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2018 | OriginalPaper | Buchkapitel

Wasserschallmessungen

verfasst von : Jan Abshagen

Erschienen in: Wasserschallmessungen

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden passive und aktive hydroakustische Messsysteme und -verfahren vorgestellt, die für Wasserschallmessungen im Meer verwendet werden. Auch wenn viele Verfahren aus dem Bereich des Luftschalls grundsätzlich auf Wasserschall übertragbar sind, so ergeben sich aufgrund der akustischen Eigenschaften des Meeres und der begrenzenden Flächen (Meeresboden und -oberfläche) sowie der spezifischen Eigenschaften der hydroakustischen Messtechnik doch signifikante Unterschiede. Nach einer Einführung in die für Wasserschallmessungen gebräuchlichen Mess- und (spektralen) Pegelgrößen und die Grundlagen der hydroakustischen Sensorik wird ein Überblick über die meeresakustischen Randbedingungen gegeben. Für jede Wasserschallmessung ist die Kenntnis der Schallausbreitungsbedingungen und der Umgebungsgeräusche im Meer von zentraler Bedeutung. Anhand von zwei typischen Messaufgaben, der Bestimmung des Quell- oder Zielpegels eines Schiffes sowie der Bestimmung von Rammschall bei der Errichtung von Offshore-Windenergieanlagen, werden dann unterschiedliche stationäre und driftende Sensorsysteme im Detail vorgestellt. Anschließend wird auf die Vor- und Nachteile von geschleppten Sensorsystemen, wie der horizontalen Richtungsbildung und dem strömungsinduzierten Eigenstörgeräusch, näher eingegangen. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels werden aktive Verfahren und Systeme behandelt, die bei Untersuchungen des Meeresbodens, der Schallausbreitung im Meer und der Rückstreu- und Absorptionseigenschaften getauchter Objekte sowie bei der Kalibrierung von hydroakustischen Antennen Verwendung finden.

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Es gibt Schnellemessverfahren, die auf MEMS basieren [7]. Mit derartigen Verfahren lassen sich im Prinzip sogenannte Vektorsensoren realisieren, d. h. Sensoren die gleichzeitig den Schalldruck und die Schallschnelle an einem Ort messen können [8, 9].

Für Wasserschallmessungen wird der zeitliche Mittelwert $\overline{\left( \ldots \right) } = 1 \slash T \int _0^T \left( \ldots \right) dt$ verwendet.

Bei periodischen Signalen ist anstelle der Messzeit die Periodenlänge T zu wählen, sodass sich für das Signal einer ebenen Schallwelle an einem Ort $\tilde{p} = \hat{p} \slash \sqrt{2}$ und $\tilde{v} = \hat{v} \slash \sqrt{2}$ ergibt.

Die Schallleistung berechnet sich aus $P = \int _{A} \mathbf {I}\cdot d\mathbf {A}$ für die durchschallte Fläche A bzw. aus $P= \text {A} \text {p} \mathbf {v}\cdot \mathbf {n}$ bei senkrechtem Schalleinfall einer ebenen Welle auf eine ebene Fläche (mit Flächennormale $\mathbf {n}$).

Eine Messvorschrift für Wasserschallmessungen bei Offshore-Windparks, in der auch die hier dargestellten Pegeldefinition für impulsartige Geräusche erläutert werden, findet sich beim Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) [11].

Der Vergleich zwischen Luft- und Wasserschallpegeln wird auch im Zusammenhang mit möglichen Auswirkungen von Schallereignissen auf die biologische Umwelt diskutiert [12, 13].

Für Meerwasser mit einer Temperatur von 13 $^\circ $C und einem Salzgehalt von 34,75 ‰ auf 10 m Tiefe ergibt sich eine Schallgeschwindigkeit $c_{Wasser} = 1500{,}0\,\text {m}\,\text {s}^{-1}$ und eine Dichte von $\rho _{Wasser} =1026,24$ kg m$^{-3}$ und damit ein Wellenwiderstand von $(\rho c)_{Wasser}=1,5394\,\times $ 10$^6$ N s m$^{-3}$. Der vergleichbare Wert für den Wellenwiderstand der Luft auf Höhe der Meeresoberfläche beträgt hingegen $(\rho c)_{Luft}=418,5$ N s m$^{-3}$, wobei in diesem Fall trockene Luft mit einer Schallgeschwindigkeit $c_{Luft}=339,3$ m / s und einer Dichte $\rho _{Luft}=1,2335$ kg m$^{-3}$ zugrunde gelegt wird.

Die theoretische spektrale Leistungsdichte besitzt die Symmetrie $\varPhi _{pp}(\omega )=\varPhi _{pp}(-\omega )$.

Bei theoretischen Signalen wird die gesamte Zeit- und Frequenzachse betrachtet. Der zeitliche Mittelwert wird symmetrisch definiert, d. h. $\overline{\left( \ldots \right) } = \lim \limits _{T \rightarrow \infty } (2T)^{-1}\int _{-T}^T \left( \ldots \right) dt$.

Exakt gilt dieses nur für ein ideales Rechteckfilter $W_j(\omega )$, dessen Grenzen mit denen des Analysebandes zusammenfallen. In der Praxis gibt es jedoch immer einen spektralen Leck-Effekt zwischen den Analysebändern.

Theoretisch ergibt sich das Quadrat des Effektivwertes eines Wasserschallsignal durch Integration über den gesamten Frequenzraum $\tilde{p}^2 = \int _{-\infty }^{\infty } \varPhi _{pp}(\omega ) d\omega $.

Theoretisch nicht-periodische Signale.

Im deutschsprachigen Raum ist die Verwendung des Amplitudenspektrums für die Analyse von schmalbandigen, stationären Wasserschallsignalen gebräuchlich, während im englischsprachigen Raum häufig unabhängig vom Signal das Amplitudendichtespektrum verwendet wird.

Bei Terzbandanalysen ist der relative Frequenzabstand zwischen unterer und oberer Grenze, $f_u$ und $f_o$, konstant. Für die Grenz- und Terzmittenfrequenz gilt $f_o = \root 3 \of {2}\cdot f_u$ und $f_j = \sqrt{f_o \cdot f_u}$. Bei Wasserschallmessungen werden die gleichen Terzmitten- und Grenzfrequenzen verwendet wie bei Luftschallmessungen [14].

Sphärische Hydrophone bestehen aus einer Hohlkugel aus piezoelektrischem Material, welche auf der Innen- und Außenseite der Kugel mit einer Elektrodenschicht versehen sind. Sie haben in der Regel eine höhere Stabilität aber auch eine geringere Sensitivität als zylindrische Hydrophone.

Für Wasserschallmessungen werden in der Regel Hydrophone mit einer omnidirektionalen Richtcharakteristik verwendet, deren Abmessungen deutlich keiner sind als die Wellenlänge des zu messenden Wasserschallsignals.

Beispielsweise besitzt das Hydrophon Reson TC4014-5 einen linearen Frequenzbereich von 30 Hz–100 kHz ($\pm 2$ dB), während der Bereich des Reson TC 4032 bei 15 Hz–40 kHz ($\pm 2$ dB) liegt. Den exakten Frequenzgang gibt die Kalibrierkurve wieder, die in der Regel ab einer Frequenz von einigen kHz vorliegt [17].

Das Reson TC4014-5 besitzt z. B einen integrierten Vorverstärker. Hier wird die Sensitivität mit $-186\,\text {dB}_{re 1V\slash \mu Pa}$ bei Verwendung eines einseitigen Ausgangs und $-180\,\text {dB}_{re 1V\slash \,\mu Pa}$ bei einem differenziellen Ausgang angegeben. Der Vorverstärker bei diesem Typ ist in das Hydrophon integriert und hat einen Wert von 26 dB. Das Reson TC4032 hat hingegen eine Sensitivität von $-170\,\text {dB}_{re 1V\slash \mu Pa}$ bzw. $-164\,\text {dB}_{re 1V\slash \mu Pa}$ (bei differenziellem Ausgang). Ein Hydrophontyp ohne Vorverstärker ist das Reson TC4013, welches mit einer Sensitivität von $-212\,\text {dB}_{re 1V\slash \,\mu Pa}$ angegeben wird [17].

Dieses ist frequenzabhängig und liegt beim Reson TC4014-5 bei ca. 45 dB$_{re 1 \mu Pa^2/Hz@1kHz}$ und beim Reson TC 4032 bei ca. 30 dB$_{re 1 \mu Pa^2/Hz@1kHz}$ [17].

Durch die Möglichkeit der Richtungsbildung und der kohärenten Addition von Signalen hat eine Antenne große Vorteile gegenüber einem Einzelhydrophon. Allerdings steht dem auch ein erheblich größerer Aufwand beim Einsatz auf See (Ausbringen, Einholen, leistungsfähige Winden, usw.), bei der Signalübertragung (hohe Datenraten), bei der Signalverarbeitung (leistungsfähige Rechner, optimierte Algorithmen) und bei der Datenspeicherung (große Datenmengen) gegenüber. Daher ist die Nutzung von Antennensystemen für eine Wasserschallmessung anstelle von Hydrophonen im Einzelfall abzuwägen.

Es gibt auch andere Wasserschallmesssysteme, die z. B. auf einer Kreisanordnung basieren [18]. Kreisförmige bzw. zylindrische Antennenanordnungen kommen auch bei Sonar-Systemen zum Einsatz, wie z. B. bei Bug-Sonaren [10] oder Überwachungs-Sonaren [19].

Bei Wasserschallmessungen wird die Wellenzahl $k = \lambda ^{-1}$, welche in ($m^{-1}$) angegeben wird, anstelle der (Kreis-)Wellenzahl verwendet, sofern die Frequenz f anstelle der Kreisfrequenz $\omega $ Verwendung findet. Die jeweilige Bedeutung des Symbols k wird aus dem Zusammenhang deutlich.

Durch zwei parallel laufende Horizontalantennen kann eine Links-Rechts-Unterscheidung erreicht werden [21]. Mehrere parallele Antennen werden z. B. für seismische Explorationen des Meeresbodens eingesetzt [22]. Auch Vektorsensoren können die Eigenschaften einer Antenne in Bezug auf die Richtungsbildung signifikant verbessern [8, 9].

Das zeitliche Abtasttheorem ist ebenfalls einzuhalten.

Im Entwurf der DIN ISO 17208-1:2017-07 sind physikalische Größen und Messverfahren aufgeführt, die eine Vergleichbarkeit von Schiffsvermessungen im Tiefwasser ermöglichen sollen [38]. Eine detaillierte Darstellung der internationalen Aktivitäten zur Standardisierung von Wasserschallmessungen findet sich bei A. Homm [39, 40].

Es gibt Geräuscherzeuger mit einer ausgeprägten Richtcharakterisitik, welche ggf. gesondert betrachtet werden müssen.

Die in Abb. 5 dargestellten Näherungen der Geräuschspektren (windinduzierte Geräusche, Schiffsverkehr) haben die allgemeine Form $\varPhi (f)=(A+10\cdot \text {log}_{10}((1+\text {B}(f\slash f_{w,s})^C)\slash (1+(f\slash f_{w,s})^{D})))$dB$_{re 1\mu Pa^2 \slash Hz}$. Durch Anpassung an die Wenz-Spektren [26, 41] ergibt sich näherungsweise für Sea State 7 $\text {A}=67, \text {B}=5, \text {C}=1\; \text {und}\; \text {D}=2{,}75$ und für die Schiffsgeräuschspektren (mit $f_{s} = 60$ Hz) $\text {A}=65, \text {B} = 6, \text {C} = 2\; \text {und}\; \text {D}= 5$ für weit entfernten bzw. $\text {A} = 87, \text {B}=4, \text {C}= 2\; \text {und}\; \text {D} = 5{,}5$ für starken Schiffsverkehr.

Der komplexen Dynamik turbulenter Strömungen, die sich u. a. in kontinuierlichen Geschwindigkeits- und Druckspektren widerspiegelt, liegen nichtlineare Wechselwirkungen zwischen instabilen Lösungen der Navier-Stokes Gleichungen zugrunde, die sowohl auf kleinen [42, 43] als auch auf großen [44] Skalen auftreten können.

Die horizontalen Änderungen von Temperatur und Salzgehalt sind im Meer in der Regel auf kleinen Skalen klein gegenüber den vertikalen, auf große Skalen können diese aber signifikant sein. Es können auch kleinskaligere horizontale Änderungen dieser Größen auftreten, z. B. an Flussmündungen oder durch Süßwasserlinsen.

Mittels einer CTD-Sonde wird die elektrische Leitfähigkeit (conductivity) und die Temperatur (temperature) von Meerwasser sowie über den Druck die Wassertiefe (depth) bestimmt. Aus diesen Größen lässt sich die Salinität und damit die Schallgeschwindigkeit berechnen. Für diese CTD-Messung wurde die bordeigene Sonde des Forschungsschiffs Elisabeth Mann Borgese vom Institut für Ostseeforschung (IOW) aus Warnemünde verwendet.

Mit der Formel $D' = P' (0{,}97845 + 0{,}00008T')$ lassen sich Druck und Wassertiefe $D = D'\cdot D_0$ (mit $D_0= 1$ m) ineinander umrechnen [54].

Bei der Bestimmungen der Koeffizienten für diese wie auch für andere Formeln [55, 56] zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Meer werden Ausgleichsrechnungen an experimentellen Daten aus bestimmten Seegebieten verwendet.

Wissenschaftlicher Fahrtleiter der Forschungsfahrt war F. Gerdes (WTD71-FWG) [63].

Für eine Dauerauslage bedarf es einer Anzeige bei der zuständigen Behörde, dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH).

Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) hat zusammen mit dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit einen Grenzwert festgelegt, nach dem der Spitzenpegel eines Schallereignisses, $L_{peak}$ den Wert 190 dB$_{re 1\mu Pa}$ und der Schallexpositionspegel $L_{e}$ den Wert von 160 dB$_{re 1\mu Pa}$ in einem Abstand von 750 m von Ort einer Rammung nicht überschreiten darf, wobei die Messposition des Hydrophons im Bereich von 2 bis 3 m über dem Meeresboden zu liegen hat [11]. Zur Ermittlung der Dämpfungseigenschaften schallreduzierender Maßnahmen für Hochseewindparks liegt die Technische Regel DIN SPEC 45653:2017-04 vor [64].

Wissenschaftlicher Projektleiter der Untersuchungen war F. Gerdes (WTD71-FWG) [68, 69].

Wissenschaftlicher Fahrtleiter dieser Forschungsfahrt war V. Nejedl (WTD71-FWG).

Bei höheren Fahrtstufen ist auch der höhere Frequenzbereich oberhalb von ca. 1 kHz wegen der Kavitation am Propeller von Bedeutung.

Bei der Darstellung ist zu beachten, dass die Lotperiode von 10 s nicht mit der Analysezeit von 8 s synchronisiert ist.

Tiefwasserbedingungen sind in der deutschen Nord- und Ostsee nicht vorhanden.

Je nach Messaufgabe kann man omnidirektionale Kugelwandler, zylindrische Ringwandler oder Wandler mit einer anderen Richtcharakteristik einsetzen. Ein Beispiel für einen omnidirektionalen Sendewandler ist der ITC4008A, der einen Schallsendepegel von 148 dB$_{re \mu Pa \slash V @ 1 m}$ bei der Resonanzfrequenz $f_{res.}=5{,}5$ kHz besitzt, während der Schallsendepegel des wasserdurchfluteten Zylinderwandlers ITC2010 127 bzw. 129 dB$_{re \mu Pa \slash V @ 1 m}$ bei den Resonanzfrequenzen von $f_{res.} = 1,0$ kHz und $f_{res.} = 2{,}5$ kHz beträgt. Wandler mit einer ausgeprägten Richtcharakteristik werden z. B. bei Fächerloten verwendet.

Die WTD 71 unterhält für diese Aufgabe eine Kalibrierstelle am Plöner See.

Wissenschaftlicher Fahrtleiter diese Forschungsfahrten war E. Schmidtke (WTD71-FWG) [87, 88].

In dem Buch von Herrn Prof. Wille, dem ehem. Direktor der Forschungsanstalt der Bundeswehr für Wasserschall und Geophysik (FWG), findet sich insbesondere auch eine umfangreiche Zusammenstellung von Bildern des Meeresbodens.

Für die Komponenten der spektralen Leistungsdichte $\varPhi (f_j)$ gilt: $(N \varDelta t)^{-1}\sum _{n = 0}^{N-1}p^2(t_n) =\sum _{j=0}^{N/2} \varPhi (f_j) \varDelta f$.

Die äquivalente Rauschbandbreite ergibt sich aus df$_{\text {eff}}\cdot \max |W(f)|^2 = \int _{-\infty }^{\infty }\left| W(f)\right| ^2 df$. In der Regel gilt bei Fensterfunktionen $\max |W(f)|^2 = \left| W(f = 0)\right| ^2$.

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Titel: Wasserschallmessungen
verfasst von: Jan Abshagen
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Buch: Wasserschallmessungen
Print ISBN: 978-3-662-56637-4

Electronic ISBN: 978-3-662-56638-1

Copyright-Jahr: 2018
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-56638-1_1

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