Sonar

Französische Fregatten vom Typ F70 (hier La Motte-Picquet) sind mit VDS-Schleppsonaren (Variable Depth Sonar) vom Typ DUBV43 oder DUBV43C ausgerüstet. ⓘ

Sonarbild des am 3. Dezember 1941 im Finnischen Meerbusen gesunkenen Minensuchbootes T-297 der sowjetischen Marine, der ehemaligen lettischen Virsaitis ⓘ

Sonar (Sound Navigation and Ranging) ist eine Technik, die die Schallausbreitung (in der Regel unter Wasser, wie bei der U-Boot-Navigation) nutzt, um zu navigieren, Entfernungen zu messen (Ranging), mit Objekten auf oder unter der Wasseroberfläche, wie z. B. anderen Schiffen, zu kommunizieren oder diese zu entdecken. Zwei Arten von Technologien teilen sich den Namen "Sonar": Passives Sonar hört im Wesentlichen auf den von Schiffen erzeugten Schall; aktives Sonar sendet Schallimpulse aus und hört auf Echos. Sonar kann als Mittel zur akustischen Ortung und zur Messung der Echoeigenschaften von "Zielen" im Wasser eingesetzt werden. Die akustische Ortung in der Luft wurde vor der Einführung des Radars eingesetzt. Sonar kann auch für die Navigation von Robotern eingesetzt werden, und SODAR (ein nach oben gerichtetes In-Air-Sonar) wird für atmosphärische Untersuchungen verwendet. Der Begriff Sonar wird auch für die Geräte verwendet, die zur Erzeugung und zum Empfang des Schalls eingesetzt werden. Die in Sonarsystemen verwendeten akustischen Frequenzen reichen von sehr niedrigen (Infraschall) bis zu extrem hohen (Ultraschall). Die Erforschung des Unterwasserschalls wird als Unterwasserakustik oder Hydroakustik bezeichnet. ⓘ

Leonardo da Vinci setzte diese Technik erstmals 1490 ein, als er ein in das Wasser eingeführtes Rohr benutzte, um Schiffe nach dem Gehör zu orten. Sie wurde während des Ersten Weltkriegs entwickelt, um der zunehmenden Bedrohung durch die U-Boot-Kriegsführung zu begegnen. 1918 wurde ein einsatzfähiges passives Sonarsystem eingeführt. Moderne aktive Sonarsysteme verwenden einen Schallwandler, der eine Schallwelle erzeugt, die von den Zielobjekten reflektiert wird. ⓘ

Sonar-Monitore im US-amerikanischen Atom-U-Boot USS Toledo (SSN-769) ⓘ

Sonar-Messtechniken nutzen die Tatsache aus, dass sich Schall unter Wasser insbesondere bei hohen Frequenzen sehr viel verlustärmer ausbreitet als in der Luft. Aus historischen Gründen wird begrifflich unterschieden zwischen Sonargeräten (kurz als „Sonare“ bezeichnet), die überwiegend horizontal, und Echoloten, die überwiegend vertikal orten. ⓘ

Aktive Sonare benutzen das Echoprinzip wie Radaranlagen, strahlen also selbst ein Signal aus, dessen Echo sie empfangen, aus dem sie über Laufzeit des Echos die Entfernung bestimmen. Echolote gehören zu diesem Typ. ⓘ

In der Literatur wird oft von passivem Sonar gesprochen, wobei sich diese Angabe auf den passiven Betriebsmodus eines auch zum aktiven Senden fähigen Ortungssystems beziehen kann. Dabei werden nur die von Objekten eigenständig generierten Signale bzw. Geräusche empfangen, was die Tarnung des ortenden Systems schützt. In beiden Betriebsarten kann die Richtung des einfallenden Schalles bestimmt werden, eine präzise und verlässliche Entfernungsmessung ist jedoch oft nur im aktiven Betriebsmodus möglich. ⓘ

Die Abgrenzung zwischen „Sonaranlagen“, die neben dem aktiven auch einen passiven Betriebsmodus haben können, und „Horchanlagen“, die ausschließlich die passive Schallortung erlauben, ist besonders in der englischsprachigen Literatur oft nicht eindeutig. ⓘ

Geschichte

Obwohl einige Tiere (Delfine, Fledermäuse, einige Spitzmäuse u. a.) seit Millionen von Jahren Schall zur Kommunikation und Objekterkennung nutzen, wird die Nutzung durch den Menschen im Wasser erstmals von Leonardo da Vinci im Jahr 1490 erwähnt: Ein ins Wasser eingeführtes Rohr soll dazu dienen, Schiffe zu erkennen, indem man ein Ohr an das Rohr hält. ⓘ

Im späten 19. Jahrhundert wurde eine Unterwasserglocke als Hilfsmittel für Leuchttürme oder Feuerschiffe verwendet, um vor Gefahren zu warnen. ⓘ

Die Verwendung von Schall zur "Echo-Ortung" unter Wasser, so wie Fledermäuse Schall zur Navigation in der Luft verwenden, scheint durch die Titanic-Katastrophe von 1912 ausgelöst worden zu sein. Das weltweit erste Patent für ein Unterwasser-Echolot meldete der englische Meteorologe Lewis Fry Richardson einen Monat nach dem Untergang der Titanic beim britischen Patentamt an, und der deutsche Physiker Alexander Behm erhielt 1913 ein Patent für ein Echolot. ⓘ

Der kanadische Ingenieur Reginald Fessenden, der für die Submarine Signal Company in Boston, Massachusetts, arbeitete, baute ab 1912 ein experimentelles System, das später im Hafen von Boston und schließlich 1914 vom U.S. Revenue Cutter Miami auf den Grand Banks vor Neufundland getestet wurde. Bei diesem Test demonstrierte Fessenden Tiefenlotung, Unterwasserkommunikation (Morsecode) und Echoentfernungsmessung (Erkennung eines Eisbergs in einer Entfernung von 3,2 km). Der "Fessenden-Oszillator", der mit einer Frequenz von etwa 500 Hz betrieben wurde, konnte aufgrund der Wellenlänge von 3 Metern und der geringen Größe der abstrahlenden Fläche des Wandlers (weniger als 1⁄3 Wellenlänge im Durchmesser) die Richtung des Eisbergs nicht bestimmen. Die zehn in Montreal gebauten britischen U-Boote der H-Klasse, die 1915 in Dienst gestellt wurden, waren mit Fessenden-Oszillatoren ausgestattet. ⓘ

Während des Ersten Weltkriegs führte die Notwendigkeit, U-Boote aufzuspüren, zu einer verstärkten Erforschung des Einsatzes von Schall. Die Briten setzten schon früh Unterwasser-Abhörgeräte, so genannte Hydrophone, ein, während der französische Physiker Paul Langevin 1915 zusammen mit dem aus Russland eingewanderten Elektroingenieur Constantin Chilowsky an der Entwicklung aktiver Schallgeräte zum Aufspüren von U-Booten arbeitete. Obwohl piezoelektrische und magnetostriktive Wandler später die von ihnen verwendeten elektrostatischen Wandler ablösten, beeinflussten diese Arbeiten künftige Konstruktionen. Leichte schallempfindliche Kunststofffolien und optische Fasern wurden für Hydrophone verwendet, während Terfenol-D und PMN (Bleimagnesiumniobat) für Projektoren entwickelt wurden. ⓘ

ASDIC

ASDIC-Anzeigegerät aus der Zeit um 1944 ⓘ

1916 übernahm der kanadische Physiker Robert William Boyle zusammen mit A. B. Wood im Rahmen des British Board of Invention and Research das Projekt der aktiven Schalldetektion und stellte Mitte 1917 einen Prototyp für Tests her. Diese Arbeit für die Anti-U-Boot-Abteilung des britischen Marinestabs wurde unter strengster Geheimhaltung durchgeführt und verwendete piezoelektrische Quarzkristalle, um das weltweit erste praktische Gerät zur aktiven Unterwasserschalldetektion herzustellen. Um die Geheimhaltung zu wahren, wurden weder die Schallexperimente noch der Quarz erwähnt - das Wort, das zur Beschreibung der frühen Arbeiten verwendet wurde ("supersonics"), wurde in "ASD "ics" und das Quarzmaterial in "ASD "ivite" geändert: "ASD" für "Anti-Submarine Division", daher das britische Akronym ASDIC. Im Jahr 1939 erfand die Admiralität als Antwort auf eine Frage des Oxford English Dictionary die Geschichte, dass es für "Allied Submarine Detection Investigation Committee" stehe, und dies wird immer noch weithin geglaubt, obwohl in den Archiven der Admiralität kein Ausschuss mit diesem Namen gefunden wurde. ⓘ

Bis 1918 hatten Großbritannien und Frankreich Prototypen aktiver Systeme gebaut. Die Briten testeten ihr ASDIC 1920 auf der HMS Antrim und begannen 1922 mit der Produktion. Die 6. Zerstörerflottille verfügte 1923 über mit ASDIC ausgerüstete Schiffe. Eine U-Boot-Schule, die HMS Osprey, und eine aus vier Schiffen bestehende Ausbildungsflottille wurden 1924 auf Portland eingerichtet. ⓘ

Bei Ausbruch des Zweiten Weltkriegs verfügte die Royal Navy über fünf Geräte für verschiedene Überwasserschiffsklassen und weitere für U-Boote, die in ein vollständiges U-Boot-Abwehrsystem integriert waren. Die Wirksamkeit der frühen ASDIC wurde durch den Einsatz von Wasserbomben als U-Boot-Waffe beeinträchtigt. Dies erforderte, dass ein angreifendes Schiff einen getauchten Kontakt überfährt, bevor es die Ladungen über dem Heck abwirft, was zu einem Verlust des ASDIC-Kontakts in den Momenten vor dem Angriff führte. Der Jäger schoss praktisch blind, so dass der U-Boot-Kommandant in dieser Zeit Ausweichmanöver durchführen konnte. Diese Situation wurde durch neue Taktiken und neue Waffen behoben. ⓘ

Zu den von Frederic John Walker entwickelten taktischen Verbesserungen gehörte der schleichende Angriff. Hierfür wurden zwei U-Boot-Abwehrschiffe benötigt (in der Regel Schaluppen oder Korvetten). Das "Führungsschiff" verfolgte das Ziel-U-Boot mit ASDIC von einer Position etwa 1500 bis 2000 Meter hinter dem U-Boot. Das zweite Schiff, dessen ASDIC ausgeschaltet war und das mit einer Geschwindigkeit von 5 Knoten fuhr, startete den Angriff von einer Position aus, die zwischen dem Führungsschiff und dem Ziel lag. Dieser Angriff wurde per Funk vom Führungsschiff aus gesteuert, basierend auf dessen ASDIC und der Entfernung (per Entfernungsmesser) und Peilung des angreifenden Schiffes. Sobald die Wasserbomben abgeworfen waren, verließ das angreifende Schiff den unmittelbaren Bereich mit voller Geschwindigkeit. Das dirigierende Schiff fuhr daraufhin in das Zielgebiet ein und ließ ebenfalls eine Reihe von Wasserbomben ab. Aufgrund der geringen Annäherungsgeschwindigkeit konnte das U-Boot nicht vorhersehen, wann die Wasserbomben ausgelöst werden würden. Jede Ausweichbewegung wurde vom Führungsschiff erkannt und dem angreifenden Schiff entsprechende Steuerbefehle gegeben. Die geringe Geschwindigkeit des Angriffs hatte den Vorteil, dass der deutsche Schalltorpedo gegen ein so langsam fahrendes Kriegsschiff nicht wirksam war. Eine Abwandlung des Schleichangriffs war der "Pflaster"-Angriff, bei dem drei angreifende Schiffe, die in enger Linie nebeneinander arbeiteten, vom Führungsschiff über das Ziel gelenkt wurden. ⓘ

Die neuen Waffen, die den blinden Fleck des ASDIC ausgleichen sollten, waren "vorauswerfende Waffen" wie die Hedgehogs und später die Squids, die Sprengköpfe auf ein Ziel vor dem Angreifer und noch in ASDIC-Kontakt schleuderten. Sie ermöglichten es einer einzelnen Eskorte, gezieltere Angriffe auf U-Boote durchzuführen. Im Laufe des Krieges wurden britische ASDIC-Geräte entwickelt, die mehrere verschiedene Strahlenformen verwendeten, um tote Winkel kontinuierlich abzudecken. Später wurden auch akustische Torpedos eingesetzt. ⓘ

Zu Beginn des Zweiten Weltkriegs (September 1940) wurde die britische ASDIC-Technologie kostenlos an die Vereinigten Staaten übertragen. Die Forschung zu ASDIC und Unterwasserschall wurde im Vereinigten Königreich und in den USA ausgebaut. Es wurden viele neue Arten der militärischen Schalldetektion entwickelt. Dazu gehörten Sonobojen, die erstmals 1944 von den Briten unter dem Codenamen High Tea entwickelt wurden, Tauchsonar und Minensuchsonar. Diese Arbeiten bildeten die Grundlage für die Entwicklungen der Nachkriegszeit im Zusammenhang mit der Abwehr von Atom-U-Booten. ⓘ

SONAR

In den 1930er Jahren entwickelten amerikanische Ingenieure ihre eigene Unterwasser-Schallortungstechnologie, und es wurden wichtige Entdeckungen gemacht, wie z. B. die Existenz von Sprungschichten und deren Auswirkungen auf Schallwellen. Die Amerikaner begannen, für ihre Systeme den Begriff SONAR zu verwenden, der von Frederick Hunt als Äquivalent zu RADAR geprägt wurde. ⓘ

Unterwasser-Schalllabor der US Navy

1917 nahm die US-Marine zum ersten Mal die Dienste von J. Warren Horton in Anspruch. Von den Bell Labs beurlaubt, diente er der Regierung als technischer Experte, zunächst in der Versuchsstation in Nahant, Massachusetts, und später im Hauptquartier der US-Marine in London, England. In Nahant wendete er die neu entwickelte Vakuumröhre, die damals in der Entstehungsphase der heute als Elektronik bekannten angewandten Wissenschaft stand, auf die Erfassung von Unterwassersignalen an. Infolgedessen wurde das Kohleknopfmikrofon, das in früheren Detektionsgeräten verwendet worden war, durch den Vorläufer des modernen Hydrophons ersetzt. In dieser Zeit experimentierte er auch mit Methoden zur Schlepportung. Dies war auf die erhöhte Empfindlichkeit seines Geräts zurückzuführen. Die Prinzipien werden auch heute noch in modernen Schleppsonarsystemen verwendet. ⓘ

Um den Verteidigungsbedarf Großbritanniens zu decken, wurde er nach England geschickt, um in der Irischen See Bodenhydrophone zu installieren, die über ein Unterseekabel mit einem Abhörposten an der Küste verbunden waren. Während diese Ausrüstung auf das Kabelverlegungsschiff verladen wurde, endete der Erste Weltkrieg und Horton kehrte nach Hause zurück. ⓘ

Während des Zweiten Weltkriegs arbeitete er weiter an der Entwicklung von Sonarsystemen, die U-Boote, Minen und Torpedos aufspüren konnten. Als leitender Forschungsberater des Unterwasserschall-Labors der US-Marine veröffentlichte er 1957 die Fundamentals of Sonar. Diese Position hatte er bis 1959 inne, als er technischer Direktor wurde, eine Position, die er bis zu seiner Zwangsversetzung in den Ruhestand im Jahr 1963 innehatte. ⓘ

Materialien und Konstruktionen in den USA und Japan

Von 1915 bis 1940 wurden in den USA kaum Fortschritte bei den Sonaren erzielt. 1940 bestanden die US-Sonare in der Regel aus einem magnetostriktiven Wandler und einer Reihe von Nickelröhren, die mit einer Stahlplatte von 1 Fuß Durchmesser verbunden waren und Rücken an Rücken mit einem Rochelle-Salzkristall in einem kugelförmigen Gehäuse verbunden waren. Diese Baugruppe durchdrang den Schiffsrumpf und wurde manuell in den gewünschten Winkel gedreht. Der piezoelektrische Rochelle-Salzkristall hatte bessere Parameter, aber die magnetostriktive Einheit war viel zuverlässiger. Die hohen Verluste in der US-Handelsschifffahrt zu Beginn des Zweiten Weltkriegs führten dazu, dass die USA der Forschung auf diesem Gebiet hohe Priorität einräumten, um sowohl die Parameter des magnetostriktiven Wandlers als auch die Zuverlässigkeit des Rochelle-Salzes zu verbessern. Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP), eine überlegene Alternative, wurde als Ersatz für Rochelle-Salz gefunden; die erste Anwendung war ein Ersatz für die 24-kHz-Rochelle-Salz-Wandler. Innerhalb von neun Monaten war Rochelle-Salz überflüssig. Die ADP-Produktionsstätte wuchs von einigen Dutzend Mitarbeitern Anfang 1940 auf mehrere Tausend im Jahr 1942. ⓘ

Eine der ersten Anwendungen von ADP-Kristallen waren Hydrophone für akustische Minen; die Kristalle wurden für eine niedrige Grenzfrequenz von 5 Hz spezifiziert, sie mussten mechanischen Erschütterungen standhalten, um von Flugzeugen aus 3.000 m Höhe abgeworfen werden zu können, und sie mussten in der Lage sein, Explosionen benachbarter Minen zu überstehen. Eines der wichtigsten Merkmale der ADP-Zuverlässigkeit sind seine alterungsfreien Eigenschaften; der Kristall behält seine Parameter auch bei längerer Lagerung bei. ⓘ

Eine weitere Anwendung war die akustische Zielführung von Torpedos. Zwei Paare von Richtungshydrophonen wurden in der horizontalen und vertikalen Ebene am Bug des Torpedos angebracht; die Differenzsignale der Paare wurden verwendet, um den Torpedo nach links-rechts und nach oben-unten zu lenken. Es wurde eine Gegenmaßnahme entwickelt: Das anvisierte U-Boot warf eine schäumende Chemikalie ab, und der Torpedo verfolgte den lauteren, sprudelnden Täuschkörper. Die Gegenmaßnahme war ein Torpedo mit aktivem Sonar - an der Nase des Torpedos wurde ein Schallwandler angebracht, und die Mikrofone lauschten auf die reflektierten periodischen Tonimpulse. Die Schallwandler bestanden aus identischen rechteckigen Kristallplatten, die in versetzten Reihen zu rautenförmigen Flächen angeordnet waren. ⓘ

Passive Sonar-Arrays für U-Boote wurden aus ADP-Kristallen entwickelt. Mehrere Kristalle wurden in einem Stahlrohr angeordnet, mit Rizinusöl vakuumgefüllt und versiegelt. Die Rohre wurden dann in parallelen Arrays montiert. ⓘ

Das Standard-Scanning-Sonar der US-Marine am Ende des Zweiten Weltkriegs arbeitete bei 18 kHz und verwendete eine Anordnung von ADP-Kristallen. Die angestrebte größere Reichweite erforderte jedoch die Verwendung niedrigerer Frequenzen. Die erforderlichen Abmessungen waren für ADP-Kristalle zu groß, so dass in den frühen 1950er Jahren magnetostriktive und piezoelektrische Bariumtitanat-Systeme entwickelt wurden, die jedoch Probleme hatten, eine einheitliche Impedanzcharakteristik zu erreichen, worunter das Strahlmuster litt. Bariumtitanat wurde dann durch das stabilere Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) ersetzt, und die Frequenz wurde auf 5 kHz gesenkt. Die US-Flotte verwendete dieses Material mehrere Jahrzehnte lang für das Sonar AN/SQS-23. Das SQS-23-Sonar verwendete zunächst magnetostriktive Nickelwandler, die jedoch mehrere Tonnen wogen und Nickel war teuer und galt als kritisches Material; daher wurden piezoelektrische Wandler eingesetzt. Das Sonar war ein großes Array aus 432 einzelnen Wandlern. Anfangs waren die Schwinger unzuverlässig, wiesen mechanische und elektrische Fehler auf und verschlechterten sich schon bald nach der Installation; außerdem wurden sie von verschiedenen Herstellern produziert, hatten unterschiedliche Designs und ihre Eigenschaften waren so unterschiedlich, dass sie die Leistung des Arrays beeinträchtigten. Die Politik, die Reparatur einzelner Wandler zuzulassen, wurde daraufhin aufgegeben, und stattdessen entschied man sich für das "modulare Einwegdesign", d. h. für versiegelte, nicht reparierbare Module, wodurch das Problem der Dichtungen und anderer mechanischer Fremdteile beseitigt wurde. ⓘ

Die kaiserliche japanische Marine verwendete zu Beginn des Zweiten Weltkriegs Projektoren auf Quarzbasis. Diese waren groß und schwer, vor allem, wenn sie für niedrige Frequenzen ausgelegt waren; der Projektor des Typs 91, der mit 9 kHz arbeitete, hatte einen Durchmesser von 30 Zoll (760 mm) und wurde von einem Oszillator mit 5 kW Leistung und 7 kV Ausgangsamplitude betrieben. Die Projektoren des Typs 93 bestanden aus massiven Quarzsandwiches, die in kugelförmige Gusseisenkörper eingebaut waren. Die Sonare des Typs 93 wurden später durch die Sonare des Typs 3 ersetzt, die dem deutschen Design folgten und magnetostriktive Projektoren verwendeten; die Projektoren bestanden aus zwei rechtwinkligen, identischen, unabhängigen Einheiten in einem rechteckigen Gusseisenkörper von etwa 16 x 9 Zoll (410 mm × 230 mm). Die belichtete Fläche war eine halbe Wellenlänge breit und drei Wellenlängen hoch. Die magnetostriktiven Kerne wurden aus 4 mm dicken Stanzteilen aus Nickel und später aus einer Eisen-Aluminium-Legierung mit einem Aluminiumgehalt zwischen 12,7 und 12,9 % hergestellt. Die Stromversorgung erfolgte über eine 2 kW bei 3,8 kV, die Polarisierung über eine 20 V, 8 A Gleichstromquelle. ⓘ

Die passiven Hydrophone der kaiserlichen japanischen Marine basierten auf Drehspulen, Rochelle-Salz-Piezo-Wandlern und Kohlemikrofonen. ⓘ

Spätere Entwicklungen bei Wandlern

Magnetostriktive Wandler wurden nach dem Zweiten Weltkrieg als Alternative zu piezoelektrischen Wandlern entwickelt. Für den Hochleistungs-Niederfrequenzbetrieb wurden Ringschwinger aus Nickel verwendet, die mit einem Durchmesser von bis zu 4,0 m (13 Fuß) wahrscheinlich die größten individuellen Sonarschwinger aller Zeiten waren. Der Vorteil von Metallen ist ihre hohe Zugfestigkeit und niedrige elektrische Eingangsimpedanz, aber sie haben elektrische Verluste und einen geringeren Kopplungskoeffizienten als PZT, dessen Zugfestigkeit durch Vorspannung erhöht werden kann. Auch andere Materialien wurden ausprobiert; nichtmetallische Ferrite waren vielversprechend wegen ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeit, die zu geringen Wirbelstromverlusten führt, Metglas bot einen hohen Kopplungskoeffizienten, war aber insgesamt dem PZT unterlegen. In den 1970er Jahren wurden Verbindungen aus seltenen Erden und Eisen mit besseren magnetomechanischen Eigenschaften entdeckt, nämlich die Legierung Terfenol-D. Dies ermöglichte neue Konstruktionen, z. B. einen hybriden magnetostriktiven-piezoelektrischen Wandler. Das jüngste dieser verbesserten magnetostriktiven Materialien ist Galfenol. ⓘ

Zu den anderen Arten von Wandlern gehören Wandler mit variabler Reluktanz (oder Moving-Armature- oder elektromagnetische Wandler), bei denen die magnetische Kraft auf die Oberflächen von Spalten wirkt, und Wandler mit beweglicher Spule (oder elektrodynamische Wandler), die herkömmlichen Lautsprechern ähneln; letztere werden aufgrund ihrer sehr niedrigen Resonanzfrequenzen und ihrer flachen Breitbandcharakteristik oberhalb dieser Frequenzen bei der Kalibrierung von Unterwasserschall verwendet. ⓘ

Aktives Sonar

Prinzip eines aktiven Sonars ⓘ

Aktives Sonar verwendet einen Tonsender (oder Projektor) und einen Empfänger. Wenn sich beide am selben Ort befinden, handelt es sich um einen monostatischen Betrieb. Wenn Sender und Empfänger voneinander getrennt sind, spricht man von bistatischem Betrieb. Wenn mehrere Sender (oder mehrere Empfänger) verwendet werden, die wiederum räumlich getrennt sind, spricht man von multistatischem Betrieb. Die meisten Sonare werden monostatisch betrieben, wobei häufig dieselbe Anordnung für das Senden und Empfangen verwendet wird. Aktive Sonobojenfelder können multistatisch betrieben werden. ⓘ

Aktive Sonare erzeugen einen Schallimpuls, der oft als "Ping" bezeichnet wird, und horchen dann auf Reflexionen (Echo) des Impulses. Dieser Schallimpuls wird im Allgemeinen elektronisch mit einem Sonarprojektor erzeugt, der aus einem Signalgenerator, einem Leistungsverstärker und einem elektroakustischen Wandler bzw. Array besteht. Ein Schallwandler ist ein Gerät, das akustische Signale ("Pings") senden und empfangen kann. In der Regel wird ein Strahlformer eingesetzt, um die akustische Leistung in einem Strahl zu bündeln, der zur Abdeckung des erforderlichen Suchwinkels abgetastet werden kann. Die elektroakustischen Wandler sind in der Regel vom Typ Tonpilz und können so ausgelegt werden, dass sie einen maximalen Wirkungsgrad über eine möglichst große Bandbreite erreichen, um die Leistung des Gesamtsystems zu optimieren. Gelegentlich kann der Schallimpuls auch auf andere Weise erzeugt werden, z. B. chemisch durch Sprengstoffe, Luftkanonen oder Plasmaschallquellen. ⓘ

Um die Entfernung zu einem Objekt zu messen, wird die Zeit von der Aussendung eines Impulses bis zum Empfang gemessen und mit Hilfe der bekannten Schallgeschwindigkeit in eine Entfernung umgerechnet. Zur Messung der Peilung werden mehrere Hydrophone verwendet, und das Gerät misst die relative Ankunftszeit an jedem einzelnen Hydrophon, oder bei einer Anordnung von Hydrophonen wird die relative Amplitude in Strahlen gemessen, die durch einen Prozess namens Beamforming gebildet werden. Die Verwendung eines Arrays reduziert die räumliche Empfindlichkeit, so dass für eine breite Abdeckung Mehrstrahlsysteme verwendet werden. Das Zielsignal (falls vorhanden) wird dann zusammen mit dem Rauschen durch verschiedene Formen der Signalverarbeitung geleitet, die bei einfachen Sonaren nur eine Energiemessung sein kann. Anschließend wird es einer Art Entscheidungsvorrichtung vorgelegt, die das Ausgangssignal entweder als das gewünschte Signal oder als Rauschen bezeichnet. Bei dieser Entscheidungsvorrichtung kann es sich um einen Bediener mit Kopfhörern oder einem Display handeln, oder bei komplexeren Sonaren kann diese Funktion von einer Software übernommen werden. Weitere Prozesse können zur Klassifizierung und Lokalisierung des Ziels sowie zur Messung seiner Geschwindigkeit durchgeführt werden. ⓘ

Der Impuls kann eine konstante Frequenz haben oder ein Chirp mit wechselnder Frequenz sein (um eine Impulskompression beim Empfang zu ermöglichen). Einfache Sonare verwenden in der Regel erstere Technik mit einem Filter, der breit genug ist, um mögliche Doppler-Änderungen durch die Bewegung des Ziels abzudecken, während komplexere Sonare in der Regel die letztere Technik verwenden. Seitdem die digitale Verarbeitung verfügbar ist, wird die Impulskompression in der Regel durch digitale Korrelationsverfahren realisiert. Militärische Sonare haben oft mehrere Strahlen, um eine Rundumabdeckung zu gewährleisten, während einfache Sonare nur einen engen Bogen abdecken, obwohl der Strahl durch mechanische Abtastung relativ langsam gedreht werden kann. ⓘ

Insbesondere bei der Übertragung mit einer einzigen Frequenz kann der Doppler-Effekt zur Messung der Radialgeschwindigkeit eines Ziels genutzt werden. Der Frequenzunterschied zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal wird gemessen und in eine Geschwindigkeit umgerechnet. Da Doppler-Verschiebungen entweder durch die Bewegung des Empfängers oder des Ziels verursacht werden können, muss die Radialgeschwindigkeit der Suchplattform berücksichtigt werden. ⓘ

Ein nützliches kleines Sonargerät sieht ähnlich aus wie eine wasserdichte Taschenlampe. Der Kopf wird ins Wasser gehalten, ein Knopf wird gedrückt, und das Gerät zeigt die Entfernung zum Ziel an. Eine andere Variante ist ein "Fischfinder", der ein kleines Display mit Fischschwärmen anzeigt. Einige zivile Sonare (die nicht für die Tarnung ausgelegt sind) kommen den aktiven militärischen Sonaren in ihren Fähigkeiten nahe, da sie dreidimensionale Darstellungen der Umgebung des Bootes liefern. ⓘ

Wenn ein aktives Sonar zur Messung der Entfernung zwischen dem Schwinger und dem Meeresboden verwendet wird, spricht man von Echolot. Ähnliche Methoden können für die Wellenmessung nach oben verwendet werden. ⓘ

Aktives Sonar wird auch zur Messung der Entfernung durch das Wasser zwischen zwei Sonarwandlern oder einer Kombination aus Hydrofon (akustisches Unterwassermikrofon) und Projektor (akustischer Unterwasserlautsprecher) verwendet. Wenn ein Hydrophon/Wandler ein bestimmtes Abfragesignal empfängt, antwortet er mit der Übertragung eines bestimmten Antwortsignals. Um die Entfernung zu messen, sendet ein Wandler/Projektor ein Abfragesignal und misst die Zeit zwischen dieser Übertragung und dem Empfang der Antwort des anderen Wandlers/Hydrophons. Die Zeitdifferenz, skaliert mit der Schallgeschwindigkeit im Wasser und geteilt durch zwei, ist die Entfernung zwischen den beiden Plattformen. Diese Technik kann, wenn sie mit mehreren Schallwandlern/Hydrophonen/Projektoren verwendet wird, die relative Position von statischen und sich bewegenden Objekten im Wasser berechnen. ⓘ

In Gefechtssituationen kann ein aktiver Impuls von einem Feind erkannt werden und die Position eines U-Boots in der doppelten maximalen Entfernung, in der das U-Boot selbst einen Kontakt erkennen kann, aufdecken und anhand der Merkmale des ausgehenden Pings Hinweise auf die Identität des U-Boots geben. Aus diesen Gründen wird aktives Sonar nicht häufig von militärischen U-Booten eingesetzt. ⓘ

Ein sehr gerichteter, aber wenig effizienter Sonartyp (der von der Fischerei, dem Militär und für die Hafensicherheit verwendet wird) nutzt eine komplexe nichtlineare Eigenschaft des Wassers, die als nichtlineares Sonar bekannt ist, wobei der virtuelle Wandler als parametrisches Array bezeichnet wird. ⓘ

Der Nachteil besteht darin, dass Sender und Empfänger auf irgendeine Weise koordiniert werden müssen, um den Vorteil der Entfernungsbestimmung und damit der schnellen Zielpositionierung zu nutzen. Es ist auch viel schwieriger, die Leistungsfähigkeit der Anlage abzuschätzen und ein vernünftiges Display aufzubauen. ⓘ

Projekt Artemis

Projekt Artemis war ein experimentelles Forschungs- und Entwicklungsprojekt Ende der 1950er bis Mitte der 1960er Jahre zur Untersuchung der akustischen Ausbreitung und Signalverarbeitung für ein aktives Niederfrequenz-Sonarsystem, das für die Meeresüberwachung eingesetzt werden könnte. Ein sekundäres Ziel war die Untersuchung der technischen Probleme von feststehenden aktiven Bodensystemen. Die Empfangsanlage befand sich am Hang der Plantagnet Bank vor den Bermudas. Das aktive Quellensystem wurde von dem aus dem Zweiten Weltkrieg stammenden Tanker USNS Mission Capistrano aus eingesetzt. Elemente von Artemis wurden experimentell verwendet, nachdem das Hauptexperiment beendet war. ⓘ

Transponder

Hierbei handelt es sich um ein aktives Sonargerät, das einen bestimmten Reiz empfängt und das empfangene Signal oder ein vorher festgelegtes Signal sofort (oder verzögert) wieder aussendet. Transponder können verwendet werden, um Unterwassergeräte aus der Ferne zu aktivieren oder zu bergen. ⓘ

Leistungsvorhersage

Ein Sonarziel ist klein im Vergleich zu der Kugel, die um den Sender zentriert ist, auf der es sich befindet. Daher ist die Leistung des reflektierten Signals sehr gering und liegt um mehrere Größenordnungen unter der des ursprünglichen Signals. Selbst wenn das reflektierte Signal die gleiche Leistung hätte, zeigt das folgende Beispiel (unter Verwendung hypothetischer Werte) das Problem: Angenommen, ein Sonarsystem ist in der Lage, in 1 m Entfernung ein Signal von 10.000 W/m² auszusenden und ein Signal von 0,001 W/m² zu erfassen. In 100 m Entfernung beträgt das Signal 1 W/m² (aufgrund des Gesetzes des umgekehrten Quadrats). Wenn das gesamte Signal von einem 10 m² großen Ziel reflektiert wird, liegt es bei 0,001 W/m², wenn es den Sender erreicht, d. h. es ist gerade noch erkennbar. Das ursprüngliche Signal bleibt jedoch bis 3000 m über 0,001 W/m². Jedes 10 m² große Ziel zwischen 100 und 3000 m, das ein ähnliches oder besseres System verwendet, könnte den Impuls erkennen, würde aber vom Sender nicht erfasst werden. Die Detektoren müssen sehr empfindlich sein, um die Echos aufzufangen. Da das ursprüngliche Signal viel stärker ist, kann es viel weiter als bis zur doppelten Reichweite des Sonars (wie in diesem Beispiel) entdeckt werden. ⓘ

Aktive Sonare haben zwei Leistungseinschränkungen: durch Rauschen und Nachhall. Im Allgemeinen überwiegt der eine oder andere Effekt, so dass die beiden Effekte zunächst getrennt betrachtet werden können. ⓘ

Unter rauschbegrenzten Bedingungen bei der anfänglichen Erfassung:

SL - 2PL + TS - (NL - AG) = DT,

wobei SL der Quellpegel, PL der Ausbreitungsverlust (manchmal als Übertragungsverlust bezeichnet), TS die Zielstärke, NL der Rauschpegel, AG die Array-Verstärkung des empfangenden Arrays (manchmal durch seinen Richtungsindex angenähert) und DT die Detektionsschwelle ist. ⓘ

Unter nachhallbegrenzten Bedingungen bei der Erstdetektion (unter Vernachlässigung der Arrayverstärkung):

SL - 2PL + TS = RL + DT,

wobei RL der Nachhallpegel ist und die anderen Faktoren wie zuvor sind. ⓘ

Handsonar für die Verwendung durch einen Taucher

• Das LIMIS (limpet mine imaging sonar) ist ein handgehaltenes oder auf einem ROV montiertes bildgebendes Sonar für den Einsatz durch einen Taucher. Sein Name rührt daher, dass es für Patrouillentaucher (Kampfschwimmer oder Räumungstaucher) entwickelt wurde, um in Gewässern mit geringer Sichtweite nach Haftminen zu suchen.
• Das LUIS (Lensing Underwater Imaging System) ist ein weiteres bildgebendes Sonargerät für Taucher.
• Es gibt bzw. gab ein kleines Handsonar in Form einer Taschenlampe für Taucher, das lediglich die Entfernung anzeigt.
• Für das INSS (integriertes Navigationssonarsystem) ⓘ

Aufwärts gerichtetes Sonar

Ein aufwärtsgerichtetes Sonar (ULS) ist ein Sonargerät, das nach oben gerichtet ist und auf die Meeresoberfläche schaut. Es wird für ähnliche Zwecke eingesetzt wie das abwärtsgerichtete Sonar, hat aber einige einzigartige Anwendungen wie die Messung von Meereisdicke, -rauhigkeit und -konzentration oder die Messung des Lufteintrags von Blasenfahnen bei rauer See. Oft wird es auf dem Meeresboden verankert oder schwimmt an einer gespannten Leine in einer konstanten Tiefe von vielleicht 100 m. Es kann auch von U-Booten, AUVs und Schwimmern wie dem Argo-Schwimmer eingesetzt werden. ⓘ

Passives Sonar

Passives Sonar hört zu, ohne zu senden. Es wird häufig im militärischen Bereich eingesetzt, aber auch in der Wissenschaft, z. B. zum Aufspüren von Fischen für Anwesenheits-/Abwesenheitsstudien in verschiedenen aquatischen Umgebungen - siehe auch passive Akustik und passives Radar. Im weitesten Sinne kann dieser Begriff praktisch jede Analysetechnik umfassen, bei der ferngesteuerter Schall zum Einsatz kommt, obwohl er normalerweise auf Techniken beschränkt ist, die in einer aquatischen Umgebung angewendet werden. ⓘ

Identifizierung von Schallquellen

Passives Sonar verfügt über eine Vielzahl von Techniken zur Identifizierung der Quelle eines erkannten Schalls. Zum Beispiel arbeiten US-Schiffe in der Regel mit 60-Hz-Wechselstromsystemen. Wenn Transformatoren oder Generatoren ohne angemessene Schwingungsisolierung am Rumpf angebracht sind oder überflutet werden, kann der 60-Hz-Schall der Wicklungen vom U-Boot oder Schiff abgestrahlt werden. Dies kann zur Identifizierung der Nationalität beitragen, da alle europäischen U-Boote und fast alle anderen U-Boote mit 50-Hz-Stromversorgungssystemen ausgestattet sind. Intermittierende Geräuschquellen (z. B. das Fallenlassen eines Schraubenschlüssels), so genannte "Transienten", können ebenfalls von passivem Sonar erfasst werden. Bis vor kurzem wurden die Signale von einem erfahrenen, geschulten Bediener identifiziert, aber jetzt können Computer diese Aufgabe übernehmen. ⓘ

Passivsonarsysteme können über große Schalldatenbanken verfügen, aber der Sonarbediener klassifiziert die Signale in der Regel manuell. Ein Computersystem nutzt diese Datenbanken häufig, um Schiffsklassen, Aktionen (z. B. die Geschwindigkeit eines Schiffes oder die Art der abgefeuerten Waffe und die wirksamsten Gegenmaßnahmen) und sogar bestimmte Schiffe zu identifizieren. ⓘ

Einschränkungen beim Lärm

Passives Sonar auf Fahrzeugen ist in der Regel aufgrund des vom Fahrzeug erzeugten Lärms stark eingeschränkt. Aus diesem Grund arbeiten viele U-Boote mit Kernreaktoren, die ohne Pumpen durch geräuschlose Konvektion gekühlt werden können, oder mit Brennstoffzellen oder Batterien, die ebenfalls geräuschlos arbeiten können. Auch die Propeller der Fahrzeuge sind so konstruiert und präzise bearbeitet, dass sie möglichst wenig Lärm verursachen. Hochgeschwindigkeits-Propeller erzeugen oft winzige Bläschen im Wasser, und diese Kavitation hat einen deutlichen Klang. ⓘ

Die Sonar-Hydrofone können hinter dem Schiff oder U-Boot geschleppt werden, um die Auswirkungen des vom Wasserfahrzeug selbst erzeugten Lärms zu verringern. Geschleppte Geräte bekämpfen auch die Sprungschicht, da das Gerät über oder unter der Sprungschicht geschleppt werden kann. ⓘ

Die Anzeige der meisten passiven Sonare war früher eine zweidimensionale Wasserfallanzeige. Die horizontale Richtung der Anzeige ist die Peilung. Die Vertikale ist die Frequenz, manchmal auch die Zeit. Eine andere Anzeige tief L ist die Farbcodierung der Frequenz-Zeit-Informationen für die Peilung. Neuere Anzeigen werden von den Computern generiert und ahmen die radarähnlichen Positionsanzeigen nach. ⓘ

Leistungsvorhersage

Im Gegensatz zum aktiven Sonar erfolgt die Ausbreitung nur in eine Richtung. Aufgrund der unterschiedlichen Signalverarbeitung ist das minimal erkennbare Signal-Rausch-Verhältnis unterschiedlich. Die Gleichung zur Bestimmung der Leistung eines passiven Sonars lautet

SL - PL = NL - AG + DT,

wobei SL der Quellpegel, PL der Ausbreitungsverlust, NL der Rauschpegel, AG die Array-Verstärkung und DT die Detektionsschwelle ist. Die Leistungsziffer eines passiven Sonars ist

FOM = SL + AG - (NL + DT). ⓘ

Leistungsfaktoren

Die Entdeckungs-, Klassifizierungs- und Lokalisierungsleistung eines Sonars hängt von der Umgebung und der Empfangsanlage sowie von der Sendeanlage bei einem aktiven Sonar oder dem Zielstrahlungsrauschen bei einem passiven Sonar ab. ⓘ

Schallausbreitung

Der Betrieb eines Sonars wird durch Schwankungen der Schallgeschwindigkeit, insbesondere in der vertikalen Ebene, beeinflusst. Der Schall breitet sich in Süßwasser langsamer aus als in Meerwasser, auch wenn der Unterschied gering ist. Die Geschwindigkeit wird durch den Schüttungsmodul und die Massendichte des Wassers bestimmt. Der Schüttungsmodul wird von der Temperatur, den gelösten Verunreinigungen (in der Regel dem Salzgehalt) und dem Druck beeinflusst. Der Einfluss der Dichte ist gering. Die Schallgeschwindigkeit (in Fuß pro Sekunde) beträgt ungefähr:

4388 + (11,25 × Temperatur (in °F)) + (0,0182 × Tiefe (in Fuß)) + Salzgehalt (in Teilen pro Tausend). ⓘ

Diese empirisch abgeleitete Näherungsgleichung ist für normale Temperaturen, Salzkonzentrationen und den Bereich der meisten Meerestiefen recht genau. Die Temperatur des Ozeans schwankt mit der Tiefe, aber zwischen 30 und 100 Metern gibt es oft eine deutliche Veränderung, die so genannte Sprungschicht, die das wärmere Oberflächenwasser vom kalten, ruhigen Wasser des restlichen Ozeans trennt. Dies kann das Sonar stören, da Schall, der auf einer Seite der Sprungschicht entsteht, durch die Sprungschicht gebeugt oder gebrochen wird. Die Sprungschicht kann auch in flacheren Küstengewässern vorhanden sein. Durch die Wellenbewegung wird die Wassersäule jedoch oft durchmischt und die Sprungschicht verschwindet. Auch der Wasserdruck wirkt sich auf die Schallausbreitung aus: Ein höherer Druck erhöht die Schallgeschwindigkeit, so dass sich die Schallwellen von dem Bereich mit der höheren Schallgeschwindigkeit weg brechen. Das mathematische Modell der Brechung wird als Snellsches Gesetz bezeichnet. ⓘ

Wenn die Schallquelle tief liegt und die Bedingungen stimmen, kann die Ausbreitung im "tiefen Schallkanal" erfolgen. Dies führt zu extrem geringen Ausbreitungsverlusten bei einem Empfänger im Kanal. Dies liegt daran, dass der Schall im Kanal gefangen bleibt und an den Grenzen keine Verluste auftreten. Eine ähnliche Ausbreitung kann unter geeigneten Bedingungen auch im "Oberflächenkanal" stattfinden. In diesem Fall gibt es jedoch Reflexionsverluste an der Oberfläche. ⓘ

In flachen Gewässern erfolgt die Ausbreitung im Allgemeinen durch wiederholte Reflexion an der Oberfläche und am Boden, wo erhebliche Verluste auftreten können. ⓘ

Die Schallausbreitung wird durch die Absorption im Wasser selbst sowie an der Oberfläche und am Grund beeinflusst. Diese Absorption hängt von der Frequenz ab, wobei es im Meerwasser verschiedene Mechanismen gibt. Bei Langstreckensonaren werden niedrige Frequenzen verwendet, um die Absorptionseffekte zu minimieren. ⓘ

Im Meer gibt es viele Lärmquellen, die das gewünschte Zielecho oder die Signatur stören. Die Hauptlärmquellen sind Wellen und der Schiffsverkehr. Auch die Bewegung des Empfängers durch das Wasser kann geschwindigkeitsabhängige niederfrequente Störungen verursachen. ⓘ

Streuung

Bei der Verwendung von Aktivsonar treten Streuungen an kleinen Objekten im Meer sowie am Meeresboden und an der Oberfläche auf. Dies kann eine wichtige Störquelle sein. Diese akustische Streuung ist vergleichbar mit der Streuung des Lichts von Autoscheinwerfern im Nebel: Ein hochintensiver Lichtstrahl durchdringt den Nebel bis zu einem gewissen Grad, aber Scheinwerfer mit breiterem Lichtkegel strahlen viel Licht in unerwünschte Richtungen ab, wovon ein großer Teil zum Beobachter zurückgestreut wird, während das vom Ziel reflektierte Licht überwiegt ("white-out"). Aus ähnlichen Gründen muss aktives Sonar in einem engen Strahl übertragen werden, um die Streuung zu minimieren.

Blasenwolken unter dem Meer dargestellt. Aus ref.

Durch die Streuung des Sonars an Objekten (Minen, Pipelines, Zooplankton, geologischen Merkmalen, Fischen usw.) erkennt das aktive Sonar diese, aber diese Fähigkeit kann durch starke Streuung an falschen Zielen oder "Clutter" überdeckt werden. Gasblasen sind dort, wo sie vorkommen (unter brechenden Wellen, in Schiffswellen, in Gas, das von Lecks am Meeresboden ausgeht, usw.), eine starke Quelle von Störsignalen und können Ziele leicht verdecken. TWIPS (Twin Inverted Pulse Sonar) ist derzeit das einzige Sonar, das dieses Störungsproblem überwinden kann.

Vergleich von Standard-Sonar und TWIPS bei der Suche nach einem Ziel in blubberndem Wasser. Angepasst von ref.

Dies ist wichtig, da viele Konflikte in jüngster Zeit in Küstengewässern ausgetragen wurden und die Unfähigkeit, zu erkennen, ob Minen vorhanden sind oder nicht, Gefahren und Verzögerungen für Militärschiffe, aber auch für Hilfskonvois und Handelsschiffe mit sich bringt, die versuchen, die Region lange nach Beendigung des Konflikts zu unterstützen. ⓘ

Eigenschaften des Ziels

Die Schallreflexionseigenschaften des Ziels eines aktiven Sonars, z. B. eines U-Boots, werden als dessen Zielstärke bezeichnet. Erschwerend kommt hinzu, dass auch Echos von anderen Objekten im Meer wie Walen, Kielwasser, Fischschwärmen und Felsen empfangen werden. ⓘ

Passives Sonar erfasst die abgestrahlten Geräuscheigenschaften des Ziels. Das abgestrahlte Spektrum umfasst ein kontinuierliches Rauschspektrum mit Spitzen bei bestimmten Frequenzen, die zur Klassifizierung verwendet werden können. ⓘ

Gegenmaßnahmen

Aktive (angetriebene) Gegenmaßnahmen können von einem angegriffenen Schiff gestartet werden, um den Geräuschpegel zu erhöhen, ein großes falsches Ziel darzustellen und die Signatur des Schiffes selbst zu verschleiern. ⓘ

Zu den passiven (d. h. nicht angetriebenen) Gegenmaßnahmen gehören:

• Anbringung von lärmerzeugenden Geräten an isolierenden Vorrichtungen.
• Schallabsorbierende Beschichtungen auf dem Rumpf von U-Booten, z. B. schallschluckende Kacheln. ⓘ

Militärische Anwendungen

In der modernen Seekriegsführung wird in großem Umfang sowohl passives als auch aktives Sonar von Wasserfahrzeugen, Flugzeugen und festen Anlagen aus eingesetzt. Während Überwasserschiffe im Zweiten Weltkrieg aktives Sonar einsetzten, vermieden U-Boote den Einsatz von aktivem Sonar, da sie ihre Anwesenheit und Position den feindlichen Streitkräften verraten könnten. Das Aufkommen der modernen Signalverarbeitung ermöglichte jedoch den Einsatz von passivem Sonar als primäres Mittel für Such- und Aufdeckungsoperationen. 1987 verkaufte eine Abteilung des japanischen Unternehmens Toshiba Berichten zufolge Maschinen an die Sowjetunion, mit denen die Propellerblätter von U-Booten so bearbeitet werden konnten, dass sie wesentlich leiser wurden und die neuere Generation von U-Booten schwerer zu entdecken war. ⓘ

Der Einsatz von aktivem Sonar durch ein U-Boot zur Bestimmung der Peilung ist äußerst selten und liefert dem Feuerleitungsteam des U-Boots nicht unbedingt qualitativ hochwertige Peilungs- oder Entfernungsinformationen. Der Einsatz von aktivem Sonar auf Überwasserschiffen ist jedoch sehr verbreitet und wird von U-Booten verwendet, wenn die taktische Situation es erfordert, die Position eines feindlichen U-Boots zu bestimmen, anstatt die eigene Position zu verbergen. Bei Überwasserschiffen kann man davon ausgehen, dass die Bedrohung das Schiff bereits mit Satellitendaten verfolgt, da jedes Schiff in der Nähe des emittierenden Sonars das Signal wahrnimmt. Nach dem Hören des Signals ist es einfach, das verwendete Sonargerät (in der Regel anhand seiner Frequenz) und seine Position (anhand der Energie der Schallwelle) zu identifizieren. Das aktive Sonar ist dem Radar insofern ähnlich, als es zwar die Erkennung von Zielen in einer bestimmten Entfernung ermöglicht, aber auch die Erkennung des Senders in einer viel größeren Entfernung, was unerwünscht ist. ⓘ

Da aktives Sonar die Anwesenheit und Position des Bedieners verrät und keine genaue Klassifizierung der Ziele erlaubt, wird es von schnellen (Flugzeuge, Hubschrauber) und lauten Plattformen (die meisten Überwasserschiffe), aber selten von U-Booten eingesetzt. Wird aktives Sonar von Überwasserschiffen oder U-Booten eingesetzt, so wird es in der Regel nur sehr kurz und in unregelmäßigen Abständen aktiviert, um das Risiko einer Entdeckung zu minimieren. Daher wird aktives Sonar normalerweise als Ersatz für passives Sonar betrachtet. In Flugzeugen wird aktives Sonar in Form von Einweg-Sonobuys eingesetzt, die im Patrouillengebiet des Flugzeugs oder in der Nähe möglicher feindlicher Sonarkontakte abgeworfen werden. ⓘ

Passives Sonar hat mehrere Vorteile, vor allem ist es geräuschlos. Wenn der abgestrahlte Geräuschpegel des Ziels hoch genug ist, kann es eine größere Reichweite haben als aktives Sonar und ermöglicht die Identifizierung des Ziels. Da jedes motorisierte Objekt ein gewisses Maß an Geräuschen erzeugt, kann es im Prinzip erkannt werden, je nach Geräuschpegel und Umgebungsgeräuschen in dem betreffenden Gebiet sowie der verwendeten Technologie. Vereinfacht gesagt, "sieht" das passive Sonar um das Schiff herum, das es benutzt. Auf einem U-Boot erkennt das am Bug montierte passive Sonar in Richtungen von etwa 270°, zentriert auf die Ausrichtung des Schiffes, das am Rumpf montierte Array von etwa 160° auf jeder Seite und das geschleppte Array von vollen 360°. Die unsichtbaren Bereiche sind auf die schiffseigenen Interferenzen zurückzuführen. Sobald ein Signal in einer bestimmten Richtung erkannt wird (was bedeutet, dass etwas in dieser Richtung Geräusche macht, dies wird als Breitbanderkennung bezeichnet), ist es möglich, das empfangene Signal zu vergrößern und zu analysieren (Schmalbandanalyse). Dazu wird in der Regel eine Fourier-Transformation durchgeführt, um die verschiedenen Frequenzen, aus denen das Geräusch besteht, aufzuzeigen. Da jeder Motor ein spezifisches Geräusch erzeugt, ist es einfach, das Objekt zu identifizieren. Datenbanken mit eindeutigen Triebwerksgeräuschen sind Teil der so genannten akustischen Intelligenz oder ACINT. ⓘ

Eine weitere Anwendung des passiven Sonars ist die Bestimmung der Flugbahn des Ziels. Dieser Prozess wird als Zielbewegungsanalyse (TMA) bezeichnet, und die daraus resultierende "Lösung" ist die Entfernung, der Kurs und die Geschwindigkeit des Ziels. Die TMA wird durchgeführt, indem markiert wird, aus welcher Richtung der Schall zu verschiedenen Zeiten kommt, und die Bewegung mit der des eigenen Schiffs verglichen wird. Änderungen der relativen Bewegung werden mit Hilfe geometrischer Standardverfahren und einigen Annahmen über Grenzfälle analysiert. ⓘ

Passives Sonar ist unauffällig und sehr nützlich. Es erfordert jedoch elektronische Hightech-Komponenten und ist kostspielig. Es wird im Allgemeinen auf teuren Schiffen in Form von Arrays eingesetzt, um die Erkennung zu verbessern. Überwasserschiffe nutzen es mit gutem Erfolg; noch besser wird es von U-Booten genutzt, und auch Flugzeuge und Hubschrauber setzen es ein, meist für einen "Überraschungseffekt", da sich U-Boote unter Wärmeschichten verstecken können. Wenn der Kommandant eines U-Boots glaubt, allein zu sein, kann er sein Boot näher an die Oberfläche bringen, um leichter entdeckt zu werden, oder tiefer und schneller fahren und so mehr Schall erzeugen. ⓘ

Beispiele für Sonaranwendungen im militärischen Bereich sind unten aufgeführt. Viele der zivilen Anwendungen, die im folgenden Abschnitt beschrieben werden, können auch in der Marine eingesetzt werden. ⓘ

FAS (englisch Flankarray Sonar), Seitenantennen-Sonar, bezeichnet bei U-Booten ein passives Sonar an beiden Seiten des Rumpfes. ⓘ

Anti-U-Boot-Kriegsführung

Variables Tiefensonar und seine Winde ⓘ

Bis vor kurzem wurden Schiffssonare in der Regel mit am Rumpf montierten Arrays hergestellt, entweder mittschiffs oder am Bug. Schon bald nach ihrem ersten Einsatz stellte sich heraus, dass ein Mittel zur Reduzierung der Strömungsgeräusche erforderlich war. Die ersten wurden aus Segeltuch auf einem Gerüst gefertigt, später wurden Stahlkonstruktionen verwendet. Heute sind die Kuppeln meist aus verstärktem Kunststoff oder Druckgummi gefertigt. Solche Sonare sind in erster Linie aktiv im Einsatz. Ein Beispiel für ein herkömmliches, am Rumpf montiertes Sonar ist das SQS-56. ⓘ

Wegen der Probleme mit dem Schiffslärm werden auch Schleppsonare eingesetzt. Diese haben den Vorteil, dass sie tiefer im Wasser platziert werden können, sind aber in flachen Gewässern nur eingeschränkt einsetzbar. Sie werden als geschleppte Arrays (linear) oder als Sonare mit variabler Tiefe (VDS) mit 2/3D-Arrays bezeichnet. Ein Problem ist, dass die Winden, die zum Ausbringen/Einholen dieser Geräte erforderlich sind, groß und teuer sind. VDS-Geräte arbeiten hauptsächlich aktiv, während geschleppte Arrays passiv sind. ⓘ

Ein Beispiel für ein modernes aktives und passives Sonar ist das Sonar 2087 von Thales Underwater Systems. ⓘ

Torpedos

Moderne Torpedos sind in der Regel mit einem aktiven/passiven Sonar ausgestattet. Damit kann das Ziel direkt anvisiert werden, aber es werden auch Torpedos mit Heckpeilung verwendet. Ein frühes Beispiel für einen akustischen Zielsucher war der Mark 37-Torpedo. ⓘ

Torpedo-Gegenmaßnahmen können geschleppt oder frei sein. Ein frühes Beispiel war das deutsche Sieglinde-Gerät, während das Bold-Gerät ein chemisches Gerät war. Ein weit verbreitetes US-amerikanisches Gerät war das geschleppte AN/SLQ-25 Nixie, während der mobile U-Boot-Simulator (MOSS) ein freies Gerät war. Eine moderne Alternative zum Nixie-System ist das S2170 Surface Ship Torpedo Defence System der britischen Royal Navy. ⓘ

Minen

Minen können mit einem Sonar ausgestattet sein, um das gewünschte Ziel zu entdecken, zu lokalisieren und zu erkennen. Ein Beispiel hierfür ist die CAPTOR-Mine. ⓘ

Minenmeidesonare sind hochfrequente Aktivsonare zur Warnung vor Minen. ⓘ

Minen-Gegenmaßnahmen

Minenabwehrsonare (MCM-Sonare), manchmal auch als Minen- und Hindernisvermeidungssonare (MOAS) bezeichnet, sind spezielle Sonare, die zum Aufspüren kleiner Objekte eingesetzt werden. Die meisten MCM-Sonare sind am Schiffskörper montiert, einige wenige sind jedoch als VDS-Geräte ausgeführt. Ein Beispiel für ein am Rumpf montiertes MCM-Sonar ist der Typ 2193, während das Minenjagdsonar SQQ-32 und der Typ 2093 VDS-Systeme sind. ⓘ

U-Boot-Navigation

U-Boote sind in höherem Maße als Überwasserschiffe auf Sonar angewiesen, da sie im Wasser kein Radar verwenden können. Die Sonaranlagen können am Rumpf montiert oder geschleppt werden. Informationen über typische Einbauten finden Sie in U-Boot der Oyashio-Klasse und U-Boot der Swiftsure-Klasse. ⓘ

Luftfahrzeuge

AN/AQS-13 Tauchsonar, eingesetzt von einer H-3 Sea King ⓘ

Hubschrauber können zur U-Boot-Bekämpfung eingesetzt werden, indem sie Felder mit aktiv-passiven Sonobooten ausbringen oder Tauchsonare wie das AQS-13 betreiben. Starrflügler können ebenfalls Sonobojen ausbringen und verfügen über eine größere Ausdauer und Kapazität, um sie auszubringen. Die Verarbeitung durch die Sonoboys oder das Tauchsonar kann im Flugzeug oder auf dem Schiff erfolgen. Tauchsonare haben den Vorteil, dass sie in Tiefen eingesetzt werden können, die den täglichen Bedingungen entsprechen. Hubschrauber wurden auch für Minenbekämpfungseinsätze mit Schleppsonaren wie dem AQS-20A eingesetzt. ⓘ

HMS-Sonar AN/SQS-53 der USS Cowpens (CG-63) ⓘ

VDS-Gerät auf der französischen Fregatte La Motte-Picquet (D645); zu sehen ist der hintere Teil mit Lenkflossen ⓘ

Verladen von Sonobojen in einer Lockheed P-3 ⓘ

Neben den genannten grundsätzlichen Sonarversionen gibt es eine Reihe Sonare, die sich durch Aufbau und Anwendung unterscheiden: ⓘ

Unterwasserkommunikation

Für die Unterwasserkommunikation können Schiffe und U-Boote mit speziellen Sonaren ausgestattet werden. ⓘ

Überwachung der Ozeane

Die Vereinigten Staaten begannen 1950 mit einem System passiver, ortsfester Meeresüberwachungssysteme mit dem geheimen Namen Sound Surveillance System (SOSUS). Die American Telephone and Telegraph Company (AT&T), ihre Forschungsabteilung Bell Laboratories und die Produktionseinheiten von Western Electric wurden mit der Entwicklung und Installation beauftragt. Das System nutzte den SOFAR-Kanal, der auch als Tiefenschallkanal bekannt ist und bei dem ein Minimum an Schallgeschwindigkeit einen Wellenleiter erzeugt, in dem sich niederfrequenter Schall über Tausende von Meilen ausbreitet. Die Analyse basierte auf einem AT&T-Schallspektrographen, der den Schall in ein visuelles Spektrogramm umwandelte, das eine Zeit-Frequenz-Analyse des Schalls darstellte, die für die Sprachanalyse entwickelt und für die Analyse niederfrequenter Unterwassergeräusche modifiziert worden war. Dieses Verfahren wurde Niederfrequenzanalyse und -aufzeichnung genannt, und das Gerät wurde als Low Frequency Analyzer and Recorder bezeichnet, beide mit dem Akronym LOFAR. Die LOFAR-Forschung wurde als Jezebel bezeichnet und führte zur Verwendung in Luft- und Oberflächensystemen, insbesondere in Sonobojen, die das Verfahren nutzten und manchmal "Jezebel" in ihrem Namen trugen. Das vorgeschlagene System war so vielversprechend für die Erkennung von U-Booten über große Entfernungen, dass die Marine die sofortige Umsetzung anordnete. ⓘ

Lofargram-Schreiber, einer für jeden Array-Strahl, in einer NAVFAC-Wache. ⓘ

Zwischen der Installation einer Testanlage und der Errichtung eines voll funktionsfähigen Prototyps mit vierzig Elementen in den Jahren 1951 und 1958 wurden Systeme im Atlantik und dann im Pazifik unter dem nicht klassifizierten Namen Projekt Caesar installiert. Die ursprünglichen Systeme wurden an als geheim eingestuften Landstationen mit der Bezeichnung Naval Facility (NAVFAC) beendet, die als "Ozeanforschung" deklariert wurden, um ihren geheimen Auftrag zu decken. Das System wurde mehrfach mit moderneren Kabeln aufgerüstet, die es ermöglichten, die Arrays in Meeresbecken zu installieren und die Verarbeitung zu verbessern. Die Landstationen wurden im Rahmen eines Konsolidierungsprozesses abgeschafft und die Arrays bis in die 1990er Jahre zu zentralen Verarbeitungszentren umgeleitet. 1985, als neue mobile Arrays und andere Systeme in Betrieb genommen wurden, wurde der Name des Gesamtsystems in Integrated Undersea Surveillance System (IUSS) geändert. Im Jahr 1991 wurde der Auftrag des Systems deklassiert. Im Jahr zuvor wurden die IUSS-Abzeichen zum Tragen freigegeben. Der Zugang zu einigen Systemen wurde für wissenschaftliche Forschungszwecke gewährt. ⓘ

Es wird vermutet, dass ein ähnliches System von der Sowjetunion betrieben wurde. ⓘ

Sicherheit unter Wasser

Sonar kann eingesetzt werden, um Froschmänner und andere Taucher aufzuspüren. Dies kann in der Nähe von Schiffen oder an Hafeneingängen eingesetzt werden. Aktives Sonar kann auch zur Abschreckung und/oder Deaktivierung eingesetzt werden. Ein solches Gerät ist das Cerberus-System. ⓘ

AN/PQS-2A Handsonar, hier mit abnehmbarem Schwimmkragen und Magnetkompass ⓘ

Handgehaltenes Sonar

Das bildgebende Sonar für Haftminen (LIMIS) ist ein handgehaltenes oder auf einem ROV montiertes bildgebendes Sonar, das für Patrouillentaucher (Kampfschwimmer oder Räumungstaucher) entwickelt wurde, um in Gewässern mit geringer Sichtweite nach Haftminen zu suchen. ⓘ

Das LUIS ist ein weiteres abbildendes Sonargerät für Taucher. ⓘ

Das integrierte Navigationssonar (INSS) ist ein kleines Handsonar in Form einer Taschenlampe für Taucher, das die Entfernung anzeigt. ⓘ

Abhörsonar

Hierbei handelt es sich um ein Sonar, das dazu dient, Übertragungen von feindlichen aktiven Sonaren zu erkennen und zu lokalisieren. Ein Beispiel hierfür ist der Typ 2082, der auf den britischen U-Booten der Vanguard-Klasse installiert ist. ⓘ

Zivile Anwendungen

Fischerei

Die Fischerei ist ein wichtiger Wirtschaftszweig, der eine wachsende Nachfrage verzeichnet, aber die weltweiten Fangmengen gehen aufgrund ernster Ressourcenprobleme zurück. Die Industrie steht vor einer Zukunft, in der sich die weltweite Konsolidierung fortsetzt, bis ein Punkt der Nachhaltigkeit erreicht ist. Die Konsolidierung der Fischereiflotten führt jedoch zu einer steigenden Nachfrage nach hochentwickelter Fischortungselektronik wie Sensoren, Echoloten und Sonaren. In der Vergangenheit haben die Fischer viele verschiedene Techniken eingesetzt, um Fische zu finden und zu fangen. Die akustische Technologie war jedoch eine der wichtigsten Triebkräfte für die Entwicklung der modernen kommerziellen Fischerei. ⓘ

Schallwellen breiten sich in Fischen anders aus als in Wasser, weil die luftgefüllte Schwimmblase eines Fisches eine andere Dichte hat als Meerwasser. Dieser Dichteunterschied ermöglicht das Aufspüren von Fischschwärmen mit Hilfe von reflektiertem Schall. Die akustische Technologie eignet sich besonders gut für Unterwasseranwendungen, da sich der Schall unter Wasser weiter und schneller ausbreitet als in der Luft. Heutzutage verlassen sich kommerzielle Fischereifahrzeuge fast ausschließlich auf akustische Sonare und Peilgeräte, um Fische aufzuspüren. Fischer verwenden auch aktive Sonar- und Echolottechnologie, um Wassertiefe, Bodenkontur und Bodenbeschaffenheit zu bestimmen. ⓘ

Kabinendisplay eines Fischfindersonars ⓘ

Unternehmen wie eSonar, Raymarine, Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp und Simrad stellen eine Vielzahl von Sonar- und akustischen Instrumenten für die kommerzielle Hochseefischerei her. Netzsensoren nehmen beispielsweise verschiedene Unterwassermessungen vor und übertragen die Informationen an einen Empfänger an Bord eines Schiffes. Jeder Sensor ist je nach seiner spezifischen Funktion mit einem oder mehreren Schallwandlern ausgestattet. Die Daten werden von den Sensoren mittels drahtloser akustischer Telemetrie übertragen und von einem am Schiffsrumpf montierten Hydrofon empfangen. Die analogen Signale werden dekodiert und von einem digitalen akustischen Empfänger in Daten umgewandelt, die an einen Brückencomputer zur grafischen Darstellung auf einem hochauflösenden Monitor übertragen werden. ⓘ

Echolot

Echolot ist ein Verfahren zur Bestimmung der Wassertiefe unter Schiffen und Booten. Beim Echolot, einer Art aktivem Sonar, wird ein Schallimpuls direkt auf den Meeresboden gesendet, wobei die Zeit zwischen der Aussendung und der Rückkehr des Echos nach dem Auftreffen auf den Grund und dem Zurückprallen zum Ursprungsschiff gemessen wird. Der Schallimpuls wird von einem Wandler ausgesendet, der auch das zurückkehrende Echo empfängt. Die Tiefenmessung wird durch Multiplikation der Schallgeschwindigkeit im Wasser (durchschnittlich 1.500 Meter pro Sekunde) mit der Zeit zwischen Aussendung und Rückkehr des Echos berechnet. ⓘ

Die Bedeutung der Unterwasserakustik für die Fischerei hat zur Entwicklung anderer akustischer Instrumente geführt, die ähnlich wie Echolote funktionieren, aber aufgrund ihrer etwas anderen Funktion als das ursprüngliche Modell des Echolots andere Bezeichnungen erhalten haben. ⓘ

Netzortung

Das Netzecholot ist ein Echolot mit einem Schwinger, der an der Oberkante des Netzes und nicht am Boden des Schiffes angebracht ist. Um den Abstand zwischen dem Schwinger und der Anzeigeeinheit, der viel größer ist als bei einem normalen Echolot, zu berücksichtigen, müssen jedoch einige Verbesserungen vorgenommen werden. Es gibt zwei Haupttypen. Der erste ist der Kabeltyp, bei dem die Signale über ein Kabel gesendet werden. In diesem Fall muss eine Kabeltrommel vorgesehen werden, auf der das Kabel während der verschiedenen Phasen des Einsatzes gezogen, geschossen und verstaut werden kann. Der zweite Typ ist das kabellose Netz-Echolot - wie der Trawl Explorer von Marport -, bei dem die Signale akustisch zwischen dem Netz und dem am Schiffsrumpf montierten Empfänger-Hydrofon übertragen werden. In diesem Fall ist keine Kabeltrommel erforderlich, aber es wird eine hochentwickelte Elektronik am Wandler und Empfänger benötigt. ⓘ

Die Anzeige auf einem Netzlot zeigt die Entfernung des Netzes vom Grund (oder von der Oberfläche) an und nicht die Wassertiefe wie bei dem am Rumpf montierten Echolotgeber. An der Oberkante des Netzes ist in der Regel die Fußleine zu sehen, die einen Hinweis auf die Leistung des Netzes gibt. Jeder Fisch, der in das Netz geht, kann ebenfalls gesehen werden, so dass Feineinstellungen vorgenommen werden können, um möglichst viele Fische zu fangen. In anderen Fischereien, in denen die Menge der Fische im Netz wichtig ist, werden an verschiedenen Stellen am Steert des Netzes Messwertgeber angebracht. Wenn sich der Steert füllt, werden diese Sensorgeber einer nach dem anderen ausgelöst, und diese Information wird akustisch an die Bildschirme auf der Brücke des Schiffes übertragen. Der Kapitän kann dann entscheiden, wann das Netz eingeholt werden soll. ⓘ

Moderne Versionen der Netzlotsen, die mehrere Elementschwinger verwenden, funktionieren eher wie ein Sonar als ein Echolot und zeigen Scheiben des Bereichs vor dem Netz und nicht nur die vertikale Ansicht, die die ursprünglichen Netzlotsen verwendeten. ⓘ

Das Sonar ist ein Echolot mit einer Richtungsfunktion, die Fische oder andere Objekte in der Umgebung des Schiffes anzeigen kann. ⓘ

ROV und UUV

An ferngesteuerten Fahrzeugen (ROVs) und unbemannten Unterwasserfahrzeugen (UUVs) wurden kleine Sonare angebracht, damit sie auch bei trüben Bedingungen eingesetzt werden können. Diese Sonare dienen dazu, vor dem Fahrzeug zu sehen. Das Long-Term Mine Reconnaissance System ist ein UUV für MCM-Zwecke. ⓘ

Fahrzeugortung

Sonare, die als Baken fungieren, werden in Flugzeuge eingebaut, um deren Ortung im Falle eines Absturzes im Meer zu ermöglichen. Kurz- und Langstreckensonare können zur Ortung eingesetzt werden, z. B. LBL. ⓘ

Prothese für sehbehinderte Menschen

Im Jahr 2013 stellte ein Erfinder in den Vereinigten Staaten einen "spider-sense"-Körperanzug vor, der mit Ultraschallsensoren und haptischen Rückmeldesystemen ausgestattet ist und den Träger vor ankommenden Bedrohungen warnt; so kann er selbst mit verbundenen Augen auf Angreifer reagieren. ⓘ

Wissenschaftliche Anwendungen

Schätzung der Biomasse

Erkennung von Fischen und anderen Meeres- und Wasserlebewesen und Schätzung ihrer individuellen Größe oder Gesamtbiomasse mit Hilfe aktiver Sonartechniken. Während sich der Schallimpuls durch das Wasser bewegt, trifft er auf Objekte, die eine andere Dichte oder andere akustische Eigenschaften als das umgebende Medium aufweisen, wie z. B. Fische, die den Schall zurück zur Schallquelle reflektieren. Diese Echos liefern Informationen über die Größe, den Standort, den Bestand und das Verhalten der Fische. Die Daten werden in der Regel mit einer Reihe von Software wie Echoview verarbeitet und ausgewertet. ⓘ

Wellenmessung

Ein aufwärts gerichtetes Echolot, das auf dem Grund oder auf einer Plattform montiert ist, kann zur Messung von Wellenhöhe und -periode verwendet werden. Daraus lassen sich statistische Daten über die Oberflächenbedingungen an einem bestimmten Ort ableiten. ⓘ

Messung der Wassergeschwindigkeit

Für die Messung der Wassergeschwindigkeit wurden spezielle Sonare mit kurzer Reichweite entwickelt. ⓘ

Bewertung des Bodentyps

Es wurden Sonare entwickelt, mit denen der Meeresboden z. B. in Schlamm, Sand und Kies unterteilt werden kann. Relativ einfache Sonare wie Echolote können über Zusatzmodule zu Systemen zur Klassifizierung des Meeresbodens erweitert werden, die Echoparameter in Sedimenttypen umwandeln. Es gibt verschiedene Algorithmen, die jedoch alle auf Veränderungen der Energie oder Form der reflektierten Echos beruhen. Fortgeschrittene Substratklassifizierungsanalysen können mit kalibrierten (wissenschaftlichen) Echoloten und einer parametrischen oder fuzzy-logischen Analyse der akustischen Daten durchgeführt werden. ⓘ

Bathymetrische Kartierung

Grafik eines hydrographischen Vermessungsschiffs, das Fächer- und Seitenabtastungssonare einsetzt ⓘ

Mit Side-Scan-Sonaren können Karten der Topografie des Meeresbodens (Bathymetrie) erstellt werden, indem das Sonar knapp über dem Boden bewegt wird. Niederfrequenzsonare wie GLORIA wurden für die Vermessung des gesamten Kontinentalschelfs eingesetzt, während Hochfrequenzsonare für detailliertere Vermessungen kleinerer Gebiete verwendet werden. ⓘ

Sub-Bottom-Profiling

Es wurden leistungsstarke Niederfrequenz-Echolote entwickelt, um Profile der oberen Schichten des Meeresbodens zu erstellen. Eines der neuesten Geräte ist das SES-2000 quattro multi-transducer parametric SBP von Innomar, das beispielsweise in der Puckbucht für unterwasserarchäologische Zwecke eingesetzt wird ⓘ

Erkennung von Gaslecks auf dem Meeresboden

Gasblasen können aus dem Meeresboden oder in dessen Nähe aus verschiedenen Quellen austreten. Diese können sowohl mit passivem als auch mit aktivem Sonar aufgespürt werden (in der schematischen Abbildung durch gelbe bzw. rote Systeme dargestellt).

Aktives (rot) und passives (gelb) Sonar zur Erkennung von Blasen am Meeresboden (natürliche Leckagen und CCSF-Lecks) und Gaspipelines, entnommen aus Ref.

Natürliche Austritte von Methan und Kohlendioxid kommen vor. Gaspipelines können undicht werden, und es ist wichtig, feststellen zu können, ob Leckagen aus Anlagen zur Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (CCSF; z. B. erschöpfte Ölquellen, in denen atmosphärischer Kohlenstoff gespeichert wird) auftreten. Es ist schwierig, die Menge des austretenden Gases zu quantifizieren, und obwohl mit Hilfe von aktivem und passivem Sonar Schätzungen vorgenommen werden können, ist es wichtig, deren Genauigkeit zu hinterfragen, da derartige Schätzungen auf der Grundlage von Sonardaten nur unter bestimmten Annahmen möglich sind. ⓘ

Sonar mit synthetischer Apertur

Im Labor wurden verschiedene Sonare mit synthetischer Apertur gebaut, von denen einige in Minenjagd- und Suchsystemen eingesetzt werden. Eine Erläuterung ihrer Funktionsweise finden Sie unter Sonar mit synthetischer Apertur. ⓘ

Parametrisches Sonar

Parametrische Quellen nutzen die Nichtlinearität des Wassers, um die Differenzfrequenz zwischen zwei hohen Frequenzen zu erzeugen. Es wird ein virtuelles Endfeuer-Array gebildet. Ein solcher Projektor hat den Vorteil, dass er eine große Bandbreite und einen schmalen Abstrahlwinkel hat, und wenn er voll entwickelt und sorgfältig gemessen ist, hat er keine offensichtlichen Nebenkeulen: siehe Parametrische Anordnung. Sein größter Nachteil ist der sehr geringe Wirkungsgrad von nur wenigen Prozent. P.J. Westervelt fasst die damit verbundenen Trends zusammen. ⓘ

Sonar in extraterrestrischen Kontexten

Die Verwendung von passivem und aktivem Sonar wurde für verschiedene extraterrestrische Anwendungen vorgeschlagen. Ein Beispiel für den Einsatz von aktivem Sonar ist die Bestimmung der Tiefe von Kohlenwasserstoffmeeren auf Titan, ein Beispiel für den Einsatz von passivem Sonar ist die Entdeckung von Methanfällen auf Titan, ⓘ

Es wurde festgestellt, dass die Vorschläge, die den Einsatz von Sonar vorschlagen, ohne den Unterschied zwischen der irdischen (Atmosphäre, Ozean, Mineralien) und der extraterrestrischen Umgebung zu berücksichtigen, zu falschen Werten führen können. ⓘ

Ökologische Auswirkungen

Auswirkungen auf Meeressäugetiere

Ein Buckelwal ⓘ

Die Forschung hat gezeigt, dass der Einsatz von Aktivsonar zu Massenstrandungen von Meeressäugern führen kann. Es hat sich gezeigt, dass Schnabelwale, die am häufigsten gestrandet sind, sehr empfindlich auf Mittelfrequenz-Aktivsonar reagieren. Andere Meeressäugetiere wie der Blauwal fliehen ebenfalls vor der Sonarquelle, während Marineaktivitäten als wahrscheinlichste Ursache für eine Massenstrandung von Delfinen genannt wurden. Die US-Marine, die einige der Studien mitfinanziert hat, erklärte, die Ergebnisse zeigten nur Verhaltensreaktionen auf Sonar, nicht aber tatsächliche Schäden, aber sie werde die Wirksamkeit ihrer Schutzmaßnahmen für Meeressäuger im Lichte neuer Forschungsergebnisse bewerten. In einem Urteil des Obersten Gerichtshofs der USA aus dem Jahr 2008 zum Einsatz von Sonar durch die US-Marine wurde festgestellt, dass es keinen Fall gab, in dem ein Meeressäuger nachweislich durch Sonar geschädigt oder getötet worden wäre. ⓘ

Einige Meerestiere, wie Wale und Delfine, verwenden Echoortungssysteme, manchmal auch Biosonar genannt, um Raubtiere und Beute zu orten. Forschungen über die Auswirkungen von Sonar auf Blauwale in der Südkalifornischen Bucht zeigen, dass das Fressverhalten der Wale durch den Einsatz von Mittelfrequenz-Sonar gestört wird. Dies deutet darauf hin, dass die durch Sonar verursachte Störung des Fressverhaltens und die Verdrängung von hochwertigen Beutetieren erhebliche und bisher nicht dokumentierte Auswirkungen auf die Ökologie der Bartenwale bei der Nahrungssuche, die individuelle Fitness und die Gesundheit der Population haben könnte. ⓘ

Im Jahr 2019 wurde eine Überprüfung der Erkenntnisse über Massenstrandungen von Schnabelwalen im Zusammenhang mit Marineübungen, bei denen Sonar eingesetzt wurde, veröffentlicht. Sie kam zu dem Schluss, dass die Auswirkungen des aktiven Mittelfrequenz-Sonars bei Cuvier-Schnabelwalen am stärksten sind, aber je nach Individuum oder Population variieren. Der Bericht deutet darauf hin, dass die Stärke der Reaktion einzelner Tiere davon abhängen kann, ob sie zuvor Sonar ausgesetzt waren, und dass bei gestrandeten Walen Symptome der Dekompressionskrankheit festgestellt wurden, die möglicherweise auf eine solche Reaktion auf Sonar zurückzuführen sind. Sie stellte fest, dass auf den Kanarischen Inseln, wo zuvor mehrere Strandungen gemeldet worden waren, keine weiteren Massenstrandungen mehr auftraten, nachdem Marineübungen, bei denen Sonar eingesetzt wurde, in dem Gebiet verboten worden waren, und empfahl, das Verbot auf andere Gebiete auszuweiten, in denen weiterhin Massenstrandungen auftreten. ⓘ

Wirkung auf Fische

Hochintensive Sonargeräusche können bei einigen Fischen zu einer leichten, vorübergehenden Veränderung der Hörschwelle führen. ⓘ

Frequenzen und Auflösungen

Die Frequenzen von Sonaren reichen von Infraschall bis über ein Megahertz. Im Allgemeinen haben die niedrigeren Frequenzen eine größere Reichweite, während die höheren Frequenzen eine bessere Auflösung und eine geringere Größe für eine bestimmte Richtwirkung bieten. ⓘ

Um eine vernünftige Richtwirkung zu erzielen, sind bei Frequenzen unter 1 kHz in der Regel große Arrays erforderlich, die in der Regel in Form von Schlepparrays realisiert werden. ⓘ

Niederfrequenz-Sonare werden grob als 1-5 kHz definiert, obwohl einige Marinen auch 5-7 kHz als Niederfrequenz betrachten. Mittelfrequenz ist definiert als 5-15 kHz. Nach einer anderen Einteilung liegt die Niederfrequenz unter 1 kHz und die Mittelfrequenz zwischen 1-10 kHz. ⓘ

Amerikanische Sonare aus der Ära des Zweiten Weltkriegs arbeiteten mit einer relativ hohen Frequenz von 20-30 kHz, um Richtwirkung mit relativ kleinen Wandlern zu erzielen, und hatten eine typische maximale Reichweite von 2500 m. Nach dem Krieg wurden niedrigere Frequenzen verwendet, um eine größere Reichweite zu erzielen; z. B. arbeitete das SQS-4 mit 10 kHz und einer Reichweite von bis zu 5000 m. Das SQS-26 und das SQS-53 arbeiteten mit 3 kHz und einer Reichweite von bis zu 20 000 m; ihre Kuppeln hatten die Größe eines 60-Fuß-Mannschaftsbootes, eine Obergrenze für herkömmliche Rumpfsonare. Größere Abmessungen durch konforme, über den Rumpf verteilte Sonararrays zu erreichen, hat sich bisher nicht bewährt; für niedrigere Frequenzen werden daher lineare oder geschleppte Arrays verwendet. ⓘ

Die japanischen Sonare des Zweiten Weltkriegs arbeiteten mit einer Reihe von Frequenzen. Der Typ 91 mit einem 30-Zoll-Quarzprojektor arbeitete mit 9 kHz. Der Typ 93 mit kleineren Quarzprojektoren arbeitete mit 17,5 kHz (Modell 5 mit 16 oder 19 kHz magnetostriktiv) bei Leistungen zwischen 1,7 und 2,5 Kilowatt und einer Reichweite von bis zu 6 km. Der spätere Typ 3 mit magnetostriktiven Wandlern deutscher Bauart arbeitete bei 13, 14,5, 16 oder 20 kHz (je nach Modell) mit Zwillingswandlern (außer Modell 1, das drei Einzelwandler hatte) bei 0,2 bis 2,5 Kilowatt. Der einfache Typ verwendet magnetostriktive 14,5-kHz-Schwinger mit 0,25 kW, die durch kapazitive Entladung anstelle von Oszillatoren betrieben werden und eine Reichweite von bis zu 2,5 km haben. ⓘ

Die Auflösung des Sonars ist winkelabhängig; weiter entfernte Objekte werden mit geringerer Auflösung abgebildet als nahe gelegene. ⓘ

In einer anderen Quelle sind die Reichweiten und Auflösungen von Sidescan-Sonaren in Abhängigkeit von den Frequenzen aufgeführt. 30 kHz bietet eine geringe Auflösung bei einer Reichweite von 1000-6000 m, 100 kHz eine mittlere Auflösung bei 500-1000 m, 300 kHz eine hohe Auflösung bei 150-500 m und 600 kHz eine hohe Auflösung bei 75-150 m. Sonare mit größerer Reichweite werden durch Inhomogenitäten des Wassers stärker beeinträchtigt. Einige Umgebungen, typischerweise flache Gewässer in Küstennähe, haben ein kompliziertes Gelände mit vielen Merkmalen; dort sind höhere Frequenzen erforderlich. ⓘ

Siehe auch

• Akustisches Doppler-Strömungsprofilmessgerät
• Akustische Ortung
• Akustische Markierung
• Baffeln (U-Boot)
• Bistatisches Sonar
• Gestrandete Wale
• Sonar zur Erkennung von Tauchern
• Echolot
• Fischfinder
• Blei-Zirkonat-Titanat oder PZT, ein piezoelektrisches Material, das für Ultraschallwandler verwendet wird
• Gordon Eugene Martin, Sonarphysiker
• Akustische Tomographie des Ozeans
• Passives Radar
• Radar
• Reflexionsseismologie
• Wissenschaftliches Echolot
• Side-Scan-Sonar
• SOFAR-Kanal
• U-Boot-Navigation
• Sonar mit synthetischer Apertur
• Tonpilz
• Gezogenes Array-Sonar
• Unterwasser-Akustik
• Aufwärts gerichtetes Sonar ⓘ

Das Seitensichtsonar (englisch Side-Scan-Sonar) ist ein abbildendes Sonar für die Forschung und für die Minenjagd. ⓘ

Allgemeine Bibliographie

• Dring, Thomas R. (März 2018). "A Steep Learning Curve: The Impact of Sonar Technology, Training, and Tactics on the Initial Years of U.S. Navy Antisubmarine Warfare in World War II". Warship International. LV (Januar 2018): 37-57. ISSN 0043-0374.
• Hackmann, Willem. Seek & Strike: Sonar, Anti-Submarine Warfare and the Royal Navy 1914-54. London: Her Majesty's Stationery Office, 1984. ISBN 0-11-290423-8.
• Hackmann, Willem D. "Sonarforschung und Seekriegsführung 1914-1954: A Case Study of a Twentieth-Century Science" (Abonnement erforderlich). Historische Studien in den physikalischen und biologischen Wissenschaften 16#1 (Januar 1986) 83-110. doi:10.2307/27757558.
• Urick, R. J. (1983). Principles of Underwater Sound (3. Auflage). Los Altos: Peninsula Publishing. ISBN 9780932146625. OCLC 1132503817. ⓘ

Referenzen zur Fischereiakustik

• Fischereiakustikforschung (FAR) an der Universität von Washington
• NOAA-Protokolle für Fischereiakustik-Untersuchungen
• Acoustics Unpacked Archived 2017-09-16 at the Wayback Machine-A "how to" great reference for freshwater hydroacoustics for resource assessment
• "AKUSTIK IN DER FISCHEREI UND AQUATISCHEN ÖKOLOGIE"
• "Hydroakustisches Protokoll - Seen, Stauseen und Tieflandflüsse" (für die Bewertung von Fischen)
• Simmonds, E. John, und D. N. MacLennan. Fischerei-Akustik: Theorie und Praxis, zweite Auflage. Reihe Fische und aquatische Ressourcen, 10. Oxford: Blackwell Science, 2003. ISBN 978-0-632-05994-2. ⓘ

HMS

HMS steht für englisch Hull Mounted Sonar (Rumpfmontiertes Sonar). Das (U-Jagd-)Sonar ist direkt am Schiff befestigt, am häufigsten in einem speziellen Wulst am Bug (Bugsonar, Bow Sonar). Dieser Wulst hat eine andere Form und einen anderen Zweck als der heute verbreiteten Wulstbug zur Minderung des Strömungswiderstandes. Der eher linsenförmige Sonar-Wulst liegt vorne und eher tiefer als die tiefste Stelle des Rumpfs, um gute Sicht nach vorne und hinten zu erreichen. ⓘ

TAS

TAS (englisch Towed Array Sonar), Schleppantennen-Sonar oder Schleppsonar, bezeichnet ein passives tieffrequentes Sonar für die U-Jagd. Es wird als lange Linienantenne, einem Schlauch mit Hydrophonen, nach einem Kabel hinter dem Schiff hergeschleppt. Dadurch kann die Antenne in der günstigsten Tiefe betrieben werden und ist vom Geräusch der eigenen Plattform entfernt. ⓘ

Minenjagdsonar

Minenjagdsonar (z. B. Minenjagdsonar DSQS11M) sind hochfrequente Sonare zur Detektion und Klassifikation von Seeminen (Grund-/Ankertau-Minen). Die Identifikation erfolgt anschließend optisch durch Minentaucher oder Drohnen. ⓘ

Tauchsonar

Ein Tauchsonar englisch Dippingsonar ist ein Sonar, das vom Hubschrauber aus abgehängt wird. Früher wurden auch einfache Hydrophone verwendet, daher ähnlich wie eine Sonarboje, heute werden vorzugsweise Aktivsonare ähnlich einem VDS genutzt. ⓘ

Sonoboje (Sonarboje)

Sonobojen (Sonarbojen) werden zur U-Jagd vom Flugzeug oder Hubschrauber aus abgeworfen. Sie hängen ein Hydrophon in einer vorgegebenen Tiefe ab und senden empfangene Signale über UHF-Funkfrequenzen zum Flugzeug zurück. Es gibt auch kompliziertere Sonobojen mit mehreren Hydrophonen zur Richtungsbildung und aktive Sonobojen. ⓘ

Passive Sonobojen können auch unbemerkt zum Aufnehmen von akustischen „Fingerprints“ von Über- und Unterwasserfahrzeugen eingesetzt werden. Dafür werden sie auch von Schiffen/Booten ausgesetzt. ⓘ

Schädigende Auswirkungen auf Meeressäuger

Wie aus Autopsien von gestrandeten Meeressäugern hervorgeht, stehen seit 1985 eine ganze Reihe von Delfin- bzw. Walstrandungen in Zusammenhang mit der militärischen Nutzung von Sonargeräten. ⓘ

Im Dezember 2001 räumte die US Navy eine Mitschuld an der Strandung und dem Tod mehrerer Meeressäuger im März 2000 ein. Der von ihr mitverfasste Zwischenbericht kommt zu dem Schluss, dass die Tiere durch das aktive Sonar einiger Navy-Schiffe getötet oder verletzt wurden. ⓘ

Für die dB-Einheit bei Wasserschall-Druck wird die Bezugsgröße 1 µPa verwendet, bei Luftschall 20 µPa. Für identische Absolutdrücke liegt daher der Wasserschall-Druckpegel um 26 dB höher, ein für Wasser angegebener Schalldruckpegel von 26 dB entspricht einem Schalldruckpegel von 0 dB für Luft (etwa menschliche Hörschwelle). (Die Bezugsgrößen für Intensitätspegel unterscheiden sich noch stärker, der Bezugswert ist für Luft 10⁻¹² Watt/m² und für Wasser 6,7·10⁻¹⁹ Watt/m², so dass sich bei gleichem Absolutwert ein Unterschied von 61,7 dB ergibt.) ⓘ

Die im militärischen Bereich eingesetzten aktiven Niederfrequenz-Sonarsysteme (Low Frequency Active Sonar, LFAS) können mit ihrem Schalldruck von bis zu 240 Dezibel Meeressäuger wie Wale und Delfine erschrecken, betäuben und vermutlich durch darauf folgende zu schnelle Tiefenänderungen (Dekompressionskrankheit) auch töten. Pottwale können ähnlich hohe Schalldrücke erzeugen. Hinter dem Kopf von Pottwalen wurden Ortungssignale von lediglich bis zu 180 Dezibel gemessen, der Schalldruckpegel vor dem Kopf liegt wohl um bis zu 40 Dezibel höher, mithin um den Faktor 8 weniger als die militärischen Systeme. Für Blauwale werden mehr als 180 Dezibel angegeben. ⓘ

Die untersuchten Tiere weisen schwere physiologische Schäden auf, unter anderem Gehirnblutungen, Gefäßverletzungen, Bläschenbildungen im Blut und Herz-Kreislauf-Kollapse. Es muss zudem von einer hohen Dunkelziffer ausgegangen werden, da Tiere, die auf dem offenen Meer sterben, auf den Meeresgrund sinken und unentdeckt bleiben. ⓘ