Wasserschall ist Schall, der im Wasser übertragen wird. Das zugehörige Fachgebiet der Akustik ist die Hydroakustik. Gelegentlich wird der Begriff Wasserschall auch als Synonym für die technische Anwendung der Hydroakustik gebraucht.
Da sich elektromagnetische Wellen wie Radiowellen und Licht wegen ihrer stärkeren Absorption in Wasser viel schlechter ausbreiten können als Wasserschall und Reichweiten von wenigen Metern bis maximal 100 m erzielen, hat Wasserschall viele technische Anwendungen. Dies umfasst Kommunikation, Navigation und Ortung sowie die Messung von physikalischen, chemischen und biologischen Größen. Der hierbei verwendete Frequenzbereich umfasst etwa 10 Hz bis 1 MHz.
Wasserschallwellen hinreichender Sendeleistung können im tieffrequenten Bereich über jede nicht durch Land unterbrochene Wasserstrecke auf der Erde wahrgenommen werden.
Geschichte Eine frühe Aussage zu Wasserschall findet sich bei Leonardo da Vinci, der 1490 schrieb: „Wenn Du ein Rohr in das Wasser tauchst und das andere Ende an Dein Ohr hältst, kannst Du Schiffe auf sehr große Entfernungen hören.“R. J. Urick: Principles of Underwater Sound. Mc Graw-Hill New York e.a. 1975
Im Jahr 1827 beschrieben Colladon und Sturm eine Messung der Schallgeschwindigkeit im Wasser im Genfersee. Ihnen ging es dabei um die Bestimmung der Kompressibilität des Wassers.J. D. Colladon, J.K. Sturm: Über die Zusammendrückbarkeit der Flüssigkeiten. In: Annalen der Physik und Chemie, Band 12, 1928, S. 161–197
Etwa um 1900 wurde damit begonnen, Wasserschall als Hilfsmittel für die Navigation zu nutzen.G. H. Ziehm: Kiel – Ein frühes Zentrum des Wasserschalls. In: Deutsche Hydrogr. Z. Ergänzungsheft Reihe B Nr. 20, 1988
Vermutlich als Erster hat der amerikanische Ozeanograph Maury 1855 auf die Nutzung von Schall zur Echolotung der Wassertiefe hingewiesen. Seine eigenen Versuche blieben jedoch erfolglos. Als Erfinder des Echolotes in den Jahren 1912 bis 1914 gelten daher Behm, Fessenden und Richardson völlig unabhängig voneinander, aber offenbar alle drei unter dem Eindruck des Untergangs der Titanic. Damals hielt man die Echos von Eisbergen für leichter zu bekommen als vom Meeresgrund.
Zum Ende des Ersten Weltkrieges standen auch die Kenntnisse zur Verfügung, die eine Echo-Ortung von U-Booten mit Schall ermöglichten, zur technischen Nutzung kam es jedoch nicht mehr. Dagegen kam die Passivortung von U-Booten schon im Ersten Weltkrieg zum Einsatz. Diese Technik, die zunächst in Großbritannien unter der Bezeichnung ASDIC lief, wurde später in Anlehnung zum Radar als Sonar bezeichnet.
Die U-Boot-Ortung nahm im Zweiten Weltkrieg einen erheblichen Aufschwung. Trotzdem war für die nachlassende Wirksamkeit der U-Boote im Zweiten Weltkrieg weniger die Nutzung des Wasserschalls als vielmehr das neu erfundene Radar und die Bekämpfung von U-Booten aus der Luft maßgeblich.
Nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelten sich die bis dahin eher als „Tauchboote“ zu bezeichnenden U-Boote, die nur kurzfristig vorm Angriff oder bei akuter Bedrohung tauchten, zu echten Unterwasserfahrzeugen, die als konventionelle U-Boote zum Laden der Batterien nur noch kurz auftauchen oder schnorcheln. Nuklear angetriebene U-Boote oder konventionelle AIP-U-Boote sind fast nur noch mit Wasserschall bzw. Sonar zu orten. Deswegen hat die Entwicklung und Erforschung des Wasserschalls und von militärischen Sonargeräten einen erheblichen Aufschwung genommen. Hierzu hat beigetragen, dass man inzwischen auch Seeminen überwiegend mit Hilfe von Sonar detektiert.
Grundlegende Wasserschallphänomene mini|hochkant=1.5|Beispiel typischer Profile von Temperatur, Schallgeschwindigkeit und Druck, bei 9° N, 30° W gemessen Schallwellen sind Druckwellen, die sich longitudinal ausbreiten, d. h., die Moleküle schwingen in die Richtung der Schallausbreitung. Sie brauchen also ein Medium, in dem sie sich ausbreiten können. Wie auch bei anderen Wellen gilt:
Hierbei ist: die Schallgeschwindigkeit im Wasser, die Frequenz des Schalls und die Wellenlänge des Schalls im Wasser.
Im Ozean ist der Schall mit etwa 1480 m/s wesentlich schneller als in der Luft, wo er sich unter normalen Bedingungen mit ungefähr 340 m/s ausbreitet. Die Schallgeschwindigkeit nimmt mit der Temperatur, dem Druck und dem Salzgehalt zu. Da der Druck nahezu linear zur Tiefe verläuft, nimmt man oft diese, um die Schallgeschwindigkeit zu berechnen. Es gibt einige empirisch ermittelte Formeln, mit denen sich die Schallgeschwindigkeit relativ gut berechnen lässt. Diese Formeln sind alle recht ähnlich, eine einfache davon lautet: ,
wobei die Temperatur in °C, der Salzgehalt in psu (grob: Salzgehalt in ‰ bzw. g/kg) und die Tiefe in Metern ist.
Für die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit kann man sagen: In der oberen Schicht ist die Temperatur bestimmend, da sich diese Größe am stärksten ändert (20 °C → 4 °C: −55 m/s) Unterhalb der Temperatursprungschicht ist die Änderung der Temperatur sehr gering, hier ist die Tiefe der bestimmende Parameter. Der Salzgehalt hat kaum einen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit, da er an den meisten Stellen im Ozean einen fast konstanten Wert von etwa 3,5 % hat und damit der dazugehörige Term sehr klein ist. Man kann ihn oft vernachlässigen (Rotes Meer: +10 m/s, Schwarzes Meer: −25 m/s, Finnischer Meerbusen: −50 m/s) Wassertiefe: (+17 m/s pro Kilometer, +190 m/s an den tiefsten Stellen der Weltmeere)
Weil Salzgehalt und Temperatur auch zu Dichteänderungen führen und in Flüssigkeiten horizontale Dichteänderungen statisch keinen Bestand haben, ist das Wasser mit nur schwachen horizontalen Gradienten geschichtet. Entsprechend ist der Gradient der Schallgeschwindigkeit und damit des Brechungsindex ebenfalls horizontal schwach. Dies hat zur Folge, dass Schallstrahlen, die senkrecht verlaufen, kaum gebrochen sind. Der Schall breitet sich in senkrechte Richtung sehr regulär aus, wie im freien, unbegrenzten Medium ohne Schallgeschwindigkeitsänderungen.
Wasserschallpegel Als wichtigste Messgröße für den Wasserschall wird wie beim Luftschall der Schalldruckpegel verwendet. Obwohl formal die gleichen Methoden verwendet werden, sind Wasserschall- und Luftschallpegel nur schwer vergleichbar und führen bei Laien immer wieder zu Missverständnissen. Pegel sind logarithmische Größen und nur sinnvoll zu interpretieren, wenn die jeweils verwendeten Bezugswerte beachtet werden. Als Bezugswert für den Schalldruckpegel wird beim Luftschall 20 µPa gewählt, beim Wasserschall dagegen 1 µPa. Der Bezugswert beim Luftschall wurde in Anlehnung an die menschliche Hörschwelle gewählt und entspricht bei Ausbreitung einer ebenen Welle im Ausbreitungsmedium Luft einem Schalldruck von etwa 2 · 10−5 Pascal (20 µPa). Dieser Referenzschalldruck entspricht einer Intensität von etwa 10−12 W/m².
Bekanntlich ist Wasser wesentlich härter als Luft, so dass bei gleicher Intensität die akustisch relevante Partikelgeschwindigkeit wesentlich kleiner, dafür aber der Schalldruck größer ist. Aus diesem Grund ist ein Vergleich der Schalldrücke ohnehin wenig aussagekräftig. Wenn man schon vergleichen will, sollte man eher die Energieflussdichte (Intensität) heranziehen. Weil messtechnisch der Schalldruck besser zugänglich ist, zieht man ihn trotzdem vor. Die Bezugsintensität des Wasserschalls ist etwa 0,65 · 10−18 W/m² entsprechend dem dabei verwendeten Referenzdruck von 1 µPa. Die Beziehungen zwischen Schalldruck und Schallintensität sind einerseits vom statischen Druck, andererseits von Temperatur und Salzgehalt des Wassers abhängig. Näherungsweise unterscheiden sich gleiche Pegelangaben für Luft und Wasser bei ihrem jeweiligen Bezugsdruck in ihrer Intensität um etwa 26 dB.
Für eine – ohnehin fragliche – Vergleichbarkeit sind also vom Wasserschall etwa 26 dB abzuziehen. Weiterhin werden beim Luftschall oft frequenzbewertete Schalldruckpegel angegeben, um den Frequenzgang des menschlichen Gehörs zu berücksichtigen. Dies ergibt unter Wasser keinen Sinn und wird daher dort nicht angewendet, wodurch der Unterschied scheinbar gleicher Pegelwerte noch vergrößert wird. Die schwere Vergleichbarkeit von Schallpegelangaben für Luftschall und Wasserschall sorgt z. B. bei der Diskussion über die Schädlichkeit von Sonaren und Echoloten für Meerestiere häufig für Verwirrung.
Moderne Hochleistungs-Sonare und -Echolote erzeugen in einer Entfernung von 1 Meter einen Schalldruckpegel von etwa 220 bis 240 dB bezogen auf 1 µPa.
Schallabsorption mini|350px|Absorption für Seewasser von 35 ppT, 2 °C und 10 atm Die Schallabsorption wandelt Schallenergie in thermische Energie um. Nach der klassischen akustischen Theorie erfolgt dies einmal durch die adiabatische Temperaturänderung als Folge des Schallwechseldrucks. Durch Wärmeleitung bzw. Wärmestrahlung wird dem Schallfeld dabei Energie entzogen. Dieser Effekt ist im Wasser vernachlässigbar. Die andere klassische Absorptionsursache ist innere Reibung bei der Kompression und Dekompression. Sie spielt bei hohen Frequenzen (über 100 kHz) und in Süßwasser eine Rolle.
Diese beiden sogenannten klassischen Ursachen sind aber im Seewasser unter 100 kHz gegenüber der Relaxationsdämpfung, d. h. der durch die verzögerte Einstellung des Gleichgewichtsvolumens bei Druckänderung bewirkten Dämpfung, vernachlässigbar. Einige Komponenten des Seewassers liegen in verschiedenen chemischen Zuständen vor, deren Verhältnis zueinander druckabhängig ist und sich verzögert einstellt, wodurch dem Schallfeld akustische Energie entzogen wird, die in Wärme umgesetzt wird. Diese Relaxationsdämpfung wird bei tiefen Frequenzen (unter 10 kHz) durch Borsäure und höheren Frequenzen durch Magnesiumsulfat verursacht. Die Absorptionsdämpfung kann mit Technical Guides – Calculation of absorption of sound in seawater berechnet werden.R. E. Francois, G. R. Garrison: Sound absorption based on ocean measurements. Part II: Boric acid contribution and equation for total absorption. In: J. Acoust. Soc. Am., 72, 1982, S. 1879–1890
Trotz dieser Effekte ist die Absorptionsdämpfung im Seewasser wesentlich geringer als in Luft und nimmt zu tieferen Frequenzen ab. Absorption tritt auch bei Reflexion am Meeresboden und z. B. an Eis sowie an Blasen im Wasser auf.
Der Schall nimmt mit dem Abstand von der Schallquelle nicht nur durch Absorption, sondern auch durch Divergenz ab. Dies führt in einem unendlichen Raum konstanter Schallgeschwindigkeit zu einer Abnahme der Schallintensität mit dem Quadrat der Entfernung (1/r²) bzw. des Schalldrucks mit der linearen Entfernung (1/r). Obwohl diese Divergenz-Dämpfung weitgehend frequenzunabhängig ist, stellt sie wegen der Schallgeschwindigkeitsschichtung im Meer und den Randreflexionen das Hauptproblem bei der Schallfeldberechnung dar.
Mehrwegeausbreitung mini|500px|Mehrwegeausbreitung bei der Schallübertragung im Flachwasser
Weil die Schallstrahlen infolge der Temperaturschichtung (aber auch wegen der Druckzunahme mit der Tiefe und bei Salzgehaltschichtung) gekrümmt sind, werden sie bei größeren Übertragungsdistanzen normalerweise an der Meeresoberfläche oder am Boden oder beiden reflektiert. Daher gibt es mehrere Übertragungswege, aber häufig keinen direkten Weg ohne Randreflexion. Diese verschiedenen Wege zwischen Schallquelle und Empfänger haben insbesondere im Flachwasser nahezu die gleiche Laufzeit und werden deswegen am Empfänger häufig gar nicht als verschiedene Übertragungswege wahrgenommen. Sie haben aber unterschiedliche Phasen, was zu Interferenzen führt. Geringe Änderungen der Übertragungswege durch Reflexion an den rauen Berandungen, durch Brechungsindexvariationen infolge beispielsweise internen Wellen verändern diese Interferenzen, wodurch die Schallübertragung fluktuiert. Insbesondere bei größeren Entfernungen im Tiefwasser treten aber auch zeitlich deutlich voneinander abgesetzte Laufzeitgruppen auf.
Die Mehrwegeausbreitung ist kennzeichnend für die Schallübertragung im Flachwasser, spielt aber auch im Tiefwasser über größeren Entfernungen eine Rolle.