Ozeanakustik - Der Rhythmus des tiefen Blaus

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Guo Zheng (Forschungsstation Ostchinesisches Meer, Institut für Akustik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

„Hör zu, das Geräusch des weinenden Meeres …“

Haben Sie sich jemals gefragt, welche Art von Geräuschen sich unter diesem wunderschönen tiefen Blau verbergen?

In der wissenschaftlichen Forschung ist „Was, Warum und Wie“ ein gängiges und effektives Denkmuster. Welche Schlussfolgerungen können wir ziehen, wenn wir die Meeresakustikforschung mit dieser Denkweise dekonstruieren?

Was ist Meeresakustik?

Die Meeresakustik ist ein wichtiger Zweig der modernen Akustik und eine umfassende Spitzentechnikwissenschaft, die sich hauptsächlich mit der Entstehung, Ausbreitung und dem Empfang von Schallwellen im Ozean beschäftigt.

Wie verstehen Sie diesen Satz?

Wir können davon ausgehen, dass es zwei Personen gibt, Xiao A und Xiao B. Xiao A klatscht in die Hände und Xiao B hört das Klatschen von Xiao A. In diesem Szenario sind unsere Forschungsergebnisse:

Entstehung von Schallwellen: Der kleine A klatschte in die Hände.

Ausbreitung von Schallwellen: von der Hand des kleinen A zum Ohr des kleinen B, durch die Luft (die wir Ausbreitungsmedium nennen).

Empfang von Schallwellen: Die Störung der Schallwellen breitet sich in den Ohren des kleinen B aus und bringt das Trommelfell zum Vibrieren. Nachdem die Vibration an das Innenohr übertragen wurde, wird sie in bioelektrische Signale umgewandelt, die dann vom auditorischen Nervensystem verarbeitet und vom Gehirn des kleinen B empfangen werden.

Abbildung 1 Schematische Darstellung der Ohrstruktur

(Bildquelle: Nipic.com https://www.nipic.com/show/22042820.html)

Auf diese Weise können wir analog zur Untersuchung der Meeresakustik die folgende Aufzählung in der gleichen Form wie oben vornehmen:

Entstehung von Schallwellen im Ozean: Wir wissen, dass Schall durch die Vibration von Objekten entsteht. Dann erzeugen sämtliche Vibrationen im Ozean, darunter die Schiffsnavigation, andere menschliche Aktivitäten, die Rufe der Meereslebewesen, Bewegungen der Meeresbodenkruste und Vulkanausbrüche usw., Schallwellen im Ozean.

Abbildung 2 Schallwellen im Ozean (Bildquelle: Veer Gallery)

Die Ausbreitung von Schallwellen im Ozean: Wir wissen, dass für die Ausbreitung von Schallwellen ein Medium erforderlich ist und Schall im Vakuum nicht übertragen werden kann. Im Ozean breiten sich Schallwellen normalerweise durch das Meerwasser und manchmal entlang des Meeresbodens aus.

Empfangen von Schallwellen im Ozean: Wenn wir im täglichen Leben ein bestimmtes Tonsignal empfangen müssen, beispielsweise beim Singen, verwenden wir ein Mikrofon. Im Ozean verwenden wir spezielle Unterwasser-„Mikrofone“ (die wir Hydrophone nennen), damit wir Schallwellen im Ozean problemlos empfangen können.

Die Wissenschaft, die sich mit der Entstehung, Ausbreitung und dem Empfang von Schallwellen im Ozean beschäftigt, wird als Ozeanakustik bezeichnet.

Abbildung 3 Hydrophon

(Bildquelle: Teledyne Marine http://www.teledynemarine.com/reson-tc-4032)

Warum Meeresakustik studieren?

Als interdisziplinäres Fach ist die Akustik untrennbar mit allen Aspekten unseres Lebens verbunden. Kopfhörer und Lautsprecher gehören beispielsweise zum Forschungsgebiet der Elektroakustik; Die Bauakustik untersucht, wie in Theatern und Auditorien bessere Klangeffekte erzielt werden können. Auch die intelligenten Lautsprecher, die wir im Alltag verwenden, nutzen Sprachakustik usw.

Zu welcher Art von „Kollision“ wird es also kommen, wenn Akustik auf den Ozean trifft?

Wir wissen, dass etwa 70,8 % der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt sind, wobei der Großteil davon Ozeane sind. Da die Bedeutung des Ozeans zunimmt, müssen die Menschen ihn immer besser und tiefer verstehen. Durch das Studium der Gesetze der Entstehung, Ausbreitung und Aufnahme von Schallwellen im Ozean kann die Meeresakustik dem Menschen bei der Erforschung des Ozeans als „Augen und Ohren“ dienen und ihm helfen, den Ozean besser zu verstehen.

Beispielsweise wurden eine Reihe von Geräten entwickelt, indem die Echoerkennung von Tieren wie Fledermäusen und Delfinen nachgeahmt wurde. Darüber hinaus wurde die Echoerkennung auch zum Auffinden von Fischen und zur Erkennung der Meeresbodentopographie eingesetzt. Auch im militärischen Bereich werden Sonargeräte häufig eingesetzt, um die Position von Unterwasser-U-Booten zu bestimmen.

Abbildung 4 Fischfinder - dient zum Aufspüren von Fischschwärmen

(Bildquelle: Matsutec http://www.matsutec.cn/products_info.php?id=234)

Abbildung 5 Seitensichtsonar – wird zur Erkennung der Meeresbodentopographie verwendet

(Fotoquelle: Beijing Haizhuo https://www.sohu.com/a/349110652_743632)

Wie man die Meeresakustik untersucht

Wie bereits erwähnt, ist die Meeresakustik für den Menschen als „Augen und Ohren“ bei der Erforschung des Ozeans ein wichtiges Mittel zum Verständnis und zur Erkennung des Ozeans. Wie also betreiben wir Meeresakustikforschung?

Wie andere Zweige der Physik, etwa Optik, Elektrizität und Kraft, gehört auch die Akustik zur Physik und ist natürlich, wie andere Zweige der Physik, eine Wissenschaft, bei der das Experiment im Vordergrund steht. Die moderne wissenschaftliche Forschung durchläuft vor jedem Experiment zwei Phasen: theoretische Ableitung und Computersimulation. Die Meeresakustik bildet hier keine Ausnahme. Als Teilgebiet der Akustik legt auch die Ozeanakustik großen Wert auf Experimente.

Bei ozeanakustischen Experimenten konzentrieren wir uns normalerweise auf die Messung der Schallwellen selbst, einschließlich der Verwendung des oben erwähnten Hydrophons zur Aufzeichnung des Schalls im Wasser. Wir messen auch physikalische Größen wie Temperatur und Salzgehalt, die die Schallausbreitung beeinflussen. Normalerweise verwenden wir Instrumente wie CTD (Temperatur- und Salzgehalttiefenmesser) und XBT (entfernbarer Temperatur- und Tiefenmesser), um die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in verschiedenen Tiefen zu bestimmen. Schließlich tragen diese Informationen zur Meeresakustik zu unserem Verständnis der Meeresumwelt bei.

Abbildung 6 XBT (zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in verschiedenen Tiefen)

(Fotoquelle: Donghai Station des Instituts für Akustik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Den Menschen hat es nie an Entschlossenheit und Mut gefehlt, das Unbekannte zu erforschen. Anhand der „Stimme des Meeres“ können wir den Ozean besser erkennen und verstehen und in diesem wunderschönen, tiefen Blau die Fußspuren des eifrigen Strebens der Menschen hinterlassen.

Herausgeber: Sun Chenyu

Quellen:

[1] Wang Dezhao, Shang Erchang. Hydroakustik[M]. Peking: Science Press, 1981.

[2] Liu Bosheng, Lei Jiayu. Prinzipien der Hydroakustik (Zweite Ausgabe)[M]. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2009.

[3]Ross D. Mechanik des Unterwasserlärms. Oxford: Pergamon, 1976.