehen, die der Summe bzw. der Differenz der beiden sogenannten Primärfrequenzen entsprechen (Abb. 3). Das Besondere an diesen sekundär Frequenzen ist, dass die dazugehörigen Schallwellen eine ähnliche Richtcharakteristik wie die Hauptkeule der Primärwelle und nahezu keine Seitenkeulen aufweisen. Es wird also nur ein kleiner Transducer zur Erzeugung stark gebündelter hochfrequenter Schallwellen benötigt um über den parametrischen Effekt starkgebündelte tieffrequente Schallwellen zu erzeugen.

 

Zwei Studenten und eine Tasse Kaffee

Abb. 3: parametrische Schallerzeugung; © Innomar Technologie GmbH Rostock
 
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