Sonar holowany EdgeTech 272-TD na burcie motorówki

Sonar – urządzenie używające długich, średnich lub krótkich fal dźwiękowych do nawigacji, komunikacji, detekcji, określania pozycji, śledzenia oraz klasyfikacji ruchomych i nieruchomych obiektów zanurzonych, znajdujących się na powierzchni cieczy bądź w powietrzu^[1]. Nazwa "sonar" wywodzi się od akronimu "SOund Navigation and Ranging". W zależności od zasady działania, sonary mogą być aktywne bądź pasywne , mogą także łączyć obie te cechy. Najczęstszym środowiskiem zastosowania urządzeń sonarowych jest środowisko ciekłe zwłaszcza wodne, jednakże ich odpowiednie formy mogą być wykorzystywane także w środowisku gazowym, w tym w powietrzu. W zależności od zastosowania i konstrukcji systemy echolokacyjne mogą używać bardzo szerokiego zakresu fal dźwiękowych - od infradźwięków po ultradźwięki. U niektórych zwierząt takich jak delfiny czy nietoperze umiejętność echolokacji wytworzyła się naturalnie w drodze ewolucyjnej .

Pierwszy znany przykład użycia sonaru pasywnego pochodzi od Leonarda da Vinci który w 1490 opisał w jaki sposób za pomocą wsadzonej tuby można słuchać odgłosów z odległych statków^[2].

Zasada działania

Systemy sonarowe (sound navigation and ranging) mają wiele podobieństw do radaru oraz systemów elektro-optycznych. Dźwięk może być generowany, kontrolowany, kierunkowany, transmitowany oraz odbierany w wodzie, podobnie jak energia elektromagnetyczna w powietrzu^[3]. W każdym z tych przypadków, podstawą detekcji jest propagacja fali miedzy między celem a odbiornikiem. W odróżnieniu od radaru jednak, systemy sonarowe wykorzystują energię przenoszoną przez fale dźwiękowe, nie zaś elektromagnetyczne, której przebieg jest znacznie bardziej uzależniony od środowiska w jakim następuje propagacja fali^[3]. W przypadku sonaru aktywnego, fala dźwiękowa propaguje od nadajnika do celu i z powrotem do odbiornika. W systemie sonaru pasywnego natomiast, źródłem energii jest sam cel, fala dźwiękowa propaguje od celu do odbiornika, analogicznie jak ma to miejsce w pasywnych systemach detekcji w podczerwieni.

Sonar aktywny

W aktywnym systemie sonarowym, źródłem fali dźwiękowej jest organiczna część sonaru. Energia elektryczna z transmitera konwertowana jest w systemie do postaci energii akustycznej. Podstawowym elementem tego rodzaju urządzenia jest zmieniający formę energii przetwornik.^[3]. Przetwornik mogący jedynie odbierać falę dźwiękową zwany jest hydrofonem , zas przetwornik zdolny wyłącznie do generowania (i transmisji) energii akustycznej zwany jest projektorem. W Wielu sytuacjach jednak, przetwornik może pracować w obu tych rolach - zarówno jako urządzenie odbiorcze jak i transmisyjne.

Pierwsze próby

Pierwsze pomysły i patenty na sonar aktywny () pojawiły się w 1912 po zatonięciu Titanica. W tym roku angielski meteorolog Lewis Richardson opatentował pomysł na urządzenie tego typu, podobny patent uzyskał rok później niemiecki fizyk Alexander Behm^[4]. Pierwszy działający, eksperymentalny system powstał w 1912, zbudował go pracujący dla amerykańskiej firmy Submarine Signal Company kanadyjski fizyk Reginald Fessenden. W 1914 dokonano praktycznych prób z pokładu kutra "Miami" należącego do straży przybrzeżnej Stanów Zjednoczonych , tzw. "oscylator Fessedena" został użyty do komunikacji z zanurzonym okrętem podwodnym, określenia głębokości morza i wykrycia oddalonej o pond 3 km góry lodowej. Rozdzielczość skonstruowanego przez Fessendena urządzenia była zbyt mała aby dokładnie określić kierunek w którym znajdował się ajsberg (oscylator pracował na falach o długości ok. 3 m, a średnica anteny odbiornika wynosiła jedynie 1 m)^[4] niemniej pierwsze próby oscylatora były na tyle obiecujące, że 10 brytyjskich okrętów podwonych typu M zbudowanych w Montrealu zostało w nie wyposażonych^[5].

Po wybuchu I wojny światowej tempo pracy nad skonstruowanie skutecznych i dokładnych sonarów uległo znaczenemu przyspieszeniu. We Francji pracujący w paryskim École Municipale de Physique et de Chimie Industrielles fizyk Paul Langevin i rosyjski inżynier Konstantin Czilowski już w 1915 zaprojektowali sonar z aktywnym elementem elektrostatycznym. W 1917 Langevin zbudował kwarcowy, piezoelektryczny sonar pracujący na częstotliwości 150 kHz o wiązce tak silnej, że zagrażała ona życiu ryb znajdujących się na jej drodze. Taka konstrukcja okazała się niepraktyczna ze względów na problemy z uzyskaniem kwarcu o odpowiednich parametrach i zbyt wysokiego napięcia pracy, Langevin ostatecznie zaprojektował sonar działający na częstotliwości 40 kHz. Testowane w lutym 1918 urządzenie okazało się skuteczne w wykrywaniu obecności okrętów podwodnych nawet ze znacznych odległości, ale nie potrafiło ono wyznaczyć położenia okrętu podwodnego z taką samą dokładnością jak używany wówcza pasywny sonar (hydrolokator) Walsera^[4].

ASDIC

Angielskie eksperymenty z sonarem pod kierownictwem Roberta Boyle'a rozpoczęto w 1916. Prowadzony przez Boyle'a zespół naukowców nazwany Anti-Submarine Division, bazując częściowo na wcześniejszych francuskich eksperymentach zbudował pierwszy praktyczny sonar już w połowie 1917^[4]. Wszystkie prace zespołu Boyle'a otoczone były najwyższą klauzulą tajności. W żadnych dokumentach nie wspominano o eksperymentach związanych z ultradźwiękami czy kwarcem, słowo "supersonics" zastępowano wywodzącym się od nazwy zespołu akronimem "ASD", a "quartz" - "ASDivite", z czego wywodzi się używane później określenia na angielski sonar - ASDIC^[4]. Spotykane często, nawet w literaturze fachowej, wytłumaczenie, że jest to akronim od "Allied Submarine Detection Investigation Committee" czy "Anti-Submarine Detection Investigation Committee"^[6][7] jest nieprawdziwe, a wywodzi się z odpowiedzi danej przez Admiralicję brytyjską na pytanie redakcji słownika oksfordzkiego jak brzmi rozwinięcie tego akronimu. W rzeczywistości nigdy nie istniał żaden komitet o takiej nazwie^[8][9]. Po wybuchu II wojny światowej technologia ASDIC-a została przekazana do Stanów Zjednoczonych gdzie była znana pod akronimem SONAR^[10].

Współcześnie

Współcześnie sonar używany jest nie tylko przez wojsko, znajduje także szerokie zastosowanie jako instrument naukowy używany jest także w rybołówstwie do odnajdowania i szacowanie wielkości ławic rybnych. Sonar jest szczególnie pożyteczny podczas poszukiwania przeszkód podwodnych. Za pomocą tego urządzenia można określić głębokość dowolnego punktu na dnie, oraz wymiary napotkanej przeszkody: długość, szerokość, wysokość. Ponadto sonary pracujące jako część systemu hydrograficznego pozwalają określić pozycję geograficzną przeszkody.

Przypisy

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Strona www o pomiarach akustycznych w wodzie