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Verfahren zur Feststellung des Vorhandenseins oder Fehlens von zur
Oberfläche geneigten Schallwegen im Meere
Im U-Bootskrieg spielt bekanntlich die
Ortung der U-Boote von Suchfahrzeugen aus mittels Schallwellen nach dem Echoverfahren
eine große Rolle. Danehen ist es auch möglich, unter Wasser fahrende U-Boote durch
Abhorchen der Schraubengeräusche festzustellen. Die beiden Arten der Schallortung
werden als Aktiv- und Passivverfahren unterschieden. Insbesondere beim Echoverfahren
weisen die erzielbaren Reichweiten erhebliche örtliche und jahreszeitliche Schwankungen
auf, da im Meer gewöhnlich horizontale Schichtet verschiedener Schallgeschwindigkeit
übereinanderliegen, die schräg einfallende Schallwellen mehr oder weniger stark
ablenken und schwächen. Es können sogar tote Bereiche für die Ortung auftreten,
z. B. wenn die schräg nach unten ausgesandten Schallwellen nach oben zurückgekrümmt
werden. Unterhalb einer gewissen Tiefengrenze ist dann ein U-Boot sicher vor Entdeckung.
Für die erfolgreiche Durchführung der Operationen eines Suchfahrzeuges oder auch
eines U-Bootes ist es von Wichtigkeit, die von den örtlichen Meeresverhältnissen
abhängigen Schallortungsmöglichkeiten genau zu kennen.
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Es ist bekannt, daß man bei der Lotung mit Schallimpulsen senkrecht
nach unten von Sprungschichten Echos erhält. Die Erfahrung hat gezeigt, daß diese
Echos für Schall höherer Frequenz, etwa IOO kHz und mehr, stärker sind als bei niedrigerer
Frequenz. Man kann auf diese Weise das Vor-
handensein von Schichten
wechselnder Schallgeschwindigkeit feststellen, jedoch nicht Sinn und genaue Größe
dieser Änderungen, was erforderlich wäre, um den Schallweg für wenig gegen die Horizontale
geneigte Schallrichtungen vorausberechnen zu können. Die Anwendung dieses Verfahrens
wird sich daher auf mehr qualitative Untersuchungen der akustischen Homogenität
des Meerwassers beschränken.
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Ein bekanntes Verfahren zur Voraussage der Ausbreitungsverhältnisse
des Schalls im Meer beruht auf Messung der Wassertemperatur in verschiedenen Tiefen
mittels eines an einem Seil heruntergelassenen Thermographen. Unter Zugrundelegung
eines konstanten Salzgehaltes kann man daraus die Schallgeschwindigkeit in verschiedenen
Tiefen und die möglichen Schallwege berechnen.
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Für besondere Verhältnisse kann man dieses Verfahren durch Entnahme
von Wasserproben in verschiedenen Tiefen verfeinern. Man hat auch ein einen Schallsender
und -empfänger in kleinem Abstand voneinander enthaltendes Gerät in verschiedene
Tiefen heruntergelassen und damit unmittelbar die Schallgeschwindigkeit bestimmt.
Wegen der Kompliziertheit der erforderlichen Meßgeräte dürfte dieses Verfahren sich
mehr für wissenschaftliche Untersuchungen als für den Kriegsgebrauch eignen. Bei
Anwendung beider Verfahren muß das untersuchende Schiff stoppen oder seine Fahrt
stark verringern, damit das Meßgerät nicht hinter dem Schiff hergeschleppt wird,
statt abzusinken.
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Nicht erfaßt werden können durch beide Verfahren die bei der Ausbreitung
von Schallwellen im Meer auftretende Dämpfung, die z. B. vom Planktongehalt abhängige
Störechostärke (Nachhall) und der Einfluß großräumiger Inhomogenitäten. Nicht selten
treten nämlich im Meer auch in horizontaler Ebene erhebliche Schwankungen der Schallgeschwindigkeit,
gewöhnlich durch Temperaturunterschiede verursacht, auf, deren Feststellung wiederholte
Messungen nach den genannten Verfahren an verschiedenen Stellen erforderlich machen
würde und deren Einfluß auf die Schallausbreitung schwer abzuschätzen ist.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist frei von den Nachteilen der
bekannten Untersuchungsmethoden und gibt unmittelbar Aufschluß über das Vorhandensein
oder Fehlen von zur Oberfläche geneigten Schallwegen im Meer, insbesondere die auf
solchen Wegen erzielbare Reichweite. Nach diesem Verfahren wird ein mit bekannter
gleichmäßiger Geschwindigkeit von weniger als 2 m pro Sekunde absinkender bzw. wieder
aufsteigender Tauchkörper von einem Oberflächenfahrzeug aus wechselnderii Abstand
aktiv oder passiv akustisch geortet.
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Es ist bekannt, zur Prüfung der Empfangsbereitschaft von auf einem
Schiff eingebauten Wasserschallempfängern in deren Nähe an der Schiffswand einen
nach Belieben einschaltbaren Hilfssender anzuordnen. Da Hilfssender und Empfänger
sich im wesentlichen in gleicher Tiefe und in einem gleichbleibenden, verhältnismäßig
geringen Abstand voneinander befinden, ist eine solche Anordnung zur Feststellung
der Reichweite der Schallortung auf zur Meeresoberfläche geneigten Wegen nicht geeignet.
Unter der Bezeichnung »Sofar« ist ein Seenotrettungsverfahren bekannt, bei dem ein
ins Meer geworfene Explosionskörper durch den Wasserdruck in einer bestimmten Tiefe
zwischen 450 und 1200 m zur Detonation gebracht wird und einen Schallimpuls erzeugt,
der sich in einer bestimmten Tiefenschicht auf sehr große Entfernungen ausbreitet
und von Landstationen geortet wird. Wegen seiner unbestimmten und verhältnismäßig
großen Fallgeschwindigkeit in Wasser ist der benutzte Explosionskörper nicht besser
als irgendein anderer Körper zur Ortung nach dem Echoverfahren geeignet. Das einmalige
Schallsignal gibt nur Aufschluß über die Feststellbarkeit einer in bestimmter Tiefe
befindlichen Schallquelle und hat wenig Ähnlichkeit mit einem gleichmäßigen Schraubengeräusch.
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Durch Verwendung eines mit einer bekannten Geschwindigkeit von weniger
als 2 m pro Sekunde absinkenden Sinkkörper bei dem Verfahren nach der Erfindung
steht ausreichend Zeit für Ortungsversuche zur Verfügung, wobei die Tiefe des Zieles
zu jeder Zeit bekannt ist. Um die gleichen Verhältnisse wie bei der Ortung eines
U-Bootes zu erhalten, wird das Schiff sich nach Abwerfen des Sinkkörpers entweder
in Oberflächenfahrt oder in geringer Tauchtiefe mit etwa dem Zwei bis Dreifachen
der Sinkgeschwindigkeit von der Abwurfstelle entfernen und den Sinkkörper dabei
laufend nach dem Echoverfahren orten. Die Verbindungslinie von Schiff und Sinkkörper
bildet auf diese Weise einen angenähert gleichbleibenden Winkel von etwa 300 oder
weniger mit der Horizontalen, der von dem gewählten Verhältnis von Sinkgeschwindigkeit
zur Fahrgeschwindigkeit des Schiffes abhängt. Sollen die Ortungsmöglichkeiten für
verschiedene Neigungen der Schallrichtung erkundet werden, so muß der Versuch mit
veränderter Fahrgeschwindigkeit wiederholt werden.
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Um nicht für jede Messung einen neuen Sinkkörper verwenden zu müssen,
wird dieser zweckmäßig mit einer Einrichtung versehen, so daß er automatisch bei
Erreichen einer gewissen Tiefe, z. B. 300 m, durch Ausstoßen eines Wasserballastes
mittels Preßluft oder durch Abwerfen eines Beschwerungsgewichtes wieder aufsteigt
und wieder an Bord genommen werden kann. Während des Aufsteigens des Sinkkörpers
kann dessen akustische Beobachtung, gegebenenfalls unter Umkehr der Fahrrichtung
des Schiffes, fortgesetzt werden. Es ist auch denkbar, an Stelle eines einheitlichen
Sinkkörpers eine größere Menge kleinerer Körper, z. B. hohle Glaskugeln, zu verwenden,
die man entweder von der Oberfläche aus absinken oder aus einem mit einer entsprechenden
Einrichtung versehenen Sinkkörper aus bestimmter Tiefe aufsteigen läßt.
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Der Sinkkörper kann auch nach Art eines Bathyskaphs unter Verwendung
einer leichten, auftriebserzeugenden Flüssigkeit konstruiert sein.
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Bei der Ortung eines als Ersatzziel dienenden Sinkkörpers nach dem
Echoverfahren ist der Nachhall der gleiche wie bei der U-Bootortung, jedoch ist
das Echo vom Sinkkörper naturgemäß schwächer als das von einem U-Boot erhaltene.
Die gefundene Reichweite ist daher zu vergrößern, doch ist diese Vergrößerung wesentlich
geringer als proportional dem Verhältnis der Rückstrahlfähigkeiten beider Ziele.
Selbstverständlich ist auch die Dämpfung der Schallwellen in heiden Fällen die gleiche,
so daß die beschriebene Form des Verfahrens den tatsächlichen Verhältnissen am nächsten
kommt.
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Statt den Hilfskörper als Echoziel zu benutzen, kann man ihn mit
einem automatisch Signale aussendenden Schallsender ausrüsten, wobei ein Akkumulator
als Energiequelle dient. Bei dieser Form des Verfahrens werden vom Schiff aus die
Empfangsverhältnisse für verschieden geneigte und verschieden lange Schallwege geprüft.
Zum Empfang der Signale kann entweder die normale Ortungsanlage oder eine besondere
Horchanlage benutzt werden. Das Verfahren hat den Vorteil, daß es unabhängig von
der Verwendung eines durch seine Beschaffenheit ausreichend rückstrahlfähigen Hilfskörpers
ist und die Beobachtungen weniger leicht Beschränkungen durch mangelnde Empfangsstärke
unterworfen sein dürften. Insoweit, als die Reichweite von der Dämpfung des Schalls
bei der Ausbreitung in Wasser abhängt, ist auch die gefundene Reichweite auf eine
Reichweite beim Echoverfahren umrechenbar, jedoch fehlt der beim Echoverfahren vorhandene
Nachhall, wodurch das Ergebnis gefälscht werden kann, indem die Reichweite zu groß
gefunden wird. Die Eignung des Verfahrens ist daher in erster Linie in der Feststellung
des Vorhandenseins oder Fehlens für die Ortung in Betracht kommender Schallwege
zu sehen. Auf Grund des Reziprozitätsgesetzes sollte es im übrigen gleichgültig
sein, ob der Schallsignale aussendende Hilfskörper sich an der Oberfläche befindet
und das abhorchende Schiff in eine gewisse Tiefe getaucht ist, oder umgekehrt.
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Der wie beschrieben einen Schallsender enthaltende Sinkkörper kann
auch mit einer manometrischen Vorrichtung versehen werden, durch die sich die Kennung
der automatisch abgegebenen Signale in Abhängigkeit von der Tiefe verändert. Man
kann auf diese Weise die eingestellte Sinkgeschwindigkeit nachprüfen, z. B. wenn
die Dichte des Meerwassers sich mit der Tiefe in stärkerem Maß verändert. Auch kann
man den Sinkkörper jeweils die Temperatur der Wasserschicht, in der er sich gerade
befindet, signalisieren lassen.
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Der mit dem Schallsender versehene Sinkkörper kann auch nach Art
der sogenannten Bakensender ausgebildet sein, in der Weise, daß er bei Empfang eines
von der Ortungsanlage des Schiffes ausgesandten Schallimpulses einen gleichartigen,
verstärkten Impuls aussendet. Durch mangelnde Rückstrahlfähigkeit des Sinkkörpers
auftretende Schwierigkeiten können auf diese Weise vermieden werden.
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Benutzt das beobachtende Schiff ein Ortungs-bzw. Horchgerät, das
auch in vertikaler Ebene Richtungsbestimmungen ermöglicht, so kann aus dem Winkelunterschied
zwischen der ausgesandten bzw. empfangenen Schallwelle und der aus den Versuchsbedingungen
bekannten Neigung der kürzesten Verbindungslinie zwischen Hilfskörper und Schiff
auf das Vorliegen eines mehr oder minder nach oben oder unten gekrümmten Schallweges
geschlossen werden und ein besserer Einblick in die vorliegenden Ausbreitungsverhältnisse
gewonnen werden.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann z. B. von Suchfahrzeugen angewendet
werden, um festzustellen, wie groß die Reichweite der Ortung nach dem Echoverfahren
ist, und um danach den Abstand der beim Absuchen einer Fläche nach einem getauchten
U-Boot zu fahrenden Kurse zu wählen.