Sammelthread Ultraschall

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Intro:
Als Ultraschall werden hohe Töne bezeichnet, die für das menschliche Gehör zu hoch sind, um sie zu hören. Das Menschliche Gehör reicht etwa von 20 Hz (Hertz) bis zu 15 000 - 20 000 Hz, je nach Alter und Zustand des Gehörs. Sehr tiefe Frequenzen hören wir zwar oftmals nicht, können sie jedoch durch die Vibrationen spüren. Auch diese werden von Tieren zur Kommunikation genutzt, zum Beispiel durch Trommeln der Füsse, was man beispielsweise bei Elefanten, Wildkaninchen oder Rennmäusen findet. Diese als Infraschall bekannten Frequenzen sollen hier allerdings nicht behandelt werden.

Der Ultraschall ist vorallem bekannt als wichtiges Komunikations- und Naviagationsmittel bei Fledermäusen. Es gibt zur Identifizierung und zum Aufspüren von Fledermäusen sogenannte Ultraschallkonverter, welche den Ultraschall hörbar machen sollen.

Ultraschall gibt es aber auch im Bereich der Nager. Bekannt ist beispielsweise, dass bei Ratten ein guter Teil der Kommunikation im Ultraschallbereich abläuft. Im Allgemeinen ist aber eher wenig bekannt über die Verbreitung der Ultraschallkommunikation insbesondere bei den Nagern. Bei einigen Tierarten weiss man zum Beispiel das Spektrum, welche sie hören können. Oft wird aber bei Gehörforschung nicht gezielt auch im Ultraschallbereich geforscht und untersucht, inwiefern dieser Bereich genutzt wird.

Ultraschall in der Praxis
Wie bereits erwähnt gibt es speziell für Fledermäuse sogenannte Ultraschall- oder Fledermausdetektoren. Diese lassen sich natürlich nicht nur für Fledermäuse benutzen, sondern auch für technische Anwendungen, beispielsweise um Lecks in Leitungen aufzuspüren usw.

Technische Probleme:
Bei den Ultraschalldetektoren gibt es Einschränkungen bei der Nutzung, weil die Tonhöhe von der Anzahl Schwingungen pro Sekunde abhängt, je schneller die Schwingungen, desto höher der Ton. Um Ultraschall also hörbar zu machen, muss man die Anzahl Schwingungen soweit verringern, dass sie in den für uns Menschen hörbaren Bereich fallen. Dazu lässt man also entweder einen Teil der Schwingungen aus und verliert so auch ein Teil der Informationen oder man nimmt die Schwingungen allesamt auf und spielt sie dann verlangsamt ab, sodass sie hörbar werden. Gerade letztere Geräte, die Ultraschall verlangsamt abspielen können, sind sehr teuer und fürs Hobby kaum erschwinglich. Die erschwinglichen Detektortypen nutzen dagegen ein Mischverfahren das zwei Techniken zunutze macht:
1) eine ungenaue Methode, die empfindlich zwar ist, und die Präsenz von Ultraschall anzeigt, aber wenig aufschlussreich ist über die Art der Ultraschallwellen.
2) eben das bereits erwähnte auslassen von Wellen, die zwar genauer ist, aber eben Informationen weglässt oder übersieht.

Ein weiteres Problem ist die Aufnahme und Wiedergabe von Ultraschall. Man benötigt bisher spezielle Sensoren und Schallgeber, die meist in einem recht beschränkten Ultraschallbereich zurechtkommen, jedoch nicht im Bereich der hörbaren Frequenzen. Mir ist zudem nicht bekannt, dass es preiswerte Ultraschallsensoren (Ultraschallmikrofone oder dergleichen) gibt, die man einfach an den Computer anhängen kann. Wer jetzt denkt, dass man nur einen geeigneten Sensor braucht, der ein elektrisches Signal, ähnlich wie ein Mikrofon liefert, der sollte zudem noch bedenken, dass im Computer ein Signalwandler enthalten ist, der die analogen (elektrischen) Signale in digitale umrechnet. Er muss also hochauflösend genug sein, damit er die sehr schnellen Ultraschallfrequenzen überhaupt erfassen kann. Ich habe mich zwar bisher noch nicht im Detail damit befasst, es könnte aber sein, dass herkömmliche Soundkarten da zu träge wären. Die Alternative wäre daher, dass man andere Wege sucht, um das Signal in den Computer zu bringen.
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Manche Menschen sind Steine und manche sind Otter.

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Preiswerte Ultraschall-Mikrofone und Lautsprecher
Wenn man also über die Problematik weiss über die Anforderungen von Ultraschall an entsprechende Aufnahme- und Wiedergabegeräte, so ist die folgende Nachricht interessant:
http://www.golem.de/news/ultraschall-mikrofone-hoeren-fledermaustoene-1507-115120.html

Die Universität Berkley will mit speziellen Mikrofone und Lautsprecher aus leichten Graphenmembranen das Problem des beschränkten Frequenzgang herkömmlicher Mikrofone und Lautsprecher in den Griff bekommen. Für Forscher ist die Sache natürlich interessant, da es eben eine Reihe von Tierarten gibt, die über Ultraschall kommunizieren. Der Frequenzgang, welche diese Geräte abdecken können, soll 20 Hertz bis 500 Kilohertz betragen. Zum Vergleich: Das menschliche Gehör reicht von 20 Hertz bis 20 Kilohertz, eine Fledermaus hört im Bereich von 9 bis 200 Kilohertz.

http://news.berkeley.edu/2015/07/06/bats-do-it-dolphins-do-it-now-humans-can-do-it-too/

Natürlich gibt es noch ein weiteres (und vermutlich ökonomisch interessanteres) Interesse, nämlich die Übertragung von Daten via Schall. Da Ultraschall sehr viel mehr Wellen und somit mehr mögliche Daten transportieren kann als hörbarer Schall, ist das natürlich eine interessante Technik.
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Präzisierung zur Ultraschallumwandlung
In der Wikipedia findet man unter Fledermausdetektor eine genauere Beschreibung der wichtigsten Methoden, wie Ultraschall hörbar gemacht werden kann.

Der einfachste ist wie bereits schon erklärt der Frequenzteiler, wobei ein Teilungsverhältnis 1:10 am geläufigsten ist, aber auch andere Verhältnisse wie 1:8, 1:16 und 1:32 sollen gebräuchlich sein.

Der Frequenzmischer mischt das Ultraschallsignal mit einem Signal mit fester Frequenz, zum Beispiel bei einem Fledermaussignal zwischen 40 001 Hz und 41 000 Hz mit einem 40 000 Hz (40 kHz) Grundsignal. Hörbar wird dann die verbleibende Differenz, die zwischen 1 und 1000 Hz in unserem Falle wäre. Zu beachten wäre da dann, dass ein Ursprungssignal von 40 001 Hz in ein 1 Hz Signal umgewandelt würde, das wiederum nicht hörbar wäre.

Heterodyn-Empfänger werden auf ein schmales Frequenzband eingestellt und funktioniert ähnlich wie ein Radioempfänger. Man hört also nur einen engen Ausschnitt und nur nahe beieinanderliegende Frequenzen gleichzeitig.

Beim Zeitdehner werden die Ultraschallsignale aufgenommen und dann zeitlich so gedehnt, dass sie hörbar werden. Der Nachteil, man kann dieses Verfahren nicht in Echtzeit einsetzen.

Abtastrate und Aufnahme von Ultraschall
Wenn man Ultraschall aufnehmen will, dann ist wie bereits erwähnt, wichtig, dass man erstens ein passendes Mikrofon hat, das Ultraschall aufnehmen kann in dem gewünschten Frequenzbereich, den man untersuchen will und zweitens ist es wichtig, dass man die Signale digitalisieren und abspeichern kann. Die einfachste Idee wäre mit einer Soundkarte. Limitierend ist dabei die Abtastrate. Bei der CD hat man eine Abtastrate von 44 kHz. Wer jetzt denkt, dass man damit Signale bis zu 44 kHz aufnehmen könne, womit man also in den Bereich von 40 kHz und somit in den Kommunikationsbereich der Fledermäuse hervordringen könne, der vergisst, dass man für die saubere Digitalisierung eine höhere Abtastrate benötigt. Gemäss dem Nyquist-Shannon Sampling Theorem muss diese doppelt so hoch sein, in unserem Falle bei 40 kHz also mindestens 80 kHz.
Im professionelleren Audiobereich gibt es jedoch Geräte, die mit höheren Frequenzen abtasten können, zum Beispiel mit 96 kHz oder höher. Für die Fledermäuse als Beispiel, ist es nun wichtig zu wissen, in welchem Bereich sie kommunizieren können. Die englische Wikipedia gibt hier bis zu 250 kHz im Fledermausdetektor-Beitrag an:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bat_detector#Sampling_frequency_for_digital.2FTE_detectors
Man bräuchte da also, um den gesamten Bereich aufzeichnen zu können eine Abtastrate von 500 kHz oder mehr.
Interessant wäre jetzt also in welchem Bereich andere Tierarten kommunizieren.
Und wie schon erwähnt, je höher die Abtastrate, desto grösser wird der Speicherbedarf, da pro Sekunde extrem viel mehr Daten anfallen. Und auch die Wiedergabe wird bei höheren Ultraschallfrequenzen immer schwieriger, da sie in den höhrbaren Bereich heruntertransformiert auch mehr Daten geben und diese durchzuhören länger dauert, denn mit der Frequenz steigt die Datenmenge, die pro Zeit übermittelt werden kann.

Gretchenfrage: in welchem Ultraschallbereich kommunizieren Mäuse und Ratten?
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Interessanter Beitrag, zwar zu Fledermäusen, über Ultrachallkommunikation und -naivgation:
http://www.fauna-vs.ch/?p=subject&tag=32&action=detail&id=26

Der Beitrag zititert dabei folgende Quelle:

Russo D., Jones G., Arlettaz R. (2007) Echolocation and passive listening by foraging mouse-eared bats Myotis myotis and M. blythii. The Journal of Experimental Biology 210: 166-176.
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Ich hole das Thema wieder hoch. Da ich vor einiger Zeit einen Experimentierkasten zum Thema Ultraschall mir anschaffte (Ultraschall verstehen und anwenden, Hersteller: Conrad Verlag), wollte ich einen Zwischenstand dazu hier noch niederschreiben.

Zuerst der Experimentierkasten, den gibt es offenbar nicht mehr (eine deutlich teurere Version von Franzis ist aber immer noch erhältlich, und ich vermute dass die Version von Conrad eine abgespeckte Version davon ist, hergestellt wird er nämlich auch vom Franzis Verlag halt als Eigenmarke für Conrad). Man bekommt ihn offenbar noch im Set mit anderen Experimentierkästen (wer weiss, wie lange noch?):
http://www.conrad.ch/ce/de/product/616714/Lernpaket-Conrad-Set-Elektronik-Digitale-Elektronik-Ultraschall-616714-ab-14-Jahre
Und die Bedienungsanleitung findet man auch noch:
http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/192284-an-01-de-CONRAD_LERNPAKET_ULTRASCHALL_SPECIAL.pdf

Vorab eine Bemerkung, der Experimentierkasten ist doch recht anspruchsvoll und erfordert etwas Kenntnisse der Elektronik. Für den Einstieg in die Welt der Elektronik gibt es sicher bessere Varianten, wer aber die Motivation mitbringt, der wird mithilfe von ergänzendem Material zum Thema und einem Multimeter (z.B. um bei Unsicherheiten die Widerstände auszumessen) das wahrscheinlich schon schaffen. Man lernt nebenbei noch interessante physikalische Hintergrundinfos über den Schall.

Den Theorieteil habe ich durch, um die Übersicht zu bewahren, habe ich das Buch selbst aufgeteilt in Experimente und Unterexperimente, wobei ich ein Experiment definierte als alle Kapitel, die auf die selbe Schaltung zurückgreifen und ein Unterexperiment als alle Kapitel, die auf eine bestehende Schaltung zurückgreifen, die leicht abgeändert oder erweitert wird. Dabei kam ich, wenn ich es richtig im Kopf habe, auf 4 Experimente mit ein paar weiteren Unterexperimenten. Der Vorteil bei diesem Vorgehen ist, wenn man nicht der Reihe nach die Versuche aufbaut, weiss man, wo man nachschlagen muss.

Die Aufteilung ist so, dass anfänglich vorgestellt wird, wie man hörbaren Schall erzeugt und man dann später erforscht, wie man diesen in der Tonhöhe ändert durch die Elektronik (indem man Bauteile austauscht mit solchen, die andere Werte haben) und wie die Physik auf den Ton Einfluss hat, z.B. wie durch ein Resonanzkörper der Ton verstärkt wird und wie sich der Ton in anderen Medien, z.B. Wasser verändert.
In den folgenden Experimenten geht es dann um Ultraschall, dessen Erzeugung, wie man einen Ultraschall-Detektor bauen kann, wie man aus Kombination von Ultraschall-Sender und Empfänger eine Art Echolot bauen kann, mit dem man Abstand messen kann (Anwendung: Abstandmesser im Auto, sprich Parksensor) oder als Alarmanlage (was letztlich auch ein Abstandmesser ist, der reagiert, wenn etwas in seine Nähe kommt), und zum Schluss gibt es dann noch einen Fledermausdetektor.

Die erste Schaltung zum hörbaren Schall baute ich auf und funktionierte tadellos. Bei den Ultraschallexperimenten nahm ich mir in den letzten Wochen etwas Zeit, baute das auf, hatte aber etwas Probleme mit der Stromversorgung. Ich hatte ein Netzgerät, das ich einstellen konnte, welches mir aber kaputt ging (mittlerweile ist es wieder repariert). Eine 9V-Batterie, die ich dann auf die Schnelle auftrieb, erwies sich als zu schwach für die Experimente, da sie schon ziemlich leer war. Mittlerweile habe ich auch eine neue 9V-Batterie angeschafft, aber es stellte sich dann heraus, dass es mit der Schaltung irgendwie nicht geht. Ich bin zugegeben auch noch nicht so optimal ausgerüstet (unter anderem sollte ich mir noch geeignete Prüfspitzen anfertigen, die passen in das Steckboard passen). Da man Ultraschall nicht hört, ist alles ein bisschen schwieriger. Es wird also in absehbarer Zeit wohl eine neue Runde geben.

Von der Theorie her kann ich bisher sagen, der Experimentierkasten hilft sicher beim Einstieg in das Thema, und dass man die grundsätzlichen Probleme besser versteht. Die vorgestellten Schaltungen sind relativ simpel und was kompliziertere und präzisere Verfahren angeht, nämlich das Aufzeichnen von Ultraschalltönen und sie später durch den Computer verlangsamen und anzuhören, da braucht es offenbar bisher noch enorme Technik und die Hürden sind noch zu hoch, als dass das finanziell in einem vertretbaren Rahmen angegangen werden könnte, zumindest nach meinem bisherigen Kenntnisstand. Wie die Entwicklung aber zeigt, ist es wohl ein Frage der Zeit, dass man da in Zukunft auch bessere Ergebnisse erzielen könnte. Und dank Bastelplattformen wie Raspberry und Arduino werden mittlerweile Technologien zum Selbstbasteln erschwinglich, die früher zu teuer und für die meisten ein Buch mit 7 Siegeln waren, auch weil es an einfachen Mitteln fehlten, die einen unkomplizierten Einstieg ermöglichten.

Nun die Schlussfrage, lohnt sich der Experimentierkasten überhaupt? Die Frage ist leider nicht so einfach und eindeutig beantwortbar. Aus theoretischer Sicht und mit Elektronikkenntnissen ist es sicher spannend und man kann wohl noch einiges lernen. Praktisch betrachtet ist der Nutzen eher beschränkt. Im Idealfall funktionieren die Versuche wie gewünscht, was wohl ein gewisses Aha-Erlebnis geben kann, aber grundsätzlich kratzt man das Thema doch eher oberflächlich an. Einen technischen Einblick in die Anwendung und Funktionsweise von Ultraschall-Geräten bekommt man dennoch. Was jedoch fehlt, dass zum Beispiel auf andere Ultraschallanwendungen eingegangen wird, z.B. Ultraschallzahnbürsten oder Ultraschallreinigungsgeräte, was aber bei dem doch straffen Umfang zuviel verlangt wäre. Daher: wer Freude an Elektronik und Technik hat, könnte an einem solchen Experimentierkasten durchaus Freude haben. Man sollte aber doch ein grosses Stück Interesse und Motivation dem Thema gegenüber bringen, sonst würde ich davon abraten. Wer bloss neugierig auf Elektronik und Technik ist, dem würde ich andere, leichtere Experimentierkästen empfehlen. Der Klassiker sind Experimente mit Leuchtdioden, da sie einfach sind und optisch sehr ansprechend.

edit: Nachtrag, vorgestellthatte ich den Experimentierkasten hier schon mal, aber damals hatte ich mich noch nicht tiefer mit dem Inhalt davon beschäftigt:
http://www.degupedia.de/forum/viewtopic.php?t=3538
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