Ultraschall in der Natur, Technik und Medizin - Universität Wien

UMP 2010: „Ultraschall in der Natur, Technik und Medizin“, Ewald Benes, TU Wien, vhs X 12.01.2010, vhs XI 21.01.2010
gab, die überhaupt von diesen bahnbrechenden Arbeiten
wussten. Obwohl die Experimente wissenschaftlich einwandfrei
durchgeführt wurden, fehlte das tiefere Verständnis
zu jener Zeit. Erst nach der Entwicklung des Radars
war die Zeit reif für ein Verstehen des Ortungssinnes der
Fledermäuse.
Heute weiß man, dass Fledermäuse gepulste, gerichtete
Ultraschalltöne aussenden, die unmittelbar vor dem
Kopf zu einem Strahl gebündelt werden (vgl. Abb.1).
Abb.1. Die Fledermaus sendet Ultraschallpulse aus und lauscht
jeweils anschließend auf das vom Insekt zurückreflektierte Echo.
Nach der Schallaussendung lauschen die Fledermäuse
auf den von Hindernissen zurückgestreuten Schall und
dieser wird in einem besonderen, groß ausgebildeten Hirnabschnitt
gedeutet. Dadurch kann eine Fledermaus Größe
und Form ihres Zieles “sehen” und seine Lage nach Winkel
und Entfernung genau bestimmen. Die ausgesandten
Töne haben eine Pulsdauer von nur 0,5 ms und liegen mit
typischerweise 50 kHz weit über der menschlichen Hörgrenze.
Könnten wir sie hören, würde ihre Lautstärke der
eines vierstrahligen Jumbo-Jets entsprechen, der in 1,5 km
Entfernung vorbeifliegt. Die Ohren der Fledermaus sprechen
noch auf Reflektionen an, die 10 -11 mal schwächer
als die ausgesandten Töne sind. Während des Aussendens
der Schreie nimmt die Fledermaus die Empfindlichkeit des
Gehörs drastisch zurück (Vergleichbar mit dem Sende-
Empfangsschalter eines Radargerätes). Für die meisten
Insekten liegen die Ultraschallpulse der Fledermaus innerhalb
ihres Hörbereichs, sie merken daher die Gefahr und
leiten einen Taumelflug ein. Die Fledermaus erhöht mit
zunehmender Annäherung die Anzahl der ausgesandten
Pulse und erwischt in der Regel das Insekt trotz des
Ausweichmanövers.
Übrigens verlassen sich blinde Menschen seit jeher auf
Reflektionen von Schallwellen, die sie durch das Klopfen
mit einem Stock auf den Gehsteig erzeugen. Der Orientierungssinn
der Blinden, der früher oft auch als sechster Sinn
bezeichnet wurde, konnte eindeutig als eine entsprechende
Schulung des Gehörsinns erklärt werden. Die Leistungsfähigkeit
dieses “Notsystems” erreicht aber bei weiten
nicht jene des hochentwickelten Echopeilungssystems der
Fledermaus.
Das Echopeilungssystem der Delphine
Jahrhundertelang war sich kein Mensch bewusst, welche
gewaltigen Navigationsprobleme Delphine und Wale
bewältigen. Beide können schnell schwimmen - Delphine
mit einer Geschwindigkeit von 32 km/h - beide haben eine
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große Masse. Diese Verbindung von Geschwindigkeit und
Masse verleiht beiden Arten eine ungeheure Schwungkraft.
Um genügend Raum zum Anhalten und Wenden zu haben,
müssen diese Tiere - ebenso wie Schiffe - eventuell auftretende
Hindernisse schon lange im Voraus erkennen. Die
optische Sichtweite im Meereswasser beträgt aber je nach
Luftblasengehalt, Trübung und Beleuchtung oft nur wenige
Meter. Im Gegensatz zu Lichtwellen breiten sich hingegen
Schallwellen im Meerwasser hervorragend aus.
Erst 1947 äußerte ein Wissenschafter namens McBride
vom Institut für Meeresforschung in Florida erstmals die
Vermutung, dass Delphine möglicherweise ein akustisches
Ortungssystem (Echopeilung) ähnlich wie die Fledermäuse
haben könnten. Er hatte beobachtet, wie in Netzen gefangene
Delphine niemals gegen die Netze anschwammen,
sondern über die Korken sprangen, mit denen die oberen
Netzschnüre gesäumt sind. Wegen ihres freundlichen Charakters
und ihrer hohen Intelligenz sind Delphine besonders
geeignet, um den akustischen Orientierungssinn zu
erforschen. Heute weiß man, dass Delphine eine schnell
aufeinanderfolgende Serie von Ratterlauten ausstoßen und
das Frequenzband dieser Laute vom Hörbereich bis zu
170 kHz reicht. Experimente in verdunkelten Teichen mit
Hinderniskursen und versenkten Zielen haben gezeigt, dass
die Tiere ein höchst wirksames Echopeilungssystem besitzen.
Die Entwicklung des Sonars
Schon 1490 schrieb Leonardo da Vinci “Wenn man
das eine Ende eines langen Rohres ins Wasser taucht und
das andere Ende ans Ohr hält, wird man die Geräusche von
weit entfernten Schiffen hören”. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts
wurden Unterwasserglocken benutzt, die Schiffe
vor gefährlichen Untiefen warnten. 135 Küstenleuchtfeuer
überall in der Welt waren mit derartigen Schallsendern
ausgestattet. Schiffe, die mit Unterwassermikrofonen ausgestattet
waren, konnten bei jedem Wetter die Gefahrenstellen
auf 24 km Entfernung erkennen.
Den entscheidenden Fortschritt aber brachte der vom
französischen Physiker Langevin entwickelte Ultraschallwandler,
der sowohl als Schallsender als auch als Schallempfänger
arbeiten konnte. Langevins Apparat ist der
Vorläufer des heute verwendeten Sonar-Gerätes (SONAR
ist ein Abkürzung für sound navigation and ranging, akustische
Navigation und Entfernungsmessung; vgl. RADAR,
radio detection and ranging). Durch Verwendung immer
höherer Schallfrequenzen und damit immer kleinerer
Wellenlängen war man schließlich in der Lage, den Schall
mit Wandlern von praktischer Größe zu einem scharf
gerichteten Strahl zu bündeln, mit dem Gegenstände unter
Wasser wie mit einem Scheinwerfer abgetastet werden
können (Scanning). Reflektionen von Objekten werden
vom gleichen Wandler empfangen und können bildgebend
ausgewertet werden.
Während bis 1943 die deutsche U-Boot Flotte insbesondere
der englischen Marine empfindliche Verluste
beibringen konnte, brachte die Ausstattung der Kriegsschiffe
mit den von den Alliierten fieberhaft entwickelten
Sonargeräten die Wende. Mit Hilfe des Sonars konnten die
U-Boote aus großer Entfernung geortet und mit Torpedos
bekämpft werden. Ab 1943 wurden damit die Jäger zu
gejagten und die deutschen U-Boot Flotte wurde bis 1945