Gruppenhorchgerät (GHG): Duitse sonar tijdens WOII

GHG Kristall-Drehbasisgerät, vergelijkbaar apparaat uit dezelfde periode, getoond aan boord van de USS Pampanito tijdens WOII.
GHG Kristall-Drehbasisgerät: een geavanceerd Duits hydrofoonsysteem, vergelijkbaar met dat op de USS Pampanito in WOII.

Het Gruppenhorchgerät (GHG), letterlijk vertaald als ‘groep-luisterapparaat’, was een geavanceerd hydrofoonsysteem dat door de Duitse Kriegsmarine werd ingezet tijdens de Tweede Wereldoorlog. Dit systeem werd gebruikt om vijandelijke schepen en onderzeeërs te detecteren door middel van onderwatergeluiden. De ontwikkeling van de technologie begon al tijdens de Eerste Wereldoorlog en evolueerde tot een onmisbaar instrument in de tactiek van de Duitse U-boten.

Ontwikkeling van onderwaterakoestiek

De Eerste Wereldoorlog: Vroege experimenten met geluid

In de Eerste Wereldoorlog werden primitieve koolstofmicrofoons gebruikt om geluiden onder water op te vangen. Deze technologie was vergelijkbaar met die in vroege telefoonapparaten en werd voornamelijk geïnstalleerd aan de zijkanten van scheepsrompen, ver verwijderd van de scheepsschroeven om eigen ruis te minimaliseren. De microfoons werden in groepen opgesteld en elk had een andere richting om een breed detectiebereik te waarborgen.

Om de herkomst van een geluid te bepalen, moesten de microfoons handmatig worden aangesloten. Deze methode bleek echter inefficiënt en onbetrouwbaar. Pogingen met dynamische microfoons mislukten, waarna de aandacht verschoof naar nieuwe technieken zoals het piezo-elektrische principe, dat al in 1880 door Pierre Curie was ontdekt. Deze technologie maakte gebruik van kwarts- of Seignette-kristallen, die bij druk elektrische signalen opwekten.

Samenwerking met de industrie: Nieuwe sensortechnologie

Tijdens het interbellum werkten bedrijven zoals Atlaswerke AG in Bremen en Electroacustik (ELAC) in Kiel nauw samen met de Duitse marine om piezo-elektrische omzetters en versterkers te ontwikkelen. Dit leidde tot een doorbraak met Seignette-kristallen, een combinatie van verschillende zouten die superieur bleken aan andere materialen. Vanaf 1935 werden deze kristallen permanent geïnstalleerd op alle Duitse onderzeeërs, wat een belangrijke stap was in de verbetering van de akoestische detectiecapaciteiten.

Op welke klasse schepen waren deze gemonteerd?

De verschillende akoestische detectiesystemen zoals het Gruppenhorchgerät (GHG), Balkongerät, Kristall-Drehbasisgerät (KDB) en aanverwante technologieën werden op specifieke klassen schepen van de Duitse Kriegsmarine geïnstalleerd. Hieronder een overzicht:

U-bootklassen (onderzeeërs)

  1. Type I
    • Vroege Duitse U-bootklasse, beperkte inzet.
  2. Type II (II A, II B, II C, II D)
    • Kleine kustonderzeeërs, voornamelijk gebruikt in het begin van de oorlog.
  3. Type VII (VII A, VII B, VII C, VII C/41, VII C/42, VII D, VII F)
    • De meest gebruikte U-bootklasse tijdens de Tweede Wereldoorlog. Deze klasse werd standaard uitgerust met het GHG en later met het Balkongerät.
  4. Type IX (IX A, IX B, IX C, IX D)
    • Langeafstandsonderzeeërs, gebruikt voor operaties in de Atlantische Oceaan en Indische Oceaan.
  5. Type X
    • Speciale onderzeeërs, ontworpen voor het leggen van zeemijnen.
  6. Type XIV (“Melkkoe”)
    • Onderzeeërs die werden ingezet als bevoorradingsboten voor andere U-boten.
  7. Type XXI
    • De eerste elektro-onderzeeboot ter wereld, standaard uitgerust met het Balkongerät.
  8. Type XXIII
    • Kleine elektro-onderzeeboten, ingezet voor kustoperaties.

Oppervlakteschepen (kruisers, slagschepen, jagers)

  1. Slagschepen (Schlachtschiffe)
  2. Slagkruisers (Schlachtkreuzer)
  3. Zware kruisers (Schwere Kreuzer)
  4. Lichte kruisers (Leichte Kreuzer)
    • Köln-klasse
    • Königsberg-klasse
  5. Torpedojagers (Zerstörer)
    • Type 1934
    • Type 1936
    • Type 1936 A (Narvik)
    • Type 1936 C
  6. Eskortejagers (Geleitboote)
    • Ingezet voor konvooibescherming.

Overige schepen

  1. Ondersteuningsschepen en bevoorradingsschepen
    • Milchkühe (Type XIV U-boot)
    • Bepaalde bevoorradingsschepen kregen aangepaste versies van hydrofoonsystemen.
  2. Mijnleggers (Minenschiffe)
    • Inclusief schepen zoals de Brummer-klasse en U-bootmijnenleggers (Type X).
  3. Schnellboote (S-boats of E-boats)
    • Snelle torpedoboten uitgerust met beperkte hydrofoonversies voor kustoperaties.

Das Gruppenhorchgerät aan boord van U-boten

Technische werking van het GHG-systeem

Het Gruppenhorchgerät (GHG) op Duitse U-boten bestond uit twee groepen sensoren, elk met 24 piezo-elektrische microfoons, verdeeld aan weerszijden van de scheepsromp. Deze in totaal 48 microfoons zonden hun signalen door naar een schakelsysteem dat de bemanning in staat stelde de exacte richting van een geluidsbron te bepalen. Dit proces werd ondersteund door drie schakelbare filters met middenfrequenties van respectievelijk 1, 3 en 6 kHz. Deze filters verbeterden de resolutie van de ontvangen signalen aanzienlijk.

De nauwkeurigheid van de peiling hing af van de gebruikte frequentie:

  • Bij 6 kHz was de richtingnauwkeurigheid minder dan 1 graad.
  • Bij 3 kHz lag deze rond de 1,5 graden.
  • Zonder filter of bij lagere frequenties bedroeg de nauwkeurigheid ongeveer 8 graden.

Beperkingen van het systeem

Ondanks de verbeterde precisie had het GHG enkele technische beperkingen. Door de plaatsing van de sensoren aan de zijkanten van de romp ontstonden er dode hoeken van 40 graden aan de voor- en achterkant van het schip. Dit bemoeilijkte de detectie van geluiden recht voor of achter de U-boot, wat vooral problematisch kon zijn tijdens gevechtssituaties.

Daarnaast functioneerde het apparaat niet optimaal aan de oppervlakte. De sensoren waren dicht bij het wateroppervlak geplaatst en ontvingen in ondiep water vaak verstorende ruis afkomstig van golfslag. Hierdoor moest een U-boot meestal duiken tot een diepte van ten minste 20 meter om de geluiden van vijandelijke schepen nauwkeurig te kunnen registreren.

Bereik en toepassing

Het GHG-systeem was bijzonder effectief tegen konvooien en schepen met zware motoren. Onder ideale omstandigheden kon het systeem een individuele scheepsecho opvangen tot op 20 kilometer afstand, terwijl groepen schepen of konvooien op afstanden tot 100 kilometer gedetecteerd konden worden. Deze grote reikwijdte gaf U-bootcommandanten een aanzienlijke tactische voorsprong bij het plannen van aanvallen of ontwijkingsmanoeuvres.

Das Gruppenhorchgerät aan boord van Oppervlakteschepen (kruisers, slagschepen, jagers)

Toepassing en technische aanpassingen

Het Gruppenhorchgerät (GHG) werd niet alleen gebruikt op onderzeeërs, maar ook aangepast en geïnstalleerd op grotere oppervlakteschepen zoals slagschepen, kruisers en torpedojagers. Op deze grotere vaartuigen werden aangepaste versies gebruikt om vijandelijke onderzeeërs en schepen op te sporen over grotere afstanden, meestal tot 40 kilometer onder gunstige omstandigheden.

De GHG Typ 57, geproduceerd door Atlas Werke in Bremen, was de meest gangbare versie voor oppervlakteschepen. Het systeem bestond uit 60 kristalmicrofoons die langs de romp van het schip werden geplaatst. De installatie was ontworpen om storingen door eigen schroefgeluiden te minimaliseren en werkte meestal het best bij lage snelheden. Dit gaf de scheepsbemanning de mogelijkheid om onderwaterdreigingen zoals vijandelijke U-boten vroegtijdig te detecteren.

Op welke oppervlakteschepen werd het GHG geïnstalleerd?

Slagschepen (Schlachtschiffe)

  1. Bismarck-klasse (Bismarck, Tirpitz)
    • Beide slagschepen waren uitgerust met geavanceerde detectiesystemen, waaronder het GHG Typ 57, dat hielp om vijandelijke onderzeeërs vroegtijdig op te sporen. De detectiecapaciteit speelde een belangrijke rol tijdens patrouilles in de Atlantische Oceaan.
  2. Scharnhorst-klasse (Scharnhorst, Gneisenau)
    • De Scharnhorst en Gneisenau waren uitgerust met een combinatie van sonar en hydrofoonsystemen, waaronder een aangepaste versie van het GHG, voor zowel offensieve operaties als verdediging tegen onderzeeërs.

Zware kruisers (Schwere Kreuzer)

  1. Admiral Hipper-klasse (Prinz Eugen, Admiral Hipper, Blücher)
    • Deze zware kruisers, met name de Prinz Eugen, waren voorzien van geavanceerde sonarsystemen zoals de GHG Typ 57. Tijdens de beroemde operatie Rheinübung (de missie van de Bismarck en Prinz Eugen in 1941) speelden hydrofoons een ondersteunende rol bij het detecteren van geallieerde schepen.

Lichte kruisers (Leichte Kreuzer)

  1. Köln-klasse en Königsberg-klasse
    • Deze lichte kruisers kregen aangepaste versies van het GHG-systeem. Hoewel ze minder bereik hadden dan op slagschepen en zware kruisers, konden ze effectief vijandelijke onderzeeërs volgen tijdens kustpatrouilles.

Torpedojagers (Zerstörer)

  1. Type 1934, Type 1936, Type 1936A (Narvik)
    • Deze torpedojagers kregen een vereenvoudigde variant van het GHG. De installatie was gericht op snelle detectie van onderzeeërs in konvooibeschermingsmissies en offensieve operaties.
  2. Type 1936C
    • Dit latere ontwerp bevatte verbeterde akoestische apparatuur die een breder detectiegebied mogelijk maakte. Torpedojagers met deze systemen werden ingezet in de Noord-Atlantische Oceaan en de Baltische Zee.

Beperkingen van het GHG op oppervlakteschepen

Het GHG Typ 57 en andere varianten op oppervlakteschepen hadden specifieke beperkingen:

  • Storingen door hoge snelheid: De gevoeligheid van het systeem nam af wanneer het schip op hoge snelheid voer. Dit maakte nauwkeurige detecties vaak moeilijk tijdens gevechtsoperaties waarbij snelheid van cruciaal belang was.
  • Beperkt bereik bij ruwe zee: Het systeem was gevoelig voor oppervlaktegeluiden, zoals golven en wind, waardoor de prestaties onder slechte weersomstandigheden konden afnemen.
  • Effectiviteit afhankelijk van de waterdiepte: In ondiep water (bijvoorbeeld in kustgebieden) kon het systeem minder effectief zijn door reflecties van de zeebodem.

Tactische rol van het GHG op oppervlakteschepen

  1. Verdediging tegen onderzeeërs:
    Het belangrijkste doel van het GHG op oppervlakteschepen was het detecteren van vijandelijke U-boten. Dit gaf de bemanning de mogelijkheid om vroegtijdig uit te wijken of aanvalsplannen te ontwikkelen.
  2. Begeleiding van konvooien:
    Kruisers en torpedojagers uitgerust met hydrofoons waren cruciaal voor de bescherming van konvooien in de Noord-Atlantische en Baltische Zee. Ze konden U-boten lokaliseren en aanvallen met dieptebommen.
  3. Ondersteuning bij aanvallen:
    Op slagschepen zoals de Bismarck en Tirpitz werden hydrofoons ingezet om vijandelijke schepen op grote afstand te detecteren en de juiste aanvallende koers te berekenen.
Britse soldaat staat voor twee in aanbouw zijnde Type XXI U-boten met zichtbaar Balkongerät tijdens de Tweede Wereldoorlog.
Een Britse soldaat poseert voor twee Type XXI U-boten in aanbouw, uitgerust met het geavanceerde Balkongerät voor onderwaterdetectie.

Verdere technologische vooruitgang: Het Balkongerät

Oorsprong en ontwerp

Om de beperkingen van het traditionele GHG te overwinnen, ontwikkelde de Duitse marine in 1943 het zogenaamde Balkongerät. Dit systeem bestond uit 48 sensoren die niet aan de zijkanten, maar rond de kiel van de U-boot waren gemonteerd. Hierdoor werd de gevoeligheid voor oppervlakteruis aanzienlijk verminderd, en konden detecties ook in opgetoken toestand plaatsvinden. Dit gaf de bemanning de mogelijkheid om vijandelijke schepen te volgen zonder voortdurend te hoeven duiken.

Voordelen ten opzichte van het GHG

De plaatsing van de sensoren onderaan de romp bood een breder detectiebereik, waardoor de dode hoeken van het eerdere systeem grotendeels werden geëlimineerd. Hoewel er nog steeds een beperkte dode zone aan de achterzijde bleef bestaan vanwege de geluiden van de scheepsschroef, was de verbetering in de operationele mogelijkheden aanzienlijk. Het Balkongerät werd in eerste instantie getest aan boord van U-194 en werd later de standaarduitrusting op de moderne Type-XXI-U-boten. Deze onderzeeërs stonden bekend om hun verbeterde stealth en onderwaterprestaties.

Aanvullende detectiesystemen: Het Kristall-Drehbasisgerät en het Nibelungengerät

Het Kristall-Drehbasisgerät (KDB)

Naast het GHG en het Balkongerät beschikte de Duitse Kriegsmarine over het Kristall-Drehbasisgerät (KDB), een draaibaar hydrophoonsysteem met piezo-elektrische sensoren. Dit systeem was specifiek ontworpen om geluidsbronnen te peilen zonder een vaste installatierichting. Door de draaiende basis kon de bemanning het apparaat in vrijwel alle richtingen positioneren, wat flexibiliteit bood bij de peiling van vijandelijke schepen.

Voordelen en nadelen van het KDB

Een belangrijk voordeel van het KDB was de afwezigheid van een dode hoek aan de voorkant van de U-boot, waardoor geluiden direct aan de boeg nauwkeuriger konden worden waargenomen. Dit was een groot voordeel in vergelijking met het GHG, dat met dode hoeken kampte. Aan de achterzijde bleef echter een blinde zone bestaan door interferentie van de geluiden van de schroef.

Het KDB was wel kwetsbaar voor dieptebommen. De installatie, die zich grotendeels aan de buitenkant van de romp bevond, raakte gemakkelijk beschadigd bij explosies. Daarom werd het systeem vooral gebruikt tijdens operaties waarbij vijandelijke schepen op veilige afstand werden gehouden.

Het Nibelungengerät: Akoestische torpedo-aansturing

Het Nibelungengerät was een aanvullende innovatie op het gebied van onderwaterdetectie en wapenaansturing. Dit systeem werd aan de voorkant van de toren van de U-boot gemonteerd en was ontworpen om torpedo’s op basis van akoestische gegevens nauwkeurig af te vuren, zonder visuele waarneming door het periscoop.

Werking van het Nibelungengerät

Het systeem zond krachtige akoestische signalen uit (5 kW, met een frequentie van 15 kHz) in korte impulsen van 20 milliseconden. Deze signalen weerkaatsten tegen vijandelijke schepen en werden door een speciale rekencomputer, de Torpedovorhaltrechner (TVhRe), geanalyseerd. Met behulp van deze gegevens berekende het systeem automatisch de benodigde correcties voor het afvuren van een torpedo.

Het Nibelungengerät kon met een peilnauwkeurigheid van 0,5 graden de richting, afstand en snelheid van een doel bepalen. Dankzij deze precisie konden U-boten “blind” torpedo’s lanceren, zelfs in situaties waarbij ze gedwongen werden onder water te blijven en geen periscoop konden gebruiken. De torpedo’s werden gelanceerd tot een diepte van 20 meter, met tests voor dieptes tot 50 en 100 meter die tegen het einde van de oorlog nog plaatsvonden.

Andere sonarinnovaties: De Felchen-Anlage en het S-Gerät

Felchen-Anlage: Passieve afstandsbepaling

De Felchen-Anlage, genoemd naar de witvis Felchen, was een systeem voor passieve akoestische afstandsbepaling. Dit systeem verschilde van actieve sonar omdat het geen signalen uitzond, maar enkel vijandelijke geluiden opving en analyseerde. Door de interferentiepatronen van de binnenkomende geluiden te meten, kon de afstand tot de geluidsbron nauwkeurig worden vastgesteld. Dit bood een tactisch voordeel, omdat U-boten hun positie niet prijsgaven door actieve signalen uit te zenden.

Het S-Gerät: Actieve sonar voor mijnendetectie

Het Sondergerät (S-Gerät) was een actieve sonar die speciaal ontwikkeld was voor het detecteren van zeemijnen en obstakels. De installatie bevond zich aan de voorkant van de U-boot, vlak boven de torpedobuizen. In 1940 werd besloten dit systeem standaard te installeren op alle U-boten van het Type VII C. Het S-Gerät zond geluidspulsen uit die reflecteerden tegen vaste objecten, waarna de terugkerende echo’s werden geanalyseerd om de positie van mijnen of andere obstakels te bepalen.

Hoewel het aanvankelijk nuttig was, werd het systeem na 1943 grotendeels vervangen door radarwaarschuwingsapparatuur. De radar was effectiever tegen geallieerde vliegtuigen, die toen een groeiende dreiging vormden voor U-boten.

Technische tekening van een Duits Balkongerät, gebruikt op U-boten voor onderwaterdetectie tijdens de Tweede Wereldoorlog.
Technische tekening van het Balkongerät, een cruciale Duitse sonartechnologie geïnstalleerd op Type XXI-U-boten in WOII.

Het einde van de technologische vooruitgang: Late oorlog en beperkingen

Laatste ontwikkelingen en technische defecten

Tegen het einde van de oorlog bleven de Duitse ingenieurs verbeteringen doorvoeren aan bestaande sonar- en akoestische systemen. Veel van deze innovaties werden echter belemmerd door de steeds slechter wordende omstandigheden waarin Duitsland zich bevond. Door bombardementen op fabrieken, tekorten aan grondstoffen en een gebrek aan getrainde bemanningsleden kon de Kriegsmarine slechts een beperkt aantal nieuwe systemen operationeel maken. Apparaten zoals het Nibelungengerät en het Balkongerät werden in relatief kleine aantallen gebruikt. Sommige systemen, waaronder onderdelen van het KDB, kampten met defecten die pas laat in de oorlog werden verholpen.

Vanaf januari 1945 werden technische mankementen in het Nibelungengerät opgelost, maar tegen die tijd had de Duitse marine niet langer de middelen om de verbeterde versies op grote schaal in te zetten.

Conclusie

De Duitse sonar- en akoestische technologie speelde een sleutelrol in de operaties van de U-boten tijdens de Tweede Wereldoorlog. Het Gruppenhorchgerät (GHG) en de opvolgende systemen zoals het Balkongerät en het Nibelungengerät stelden U-boten in staat om vijandelijke schepen op grote afstand te detecteren en in veel gevallen ongemerkt aan te vallen. Hoewel deze technologieën aanvankelijk een tactisch voordeel boden, haalden de geallieerden de Duitse innovaties vanaf 1943 in met verbeterde sonar- en luchtondersteuningssystemen. Uiteindelijk leidden deze technologische doorbraken bij de geallieerden tot de nederlaag van de Duitse U-botenoorlog.

Hoewel het Gruppenhorchgerät (GHG) op oppervlakteschepen niet dezelfde precisie bood als op U-boten, leverde het een waardevolle bijdrage aan de Duitse maritieme strategie. Slagschepen, kruisers en torpedojagers gebruikten deze technologie voor defensieve en offensieve doeleinden, vooral in de strijd tegen geallieerde onderzeeërs.

De Duitse sonarontwikkeling laat zien hoe snel technologie zich kan ontwikkelen in tijden van oorlog, maar ook hoe afhankelijk succes is van de industriële capaciteit en de beschikbaarheid van grondstoffen. Ondanks hun technologische verfijning konden de Duitse systemen de geallieerde overmacht op zee niet weerstaan, vooral niet toen de luchtoverwicht door de geallieerden werd verstevigd.

Bronnen en meer informatie

  1. Afbeelding 1: BrokenSphereCC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
  2. Afbeelding 2: Arthur. O. Bauer, Public domain, via Wikimedia Commons
  3. Rössler, Eberhard (1991). Die Sonaranlagen der deutschen Unterseeboote. Koehler, Herford. ISBN 3-7637-6272-8.
  4. Stenzel, Heinrich (1947). Leitfaden zur Berekening von Schallvorgängen. Holt. ISBN 3-7637-5879-8.
  5. Hackmann, Willem (1984). Seek & Strike: Sonar, Anti-Submarine Warfare and the Royal Navy 1914–54. Science Museum, London. ISBN 0-1129-0423-8.
  6. Schmalenbach, Paul (2001). Kreuzer Prinz Eugen unter drei Flaggen. Koehler, Hamburg. ISBN 3-7822-0823-4.
  7. Draminski, Stefan (2018). The Battleship Bismarck. Osprey Publishing. ISBN 978-1472828880.
  8. Holt, L. E. (1947). The German Use of Sonic Listening in World War II. Journal of the Acoustical Society of America. ISSN 0001-4966. doi:10.1121/1.1916561.
  9. Bronnen Mei1940