E14 Schallerzeugung und -ausbreitung

Thema

Die Schallerzeugung und -ausbreitung bei Fischen vereint die akustischen Eigenschaften von Unterwasserquellen, die Schwingungsmechanik der biologischen Strukturen des Fisches und die Akustik der vom Ozean selbst gebildeten Wellenleiter. Fische erzeugen Schall durch drei Hauptmechanismen: die Vibration der Schwimmblase durch die Kontraktion spezialisierter Schallmuskeln – der häufigste und zugleich stärkste Mechanismus, der in einem Meter Entfernung Impulse von bis zu 200 Dezibel erzeugen kann; die Reibung harter Oberflächen aneinander, wie sie beim Stridulieren von Zähnen oder Stacheln auftritt; und die hydrodynamische Turbulenz, die bei der eigenen Bewegung des Fisches entsteht.

Wenn die Schwimmblase als Schallquelle dient, verhält sie sich wie ein sphärischer Helmholtz-Resonator, also wie ein Gashohlraum mit einer Öffnung zum umgebenden Wasser. Ihre Resonanzfrequenz hängt vom Volumen des Gases und der Schallgeschwindigkeit darin ab.

Die Kraft, die der Schallmuskel auf die Wand der Schwimmblase ausübt, erzeugt Druckschwingungen, die sich als Kompressionswellen im umgebenden Wasser ausbreiten. Welcher Anteil der mechanischen Energie des Muskels in abgestrahlten Schall umgewandelt wird, anstatt verloren zu gehen, hängt vom Verhältnis zwischen der Größe des Resonators und der Wellenlänge des erzeugten Schalls ab: Je größer der Resonator im Verhältnis zur Wellenlänge ist, desto effizienter strahlt er Schall ins Wasser ab.

Sobald sich der Schall im Ozean ausbreitet, folgt er der gleichen linearen Wellengleichung, die die Ausbreitung jeder Welle in einem Fluid beschreibt. Die Schallgeschwindigkeit variiert mit der Temperatur, dem Salzgehalt und dem Druck des Wassers und liegt typischerweise bei etwa 1500 Metern pro Sekunde. In flachem Wasser breitet sich der Schall nicht mehr frei in alle Richtungen aus, sondern als geführte Welle, gefangen zwischen Meeresboden und Wasseroberfläche.

Bei der Ausbreitung von Schall durch Wasser erfährt dieser Absorption, die bei niedrigen Frequenzen minimal, bei hohen Frequenzen jedoch signifikant ist. Genau dieser Unterschied begrenzt die Fernkommunikation zwischen Fischen auf niedrige Frequenzen unter 1.000 Hertz, da nur diese Frequenzen ausreichend weit reichen, ohne dabei an Intensität zu verlieren. Bei akustisch aktiven Fischen ist zu erwarten, dass ihre Lautäußerungen mit Fortpflanzungs- und Territorialverhalten verknüpft sind und dass die Frequenz dieser Rufe umgekehrt proportional zur Körpergröße des Fisches ist: Größere Fische mit größeren Schwimmblasen, die als Helmholtz-Resonator fungieren (wie zu Beginn dieses Modells beschrieben), erzeugen Laute mit niedrigerer Frequenz als kleinere Fische.

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