Sonar on teatudtehnoloogiate üldnimetus, milles üldjuhul allveekeskkonnashelilaineid kasutataksenavigatsiooniks,kommunikatsiooniks, veealuste (veepealsete) objektide kauguste ja asukohtade määramiseks ning objektidest kujutiste saamiseks. Sonari mõiste ja nimetus võeti kasutusele akustilise analooginaradari mõisteleFrederick Hunti poolt[1]. Sonariingliskeelneakronüüm tähistab väljendit "SOundNavigationAndRanging" ehk "heli abil navigeerimine ja kauguste määramine". Sonari kõrval on mõnede sonaritüüpide korral kasutusel ka nimetus "hüdrolokaator" (hüdro + ladlocatio 'asetus').
ASDIC seadme operaatori ruumi rekonstruktsioon, Merseyside'i meremuuseumis
Sonarite tehnoloogiate arendamise eelduseks olihelikiiruse määramine vees, mille esimestena mõõtsid täpseltCharles Sturm jaDaniel Colladon1826. aastal. Nimelt on helikiirus vees (magevees1450 m/s) üle nelja korra kiirem kui õhus (kuivas õhus343 m/s). Esimeseks sonariks võib pidada veealuseid "akustilisi majakaid", mis olidAmeerika Ühendriikidetuletornide juures lisahoiatussüsteemina kasutusellaevadenavigatsiooni hõlbustamiseks. Algselt oli allveehelide tekitajatekskellad, mille heli oli laevadele halva nähtavuse korral algeliste kuulamisseadmetega kaugelt kuuldav. Udupasunatega võrreldes oli veealuse kella heli enamasti suurema kuuldeulatusega ja ilmakindlam. Kellasid hakati pärast1913 aastat asendamaReginald Fessendeni leiutatudelektroakustiliste heliallikateFessendeni ostsillaatoritega. Antud seade võimaldas vee allmorsekoodis sõnumeid edastada kuni 50 km kaugusele.[2] Sellisel kujul veealuste "akustiliste majakate" kasutamine asendati peagi pealveelaevadel raadiolainetel põhinevate paremate süsteemidega.
Titanicu uppumine 1912. aastal andis tõuke jäämägede kaugtuvastussüsteemide leiutamisele.Lewis Richardson andis juba samal aastal Inglismaal sisse avalduse nii õhu- kui ka veekeskkonnas kajalokatsiooni abiljäämägede kaugtuvastusseadmepatenteerimiseks. Richardsoniga samaaegselt esitas Fessenden patendi avalduse Fessendeni ostsillaatoril põhineva jäämäe kaugtuvastusseadmele. Aastal 1914 demonstreeris Fessenden oma seadme võimekust tuvastada jäämäge kuni 3 km kauguselt.
Esimesed helide peegeldumisaja mõõtmisel põhinevad veesügavuse määramised viis läbi prantsuse uurimisrühmPaul Langevini juhtimisel. Aastal 1916 suutis uurimisrühm esimest korda elektrostaatilise muunduri abil tekitada ja salvestada heli peegeldusi merepõhjalt. Aastal 1917 vahetas elektrostaatilise muunduri väljapiesoelektriline muundur. Vaatamata edusammudele ei peetud antud tehnoloogiaid piisavalt usaldusväärseteks, et neid oleksesimeses maailmasõjasAntandi riikide pooltKeskriikideallveelaevade vastu kasutusele võetud. Ameerika Ühendriikide laevadel ja allveelaevadel olid sel ajal kasutusel lihtsad kuulamisseadmed, mida nimetati SC-torudeks. Need kujutasid endast mehaaniliselt juhitava suunatundlikkusegastetoskoope. Seade koosnes kahest teineteisest 1,5 m kaugusel asuvast vees paiknevast kummist andurist, mis kumbki olid õhutorudega ühendatud seadme kasutaja kummassegi kõrva[3]. Elektrooniliste muundurite tehnoloogiaid arendatiSuurbritanniasRobert Boyle'i jaAlbert Woodi juhtimisel. Esimene kasutusele võetud aktiivne helituvastusseade oli nimega ASDIC (active sound detection equipment), milles kasutati Langevini uurimisrühma poolt välja töötatud piesoelektrilist muundurit.
Kahe maailmasõja vahelisel ajal arendati sonareid peamiselt militaarvaldkonna tarbeks. Samas saabusid1925 Ameerika Ühendriikides ja Suurbritannias müügile ka esimesed tsiviilotstarbelised laevadele mõeldud kajaloodid ehk akustilised sügavuse määrajad. Seejuures võeti varasema piesoelektrilise kvartsi asemel kasutusele sünteetiliseRochelle’i soola kristallid. Esimesed Rochelle'i soola kristallidel põhinevadhüdrofonid asendasid Ameerika kajaloodides kasutusel olnud vananenudsüsimikrofonid välja1920. aastate lõpus.[2] Passiivsetelt sonarite asemel arendati sel ajajärgul USA-s kõrgsageduslike aktiivsonareid. Tehnoloogiline üleminek toimus kuna kõrgsageduslik aktiivsonar võimaldab hõlpsamalt tekitada suunatud kiiremustreid ja seeläbi võimaldas oluliselt paremat täpsust suuna määramisel. Saksamaal arendati aktiivsonarite asemel samaaegselt passiivseid sonareid. Peamiseks põhjuseks oli laevade tekitatud helide suurima energia jäämine inimeste jaoks kuuldavasse sagedusvahemikku. Antud vahemikus levivad helilained vees samuti ka oluliselt kaugemale, kui kõrgemad sagedused.[4]
Teise maailmasõja ajal kasutas Saksamaa merevägi oma laevadel (ka allveelaevadel) juba eelnevalt välja arendatud passiivseid sonareid. Süsteemi põhiosa moodustasid võres paiknevad hüdrofonid. Suurbritannia sai sakslaste sonarisüsteemi võimekusest täieliku ülevaate alles1941, kui õnnestus esimest korda oma valdusse saada allveelaev U-570 (mis nimetati ümberHMS Graph). Allveelaevale mõlemale küljele oli paigutatud hüdrofonide võred, mis koosnesid 24 Rochelle'i soola kristallidel põhineva hüdrofonist. Eelvõimendatud hüdrofonide signaale filtreeriti sageduslikult ja viitliinide abil saavutati juhitav suunatundlikkus. Süsteemi kasutaja telefon-kõrvaklappidesse tulev heli oli seejuures kuuldavas sagedusribas 200 (või 10) Hz kuni 20 kHz.[4] Antud süsteemi võimekus sundis liitlasi oma võimekust passiivsete sonarite alal oluliselt parandama ja esimene passiivse sonari lisandusega aktiivne sonar jõudis USA mereväe kasutusse aastal 1944. Sõja lõpupoolel võttisKriegsmarine kasutusele akustilisedtorpeedod.
Pärast teist maailmasõda jätkus sonarite rakendamine taas tsiviilvaldkonnas. Akustiline merepõhja kaardistamine sai1960. aastatel võimalikukskülgvaatesonarite ja1970. aastatellehviksonarite (multi beam echo sounders) arendamisega. Kajaloode hakati laialdaselt kasutama kalanduses kalaparvede lokaliseerimiseks ja vastavaid kajaloode hakati nimetama kalaloodideks. Lisaks arendati merepõhja geoloogilisteks uuringuteks akustilisi profileerijaid, mis võimaldasid uurida merepõhja setteid ja aluspõhja omadusi. Sonarite laialdase kasutamisega hakkasid avalduma ka nende võimalikud kahjud mereloomadele. Madalsageduslike aktiivsonarite mõju mereimetajatele on seejuures uuritud1990. aastate keskpaigast. Sel perioodil hakati esimest korda suurearvulisivaalade kaldale kinni jäämisi seostama militaarsonaritega.
Sonarite süsteeme, seadmeid ja aparaate jagatakse laias laastus kaheks eri tüübiks[5]:
Aktiivsed sonarid, genereerivad vähemalt ühe osaga (seda osa nimetatakse tihti projektoriks) eesmärgipäraselt suunatud helisid või heliimpulsse. Tekitatud helid või heliimpulsid levivad keskkonnas sihtmärgini, sellelt peegeldunud heli analüüsitakse. Antud peegelduse ehkkaja võtab vastu sonarisüsteemis näitekshüdrofon. Analüüsimisel võrreldakse heliimpulsi peegelduste vastuvõtmise ja tekitamise vahelisi aegu. Teades helikiirust keskkonnas on võimalik määrata kaugust objektideni (sihtmärkideni), millelt heli peegeldus.
Passiivsed sonarid registreerivad kõiki ümbritsevaid helisid, kuid on võimaldavad määrata ka näiteks suunatundlike hüdrofonide või hüdrofonide võrede abil suundaheliallikateni.
Sonari võrrand on võrrand, mis aitab hinnata sonari võimekust tema erinevate ülesannete täitmiseks. ISO 18405 definitsiooni järgi seob sonari võrrand sonari signaali liiasuse ΔLSE sonari signaali-müra suhteRSN ja tuvastuslävega ΔLDT. Sonari võrrandid olid kasutusel jubateise maailmasõja ajal[5]. Sonari võrrandeid saab peamiselt kasutadastatistiliselt statsionaarsete helisignaalide korral.
Sonari võrrandeid saab kasutada näiteks:
Olemasoleva sonarisüsteemi võimekuse määramiseks. Teades mingi keskkonna edastamise kadusi saab hinnata sonari tuvastuskaugust selles keskkonnas.
Teades nõutavat tuvastuskaugust saab uusi sonareid projekteerida piisava tundlikkusega, et nõutud kauguselt sihtmärgi tuvastamine oleks võimalik.
Passiivse sonari võrrandit kasutatakse passiivsete sonarite korral. Passiivse sonari võrrand seob sonari signaali-müra suhetRSN, allikatasetLS, levikaduNPL, sonarimüratasetLN ja sonari töötluse võimendust ΔLPG. Passiivse sonari võrrandi võib kirja panna kujul:
Sonari võrrand aktiivse sonari jaoks seob sonari signaali-müra suhetRSN, projektori allikatasetLS, levikadu sonari projektori ja sihtmärgi vahelNPL,Tx, samaväärse sihtmärgi tugevustNTS,eq, levikadu sihtmärgi ja sonari vastuvõtja vahelNPL,Rx, sonari müratasetLN ja sonari töötluse võimendust ΔLPG läbi lähenduse
kus
LS – projektori allikatase, mis kirjeldab sonari projektori poolt keskkonda kiiratava helirõhu ruutkeskmist taset;
NPL,Tx – levikadu sonari projektori ja sihtmärgi vahel, mis kirjeldab palju projektori ja sihtmärgi vahepeal olevas keskkonnas levides projektori kiiratud helirõhutase väheneb;
NTS,eq – samaväärse sihtmärgi tugevus, mis kirjeldab, kui palju sihtmärk temani jõudnud heli tagasi peegeldab;
NPL,Rx – levikadu sihtmärgi ja sonari vastuvõtja vahel;
LN – sonari müratase, mis kirjeldab sonari tundlikkust ning akustiliste ja mitteakustiliste mürade suurust;
ΔLPG – sonari töötluse võimendus, mis kirjeldab kasutatud andmetöötluse panust tuvastuse parendamisel.
Tehisavasonar – sonari tüüp, mille eripäraks on sensori ja uuritava piirkonna (objekti) vahelise suhtelise liikumise kasutamine kõrgema ruumilise lahutuse saavutamiseks (akustiline analoogtehisavaradarile).
.jpg)
