Echoortung

Die Delfine (Delphinidae) gehören zu den Zahnwalen (Odontoceti) und sind somit Säugetiere (Mammalia), die im Wasser leben. Delfine sind soziale Tiere, die in Gruppen zusammenleben. Zur Orientierung und speziell auch zur Ortung ihrer Jagdbeute verwenden sie ein auf Ultraschall basierendes Navigationssystem, die Echoortung. Dazu erzeugen die Tiere Töne bzw. "Klicke" mittels einer Klappe zwischen der Lunge und speziellen Luftsäcken, die in Schwingung gebracht wird. Wenn der Delphin etwas entdeckt, nähert er sich und erhöht dabei die Frequenz. Das Resultat ist eine höhere Genauigkeit des reflektierten Echos, welches ihm einen detaillierten 3D-Scann seines Gegenübers wie z.B. eines Menschen ermöglicht.

Aus neuesten Untersuchungen weiß man, daß der Delphin den Herzschlag, den Blutruck, die Lungen und sogar den Grad der Erregung seines Gegenübers wahrnehmen und dessen Reaktion voraussehen kann.

Die Fledermäuse nutzen ebenfalls die Echoortung. Dabei stoßen sie kurze Schreie im Ultraschallbereich aus und empfangen die reflektierten Echos. Dadurch sind sie in der Lage, sich auch in völliger Dunkelheit zu orientieren.

Das Echolotsystem ist so genau, dass Fledermäuse damit fliegende Insekten in der Luft orten und jagen können. Interessanterweise verändern Fledermäuse zur präziseren Ortung beim Schrei die Tonhöhe und stoßen beim Jagen andere Schreie aus als beim Suchen.

Abb. 1: [Quelle: A. Zahn. URL: www.lbv.de/neuesdir/fledermaus/biologie.html ] Die Echoortung bei Fledermäusen: Die Töne, die Fledermäuse aussenden, werden von den Objekten, auf die sie stoßen, reflektiert. die Fledermaus orientiert sich an dem Echo.

Physikalisch gesehen ist Schall eine Welle. In Gasen und in Flüssigkeiten ist Schall immer eine Longitudinalwelle. In Festkörpern können auch Transversalwellen vorkommen. Schallwellen transportieren Schwingungen und Informationen. Sie bewegen Mediumteilchen (meistens Luft) um einen mittleren Zustand und breiten sich mit einer charakteristischen Geschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit c aus. Diese beträgt 343 m/s in Luft bei einer Temperatur von 20° C ( bei NN) und 1407 m/s in Wasser bei einer Temperatur von 0° C.

Die zugehörige Wissenschaft ist die Akustik, welche wiederum ein Untergebiet der Gasdynamik ist. Die beiden Energieformen, die sich beim Schall ineinander wandeln, sind die Kompressionsenergie und die Bewegungsenergie als Schallenergiegröße. Charakterisiert werden sie aber durch die Schallfeldgrößen:

·         Schalldruck  p im N/m² = Pa (Pascal)

·         Schallgeschwindigkeit  v in m/s

Eine Schallspezies ist auch der Ultraschall. Mit einer Frequenz von 20 kHz bis 1 GHz ist er  für Menschen nicht hörbar. Die Frequenz liegt über der Hörschwelle, dass heißt, dass Ohr ist zu träge um diese Schwingung  wahrzunehmen. Zur Erzeugung eignen sich Schwingquarze, welche durch Umkehr des Piezo-Effekts zu Schwingungen angeregt werden. An einem Quarz wird eine Wechselspannung mit der gewünschten Schwingfrequenz angelegt. Die Schwingungen werden dann an den Anwendungsort übertragen.

Wie oben erwähnt ist der Schall eine Welle und kann somit über die Wellengleichung beschrieben werden.

Eine Welle breitet sich in Abhängigkeit der Kopplung seiner Oszillatoren, unterschiedlich schnell aus.

Diesen physikalischen Effekt nutzt das Prinzip der Echoortung.

Hierbei werden Schall- oder Radiowellen aktiv ausgesandt. Treffen die Wellen auf ein Hindernis, werden sie zurückgeworfen. Aus der Laufzeit der Wellen kann dann die Entfernung zum Hindernis ermittelt werden. Auch die genaue Richtung, in der sich das Hindernis befindet, sowie dessen Größe kann ermittelt werden.

Abb. 2: [Quelle: de.wikipedia.org/wiki/Sonar] Prinzip des aktiven Sonars: Die Zeit vom Aussenden des Impulses bis zum Empfangen des reflektierten Signals ist proportional zur Objektentfernung

Abb. 3: [Quelle: D. Welz, Unterrichtsmaterialien, URL: www.meduniwien.ac.at/zbmtp/people/kollch1/scw2002/echolot.html] Das Echolot nutzt die Reflexion des Ultraschalls am Meeresboden zur Bestimmung der Wassertiefe. Diese wird aus dem Zeitunterschied zwischen ausgesandtem und zurückreflektiertem Signal ermittelt.

Technische Umsetzung

An der Natur orientierent hat sich der Mensch die Echoortung in vielen Bereichen zum Nutzen gemacht.

Beim Radar "radio detection and ranging" (etwa Auffinden und Entfernungsmessung mit Radiowellen) werden hochfrequente Radiowellen ausgesendet. Die Radiowellen werden nur von metallischen Objekten optimal zurückgeworfen. Die hauptsächliche Anwendung liegt in der Luft- und Schifffahrt sowie für militärische Zwecke.

Sonar ist ein englisches Akronym von "sound, navigation and ranging" und bedeutet Schallnavigation und Distanzmessung. Mittels Sonar lassen sich Objekte - vor allem unter Wasser - orten und vermessen.

Das Echolot ist eine triviale Form des Sonars zur Bestimmung von Gewässertiefen, aber kann auch zum Aufspüren von Fischschwärmen genutzt werden. Es arbeitet eindimensional, während Tiere oftmals mit einem dreidimensionalen Sonar fliegen und orten.

Auch in der Medizin hat diese Technik eine große Bedeutung bei der Diagnostik und Therapeutik. Ultraschall bei Schwangeren, Sonografie, aber auch die Behandlung von Gallen und Nierensteinen mittels Ultraschall sind mittlerweile etablierte Methoden der Medizin.

Eine weitere Anwendung dieses Prinzips ist die „Park Distance Control“ im KFZ oder das Vermessen von Schichtdicken (zum Beispiel von Eisplatten).

Abb. 4: [Quelle: chartmaker.ncd.noaa.gov/hsd/images/sonar.gif ] Darstellung des Sonarprinzips

Abb. 5: [Quelle: www.bmwworld.com/technology/pdc_car.jpg ] Darstellung des „Park Distance Control“ - Prinzips

Weiterführende Informationen

http://de.wikipedia.org/wiki/Sonar                          

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Echolot2.jpg http://www.bmwworld.com/technology/pdc_car.jpg  

http://chartmaker.ncd.noaa.gov/hsd/images/sonar.gif                  

Echoortung.pdf

© 2006 by BioKoN, Christian Weidermann, Silvia Leißner