Hydroakustik einfach erklärt!

Was bedeutet Hydroakustik?

Hydroakustik bezeichnet die Erzeugung, Ausbreitung, Messung und Auswertung von Schall im Wasser. Der Begriff setzt sich aus „Hydro“ für Wasser und „Akustik“ für die Lehre vom Schall zusammen.

Schall besteht aus mechanischen Druckschwankungen, die sich durch ein Medium bewegen. Während diese Druckschwankungen in der Luft von Mikrofonen aufgenommen werden, kommen unter Wasser sogenannte Hydrophone zum Einsatz. Sie wandeln den eintreffenden Wasserschall in elektrische Signale um, die anschließend verstärkt, aufgezeichnet und ausgewertet werden können. Viele Hydrophone nutzen dafür den piezoelektrischen Effekt bestimmter Keramiken. NOAA Ocean Exploration

Warum eignet sich Schall besonders gut für die Unterwasserortung?

Licht und elektromagnetische Funkwellen werden im Wasser vergleichsweise stark abgeschwächt. Schallwellen können sich dagegen – abhängig von ihrer Frequenz und den Bedingungen im Wasser – über deutlich größere Entfernungen ausbreiten.

Die Schallgeschwindigkeit beträgt im Meerwasser ungefähr 1.500 Meter pro Sekunde. Damit bewegt sich Schall unter Wasser mehr als viermal so schnell wie in der Luft. Der genaue Wert ist jedoch nicht konstant, sondern wird vor allem von drei Faktoren beeinflusst:

• Temperatur
• Salzgehalt
• Wasserdruck beziehungsweise Tiefe

Mit steigender Temperatur, zunehmendem Salzgehalt und höherem Druck nimmt die Schallgeschwindigkeit grundsätzlich zu. In oberflächennahen Wasserschichten hat meistens die Temperatur den größten Einfluss. In großen Tiefen gewinnt der Wasserdruck zunehmend an Bedeutung. Discovery of Sound in the Sea

Frequenz und Wellenlänge

Die Frequenz beschreibt, wie viele Schwingungen eine Schallwelle pro Sekunde ausführt. Sie wird in Hertz angegeben. Zwischen Frequenz f, Schallgeschwindigkeit c und Wellenlänge λ gilt:

λ=fc​

Niedrige Frequenzen besitzen lange Wellenlängen. Sie werden im Wasser gewöhnlich weniger stark absorbiert und können deshalb große Entfernungen überbrücken. Dafür liefern sie meist weniger Details.

Hohe Frequenzen besitzen kürzere Wellenlängen und ermöglichen eine höhere räumliche Auflösung. Sie eignen sich beispielsweise für hochauflösende Sonarbilder oder die Untersuchung kleiner Objekte, verlieren aber schneller an Reichweite. Die Wahl der Frequenz ist daher immer ein Kompromiss zwischen Reichweite, Auflösung, Umgebungsgeräuschen und der Größe des gesuchten Objekts. Discovery of Sound in the Sea

Wie breitet sich Schall im Meer aus?

Die Ausbreitung erfolgt nicht einfach geradlinig. Schallwellen werden durch die wechselnden Bedingungen im Meer beeinflusst.

Brechung

Verändert sich die Schallgeschwindigkeit mit der Tiefe, werden die Schallwellen gebrochen. Sie krümmen sich grundsätzlich in Richtung der Wasserschicht mit der geringeren Schallgeschwindigkeit.

Ausgeprägte Temperatursprungschichten können Schallwellen dadurch nach oben oder unten ablenken. Hinter solchen Schichten können Bereiche entstehen, in denen ein Sensor ein Ziel nur schwer oder überhaupt nicht erfasst. Diese Bereiche werden häufig als akustische Schattenzonen bezeichnet.

Reflexion

Trifft eine Schallwelle auf die Wasseroberfläche, den Meeresboden oder ein Objekt, wird ein Teil ihrer Energie reflektiert. Genau dieses Prinzip nutzt das aktive Sonar.

Wie stark ein Ziel reflektiert, hängt unter anderem von seiner Größe, Form, Oberfläche, Lage zum Sensor und von der verwendeten Frequenz ab.

Streuung und Absorption

Schwebstoffe, Luftblasen, Fischschwärme, Wellen und Unregelmäßigkeiten des Meeresbodens können den Schall streuen. Gleichzeitig wird ein Teil der Schallenergie in Wärme umgewandelt und geht durch Absorption verloren.

Mehrwegeausbreitung

Ein Signal kann den Empfänger auf mehreren Wegen erreichen – beispielsweise direkt, über eine Reflexion an der Oberfläche oder über den Meeresboden. Dadurch treffen mehrere leicht zeitversetzte Versionen desselben Signals ein. Die Auswertung muss solche Mehrwegeffekte erkennen und möglichst voneinander trennen.

Aktive und passive Hydroakustik

Grundsätzlich werden zwei Verfahren unterschieden.

Passive Hydroakustik: nur zuhören

Ein passives System sendet selbst keinen Schall aus. Seine Hydrophone nehmen ausschließlich vorhandene Unterwassergeräusche auf. Dazu gehören beispielsweise:

• Propeller- und Maschinengeräusche
• Strömungsgeräusche
• Geräusche von Pumpen und Hilfsaggregaten
• Kavitation an Propellern
• biologische Laute von Meerestieren
• natürliche Geräusche wie Regen oder Seegang

Die empfangenen Signale werden nach Frequenz, Lautstärke, zeitlichem Verlauf und charakteristischen Mustern untersucht. Auf diese Weise lassen sich Geräuschquellen erkennen und unter günstigen Bedingungen klassifizieren.

Der große Vorteil liegt in der eigenen Unauffälligkeit: Ein passives System verrät seine Position nicht durch ausgesendete Impulse. Allerdings liefert ein einzelnes Hydrophon normalerweise keine unmittelbare Entfernung zum Ziel. Dafür werden mehrere räumlich getrennte Sensoren, Peilungen, Laufzeitunterschiede oder die Eigenbewegung des Sensors benötigt.

Aktive Hydroakustik: senden und Echo empfangen

Ein aktives Sonar erzeugt einen Schallimpuls, den sogenannten Ping. Dieser breitet sich im Wasser aus und wird von Objekten teilweise reflektiert. Aus dem zurückkehrenden Echo können Informationen über Richtung, Entfernung, Bewegung und mögliche Art des Objekts gewonnen werden.

Das Grundprinzip ist mit einem Echo in einer großen Halle vergleichbar: Je länger das Echo benötigt, desto weiter ist die reflektierende Fläche entfernt. Aktive und passive Sonarsysteme werden unter anderem zur Erkennung, Ortung und Klassifizierung von Unterwasserobjekten eingesetzt. Discovery of Sound in the Sea

Wie wird die Entfernung berechnet?

Bei einem aktiven monostatischen Sonar befinden sich Sender und Empfänger am selben oder annähernd gleichen Ort. Der Schall legt den Weg zum Ziel und anschließend wieder zurück zurück.

Die Entfernung wird deshalb mit folgender Formel berechnet:

s=2c⋅t​

Dabei bedeutet:

• s: Entfernung zum Ziel
• c: Schallgeschwindigkeit im Wasser
• t: gemessene Laufzeit des Echos

Der Faktor 2 berücksichtigt Hin- und Rückweg des Signals.

Beispiel: Ein Echo trifft nach zwei Sekunden wieder ein. Bei einer angenommenen Schallgeschwindigkeit von 1.500 Metern pro Sekunde ergibt sich:

s=21.500m/s⋅2s​=1.500m

Das Objekt befindet sich demnach ungefähr 1.500 Meter vom Sonar entfernt. Für eine genaue Berechnung muss die tatsächliche Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Wasserkörper berücksichtigt werden.

Hydrophone, Wandler und Sensorfelder

Ein Hydrophon ist vereinfacht ausgedrückt ein Unterwassermikrofon. Es empfängt Schall, sendet aber selbst kein Signal aus.

Ein aktiver Sonarwandler kann dagegen elektrische Energie in Schall umwandeln und zurückkehrende Echos wieder in elektrische Signale überführen. Häufig werden mehrere Wandler oder Hydrophone zu einem Sensorfeld – einem sogenannten Array – zusammengeschaltet.

Durch die bekannte Anordnung der einzelnen Sensoren lassen sich Laufzeit- und Phasenunterschiede vergleichen. Mit Verfahren wie dem Beamforming kann das System rechnerisch in bestimmte Richtungen „hören“, Störgeräusche unterdrücken und die Richtung einer Schallquelle genauer bestimmen.

Von der Schallwelle zum Unterwasserlagebild

Ein modernes hydroakustisches System führt mehrere Verarbeitungsschritte aus:

1. Das Hydrophon oder der Sonarwandler empfängt die Druckschwankungen.
2. Die akustischen Signale werden in elektrische Signale umgewandelt.
3. Filter unterdrücken unerwünschte Frequenzen und Störgeräusche.
4. Die Signalverarbeitung sucht nach wiederkehrenden Mustern oder Echos.
5. Mehrere Sensoren bestimmen Richtung und gegebenenfalls Position.
6. Kontakte werden verfolgt, verglichen und klassifiziert.
7. Die Ergebnisse fließen gemeinsam mit Radar-, Lage- und Umweltdaten in das Unterwasserlagebild ein.

Dabei bleibt die Erfahrung der Sonaroperateure wichtig. Biologische Geräusche, Handelsschiffe, der eigene Plattformlärm und ungünstige Ausbreitungsbedingungen können Signale erzeugen, die zunächst einem technischen Kontakt ähneln.

Hydroakustik bei den Marinefliegern

Marineflieger bringen hydroakustische Sensoren schnell in weit entfernte Seegebiete. Besonders wichtig sind dabei Sonarbojen. Sie werden aus einem Seefernaufklärer oder Hubschrauber abgeworfen und entfalten nach dem Auftreffen auf dem Wasser ihre Sensorik.

Grundsätzlich kommen unterschiedliche Bojentypen zum Einsatz:

• Passive Sonarbojen horchen mit Hydrophonen nach vorhandenen Geräuschen.
• Aktive Sonarbojen senden Schallimpulse aus und warten auf zurückkehrende Echos.
• Bathymetrische Bojen messen unter anderem den Temperaturverlauf beim Absinken. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Bedingungen für die Schallausbreitung ziehen.

Die deutsche P-8A Poseidon nutzt Sonarbojen und eine integrierte akustische Sensorik für die weiträumige U-Boot-Jagd. Bei der NATO-Übung Dynamic Manta 2026 setzte eine deutsche P-8A passive, aktive und bathymetrische Bojen ein. Bundeswehr – Dynamic Manta 2026

Der NH90 Sea Tiger ergänzt diese Fähigkeit mit einem Tauchsonar und einem modernen Sonarbojen-System. Ein Tauchsonar wird an einem Kabel vom schwebenden Hubschrauber in das Wasser abgesenkt. Dadurch kann der Sensor gezielt in einer günstigen Tiefe unterhalb störender Wasserschichten eingesetzt werden. Bundeswehr – NH90 Sea Tiger

Monostatik, Bistatik und Multistatik

Bei einem monostatischen Verfahren befinden sich Sender und Empfänger am selben Ort. Bei bistatischen Verfahren sind Sender und Empfänger räumlich voneinander getrennt.

Ein System kann beispielsweise einen aktiven Impuls aussenden, während eine Sonarboje oder eine andere Plattform das vom Ziel reflektierte Echo empfängt. Bei multistatischen Verfahren arbeiten mehrere Sender und Empfänger zusammen.

Dadurch entstehen zusätzliche Beobachtungsrichtungen. Ein Ziel, das für einen Empfänger nur ein schwaches Echo erzeugt, kann aus einer anderen Richtung möglicherweise besser erkannt werden. Gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an Zeitsynchronisation, Kommunikation und gemeinsame Auswertung. Die Bundeswehr beschreibt Bi- und Multistatik als vernetzte Verfahren der modernen U-Boot-Jagd. Bundeswehr – Dynamic Mongoose

Zivile Anwendungen

Hydroakustik ist keineswegs ausschließlich militärisch. Sie wird unter anderem eingesetzt für:

• Echolote und Tiefenmessung
• Kartierung des Meeresbodens
• Suche nach Wracks und Hindernissen
• Fischereiforschung und Bestandsaufnahme
• Vermessung von Hafenanlagen und Wasserstraßen
• Untersuchung unterseeischer geologischer Strukturen
• akustische Kommunikation mit Unterwasserfahrzeugen
• Überwachung von Meeressäugern
• Kontrolle von Unterwasserlärm
• Inspektion von Kabeln, Pipelines und Offshore-Anlagen

Passive akustische Messungen ermöglichen zudem die langfristige Beobachtung mariner Lebensräume, ohne selbst Schall auszusenden.

Hydroakustik und Meeresschutz

Viele Meerestiere nutzen Schall zur Orientierung, Kommunikation, Partnersuche und Nahrungssuche. Menschlich verursachter Unterwasserlärm kann – abhängig von Quelle, Frequenz, Dauer, Entfernung und örtlichen Bedingungen – natürliche Signale überdecken, Verhaltensänderungen auslösen oder bei hohen Belastungen das Gehör beeinträchtigen. NOAA Fisheries

Deshalb müssen aktive Schallquellen verantwortungsvoll eingesetzt und ihre möglichen Auswirkungen bewertet werden. Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie erfasst beispielsweise über das Fachinformationssystem MarinEARS Unterwasserschallmessungen aus Offshore-Vorhaben und überwacht schallmindernde Maßnahmen. BSH – Unterwasserschall und MarinEARS

Fazit

Hydroakustik macht Vorgänge wahrnehmbar, die unter der Wasseroberfläche mit optischen oder elektromagnetischen Sensoren kaum zu erfassen wären.
Passive Systeme hören vorhandene Geräusche, während aktive Systeme Schallimpulse aussenden und die zurückkehrenden Echos auswerten.

Die tatsächliche Leistungsfähigkeit hängt jedoch nicht allein vom Sonargerät ab.
Temperatur, Salzgehalt, Tiefe, Frequenz, Meeresboden, Seegang, Umgebungsgeräusche und die Position des Ziels bestimmen gemeinsam, wie weit und zuverlässig ein Kontakt erfasst werden kann.

Gerade bei der U-Boot-Jagd entsteht deshalb erst durch die Verbindung aus Sonarbojen, Tauchsonaren, Sensorsystemen, Plattformen und fachkundiger Auswertung ein belastbares Unterwasserlagebild.