Historisch gesehen lassen sich die Echolotsysteme zur Vermessung von Kavernen aus dem Echolot für Fischerboote ableiten. Die maritimen Echolote wurden eingesetzt, um die Befahrbarkeit (Bodenfreiheit) unter den Booten zu ermitteln oder Fischschwärme zu orten.
Noch heute sind Sonarsonden weltweit im Einsatz, die auf dieser Basis arbeiten. Es wurde lediglich die Bauform geändert und die Ultraschallgeber dreh- und kippbar ausgeführt. Wurden beim ursprünglichen Echolot die Lotwerte über die Fahrstrecke aufgetragen, werden die Lotwerte bei den Sonarsonden mit jedem Step vom Schrittmotor um den errechneten Winkelstep versetzt in einer Ebene um die Messachse herum aufgetragen. Diese Systeme eignen sich ausgezeichnet für Trendmessungen. Jede Reflexion verdichtet die sich darstellende Strukturinformation. | 
Einsatz des Echolots zur Ermittlung der Bodenfreiheit unter Booten und zur Ortung von Fischschwärmen. |
Wurden früher Reflexionen durch Schwärzung eines Papierstreifens oder mit Oszillographen sichtbar gemacht, erfolgt eine Ausgabe heute über Computer. Eine adäquate Berücksichtigung der physikalischen Rahmenbedingungen, die bei Messungen in Kavernen erforderlich sind, stellt erhöhte Anforderungen an Vermessungssysteme und ist daher mit diesen Systemen nicht möglich. Einsparungen in diesem Bereich machen Systeme zwar einfacher und kostengünstiger, liefern aber auch nur Ergebnisse, die dem Ursprung dieser Entwicklung entsprechen, nämlich der Abschätzung der Bodenfreiheit bei Fischerbooten und der Ortung von Fischschwärmen! Es sind deshalb auch nur tendenzielle Aussagen wie "vorhanden" oder "nicht vorhanden" sowie "kritisch" oder "unkritisch" möglich! |
Die Nutzung des Ultraschalls für Entfernungsmessgeräte:
Die Basis von Entfernungsmessungen bei Sonarsonden bildet ein Ultraschallsensoriksystem, das durch Aussenden eines Impulspaketes (Burst) mit hochfrequenten Schwingungen in der Regel eine Piezokeramik zu mechanischen Schwingungen anregt, die wiederum Schallwellen im Medium erzeugt. Diese Schallwellen werden vom beschalltem Ziel reflektiert.
Vom Ultraschallgeber werden Impulspakete (Bursts) ausgesendet, die vom beschallten Ziel reflektiert werden. Je nach Struktur des Zieles werden die Schallwellen teilweise diffus und somit aufgesplittet in den Raum zurückgeworfen.
Die Wellenlänge ? einer Ultraschallschwingung wird durch die Sendefrequenz f und die im Medium vorherrschende Schallgeschwindigkeit v bestimmt.
Die Zeit zwischen den einzelnen Bursts wird zum Empfang der Reflexionsantworten verwandt. Je nach Struktur des Zieles werden die Schallwellen mehr oder weniger gebündelt, teilweise auch diffus und somit aufgesplittet in den Raum zurückgeworfen. Die reflektierten Schallwellen vom Zielort (Echos) gelangen auf direktem und/oder indirektem Weg zum Sendeort zurück.
Die Zeit die ein Schallimpuls vom Sendeort zum Empfangsort (in der Regel = Sendeort) benötigt, wird als Zweiwegelaufzeit bezeichnet und umfasst den Hin- und Rückweg, also die doppelte Wegstrecke. Ein Ultraschallsensoriksystem misst somit generell keine Entfernungen, sondern nur die Laufzeit, die ein Schallimpuls bis zum Ziel und wieder zurück benötigt. Wird nun die halbe Zweiwegelaufzeit mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert, erhält man den gewünschten Entfernungswert.
Die Qualität einer Laufzeitmessung wird durch eine Vielzahl von physikalischen Parametern beeinflusst. Bei adäquater Berücksichtigung der physikalischen Rahmenbedingungen lassen sich potenzielle Fehlerquellen ausschalten und Messfehler weitgehend minimieren.
Ein maßgeblicher physikalischer Faktor ist der Öffnungswinkel der Ultraschallkeule. |
Darstellung der Ultraschallkeule und Schalldruckverteilung bei Einfall einer ebenen Wellenfront auf eine Lochblende vom Durchmesser d (entspricht der Abstrahlcharakteristik eines Ultraschallwandlers mit dem gleichen Durchmesser). ? ist der halbe Öffnungswinkel.
In Abhängigkeit von der Wellenlänge (λ), dem Durchmesser (d) des Ultraschallwandlers und dem Parameter (k) ergibt sich folgende Formel für den Öffnungswinkel (α):
α = 2γ = 2 * arcsin (k * λ / d)
Der Faktor k definiert einen Punkt auf der Schallkeule, an dem die Amplitude des Schallpegels um einen gewissen Betrag abgenommen hat. In der Regel wird für k der Wert 0,51 eingesetzt, womit der Punkt definiert wird, bei dem die Amplitude des Schallpegels um -6 dB, also um 50%, abgenommen hat.
"Bei unsachgemäßer Verwendung eignet sich der Faktor k somit sehr gut als Firmenfaktor zur Optimierung der Bündelung des Sonarstrahls in Prospekten, wenn k nur klein genug gewählt wird."
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BCS Value microC (Generation 4)
Rekonstruktion des Verlaufs nichtzugänglicher Altbergbaubereiche