Sonar

Sonar on teatud tehnoloogiate üldnimetus, milles üldjuhul allveekeskkonnas helilaineid kasutatakse navigatsiooniks, kommunikatsiooniks, veealuste (veepealsete) objektide kauguste ja asukohtade määramiseks ning objektidest kujutiste saamiseks. Sonari mõiste ja nimetus võeti kasutusele akustilise analoogina radari mõistele Frederick Hunti poolt. Sonari ingliskeelne akronüüm tähistab väljendit "SOund Navigation And Ranging" ehk "heli abil navigeerimine ja kauguste määramine". Sonari kõrval on mõnede sonaritüüpide korral kasutusel ka nimetus hüdrolokaator (hüdro + lad locatio 'asetus').

Ajalugu 

Sonarite tehnoloogiate arendamise eelduseks oli helikiiruse  määramine vees, mille  esmakordselt mõõtsid täpselt Charles Sturm ja Daniel Colladon 1826. aastal. Nimelt on helikiirus vees (magevees 1450 m/s) üle nelja korra kiirem, kui õhus (kuivas õhus 343 m/s). Esimeseks sonariks võib pidada veealuseid "akustilisi majakaid", mis olid Ameerika Ühendriikide tuletornide juures lisahoiatussüsteemina kasutusel laevade navigatsiooni hõlbustamiseks. Algselt oli allveehelide 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 all morsekoodis sõnumeid edastada kuni 50 km kaugusele. 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 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. Seejuures 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 tekitatud 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 telefon-kõrvaklappidesse tulev heli oli seejuures kuuldavas 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. Sõja lõpupoolel võttis Kriegsmarine  kasutusele akustilised torpeedod.

Pärast teist maailmasõda jätkus sonarite rakendamine taas tsiviilvaldkonnas. Akustiline merepõhja kaardistamine sai 1960. aastatel võimalikuks külgvaatesonarite ja 1970. aastatel lehviksonarite (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 uuritud 1990. aastate keskpaigast. Sel perioodil hakati esmakordselt suurearvulisi vaalade kaldale kinni jäämisi seostama militaarsonaritega.

Aktiivsed ja passiivsed sonarid 
Sonarite süsteeme, seadmeid ja aparaate jagatakse laias laastus kaheks eri tüübiks:

 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 ehk kaja võtab vastu sonarisüsteemis näiteks hüdrofon. 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 suunda heliallikateni.

Sonari võrrandid 
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 suhte RSN ja tuvastuslävega ΔLDT. Sonari võrrandid olid kasutusel juba teise maailmasõja ajal. Sonari võrrandeid saab peamiselt kasutada statistiliselt 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 võrrand 
Passiivse sonari võrrandit kasutatakse passiivsete sonarite korral. Passiivse sonari võrrand seob sonari signaali-müra suhet RSN, allikataset LS, levikadu NPL, sonari mürataset LN ja sonari töötluse võimendust ΔLPG. Passiivse sonari võrrandi võib kirja panna kujul:

kus

 LS – allikatase, mis kirjeldab heliallika poolt keskkonda kiiratava helirõhu ruutkeskmist taset;
 NPL – levikadu, mis kirjeldab heliallikast kiirgava heli helirõhutaseme vähenemist keskkonnas;
 LN – sonari müratase, mis kirjeldab sonari tundlikkust ning akustiliste ja mitteakustiliste mürade suurust;
 ΔLPG – sonari töötluse võimendus, mis kirjeldab kasutatud signaalitöötluse panust tuvastuse parendamisel.

Aktiivse sonari võrrand 
Sonari võrrand aktiivse sonari jaoks seob sonari signaali-müra suhet RSN, projektori allikataset LS, levikadu sonari projektori ja sihtmärgi vahel NPL,Tx, samaväärse sihtmärgi tugevust NTS,eq, levikadu sihtmärgi ja sonari vastuvõtja vahel NPL,Rx, sonari mürataset LN 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.

Sonarite tüüpe 
 Kajalood – aktiivsonar, millega mõõdetakse laeva kiilu ja merepõhja või laeva ja vees oleva objekti vahelist kaugust.
 Kalalood (fish finder)
 Külgvaatesonar  – aktiivsonari tüüp, mida kasutatakse merepõhjast pildi loomiseks.
 Lehviksonar – aktiivsonari tüüp, mida kasutatakse peamiselt merepõhja kaardistamiseks.
 Sonopoi – suhteliselt väikesemõõtmeline poi ja sonar, mis visatakse vette lennukitelt või laevadelt allveelaevade vastase sõjapidamise, allveeakustika uurimistöö, okeanograafiliste mõõtmiste jaoks.
 Tehisavasonar – sonari tüüp, mille eripäraks on sensori ja uuritava piirkonna (objekti) vahelise suhtelise liikumise kasutamine kõrgema ruumilise lahutuse saavutamiseks (akustiline analoog tehisavaradarile).
 Veetav ridasonar – passiivsonari tüüp, mille moodustab hüdrofonide jada, mida veetakse kaablil allveelaeva või pinnalaeva järel.

Vaata ka 
 Lokaator
Sodar
 Infraheli
 Ultraheli
SOSUS
 Allveeakustika

Viited

Välislingid
 Toivo Tänavsuu, Estonians to make marine navigation easier and safer (DEMO)
 Robotiehitamise juhend – ultrahelisonar

Mõõteriistad
Navigatsioon
Hüdrograafia
Sonar