sonar

Marinefartøy kan ha både skrogmonterte og tauede sonarsystem for søk etter ubåter. Aktive sonarer vil detektere ekko fra målet, mens passive sonarer analyserer "støy" fra mål og omgivelser.
Sonarsystem
Lisens: CC BY SA 3.0
Ubåter har en rekke avanserte akustiske sensorer og system som inngår i skipets sonarsystem. For å unngå å bli oppdaget er disse normalt "passive" - de sender altså ikke ut lyd.
Sonarsystemer på ubåt
Lisens: CC BY SA 3.0
På moderne fiskefartøy vil sonaren vise posisjon og bevegelse av fiskestimer. Operatøren velger om han vil se spesielle snitt i vannsøylen eller rundt hele fartøyet. Rekkevidden kan være flere tusen meter.
Fiskerisonar
Lisens: CC BY SA 3.0
Multistråle-ekkolodd er en spesialvariant av sonaren som benyttes i nøyaktig sjøkartlegging. En vifte av flere hundrede lydstråler tegner en profil av sjøbunnen under fartøyet.
Multistråle-ekkolodd
Lisens: CC BY SA 3.0

Sonar er et elektronisk instrument for å lokalisere objekter under vann ved hjelp av utsending og mottaking av høyfrekvent lyd. I militær bruk for deteksjon av neddykkede ubåter og miner, mens innen fiskeri bidrar sonaren til effektivisering av søk etter fisk i vannsøylen – i norske farvann typisk sild, makrell, lodde og kolmule. I fiskeriene vil det alltid være snakk om aktive sonarer som sender og mottar lydsignaler, mens det eksempelvis på militære ubåter kan være passive sonerer, som kun mottar og analyserer lyd fra omgivelsene. Tidligere brukte man ofte betegnelsen ASDIC.

Faktaboks

uttale:
sonˈar
også kjent som:
fork. for eng. Sound, Navigation and Ranging

Virkemåte og anvendelse

Aktive sonarer

Aktive sonarer anvender en svinger (transducer) under skipet. Denne sender ut og mottar lydsignaler. En svinger vil normalt være oppbygget av en mengde små piezoelektriske elementer som kan styres elektronisk i mange forskjellige retninger uten at svingeren fysisk beveges. Slik kan objekter detekteres i alle retninger under skipet, eller i en spesifisert sektor. Fra svingeren sendes det ut korte og regelmessige lydpulser («ping») som reflekteres tilbake fra objekter og havbunnen. Avstanden kan da bestemmes etter ekkoprinsippet ved at man kjenner lydens hastighet i vann (ca. 1500 m/s).

Lydpulsens lengde, intervall, frekvens og modulasjon avgjør egenskapene og rekkevidden på sonaren og hvor detaljert bilde som kan tegnes av omgivelsene under vann. Med lave frekvenser, i området noen få kHz og opp til 20–30 kHz, vil man kunne detektere store fiskestimer eller ubåter på flere kilometers avstand. Høyere frekvenser på omkring 100–200 kHz benyttes på kortere avstander for mer detaljert gjengivelse innen noen få hundre meter.

Omgivelsene under vann blir på moderne sonarer vanligvis presentert på en skjerm hvor man kan se 360 grader rundt skipet (omni-sonar), eller i valgte snitt eller sektorer – noen vil også kunne presentere et tredimensjonalt bilde.

Tidligere var det vanlig med mekanisk styring av svingeren og fysisk lytte til den mottatte lyden, og erfarne operatører kunne vurdere både fart og størrelse på målene ut fra karakteristikken på lyden. På moderne sonarer er denne teknikken erstattet med avansert signalbehandling som kombinerer tids- og avstandsmålinger med hastighetsmåling basert på frekvensvariasjoner (dopplereffekt).

En spesiell variant av sonaren er multistråle-ekkoloddet, som benyttes i kartlegging av havbunn (batymetri). Dette instrumenter sender en «vifte» av lyd rett ned under båten. For kartlegging og observasjon kan det også benyttes spesielle sidesøkende sonarer (side-scan sonar) som kan være montert i fjernstyrte undervannsfarkoster (AUV og ROV). Enkelte slike system har en imponerende oppløsning og vil kunne presentere svært detaljerte «bilder» fra havbunn – eksempelvis skipsvrak. En annen variant er systemer som måler retning (peiling) og avstand til transpondere («akustiske fyr») på havbunn eller på miniubåter. Dette kalles hydroakustisk posisjonering (HPR) og anvendes i stor grad på offshorefartøy.

Passive sonarer

Passive sonarer sender ikke ut lyd, men benytter kun analyse av mottatt lyd for å analysere omgivelsene og bevegelsen til fartøyer. Dette for å ikke avsløre sin egen posisjon med lett hørbare sonarsignaler. Metoden benyttes helst på ubåter, man kan også bli benyttet på overflatefartøy for å unngå våpensystemer som søker (sikter) på lydkilden til sonaren. Svingere som kun mottar lyd (lytter) kalles gjerne hydrofoner, og kan være plassert flere steder på skroget til en ubåt. Ved at hydrofonene har forskjellig plassering vil vinkelen og avstanden til et mål kunne beregnes. I forbindelse med søk etter ubåter han sonarsystemer bli plassert i drivende bøyer, og tauede enheter etter marinefartøy og helikopter. Innen havforskning benyttes også hydrofoner til analyse av lyd fra det marine miljøet, blant annet marine pattedyr som hval og sel.

Dopplersonarer

Dopplersonar kalles systemer som analyserer frekvensvariasjoner på mottatt lyd. Ved slike analyser kan hastigheter beregnes med stor nøyaktighet – enten hastigheten på et fartøy, eller på selve vannmassene (se: logger). Måles strømhastigheten i vannet kalles systemet oftest ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler).

Begrensninger

Variasjon i lydhastigheten nedover i vannsøylen vil påvirke lydutbredelsen og i enkelte tilfeller skape skyggesoner der mål er vanskelig å detektere fra overflatefarøy. Til vestre vises to typiske lydhastighetsprofiler for sommer og vinter. Om sommeren oppvarmes overflatevannet og lyden går raskere. Lydhastigheten er også viktig innen nøyaktig kartlegging av havbunn. Lydhastighetsprofilen finnes med en lydhastighetsprobe (sound velosity profiler, SVP) eller en CTD-sonde.
Lydhastighetsprofil
Lisens: CC BY SA 3.0

Nøyaktige avstandsmåling innebærer at man kjenner nøyaktig lydhastighet. Lydhastigheten vil variere med dybde, vanntemperatur og saltholdighet (salinitet) i vannet (lydhastighetsprofil). Er det betydelige variasjoner i lydhastigheten nedover i vannet, vil det medføre til at lydstrålen bli avbøyd, og rekkevidden betydelig begrenset. Langs norskekysten oppstår slike utfordringer alltid om våren og sommeren da mye ferskvann kommer ut fra elvene og overflatevannet oppvarmes av solen. Ubåter kan utnytte slike forhold til å unngå å bli oppdaget med sonar. Som mottiltak kan en fregatt eller et helikopter senke/taue sonarer under de utfordrende vannlagene og dermed unngå mye av begrensningene vannet skaper.

Historikk

På de første sonarene som ble benyttet i andre verdenskrig lyttet sonaroperatøren etter ekko fra mål fra forskjellige retninger.
Tidlig sonaroperatør
Lisens: CC BY SA 3.0

Det første kjente forsøk med undervannsakustisk deteksjon som er beskrevet, stammer fra Leonardo da Vinchi, som i 1490 ved hjelp av et rør i vannet kunne høre åreslagene fra skip. Utviklingen av moderne sonaren kom imidlertid som følge av ubåttrusselen i første og andre verdenskrig.

På de første systemene var operasjon i hovedsak basert på at en operatør fysisk lyttet til den mottatte lyden, men etter hvert kunne observasjoner presenteres på oscilloskop og mekaniske plottere. Tidlig på 1900-tallet ble det også utviklet systemer med «undervannsklokker» som kunne observeres med spesielle mottagere på skip. Dette var i tiden før radaren, og systemene var tenkt benyttet for å trygge navigasjon der tåke ofte var en utfordring. Undervannsklokkene fikk ingen stor utbredelse, men var montert på mange fyrskip i Europa og Nord-Amerika.

Sammen med sonarteknologien utviklet den teoretiske forståelsen seg raskt, og i dag kan ytelsen av sonarsystemer analyseres av grunnleggende «sonarligninger». Avansert elektronisk stråleforming og signalbehandling gjorde at man fra 1980- og 1990-tallet gradvis fikk sonarbilder presentert i to- og tredimensjonale bilder på fargeskjermer, der operatøren kunne måle avstander og plotte bevegelse på observerte mål – det være seg fiskestimer, ubåter og bunntopografi.

I naturen er det kjent at både flaggermus og hval benytter lyd og ekkolokalisering for å orientere seg i omgivelsene – ikke ulikt prinsippene som benyttes i morderne sonarteknologi.

Les mer i Store norske leksikon

Litteratur

  • Kjerstad, Norvald (2019). Elektroniske og akustiske navigasjonssystemer. Fagbokforlaget.

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg