Sonar

Sonar on teatud tehnoloogiate üldnimetus milles enamasti allveekeskkonnas kasutatakse helisid navigatsiooniks, kommunikatsiooniks või veealuste (veepealsete) objektide asukohtade määramiseks ja tuvastamiseks. Sonari mõiste on kasutusele võetud analoogina radarile ja sonari ingliskeelne akronüüm tuleneb väljendist "SOund Navigation And Ranging" ehk "helide abil navigeerimine ja kauguste määramine". Sonari asemel on kasutusel ka nimetus hüdrolokaator (hüdro + lad locatio 'asetus').

Ajalugu

Sonarite tehnoloogiate arendamise eelduseks oli veealuse helikiiruse esmakordne täpne mõõtmine aastal 1826 Charles Sturmi ja Daniel Colladoni poolt. Nimelt on helikiirus vees (magevees 1450 m/s) üle nelja korra kiirem, kui õhus (kuivas õhus 343 m/s). Esimeseks sonari tehnoloogiaks võib pidada veealuseid "akustilisi majakaid", mis olid Ameerika Ühendriikide tuletornide juures lisahoiatussüsteemina kasutusel laevade navigatsiooni hõlbustamiseks. Algselt oli veealuste helide tekitajateks kellad, mille heli oli laevadele halva nähtavuse korral algeliste kuulamisseadmetega kaugelt kuuldav. Udupasunatega võrreldes oli veealuse kella heli enamasti suurema kuuldeulatusega ja ilmakindlam. Kellasid hakati pärast 1913 aastat asendama Reginald Fessendeni leiutatud elektroakustiliste heliallikate Fessendeni ostsillaatoritega. Antud seade võimaldas vee alla morsekoodis sõnumeid edastada kuni 50 km kaugusele. Antud kujul veealuste "akustiliste majakate" kasutamine asendati 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 abil jäämägede kaugtuvastusseadme patenteerimiseks. 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 uurimisrühm Paul Langevini juhtimisel. Aastal 1916 suutis uurimisrühm esimest korda elektrostaatilise muunduri abil tekitada ja salvestada heli peegeldusi merepõhjalt. Aastal 1917 vahetas elektrostaatilise muunduri välja piesoelektriline muundur. Vaatamata edusammudele ei peetud antud tehnoloogiaid piisavalt usaldusväärseteks, et neid oleks esimeses maailmasõjas Antandi riikide poolt Keskriikide allveelaevade vastu kasutusele võetud. Ameerika Ühendriikide laevadel ja allveelaevadel olid sel ajal kasutusel lihtsad kuulamisseadmed, mida nimetati SC-torudeks. Need kujutasid endast mehaaniliselt juhitava suunatundlikusega stetoskoope. Seade koosnes kahest teineteisest 1,5 m kaugusel asuvast vees paiknevast kummist andurist, mis kumbki olid õhutorudega ühendatud seadme kasutaja kummassegi kõrva. Elektrooniliste muundurite tehnoloogiaid arendati Suurbritannias Robert Boyle'i ja Albert 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 saabusid 1925 Ameerika Ühendriikides ja Suurbritannias müügile ka esimesed tsiviilotstarbelised laevadele mõeldud kajaloodid ehk akustilised sügavuse määrajad. Seejuured võeti varasema piesoelektrilise kvartsi asemel kasutusele sünteetilise Rochelle’i soola kristallid. Esimesed Rochelle'i soola kristallidel põhinevad hüdrofonid asendasid Ameerika kajaloodides kasutusel olnud vananenud süsimikrofonid välja 1920. aastate lõpus. 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 kiiratavate helide suurima energia jäämine inimeste jaoks kuuldavasse sagedusvahemikku. Antud vahemikus levivad helilained vees samuti ka oluliselt kaugemale, kui kõrgemad sagedused.
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 alles 1941, kui õnnestus esmakordselt oma valdusesse saada allveelaev U-570 (mis nimetati ümber HMS 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 kõrvaklappidesse tulev heli oli seejuures sagedusribas 200 (või 10) Hz kuni 20 kHz. 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.
Pärast teist maailmasõda jätkus sonarite rakendamine militaarvaldkonna kõrval taas tsiviilvaldkondades. Akustiline merepõhja kujutamine sai 1960. aastatel võimalikuks külgvaatesonarite ja 1970. aastatel lehviksonarite (multi beam echo sounders) esiletulekuga. Kajaloode hakati kasutama kalanduses kalaparvede lokaliseerimiseks ja vastavaid kajaloode hakati nimetama kalaloodideks. Lisaks arendati merepõhja geoloogilisteks uuringuteks akustilisi profileerijaid, mis võimaldasid määrata merepõhja setteid ja uurida mere aluspõhja omadusi. Sonarite laialdase kasutamisega avaldusid ka nende võimalikud kahjud mereloomadele. Madalsageduslike aktiivsonarite mõju mereimetajatele on seejuured uuritud alates 1990. aastate keskpaigast, kui esimesi suurearvulisi vaalade kaldale kinni jäämisi hakati seostama militaarsonarite kasutamisega.