Die akustischen Tiefseelote

Von Oberleutnant zur See Freiherr von Recum.

Als die Hinaussendung des Vermessungsschiffes „Meteor" der Reichsmarine zu einer großangelegten zweijährigen ozeanischen Forschungsreise spruchreif wurde, war man sich darüber klar, daß dem Schiffe auch die neuesten Mittel für die Tiefseelotung mitgegeben werden mußten; hatten doch bereits die Amerikaner mit einem akustischen Lotapparat auf einer Fahrt über den Nordatlantischen Ozean die Eignung für den praktischen Gebrauch erprobt und ein gelungenes Querprofil des Meeresbodens erhalten.

Die erste praktische Ausführung der schon älteren Erkenntnis, durch das Echo vom Meeresboden die Tiefe zu messen, hatte der Physiker A. Behm nach langen Vorversuchen durch die Konstruktion des B e h m - L o t s zu einem vor-läufigen Abschluß gebracht1). Jedoch die ungünstige wirtschaftliche Lage, in der sich Deutschland nach dem Kriege befand, und die Unmöglichkeit, in kurzer Zeit von einem deutschen Hafen auf Orte großer Meerestiefe zu gelangen, hatten es verhindert, das Behm-Lot in der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit als ausgesprochenes Tiefseelot so durchzukonstruieren, daß es für die Ausrüstung des

„Meteor" noch in Frage kam2). Es lag ja in erster Linie das Bestreben vor, für die praktische Schiffahrt ein brauchbares akustisches Lotmittel zu erhalten, das die geringen Tiefen bis etwa 200 m zuverlässig anzeigt.

Deutschland konnte jedoch, wenn es nicht als rückständig gelten sollte, keine ozeanische Expedition lediglich mit dem Drahtlot hinaussenden, und so mußten Mittel und Wege geschaffen werden, auch die Deutsche Atlantische Expedition mit einem akustischen Tiefseelot auszurüsten. Auf Anregung der Marineleitung im Anfang des Jahres 1924 erklärte sich die S i g n a l g e s e l l s c h a f t in Kiel bereit, ein Echolot zu konstruieren und lieferte dieses noch vor der beabsich-tigten Probefahrt des „Meteor" im Januar 1925 an Bord. In Anbetracht der kurzen für die Entwicklung und Erprobung des „Signallots" zur Verfügung

x) Vgl. B. S c h u l z , Geschichte und Stand der Entwicklung des Behm-Lots. Ann. d. Hydr.

1924, Heft X I und XII; 1925 Heft IX.

a) An Bord „Meteor" befindet sich ein „ B e h m - L o t " , Type II, für Tiefen bis 750 m.

20 Die Deutsche Atlantische Expedition auf dem Vermessungs- und Forschungsschiff „Meteor1'.

stehenden Zeit stellt es eine hervorragende Leistung des Konstrukteurs, des Ingenieurs B. S e t t e g a s t , dar.

F e r n e r konnten die A t l a s w e r k e in B r e m e n im Verein mit der S u b m a r i n e S i g n a l C o r p o r a t i o n in B o s t o n ein weiteres Echolot liefern, das bei E r p r o bungen gute Erfolge erzielt hatte. Um auch das „ A t l a s l o t " , in Amerika „ F a t h o -m e t e r " genannt, unserer wissenschaftlichen Forschung nutzbar zu -machen, wurde es in Auftrag gegeben und im März 1925 auf „Meteor" eingebaut.

Grundgedanke der Echolote. Die beiden Lotapparate, das „Signallot" wie auch das „Atlaslot", arbeiten beide nach demselben einfachen Prinzip, nämlich der Messung der Zeit, die der Schall zur Zurücklegung des Weges vom Schiff bis zum Meeresboden und zurück braucht. In bestimmten Abständen werden mit einem elektrischen Sender Schallwellen im Wasser erzeugt, die sich nach allen Richtungen mit einer bekannten Geschwindigkeit von etwa 1490 m/sec.

fortpflanzen. Ein Teil der Schallwellen erreicht den Meeresboden, wird dort reflektiert und geht als Echo an die Meeresoberfläche zurück, wo dies mit einer elektrischen Empfangseinrichtung wahrgenommen werden kann. Die Meeres-tiefe (h) errechnet sich, da die Schallgeschwindigkeit (v) im Wasser bekannt ist, aus der Zeit (t), die zwischen der Aussendung des Schalles und der Rückkehr des Echos liegt. E s ist also: h = ~ , d. h. die Meerestiefe ist gleich dem P r o d u k t der Schallaufzeit mit der Schallgeschwindigkeit dividiert durch 2, da der Schall den Weg vom Schiff zum Grund zweimal zurücklegt. Hierbei wird bei der Skala der Apparate für die Schallgeschwindigkeit ein mittlerer Wert angenommen (Signallot v = 1470 m/sec, Atlaslot v = 1490 m/sec). F ü r die einzelnen Meeres-gebiete muß man, um exakte Messungen zu erhalten, eine kleine Verbesserung anbringen, da die Schallgeschwindigkeit sich mit der Temperatur, dem Salzgehalt und dem Wasserdruck ändert³).

Auch infolge der Bodenneigung kann das Echolot etwas zu kleine Tiefen angeben, ein Fall, der jedoch nur bei s t a r k e n Böschungswinkeln eintreten und für die Praxis nur selten in F r a g e kommen wird4).

Über die ausgesandten Schallwellen ist noch allgemein zu bemerken, daß sie einmal sehr stark sein müssen, damit aus großen Tiefen ein gut hörbares Echo gewonnen werden kann. Zweitens muß der ausgesandte Ton möglichst kurz sein, damit nicht bei geringen Tiefen der ausgehende Schall das schon zurückkommende Echo im Empfangsmikrophon übertönt. Schließlich muß der Ton eine besondere Kennung haben, damit man ihn bzw. sein Echo aus den übrigen Schiffsgeräuschen, die durch das Schiff selbst oder durch den Seegang entstehen, gut heraushören kann. Als Schallgeber für die Erzeugung des Echos werden beim Signal- und

Atlaslot Elektromagnetsender verwandt, bei denen die Schallwellen durch Schwingungen einer Schallplatte, der Membran, erzeugt werden. Der nach außen vollkommen abgeschlossene Sender enthält in seinem Innern ein mit Wechsel-strom gespeistes elektromagnetisches System, das die Membran durch Anziehen u n d Abstoßen eines Ankers in Schwingungen versetzt. Die Schwingungszahl ist abhängig von dem Magnetisierungswechsel. Man unterscheidet sogenannte polarisierte Sender, das sind Sender mit Gleichstromerregung, und unpolarisierte Sender, solche ohne Gleichstromerregung. Bei den letzteren ist die Schwingungs-zahl des Ankers doppelt so groß wie die PeriodenSchwingungs-zahl des Wechselstroms, während bei den ersteren die Perioden von Wechselstrom und Schwingungszahl des Ankers gleich sind. Die Eigenschwingungszahl der Membran im Wasser wählt man zu 1050 Schwingungen in der Sekunde. Diese Tonhöhe unterscheidet sich gut von den durch die See und das Schiff erzeugten Nebengeräuschen im Wasser. Um bei beiden Senderarten gleiche Schwingungszahlen zu erzielen, muß die Frequenz des Umformers beim polarisierten Sender doppelt so hoch sein. Zur Erzeugung des Wechselstroms benötigt man deshalb beim unpolarisierten Sender einen Um-former mit etwa 500 Perioden und beim polarisierten Sender einen mit 1050 Perioden.

3) Vgl. A. S c h u m a c h e r , Hydrographische Bemerkungen und Hilfsmittel zur akustischen Tiefenmessung. Ann. d. Hydr. 1924, 8. 07 ff.

*) Vgl. H. M a u r e r , Über Echolotungen der Nordamerikanischen Marine. Ann. d. Hydr. 1924, S. 84.

II. F r e i h e r r von K e c u m : Die akustischen Tiefseelote. 21 Als Schallempfänger dient eine in die Bordwand eingelassene abgestimmte

Membran, die mit der Schiffshaut glatt abschließen muß, damit das Wasser mög-lichst ohne jede Turbulenz vorbeifließen kann. Die Membran ist mit einem Kohlemikrophon verbunden. Kommen die Schallwellen vom Meeresboden zurück, so treffen sie auf die Membran, die dann in Schwingungen gerät und diese auf das Mikrophon ü b e r t r ä g t . Dessen Kohlekörnchen werden durch die Schwingungen erschüttert und der durchfließende elektrische Strom unterliegt denselben Schwan-kungen, so daß hierdurch die Schallwellen in einem Telephon oder elektrischen Relais kenntlich gemacht werden können.

Beide Echolotsysteme bestehen aus der Senderanlage, der Empfangsanlage und dem Anzeigeapparat.

Die Signallotanlage. Das Signallot benutzt einen unpolarisierten Signal-Magnetsender von 700 Watt Leistung, der im vorderen Drittel des Schiffes im.

Schiffsboden so eingebaut ist, daß die Membran mit der Außenhaut abschneidet.

Ein Umformer, der in einem besonderen Raum unter Deck u n t e r g e b r a c h t ist und von der Schalttafel im Echolotraum, der sich auf „Meteor" als Versuchsanlage unter der Brücke befindet, angelassen wird, erzeugt den für den Sender be-nötigten Wechselstrom.

Die Empfangsanlage besteht aus mehreren Gruppen von je einem Flansch-empfänger für jede Seite, die möglichst tief unter der Wasserlinie im Vorschiff mit der Membran in die Bordwand eingelassen sind. Durch einen Flansch ist die Membran an der Außenhaut befestigt. Die Empfänger sind so eingerichtet, daß die Mikrophone bei Verbrauch ausgewechselt werden können, ohne daß ein Docken notwendig wird. Von den Empfängern führen die Kabelleitungen ü b e r einen Gruppenwahlschalter zum Anzeigeapparat im Echolotraum.

Im Anzeigeapparat des Signallots befindet sich ein kleiner Motor, der mit regulierbarer Geschwindigkeit einen Kontaktarm in Umdrehung versetzt. Dieser betätigt den Sender bei jeder Umdrehung beim Durchlaufen des Nullpunkts der Skala für einen kurzen Impuls. Die Messung des Zeitintervalls von der Aus-sendung des Schalls bis zu seiner Rückkehr vom Meeresboden erfolgt nun durch Vergleich mit der Zeit, den der Kontaktarm zur Zurücklegung des Weges bis zu der Stellung benötigt, wo das Echo eintrifft. Um die jeweilige Stellung des Kontaktarmes beim Eintreffen des Echos und damit die Messung der Laufzeit festlegen zu können, ist das Empfangstelephon so mit dem rotierenden Kontakt-arm geschaltet, daß dieser jedesmal beim Vorbeilauf einen durch einen Dreh-knopf auf einer Skala verstellbaren Schalter betätigt, der das Empfangstelephon, das für gewöhnlich kurzgeschlossen ist, einen Augenblick öffnet. Trifft in diesem Moment der Schall des zurückkehrenden Echos das Mikrophon, so k a n n man im Telephon das Echo hören und die Tiefe auf der von 0 bis 1000 m geteilten Skala an der Stellung des Drehknopfes ablesen.

Da das Telephon bei jeder Umdrehung nur auf einen schmalen Bereich von etwa 10 Skalenteilen, d. i. 10 m Wassertiefe, eingeschaltet wird, liegt die Meß-genauigkeit bei jeder Tiefe in dieser Grenze. Doch sei hier gleich bemerkt, daß man mit dem Signallot Tiefen unter 50 m nicht messen kann, da die Echo-laufzeit dann unter 0.068 sec. beträgt und die Empfänger bei der Rückkehr des Echos in dieser kurzen Zeit von der E r r e g u n g durch den Sendeton noch nicht abgeklungen sind, so daß man mit dem Ohr den Sendeton nicht vom Echo aus-einanderhalten kann.

Die Aussendung des Sendetons erfolgt in regelmäßigen Zeitabständen, die einer Wassertiefe von 1000 m bei v = 1470 m/sec. entsprechen. F ü r größere Tiefen wird ein sogenannter Tiefenschalter betätigt, der n u r bei jeder neunten Umdrehung des Kontaktarmes, was einer Gesamtwassertiefe von 9000 m, dem größten Meßbereich des Apparates, entspricht, einen Schall aussendet. Durch den Tiefenschalter wird ein zweiter Kurzschlußkontakt des Telephons blockiert; der Kurzschluß wird dann je nach Stellung des Kontaktarmes für ein bestimmtes Tausend Wassermeter aufgehoben.

Um jedoch bei größeren Tiefen ein längeres Absuchen mit dem Tiefenschalter zu vermeiden, ist im Sendestromkreis eine Morsetaste und im Telephonstromkreis

22 Die Deutsche Atlantische Expedition auf dem Vermessungs- und Forschungsschiff „Meteor".

ein Öffnungsschalter angebracht; durch Betätigung des Senders und Öffnen des Telephons kann dann in Verbindung mit einer Stoppuhr die Tiefe zunächst roh bestimmt werden.

Fig. 1. Signallot-Apparat.

Sk2

'Ski

Maßstab 1:5.

Fig. 1 stellt das Signallot in Aufsicht dar. Sk. 1 ist die Hauptskala von 0 bis 1000 m mit dem Drehknopf D, Sk. 2 die Nebenskala für je 1000 m, F sind die Steckerbuchsen für das Telephon und einen Parallelohm-Widerstand für den Echostromkreis, E 1 der Schalter für den Elektromotor, E 2 der Schalter für den Batteriestromkreis des Mikrophons, J das Meßinstrument zur Messung des Mikrophonstromes, R ein Regulierwiderstand für die Stromstärke des Mikro-phonstromkreises auf 0.050 Amp., E 3 der Schalter für den Sendestrom, E 4 der Schalter zum Öffnen des Telephons, M die Morsetaste, T ein Umdrehungsanzeiger für den Motor, S eine Regulierungsschraube für den Lauf des Motors durch Betätigung einer Zentrifugalbremse.

Die Atlaslotanlage. Als Kraftquelle für die Aussendung des Schalls wird beim Atlaslot für kleine Tiefen ein im Schlingerkiel eingebauter polarisierter Magnetsender benutzt. E r besteht aus zwei rechteckigen, streifenförmigen Platten, die an ihren Rändern befestigt sind und mit ihrer Oberfläche frei schwingen können. Zwischen den Platten befindet sich je eine Spule für den Gleichstrom und den Wechselstrom. Es ist je ein solcher Sender im Steuerbord- und im Backbord-Schlingerkiel eingebaut, die wahlweise eingeschaltet werden können.

Zur E r z e u g u n g des für den Plattensender benötigten Wechselstroms dient ein besonderer Umformer.

Da bei großen Tiefen die Plattensender nicht ausreichen, um ein hörbares Echo zu erzielen, kann der Unterwasserschallsender der Signal-Lotanlage auch für Lotungen mit dem Atlaslot geschaltet werden.

Zwei Empfänger, je einer an Steuerbord und einer an Backbord, die wahl-weise geschaltet werden können, sind im Gegensatz zu den Empfängern der Signal-Lotanlage in einer Schleusenöffnung im Schiffsboden eingebaut und schneiden mit der Membran, die aus einer Gummiplatte besteht, mit ihm ab.

Da bei horizontaler Lage der Mikrophone ein Stromdurchgang nicht möglich ist, sind diese durch eine besondere Vorrichtung in vertikaler Lage mit der Membran

lf. F r e i h e r r von E e e u m : Die akustischen Tiefseelote. 23 verbunden. Ohne Docken des Schiffes ist es möglich, die Empfänger mit der Gummimembran von innen auszuwechseln.

Der Empfängerstrom geht, bevor er an den Anzeigeapparat kommt, durch einen Verstärker.

Im Anzeigeapparat ist ein Motor eingebaut, der auf zwei Umdrehungs-geschwindigkeiten der Tiefe entsprechend geschaltet werden kann. E r versetzt eine hinter einer kreisförmigen Tiefenskala befindliche Scheibe in Rotation.

Diese Scheibe t r ä g t eine Glimmlichtlampe und betätigt beim Durchlaufen der Lampe durch die Nullstellung der Skala den Sender für einen kurzen Impuls.

Die Kenntlichmachung der Lotungen erfolgt bei Tiefen von 10 bis 185 m durch unmittelbare Anzeige dadurch, daß auf der Tiefenskala an der betreffenden Tiefe die Glimmlichtlampe als rotes Licht aufleuchtet. Jedesmal nämlich, wenn ein Echoimpuls vom Empfangsmikrophon durch den Verstärker in ein feines, kardanisch aufgehängtes Relais fließt, wird ein Strom durch den Induktor einer Neon-Lampe gesandt, die so blitzartig zur Aufleuchtung gebracht wird. Da bei schnellaufendem Motor der Sender viermal in der Sekunde betätigt wird, erhält man ein laufendes Aufleuchten des roten Lichtes an der betreffenden Tiefe und kann die Tiefe bequem ablesen. Bei der von Meter zu Meter geteilten Skala ist die Genauigkeit der Ablesung 0.5 m.

Bei Tiefen von 185 m an wird durch den Motor ein weißes Dauerlicht in Rotation versetzt, das beim Durchgang durch den Nullpunkt einer zweiten, mit der ersten konzentrischen Skala den Sender alle 1.5 sec. betätigt. Die Ablesung der Tiefe erfolgt unter Benutzung eines an den Empfänger angeschlossenen Kopftelephons, indem der Beobachter die Stellung des weißen Lichtes auf der zweiten Skala in dem

Augen-blick abliest, wo er im Tele-phon das Echo hört. Ein über der Skala verstellbarer Ring mit einem Spalt wird so lange verschoben, bis man den Eindruck hat, daß das weiße Licht und das Echo gleich-zeitig im Spalt eintreffen.

Geht die Tiefe über den Endwert der zweiten Skala (1120 m) hinaus, so wird dieser volle Skalenwert plus dem Stück bis zum Eintreffen des Echos gezählt. Dazu wird der Sender beim zweiten Durchgang durch die Null-stellung abgeschaltet. Die Genauigkeit der Ablesung ist bei großen Tiefen etwa 10 m.

Zur Regulierung der Umdrehungszahlen des Mo-tors, die nach der Skalen-teilung der

Schallgeschwin-digkeit v = 1490 m/sec. entsprechen, dient ein kleiner Widerstand und zur Kon-trolle der Geschwindigkeit ein Zungenfrequenzmesser. Bei anderer Schallgeschwin-digkeit kann die abgelesene Tiefe leicht verbessert werden.

Fig. 2 zeigt das Atlaslot in der Aufsicht. Sk. 1 ist die Skala für kleine Tiefen bis 185 m, Sk. 2 die für große Tiefen, Z ist der Zungenfrequenzmesser, R 1 der Regulierwiderstand für den Motor, R 2 ein Regulierwiderstand für den Empfängerstromkreis, E ein Knopfschalter zur Inbetriebsetzung der ganzen Anlage und S ein Umschalter für Lotungen von kleineren oder größeren Tiefen als 185 m.

Die Lotungen. Zur Erzielung eines möglichst genauen Bodenprofils wird während der F a h r t Tag und Nacht alle 20 Minuten mit beiden Echoloten gelotet,

Maßstab 1:5.

24 Die Deutsche Atlantische Expedition auf dem Vermessungs- und Forschungsschiff „Meteor".

d. h. es fällt etwa auf je 3 Seemeilen eine Lotung. Bei Annäherung an die Küste oder besonderen Steilanstiegen werden die Lotungen vermehrt. Um der dauernden Beanspruchung gewachsen zu sein, ist für die Lotanlage noch ein Reserveumformer eingebaut, so daß die Umformer abwechselnd in Gebrauch genommen werden können.

Das Echolot hat sich auch als wertvolles Hilfsmittel für die ozeanographischen und geologischen Arbeiten der Expedition erwiesen. Bedeuten die Lotungen doch eine große Zeitersparnis, indem sie die Möglichkeit geben, die Arbeiten gleich entsprechend den laufend geloteten Tiefen vorzubereiten, während man früher erst die Drahtlotung auf jeder Station abwarten mußte.

Die mit den Tiefseeloten erzielten Ergebnisse kann man nur als voll befriedigend ansehen. Das Vermessungsschiff „Meteor" hat bei seiner bisherigen dreimaligen Überquerung des Südatlantischen Ozeans ein genaues Bodenprofil erhalten, das teilweise gegenüber der früheren Isobathenführung ein vollkommen neues Bild zeigt. Ohne Fahrtverlust reiht sich Lotung an Lotung mit einer Zuverlässigkeit und Genauigkeit, wie sie bisher mit dem Drahtlot nicht erzielt werden konnte. Im Laufe der zweijährigen Expedition wird der Südatlantische Ozean noch elfmal durchquert werden, so daß zu erhoffen steht, daß durch die Echolotungen viele neue Ergebnisse über die Gestaltung des Meeresbodens gezeitigt werden.

E r n s t S i e g f r i e d Mittlei' und Sohn, ßiichdrackerei (i. m. b. H., Berlin HW68, Kochst)-. 68—71.

DIE

DEUTSCHE ATLANTISCHE

EXPEDITION