Sonar

En 1916, bajo la supervisión de la Junta Británica de Invención e Investigación , el físico canadiense Robert William Boyle emprendió el proyecto de detección activa de sonido con AB Wood , produciendo un prototipo para pruebas a mediados de 1917. Este trabajo para la División Antisubmarina del Estado Mayor Naval Británico se llevó a cabo con el máximo secreto y utilizó cristales piezoeléctricos de cuarzo para producir el primer aparato práctico de detección activa de sonido submarina del mundo. ^{[ 16 ]}

Para mantener el secreto, no se hizo mención alguna de la experimentación sonora ni del cuarzo; la palabra utilizada para describir el trabajo inicial ("supersónicos") se cambió a "ASD"ics, y el material de cuarzo a "ASD"ivita : "ASD" por "División Antisubmarina", de ahí el acrónimo británico ASDIC . En 1939, en respuesta a una pregunta del Diccionario Oxford de la Lengua Inglesa , el Almirantazgo inventó la historia de que significaba "Comité Aliado de Investigación y Detección de Submarinos", y esto todavía se cree ampliamente, ^{[ 17 ]} aunque no se ha encontrado ningún comité con ese nombre en los archivos del Almirantazgo. ^{[ 16 ]}

En 1918, Gran Bretaña y Francia ya habían construido prototipos de sistemas activos. Los británicos probaron su ASDIC en el HMS Antrim  en 1920 y comenzaron la producción en 1922. La 6.ª Flotilla de Destructores contaba con buques equipados con ASDIC en 1923. En 1924, se estableció en Portland la escuela antisubmarina HMS Osprey y una flotilla de entrenamiento de cuatro buques .

Al estallar la Segunda Guerra Mundial , la Marina Real Británica contaba con cinco sistemas ASDIC para diferentes clases de buques de superficie, y otros para submarinos, integrados en un sistema antisubmarino completo. La eficacia de los primeros sistemas ASDIC se vio mermada por el uso de cargas de profundidad como arma antisubmarina. Esto obligaba al buque atacante a sobrevolar un contacto sumergido antes de lanzar las cargas por la popa, lo que provocaba la pérdida de contacto ASDIC en los momentos previos al ataque. El cazador disparaba prácticamente a ciegas, tiempo durante el cual el comandante del submarino podía realizar maniobras evasivas. Esta situación se solucionó con nuevas tácticas y nuevas armas.

Las mejoras tácticas desarrolladas por Frederic John Walker incluían el ataque sigiloso . Para ello se necesitaban dos buques antisubmarinos, generalmente balandras o corbetas. Uno, el "buque guía", rastreaba al submarino objetivo mediante el ASDIC, mientras que el segundo, con su ASDIC apagado y navegando a 5 nudos, iniciaba el ataque según las instrucciones recibidas. La baja velocidad de aproximación impedía que el submarino pudiera predecir el momento del lanzamiento de las cargas de profundidad. Cualquier maniobra evasiva era detectada por el buque guía, que daba las órdenes de rumbo correspondientes al buque atacante. ^{[ 18 ]}

Las nuevas armas para lidiar con el punto ciego del ASDIC fueron "armas de lanzamiento frontal", como los Hedgehogs y posteriormente los Squids , que proyectaban ojivas hacia un objetivo delante del atacante y aún en contacto con el ASDIC. Esto permitió que una sola escolta realizara ataques más precisos contra los submarinos. Los avances durante la guerra dieron como resultado los sistemas ASDIC británicos que utilizaban varias formas diferentes de haz, como el accesorio Q del sistema Tipo 144, que estaba alineado en un ángulo más profundo. El sistema Tipo 147B, que tenía un transductor articulado, permitió a los operadores cubrir el punto ciego. ^{[ 19 ]} Otro avance fue el torpedo guiado FIDO , que apuntaba al submarino objetivo utilizando sonar pasivo.

Al comienzo de la Segunda Guerra Mundial (septiembre de 1940), la tecnología británica ASDIC se transfirió gratuitamente a Estados Unidos. La investigación sobre ASDIC y el sonido submarino se amplió tanto en el Reino Unido como en Estados Unidos. Se desarrollaron muchos nuevos tipos de detección acústica militar, entre ellos las sonoboyas , desarrolladas por primera vez por los británicos en 1944 con el nombre en clave High Tea , el sonar de inmersión y el sonar de detección de minas . Este trabajo sentó las bases para los desarrollos de posguerra relacionados con la lucha contra los submarinos nucleares .

Durante la década de 1930, los ingenieros estadounidenses desarrollaron su propia tecnología de detección de sonido subacuático y se realizaron importantes descubrimientos, como la existencia de termoclinas y sus efectos en las ondas sonoras. ^{[ 20 ]} Los estadounidenses comenzaron a utilizar el término SONAR para sus sistemas, acuñado por Frederick Hunt como equivalente de RADAR . ^{[ 21 ]}

En 1917, la Armada de los Estados Unidos contrató por primera vez los servicios de J. Warren Horton . Durante una licencia de los Laboratorios Bell , prestó sus servicios al gobierno como experto técnico, primero en la estación experimental de Nahant, Massachusetts , y posteriormente en el Cuartel General de la Armada de los Estados Unidos en Londres , Inglaterra. En Nahant, aplicó el tubo de vacío , de reciente desarrollo y entonces asociado a las etapas iniciales de la ciencia aplicada conocida como electrónica , a la detección de señales submarinas. Como resultado, el micrófono de botón de carbono , utilizado en equipos de detección anteriores, fue reemplazado por el precursor del hidrófono moderno . Durante este período, también experimentó con métodos de detección por remolque, gracias a la mayor sensibilidad de su dispositivo. Estos principios aún se utilizan en los sistemas de sonar remolcado modernos .

Para satisfacer las necesidades de defensa de Gran Bretaña, Horton fue enviado a Inglaterra para instalar hidrófonos de fondo marino en el mar de Irlanda, conectados a una estación de escucha costera mediante un cable submarino. Mientras se cargaba este equipo en el buque tendecables, terminó la Primera Guerra Mundial y regresó a casa.

Durante la Segunda Guerra Mundial, Horton continuó desarrollando sistemas de sonar capaces de detectar submarinos, minas y torpedos. Publicó Fundamentos del Sonar en 1957 como consultor jefe de investigación en el Laboratorio de Sonido Submarino de la Armada de los Estados Unidos . Ocupó este cargo hasta 1959, cuando se convirtió en director técnico, puesto que desempeñó hasta su jubilación obligatoria en 1963. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Entre 1915 y 1940, el sonar estadounidense experimentó escasos avances. En 1940, los sonares estadounidenses solían consistir en un transductor magnetostrictivo y una matriz de tubos de níquel conectados a una placa de acero de 30 cm de diámetro, fijada por la parte posterior a un cristal de sal de Rochelle dentro de una carcasa esférica. Este conjunto penetraba el casco del barco y se giraba manualmente hasta alcanzar el ángulo deseado. Si bien el cristal de sal piezoeléctrico de Rochelle ofrecía mejores parámetros, la unidad magnetostrictiva era mucho más fiable.

Las elevadas pérdidas sufridas por la flota mercante estadounidense al comienzo de la Segunda Guerra Mundial impulsaron una investigación a gran escala y de alta prioridad en este campo, con el objetivo de mejorar tanto los parámetros de los transductores magnetostrictivos como la fiabilidad de la sal de Rochelle. Se descubrió que el fosfato dihidrógeno de amonio (ADP), una alternativa superior, podía sustituir a la sal de Rochelle; su primera aplicación consistió en reemplazar los  transductores de sal de Rochelle de 24 kHz. En tan solo nueve meses, la sal de Rochelle quedó obsoleta. La planta de fabricación de ADP pasó de contar con unas pocas docenas de empleados a principios de 1940 a varios miles en 1942.

Una de las primeras aplicaciones de los cristales ADP fueron los hidrófonos para minas acústicas . Estos cristales se diseñaron para tener una frecuencia de corte baja de 5  Hz, resistir impactos mecánicos durante su despliegue desde aeronaves a 3000 m (10 000 pies) de altura y sobrevivir a explosiones en minas cercanas. Una de las características clave de la fiabilidad de los cristales ADP es su nula resistencia al envejecimiento; el cristal conserva sus parámetros incluso tras un almacenamiento prolongado.  

Otra aplicación fue para torpedos de guiado acústico. Se montaron dos pares de hidrófonos direccionales en la ojiva del torpedo, en el plano horizontal y vertical; las señales diferenciales de los pares se utilizaron para dirigir el torpedo izquierda-derecha y arriba-abajo. Se desarrolló una contramedida: el submarino objetivo descargó un agente químico efervescente , y el torpedo se dirigió hacia el señuelo efervescente más ruidoso. La contramedida consistía en un torpedo con sonar activo: se añadió un transductor a la ojiva del torpedo, y los micrófonos captaban sus ráfagas de tono periódico reflejadas. Los transductores estaban compuestos por placas de cristal rectangulares idénticas dispuestas en áreas en forma de diamante en filas escalonadas.

Los sistemas de sonar pasivo para submarinos se desarrollaron a partir de cristales ADP. Varios conjuntos de cristales se dispusieron en un tubo de acero, se llenó al vacío con aceite de ricino y se selló. Posteriormente, los tubos se montaron en conjuntos paralelos.

El sonar de exploración estándar de la Armada de los EE. UU. al final de la Segunda Guerra Mundial operaba a 18  kHz, utilizando una matriz de cristales ADP. Sin embargo, para lograr un mayor alcance, se requería el uso de frecuencias más bajas. Las dimensiones requeridas eran demasiado grandes para los cristales ADP, por lo que a principios de la década de 1950 se desarrollaron sistemas piezoeléctricos magnetostrictivos y de titanato de bario , pero estos presentaban problemas para lograr características de impedancia uniformes y el patrón del haz se veía afectado. Posteriormente, el titanato de bario fue reemplazado por titanato de zirconato de plomo (PZT), más estable, y la frecuencia se redujo a 5  kHz. ^{[ 24 ]}

La flota estadounidense utilizó este material en el sonar AN/SQS-23 durante varias décadas. El sonar SQS-23 empleó inicialmente transductores magnetostrictivos de níquel, pero estos pesaban varias toneladas, y el níquel era caro y considerado un material crítico; por lo tanto, se sustituyeron por transductores piezoeléctricos. El sonar consistía en una gran matriz de 432 transductores individuales. Al principio, los transductores no eran fiables, presentaban fallos mecánicos y eléctricos y se deterioraban poco después de su instalación; además, eran fabricados por varios proveedores, tenían diseños diferentes y sus características eran lo suficientemente distintas como para perjudicar el rendimiento de la matriz. La política de permitir la reparación de transductores individuales se abandonó entonces, y se optó por un diseño modular desechable, con módulos sellados no reparables, eliminando así el problema de los sellos y otras piezas mecánicas superfluas. ^{[ 24 ]}

Al comienzo de la Segunda Guerra Mundial, la Armada Imperial Japonesa utilizaba proyectores basados ​​en cuarzo . Estos eran grandes y pesados, especialmente si estaban diseñados para bajas frecuencias; el del equipo Tipo 91, que operaba a 9  kHz, tenía un diámetro de 760 mm (30 pulgadas ) y era accionado por un oscilador de 5 kW de potencia y 7 kV de amplitud de salida. Los proyectores Tipo 93 consistían en estructuras sólidas tipo sándwich de cuarzo, ensambladas en cuerpos esféricos de hierro fundido .   

Los sonares Tipo 93 fueron reemplazados posteriormente por el Tipo 3, que seguía el diseño alemán y utilizaba proyectores magnetostrictivos. Los proyectores consistían en dos unidades rectangulares idénticas e independientes en un cuerpo rectangular de hierro fundido de aproximadamente 410 mm × 230 mm (16 × 9 pulgadas ) . El área expuesta tenía un ancho equivalente a la mitad de la longitud de onda y una altura equivalente a tres longitudes de onda. Los núcleos magnetostrictivos estaban hechos de piezas estampadas de níquel de 4 mm, y posteriormente de una aleación de hierro-aluminio con un contenido de aluminio entre el 12,7 % y el 12,9 %. La alimentación provenía de una fuente de CC de 20 V y 8 A , con polarización de 2 kW a 3,8 kV.        

Los hidrófonos pasivos de la Armada Imperial Japonesa se basaban en un diseño de bobina móvil, transductores piezoeléctricos de sal de Rochelle y micrófonos de carbono . ^{[ 25 ]}

Tras la Segunda Guerra Mundial, se buscaron transductores magnetostrictivos como alternativa a los piezoeléctricos. Se utilizaron transductores de anillo de níquel enrollado en espiral para operaciones de alta potencia y baja frecuencia, con tamaños de hasta 4 metros (13 pies ) de diámetro, probablemente los transductores de sonar individuales más grandes jamás fabricados. La ventaja de los metales radica en su alta resistencia a la tracción y baja impedancia eléctrica de entrada, pero presentan pérdidas eléctricas y un coeficiente de acoplamiento menor que el PZT, cuya resistencia a la tracción puede incrementarse mediante pretensado . 

También se probaron otros materiales. Las ferritas no metálicas resultaron prometedoras por su baja conductividad eléctrica, lo que se traducía en bajas pérdidas por corrientes parásitas ; el Metglas ofrecía un alto coeficiente de acoplamiento, pero en general eran inferiores al PZT. En la década de 1970, se descubrieron compuestos de tierras raras y hierro con propiedades magnetomecánicas superiores, concretamente la aleación Terfenol-D . Esto posibilitó nuevos diseños, como un transductor híbrido magnetostrictivo-piezoeléctrico. El más reciente de estos materiales magnetostrictivos mejorados es el Galfenol .

Otros tipos de transductores incluyen los transductores de reluctancia variable (o de armadura móvil o electromagnéticos), donde la fuerza magnética actúa sobre las superficies de los espacios, y los transductores de bobina móvil (o electrodinámicos), similares a los altavoces convencionales; estos últimos se utilizan en la calibración de sonido subacuático, debido a sus frecuencias de resonancia muy bajas y características de banda ancha planas por encima de ellas. ^{[ 26 ]}

El proyecto Artemis fue un proyecto experimental de investigación y desarrollo que se llevó a cabo desde finales de la década de 1950 hasta mediados de la de 1960 para examinar la propagación acústica y el procesamiento de señales para un sistema de sonar activo de baja frecuencia que podría utilizarse para la vigilancia oceánica. Un objetivo secundario fue el examen de los problemas de ingeniería de los sistemas fijos activos de fondo. ^{[ 32 ]} El conjunto receptor se ubicó en la pendiente del banco Plantagnet, frente a las Bermudas. El conjunto de fuente activa se desplegó desde el buque cisterna USNS Mission Capistrano  , reconvertido para la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 33 ]} Algunos elementos de Artemis se utilizaron experimentalmente después de que se finalizara el experimento principal.

Se trata de un dispositivo de sonar activo que recibe un estímulo específico e inmediatamente (o con un retardo) retransmite la señal recibida o una predeterminada. Los transpondedores pueden utilizarse para activar o recuperar de forma remota equipos submarinos. ^{[ 34 ]}

Un objetivo de sonar es pequeño en relación con la esfera , centrada alrededor del emisor, en la que se encuentra. Por lo tanto, la potencia de la señal reflejada es muy baja, varios órdenes de magnitud menor que la señal original. Incluso si la señal reflejada tuviera la misma potencia, el siguiente ejemplo (usando valores hipotéticos) muestra el problema: Supongamos que un sistema de sonar es capaz de emitir una señal de 10 000  W/m² ^a 1  m y detectar una señal de 0,001 W/m² ^.  A 100  m la señal será de 1  W/m² ^, debido a la ley del inverso del cuadrado .

Si la señal completa se refleja desde un objetivo de 10 ^m²  , tendrá una potencia de 0,001 W/m² ^al llegar al emisor, es decir, apenas detectable. Sin embargo, la señal original se mantendrá por encima de 0,001 W/m² ^hasta los 3000 m. Cualquier objetivo de 10 ^m² situado entre 100 y 3000 m, utilizando un sistema similar o superior, podría detectar el pulso, pero no sería detectado por el emisor. Los detectores deben ser muy sensibles para captar los ecos. Dado que la señal original es mucho más potente, puede detectarse a distancias muchas veces superiores al doble del alcance del sonar (como en el ejemplo).     

El sonar activo presenta dos limitaciones de rendimiento: el ruido y la reverberación. Generalmente, una de ellas predomina, por lo que ambos efectos pueden considerarse inicialmente por separado.

En condiciones limitadas por ruido en la detección inicial: ^{[ 35 ]}

SL − 2PL + TS − (NL − AG) = DT,

donde SL es el nivel de la fuente , PL es la pérdida de propagación (a veces denominada pérdida de transmisión ), TS es la intensidad del objetivo , NL es el nivel de ruido , AG es la ganancia de la matriz receptora (a veces aproximada por su índice de directividad) y DT es el umbral de detección .

En condiciones limitadas por reverberación en la detección inicial (despreciando la ganancia del conjunto):

SL − 2PL + TS = RL + DT,

donde RL es el nivel de reverberación y los demás factores son los mismos que antes.

• El LIMIS (sonar de imágenes para minas lapa) es un sonar de imágenes portátil o montado en un ROV (vehículo operado por control remoto) para uso de buzos. Su nombre se debe a que fue diseñado para buzos de patrulla ( buzos de combate o buzos de desactivación de explosivos ) para buscar minas lapa en aguas de baja visibilidad .
• El LUIS (sistema de imágenes subacuáticas con lentes) es otro tipo de sonar de imágenes para uso de buceadores.
• Existe o existía un pequeño sonar portátil con forma de linterna para buceadores, que simplemente muestra la distancia.
• Para el INSS (sistema integrado de sonar de navegación)

Un sonar de visión ascendente (ULS) es un dispositivo de sonar que apunta hacia arriba, hacia la superficie del mar. Se utiliza para fines similares a los del sonar de visión descendente, pero tiene algunas aplicaciones únicas, como la medición del espesor, la rugosidad y la concentración del hielo marino , ^{[ 36 ] [ 37 ]} o la medición de la incorporación de aire de las columnas de burbujas durante mares agitados. A menudo se ancla en el fondo del océano o flota en una línea de amarre tensa a una profundidad constante de unos 100 m. También pueden ser utilizados por submarinos , vehículos submarinos autónomos (AUV) y boyas como la boya Argo . ^{[ 38 ]}

El sonar pasivo dispone de una amplia variedad de técnicas para identificar la fuente de un sonido detectado. Por ejemplo, los buques estadounidenses suelen operar con sistemas de corriente alterna de 60 hercios (Hz) . Si los transformadores o generadores se instalan sin el aislamiento antivibratorio adecuado del casco o se inundan, el sonido de 60 Hz procedente de los devanados puede emitirse desde el submarino o buque. Esto puede ayudar a identificar su nacionalidad, ya que todos los submarinos europeos y prácticamente todos los submarinos de otras naciones utilizan sistemas de alimentación de 50 Hz. Las fuentes de sonido intermitentes (como la caída de una llave inglesa ), denominadas "transitorios", también pueden ser detectables por el sonar pasivo. Hasta hace relativamente poco, un operador experimentado y capacitado identificaba las señales, pero ahora los ordenadores pueden hacerlo.  

Los sistemas de sonar pasivo pueden tener grandes bases de datos sónicas , pero el operador suele clasificar las señales manualmente. Un sistema informático suele utilizar estas bases de datos para identificar clases de buques, acciones (por ejemplo, la velocidad de un buque o el tipo de arma lanzada y las contramedidas más efectivas a emplear), e incluso buques específicos.

El sonar pasivo en los vehículos suele estar muy limitado por el ruido que generan. Por ello, muchos submarinos utilizan reactores nucleares que se enfrían sin bombas, mediante convección silenciosa , o pilas de combustible o baterías , que también funcionan de forma silenciosa. Las hélices de los vehículos están diseñadas y mecanizadas con precisión para emitir el mínimo ruido posible. Las hélices de alta velocidad suelen crear pequeñas burbujas en el agua, y esta cavitación produce un sonido característico.

Los hidrófonos de sonar pueden remolcarse detrás del barco o submarino para reducir el ruido generado por la propia embarcación. Las unidades remolcadas también combaten la termoclina , ya que pueden remolcarse por encima o por debajo de ella.

La visualización de la mayoría de los sonares pasivos solía ser una representación bidimensional en cascada . La dirección horizontal indica el rumbo, mientras que la vertical representa la frecuencia o, en ocasiones, el tiempo. Otra técnica de visualización consiste en codificar por colores la información de frecuencia-tiempo para indicar el rumbo. Las visualizaciones más recientes se generan mediante ordenadores e imitan los indicadores de posición en planta de tipo radar .

A diferencia del sonar activo, solo se produce propagación unidireccional. Debido al diferente procesamiento de la señal utilizado, la relación señal-ruido mínima detectable será diferente. La ecuación para determinar el rendimiento de un sonar pasivo es ^{[ 40 ] [ 35 ]}

SL − PL = NL − AG + DT,

donde SL es el nivel de la fuente, PL es la pérdida de propagación, NL es el nivel de ruido, AG es la ganancia del arreglo y DT es el umbral de detección. La figura de mérito de un sonar pasivo es

FOM = SL + AG − (NL + DT).

El funcionamiento del sonar se ve afectado por las variaciones en la velocidad del sonido , particularmente en el plano vertical. El sonido viaja más lentamente en agua dulce que en agua de mar , aunque la diferencia es pequeña. La velocidad está determinada por el módulo de compresibilidad y la densidad del agua . El módulo de compresibilidad se ve afectado por la temperatura, las impurezas disueltas (generalmente la salinidad ) y la presión . El efecto de la densidad es pequeño. La velocidad del sonido (en pies por segundo) es aproximadamente:

4388 + (11,25 × temperatura (en °F)) + (0,0182 × profundidad (en pies)) + salinidad (en partes por mil).

Esta ecuación de aproximación, derivada empíricamente, es razonablemente precisa para temperaturas normales, concentraciones de salinidad y el rango de profundidades oceánicas habituales. La temperatura del océano varía con la profundidad, pero entre los 30 y los 100 metros suele haber un cambio marcado, denominado termoclina , que separa las aguas superficiales más cálidas de las aguas frías y tranquilas que componen el resto del océano. Esto puede dificultar el uso del sonar, ya que un sonido que se origina en un lado de la termoclina tiende a desviarse o refractarse al atravesarla.

La termoclina puede estar presente en aguas costeras menos profundas. La acción de las olas suele mezclar la columna de agua y eliminar la termoclina. La presión del agua también afecta la propagación del sonido: una mayor presión aumenta la velocidad del sonido, lo que provoca que las ondas sonoras se refracten alejándose de la zona de mayor velocidad. El modelo matemático de refracción se denomina ley de Snell .

Si la fuente sonora es profunda y las condiciones son las adecuadas, puede producirse propagación en el " canal de sonido profundo ". Esto proporciona una pérdida de propagación extremadamente baja para el receptor dentro del canal. Esto se debe a la retención del sonido en el canal, sin pérdidas en los límites. Una propagación similar puede ocurrir en el "conducto superficial" bajo condiciones apropiadas. En este caso, se producen pérdidas por reflexión en la superficie.

En aguas poco profundas, la propagación se produce generalmente por reflexión repetida en la superficie y en el fondo, donde pueden ocurrir pérdidas considerables.

La propagación del sonido se ve afectada por la absorción tanto en el agua como en la superficie y el fondo. Esta absorción depende de la frecuencia y se produce mediante diversos mecanismos en el agua de mar. El sonar de largo alcance utiliza bajas frecuencias para minimizar los efectos de la absorción.

El mar contiene numerosas fuentes de ruido que interfieren con el eco o la señal deseada. Las principales fuentes de ruido son las olas y el tráfico marítimo . El movimiento del receptor a través del agua también puede generar ruido de baja frecuencia que depende de la velocidad.

Cuando se utiliza el sonar activo, se produce dispersión por objetos pequeños en el mar, así como por el fondo y la superficie. Esto puede ser una fuente importante de interferencia. Esta dispersión acústica es análoga a la dispersión de la luz de los faros de un coche en la niebla: un haz concentrado de alta intensidad penetrará la niebla hasta cierto punto, pero los faros de haz más ancho emiten mucha luz en direcciones no deseadas, gran parte de la cual se dispersa de vuelta al observador, enmascarando la luz reflejada por el objetivo ("cielo total"). Por razones análogas, el sonar activo necesita transmitir en un haz estrecho para minimizar la dispersión.

The scattering of sonar from objects (mines, pipelines, zooplankton, geological features, fish etc.) is how active sonar detects them, but this ability can be masked by strong scattering from false targets, or 'clutter'. Where they occur (under breaking waves;^[42] in ship wakes; in gas emitted from seabed seeps and leaks^[43] etc.), gas bubbles are powerful sources of clutter, and can readily hide targets. TWIPS (Twin Inverted Pulse Sonar)^[44][45][46] is currently the only sonar that can overcome this clutter problem.

This is important as many recent conflicts have occurred in coastal waters, and the inability to detect whether mines are present or not present hazards and delays to military vessels, and also to aid convoys and merchant shipping trying to support the region long after the conflict has ceased.^[44]

The sound reflection characteristics of the target of an active sonar, such as a submarine, are known as its target strength. A complication is that echoes are also obtained from other objects in the sea such as whales, wakes, schools of fish and rocks.

Passive sonar detects the target's radiated noise characteristics. The radiated spectrum comprises a continuous spectrum of noise with peaks at certain frequencies which can be used for classification.

Active (powered) countermeasures may be launched by a vessel under attack to raise the noise level, provide a large false target, and obscure the signature of the vessel itself.

Passive (i.e., non-powered) countermeasures include:

• Mounting noise-generating devices on isolating devices.
• Sound-absorbent coatings on the hulls of submarines, for example anechoic tiles.

Hasta hace poco, los sonares de barco solían tener antenas montadas en el casco, ya sea en el centro o en la proa. Tras su uso inicial, pronto se descubrió la necesidad de reducir el ruido del flujo. Las primeras antenas eran de lona sobre una estructura, y posteriormente se utilizaron de acero. Actualmente, las cúpulas suelen ser de plástico reforzado o caucho presurizado. Estos sonares son principalmente activos durante su funcionamiento. Un ejemplo de sonar convencional montado en el casco es el SQS-56.

Debido a los problemas de ruido generado por los barcos, también se utilizan sonares remolcados. Estos tienen la ventaja de poder colocarse a mayor profundidad, pero presentan limitaciones en aguas poco profundas. Se les conoce como conjuntos remolcados (lineales) o sonares de profundidad variable (VDS) con conjuntos 2D/3D. Un inconveniente es que los cabrestantes necesarios para desplegarlos y recuperarlos son grandes y costosos. Los sistemas VDS son principalmente activos durante su funcionamiento, mientras que los conjuntos remolcados son pasivos.

Un ejemplo de sonar remolcado por barco, activo-pasivo, moderno es el Sonar 2087 fabricado por Thales Underwater Systems .

Los torpedos modernos suelen estar equipados con un sonar activo/pasivo. Este puede utilizarse para dirigirse directamente al objetivo, pero también se emplean torpedos guiados por estela . Un ejemplo temprano de un sistema de guiado acústico fue el torpedo Mark 37 .

Las contramedidas contra torpedos pueden ser remolcadas o de libre uso. Un ejemplo temprano fue el dispositivo alemán Sieglinde , mientras que el Bold era un dispositivo químico. Un dispositivo estadounidense ampliamente utilizado fue el AN/SLQ-25 Nixie, remolcado, mientras que el simulador móvil de submarinos (MOSS) era de libre uso. Una alternativa moderna al sistema Nixie es el sistema de defensa antitorpedos para buques de superficie S2170 de la Marina Real Británica .

Las minas pueden equiparse con un sonar para detectar, localizar y reconocer el objetivo deseado. Un ejemplo es la mina CAPTOR .

El sonar de contramedidas contra minas (MCM), también conocido como sonar de evitación de minas y obstáculos (MOAS), es un tipo especializado de sonar utilizado para detectar objetos pequeños. La mayoría de los sonares MCM se montan en el casco, pero algunos modelos son de diseño VDS. Un ejemplo de sonar MCM montado en el casco es el Tipo 2193, mientras que el sonar de detección de minas SQQ-32 y el sistema Tipo 2093 son de diseño VDS.

Los submarinos dependen del sonar en mayor medida que los buques de superficie, ya que no pueden utilizar el radar bajo el agua. Los sistemas de sonar pueden estar instalados en el casco o ser remolcados. En los documentos sobre los submarinos de la clase Oyashio y Swiftsure se ofrece información sobre las configuraciones típicas .

Helicopters can be used for antisubmarine warfare by deploying fields of active-passive sonobuoys or can operate dipping sonar, such as the AQS-13. Fixed wing aircraft can also deploy sonobuoys and have greater endurance and capacity to deploy them. Processing from the sonobuoys or dipping sonar can be on the aircraft or on ship. Dipping sonar has the advantage of being deployable to depths appropriate to daily conditions. Helicopters have also been used for mine countermeasure missions using towed sonars such as the AQS-20A.

Dedicated sonars can be fitted to ships and submarines for underwater communication.

The United States began a system of passive, fixed ocean surveillance systems in 1950 with the classified name Sound Surveillance System (SOSUS) with American Telephone and Telegraph Company (AT&T), with its Bell Laboratories research and Western Electric manufacturing entities being contracted for development and installation. The systems exploited the SOFAR channel, also known as the deep sound channel, where a sound speed minimum creates a waveguide in which low frequency sound travels thousands of miles.^[48][49]

Analysis was based on an AT&T sound spectrograph, which converted sound into a visual spectrogram representing a time–frequency analysis of sound that was developed for speech analysis and modified to analyze low-frequency underwater sounds. That process was Low Frequency Analysis and Recording and the equipment was termed the Low Frequency Analyzer and Recorder, both with the acronym LOFAR. LOFAR research was termed Jezebel and led to usage in air and surface systems, particularly sonobuoys using the process and sometimes using "Jezebel" in their name.^{[48][49][50][51]} The proposed system offered such promise of long-range submarine detection that the Navy ordered immediate moves for implementation.^[49][52]

Entre la instalación de un conjunto de prueba y la posterior instalación de un prototipo operativo a escala real de cuarenta elementos en 1951 y 1958, se instalaron sistemas en el Atlántico y luego en el Pacífico bajo el nombre no clasificado de Proyecto César . Los sistemas originales terminaban en estaciones costeras clasificadas, designadas como Instalación Naval (NAVFAC), que, según se explicaba, realizaban "investigación oceánica" para encubrir su misión clasificada. El sistema se actualizó varias veces con cables más avanzados, lo que permitió instalar los conjuntos en cuencas oceánicas y mejorar el procesamiento. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

Las estaciones costeras se eliminaron en un proceso de consolidación y redireccionamiento de los conjuntos de antenas a centros de procesamiento centralizados durante la década de 1990. En 1985, con la puesta en funcionamiento de nuevos conjuntos de antenas móviles y otros sistemas, el nombre del sistema colectivo se cambió a Sistema Integrado de Vigilancia Submarina (IUSS). En 1991, se desclasificó la misión del sistema. El año anterior se autorizó el uso de las insignias del IUSS. Se concedió acceso a algunos sistemas para investigación científica. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

Se cree que la Unión Soviética operaba un sistema similar.

El sonar puede utilizarse para detectar buzos y otros submarinistas . Esto puede aplicarse en las inmediaciones de barcos o en las entradas de los puertos. El sonar activo también puede utilizarse como elemento disuasorio o mecanismo de inmovilización. Un ejemplo de este tipo de dispositivo es el sistema Cerberus .

El sonar de imágenes para minas lapa (LIMIS, por sus siglas en inglés) es un sonar de imágenes portátil o montado en un ROV (vehículo operado por control remoto) diseñado para que los buzos de patrulla ( buzos de combate o buzos de desactivación de explosivos ) busquen minas lapa en aguas de baja visibilidad .

El LUIS es otro sonar de imágenes para uso de buceadores.

El sistema de sonar de navegación integrado (INSS) es un pequeño sonar portátil con forma de linterna para buceadores que muestra el alcance. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

Se trata de un sonar diseñado para detectar y localizar las transmisiones de sonares activos hostiles. Un ejemplo de ello es el Tipo 2082 instalado en los submarinos británicos de la clase Vanguard .

La pesca es una industria importante con una demanda creciente, pero el tonelaje mundial de capturas está disminuyendo debido a graves problemas de recursos. La industria se enfrenta a un futuro de consolidación global continua hasta alcanzar un punto de sostenibilidad . Sin embargo, la consolidación de las flotas pesqueras está impulsando una mayor demanda de equipos electrónicos sofisticados para la detección de peces, como sensores, sondas y sónares. Históricamente, los pescadores han utilizado diversas técnicas para encontrar y capturar peces. No obstante, la tecnología acústica ha sido uno de los principales motores del desarrollo de la pesca comercial moderna.

Las ondas sonoras se propagan de forma diferente a través de los peces que a través del agua, ya que la vejiga natatoria de los peces, llena de aire , tiene una densidad distinta a la del agua de mar. Esta diferencia de densidad permite detectar bancos de peces mediante el sonido reflejado. La tecnología acústica es especialmente adecuada para aplicaciones subacuáticas, puesto que el sonido viaja más lejos y más rápido bajo el agua que en el aire. Actualmente, los buques pesqueros comerciales dependen casi por completo del sonar acústico y las sondas para detectar peces. Los pescadores también utilizan sonar activo y ecosonda para determinar la profundidad, el contorno y la composición del fondo marino.

Empresas como eSonar, Raymarine , Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp y Simrad fabrican diversos instrumentos acústicos y de sonar para la industria pesquera comercial de aguas profundas . Por ejemplo, los sensores de red toman diversas mediciones subacuáticas y transmiten la información a un receptor a bordo de la embarcación. Cada sensor está equipado con uno o más transductores acústicos, según su función específica. Los datos se transmiten desde los sensores mediante telemetría acústica inalámbrica y son recibidos por un hidrófono instalado en el casco. Las señales analógicas son decodificadas y convertidas por un receptor acústico digital en datos que se transmiten a una computadora de puente para su visualización gráfica en un monitor de alta resolución.

La ecosonda es un proceso utilizado para determinar la profundidad del agua bajo los barcos y embarcaciones. Como tipo de sonar activo, la ecosonda consiste en la transmisión de un pulso acústico directamente hacia el lecho marino, midiendo el tiempo transcurrido entre la transmisión y el retorno del eco, tras haber impactado contra el fondo y rebotado de vuelta al barco de origen. El pulso acústico es emitido por un transductor que también recibe el eco de retorno. La medición de la profundidad se calcula multiplicando la velocidad del sonido en el agua (con un promedio de 1500 metros por segundo) por el tiempo transcurrido entre la emisión y el retorno del eco. ^{[ 55 ]}

La importancia de la acústica subacuática para la industria pesquera ha propiciado el desarrollo de otros instrumentos acústicos que funcionan de manera similar a las ecosondas, pero, debido a que su función es ligeramente diferente del modelo inicial de la ecosonda, se les ha dado una denominación diferente.

La sonda de red es una ecosonda con un transductor montado en la parte superior de la red en lugar de en el fondo del buque. Sin embargo, para compensar la distancia entre el transductor y la unidad de visualización, que es mucho mayor que en una ecosonda convencional, se requieren varias mejoras. Existen dos tipos principales. El primero es el tipo de cable, en el que las señales se transmiten a través de un cable. En este caso, se necesita un tambor para recoger, lanzar y guardar el cable durante las diferentes fases de la operación. El segundo tipo es la sonda de red inalámbrica, como la Trawl Explorer de Marport, en la que las señales se transmiten acústicamente entre la red y el receptor-hidrófono montado en el casco del buque. En este caso, no se requiere un tambor para el cable, pero sí una electrónica sofisticada en el transductor y el receptor.

La pantalla de una sonda de red muestra la distancia de la red al fondo (o a la superficie), en lugar de la profundidad del agua como en el caso del transductor montado en el casco de la ecosonda . El cabo inferior, fijado a la parte superior de la red, suele ser visible, lo que permite observar su rendimiento. También se puede ver cualquier pez que entre en la red, lo que posibilita realizar ajustes precisos para capturar la mayor cantidad posible. En otras pesquerías, donde la cantidad de peces en la red es importante, se instalan transductores sensores de captura en varias posiciones del copo de la red. A medida que el copo se llena, estos transductores se activan uno a uno y la información se transmite acústicamente a los monitores en el puente de mando del barco. El capitán puede entonces decidir cuándo recoger la red.

Las versiones modernas de la sonda de red, que utilizan transductores de múltiples elementos, funcionan más como un sonar que como una ecosonda y muestran secciones del área frente a la red, y no solo la vista vertical que utilizaban las sondas de red iniciales.

El sonar es una ecosonda con capacidad direccional que puede mostrar peces u otros objetos alrededor de la embarcación.

Se han instalado pequeños sonares en vehículos operados a distancia (ROV) y vehículos submarinos no tripulados (UUV) para permitir su operación en condiciones de turbidez. Estos sonares se utilizan para explorar el terreno por delante del vehículo. El sistema de reconocimiento de minas a largo plazo AN/BLQ-11 es un UUV diseñado para la contramedida contra minas (MCM).

Los sonares que funcionan como balizas se instalan en las aeronaves para permitir su localización en caso de accidente en el mar. Para determinar la ubicación se pueden utilizar sonares de línea de base corta y larga, como el LBL .

En 2013, un inventor en Estados Unidos presentó un traje corporal con "sentido arácnido", equipado con sensores ultrasónicos y sistemas de retroalimentación háptica , que alerta al usuario de amenazas entrantes; permitiéndole responder a los atacantes incluso con los ojos vendados. ^{[ 56 ]}

Detección de peces y otros organismos marinos y acuáticos, y estimación de sus tamaños individuales o biomasa total mediante técnicas de sonar activo. Los pulsos de sonido se reflejan en cualquier objeto que tenga una densidad diferente a la del medio circundante. Esto incluye a los peces, o más específicamente, a la vejiga natatoria llena de aire de los peces. ^{[ 57 ]} Estos ecos proporcionan información sobre el tamaño, la ubicación, la abundancia y el comportamiento de los peces. Esto es especialmente efectivo para peces con vejiga natatoria (por ejemplo, arenque, bacalao y abadejo), y menos útil para peces sin ella (por ejemplo, tiburones, caballa y lenguado). ^{[ 58 ]} Los datos de la columna de agua generalmente se procesan de manera diferente a los datos del fondo marino o de detección de objetos; este tipo de datos se puede procesar con software especializado. ^{[ 57 ]}

Se puede utilizar una ecosonda orientada hacia arriba, montada en el fondo marino o en una plataforma, para medir la altura y el período de las olas. A partir de estos datos, se pueden obtener estadísticas sobre las condiciones de la superficie en un lugar determinado.

Se han desarrollado sonares especiales de corto alcance para permitir la medición de la velocidad del agua.

Se han desarrollado sonares que permiten caracterizar el fondo marino, clasificándolo, por ejemplo, en lodo, arena y grava. Los sonares relativamente sencillos, como las ecosondas, pueden integrarse en sistemas de clasificación del fondo marino mediante módulos adicionales, que convierten los parámetros del eco en tipos de sedimento. Existen diferentes algoritmos, pero todos se basan en cambios en la energía o la forma de los pulsos reflejados por la ecosonda. El análisis avanzado de la clasificación del sustrato se puede lograr utilizando ecosondas calibradas (científicas) y análisis paramétricos o de lógica difusa de los datos acústicos.

Los sonares de barrido lateral permiten obtener mapas de la topografía del fondo marino ( batimetría ) desplazando el sonar justo por encima del fondo. Los sonares de baja frecuencia, como GLORIA, se han utilizado para estudios de toda la plataforma continental, mientras que los sonares de alta frecuencia se emplean para estudios más detallados de áreas más pequeñas.

Las ecosondas multihaz montadas en el casco de grandes buques de superficie generan amplios datos batimétricos prácticamente en tiempo real. Un ejemplo es el sistema "Seabeam" de General Instrument, que utiliza un conjunto de proyectores a lo largo de la quilla para sonorizar el fondo marino con un haz en abanico. Las señales de un conjunto de hidrófonos montado transversalmente se procesan para sintetizar múltiples haces virtuales en abanico que cruzan el haz del proyector en ángulo recto.

Creación de imágenes bidimensionales y tridimensionales mediante datos de sonar.

Se han desarrollado potentes ecosondas de baja frecuencia para obtener perfiles de las capas superiores del fondo oceánico. Uno de los dispositivos más recientes es el SBP paramétrico multitransductor SES-2000 quattro de Innomar, utilizado, por ejemplo, en la bahía de Puck con fines arqueológicos subacuáticos. ^{[ 59 ]}

Las burbujas de gas pueden filtrarse desde el lecho marino, o cerca de él, desde múltiples fuentes. Estas pueden detectarse tanto con sonar pasivo ^{[ 60 ] como activo [ 43 ]} (mostrados en la figura esquemática ^{[ 60 ]} con sistemas amarillos y rojos respectivamente).

Se producen filtraciones naturales de metano y dióxido de carbono. ^{[ 43 ]} Los gasoductos pueden tener fugas, y es importante poder detectar si se producen fugas en las instalaciones de captura y almacenamiento de carbono (CCSF; por ejemplo, pozos petrolíferos agotados en los que se almacena el carbono atmosférico extraído). ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]} La cuantificación de la cantidad de gas que se filtra es difícil, y aunque se pueden hacer estimaciones utilizando sonar activo y pasivo, es importante cuestionar su precisión debido a las suposiciones inherentes a la realización de dichas estimaciones a partir de datos de sonar. ^{[ 60 ] [ 65 ]}

En el laboratorio se han construido diversos sonares de apertura sintética, algunos de los cuales se utilizan en sistemas de búsqueda y detección de minas. En el artículo sobre sonares de apertura sintética se explica su funcionamiento .

Las fuentes paramétricas utilizan la no linealidad del agua para generar la frecuencia diferencial entre dos frecuencias altas. Se forma una matriz virtual de radiación frontal. Este tipo de proyector presenta ventajas como un ancho de banda amplio, un ancho de haz estrecho y, cuando está completamente desarrollado y medido con precisión, no tiene lóbulos laterales evidentes: véase Matriz paramétrica . Su principal desventaja es su muy baja eficiencia, de tan solo unos pocos por ciento. ^{[ 66 ]} PJ Westervelt resume las tendencias involucradas. ^{[ 67 ]}

Se ha propuesto el uso de sonar activo y pasivo para diversos entornos extraterrestres. ^{[ 68 ]} Un ejemplo es Titán , donde el sonar activo podría utilizarse para determinar la profundidad de sus mares de hidrocarburos , ^{[ 69 ]} y el sonar pasivo podría utilizarse para detectar cascadas de metano . ^{[ 70 ]}

Las propuestas que no tienen debidamente en cuenta la diferencia entre los entornos terrestres y extraterrestres podrían conducir a mediciones erróneas. ^{[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]}

Las investigaciones han demostrado que el uso de sonar activo puede provocar varamientos masivos de mamíferos marinos . ^{[ 77 ]} Se ha demostrado que los zifios , las víctimas más comunes de los varamientos, son altamente sensibles al sonar activo de frecuencia media. ^{[ 78 ]} Otros mamíferos marinos, como la ballena azul, también huyen de la fuente del sonar, ^{[ 79 ]} mientras que se sugirió que la actividad naval era la causa más probable de un varamiento masivo de delfines. ^{[ 80 ]}

La Armada de los Estados Unidos, que cofinanció algunos de los estudios, afirmó que los hallazgos solo mostraban respuestas conductuales al sonar, no daños reales, pero que "evaluarán la eficacia de sus medidas de protección de mamíferos marinos a la luz de los nuevos resultados de la investigación". ^{[ 77 ]} Un fallo de la Corte Suprema de los Estados Unidos de 2008 sobre el uso del sonar por la Armada de los Estados Unidos señaló que no había habido casos en los que se hubiera demostrado de manera concluyente que el sonar hubiera dañado o matado a un mamífero marino. ^{[ 81 ]}

Algunos animales marinos, como las ballenas y los delfines , utilizan sistemas de ecolocalización , a veces llamados biosonar , para localizar depredadores y presas. Las investigaciones sobre los efectos del sonar en las ballenas azules en la Bahía del Sur de California muestran que el uso de sonar de frecuencia media altera el comportamiento alimentario de las ballenas. Esto indica que la alteración de la alimentación y el desplazamiento de zonas con presas de alta calidad inducidos por el sonar podrían tener impactos significativos y hasta ahora no documentados en la ecología de la alimentación de las ballenas barbadas , su aptitud individual y la salud de la población. ^{[ 82 ]}

En 2019 se publicó una revisión de la evidencia sobre los varamientos masivos de ballenas picudas vinculados a ejercicios navales en los que se utilizó sonar. Concluyó que los efectos del sonar activo de frecuencia media son más fuertes en las ballenas picudas de Cuvier, pero varían entre individuos o poblaciones. La revisión sugirió que la intensidad de la respuesta de los animales individuales puede depender de si habían estado expuestos previamente al sonar, y que se han encontrado síntomas de enfermedad por descompresión en ballenas varadas que podrían ser resultado de dicha respuesta al sonar. Señaló que en las Islas Canarias, donde se habían reportado múltiples varamientos previamente, no se habían producido más varamientos masivos una vez que se prohibieron los ejercicios navales en los que se utilizó sonar en la zona, y recomendó que la prohibición se extendiera a otras áreas donde continúan ocurriendo varamientos masivos. ^{[ 83 ] [ 84 ]}

El sonar de baja frecuencia puede crear un pequeño cambio temporal en el umbral auditivo de algunos peces. ^{[ 85 ] [ 86 ] [ a ]}

• Investigación acústica pesquera (FAR, por sus siglas en inglés) en la Universidad de Washington.
• Protocolos de la NOAA para estudios acústicos pesqueros
• Acústica al descubierto : una excelente guía práctica sobre hidroacústica de agua dulce para la evaluación de recursos.
• "ACÚSTICA EN LA PESCA Y LA ECOLOGÍA ACUÁTICA"
• "Protocolo hidroacústico – Lagos, embalses y ríos de tierras bajas" (para la evaluación de peces)
• Simmonds, E. John y DN MacLennan. Acústica pesquera: Teoría y práctica , segunda edición. Serie Peces y recursos acuáticos, 10. Oxford: Blackwell Science, 2003. ISBN 978-0-632-05994-2.