Sonar de varredura lateral

Sonar de varredura lateral

GEOLOGIA E BIOLOGIA MARINHA

Sonar de varredura lateral

Eu queria apresentar a palestra sobre uma ferramenta agora amplamente utilizada em geologia marinha, Estou falando sobre o sonar de varredura lateral.

Foi experimentado pela primeira vez entre 1950 e 1960 desde Professor Harold Edgerton nos laboratórios de oceanografia de Hudson. Este instrumento foi utilizado pela primeira vez pela marinha americana, depois se transformou em um excelente aliado para a identificação de naufrágios, só depois de alguns anos foi utilizado para o estudo do fundo do mar.

Na verdade, é um sonar, mas diferente deste, retorna uma imagem tridimensional do fundo do mar, podendo emitir impulsos laterais. Os pulsos de som que ele emite estão entre 100 e 500 KHz, mas quanto maior a frequência utilizada, portanto a resolução da imagem, menor o ângulo de visão. Caberá, portanto, ao técnico, à medida que a análise do fundo avança, decidir se prefere uma visão mais ampla ou uma imagem mais definida.

O sonar de varredura lateral é formado por um instrumento semelhante a um pequeno torpedo que procede na água, denominado "peixe", a partir de um cabo que carrega os dados coletados no barco, e de uma unidade de controle e registro de dados, normalmente um laptop.

A unidade subaquática é rebocada pelo barco ao longo das rotas previamente decididas, qualquer anomalia devida à velocidade do veículo é automaticamente corrigida. O instrumento não utiliza a reflexão das ondas acústicas mas sim a sua difração, o pulso sonoro é enviado por dois transdutores presentes no "peixe": se uma onda atinge uma superfície que tem um ângulo voltado para a própria onda, como uma superfície desconectada, a frente da onda dobra em torno das desconexões dando origem a uma onda difratada. Cada ponto do fundo atingido por uma onda acústica, se tiver características adequadas, torna-se uma fonte de ondas difratadas.

A frequência e o comprimento da onda dependem das características do fundo. O retorno da onda acústica é, portanto, registrado pelos transdutores e o sinal é comutado em uma imagem que consiste em uma série de linhas formadas por pontos únicos (pixels), cada linha é a representação dos ecos produzidos por um único pulso. Com base na amplitude do sinal de retorno (portanto a morfologia do fundo), o instrumento cria uma imagem em tons de cinza, semelhante a uma foto aérea em preto e branco.

Assim que os dados forem registrados, teremos "faixas" no fundo do mar, que para serem devolvidos ao usuário como um mapa final, são processados ​​por um software específico.

O sonar de varredura lateral é usado para uma variedade de coisas: identificação de naufrágios, identificação de eventuais perigos para a navegação, estudo da batimetria para posicionamento de cabos ou oleodutos e construção de mapas detalhados.

Existem dois tipos de ferramentas: um para o levantamento das costas, dentro de 400 metros, e outro para águas profundas acima de 1000 m.

Em caso de investigação em solo duro, portanto rocha, o uso do sonar de varredura lateral não é recomendado, devido à ilegibilidade dos dados obtidos.

Dra. Rossella Stocco


Sonar de varredura lateral


O sonar de varredura lateral cria uma imagem do fundo usando ondas sonoras. Embora possa parecer uma imagem, a imagem depende da interação das ondas sonoras com o fundo. O sistema usa o tempo do retorno para calcular a distância e, a seguir, exibe a intensidade do retorno em um tom de cinza. A intensidade do retorno depende de:

  • Dureza do fundo. Os fundos duros e rochosos refletem a maior parte do som, enquanto os fundos suaves e lamacentos absorvem a maior parte da energia. Características feitas pelo homem são geralmente difíceis e coisas como potes de caranguejo têm várias superfícies angulares que agem da mesma forma que os refletores de radar nos mastros de um veleiro para refletir muita energia e podem parecer maiores do que realmente são.
  • Suavidade do fundo. Um fundo liso age como um espelho e reflete o som em apenas uma direção - então, a menos que o feixe atinja o fundo em um ângulo de 90 °, o reflexo não retornará ao peixe. Uma superfície áspera espalhará o som e parte retornará. O que é suave depende do comprimento de onda da energia - para a luz, um espelho deve ser incrivelmente liso (cerca de 500 nanômetros), mas para os sonares, liso ou áspero está na escala de alguns centímetros, que é o mesmo tamanho que para a energia do radar usada para algumas aplicações de mapeamento em terra.
  • Inclinação do fundo. Haverá melhores retornos quando o som atingir um fundo inclinado para cima e para longe dos peixes, e poucos retornos quando o fundo inclinar-se para baixo.

  • Largura da faixa: a distância percorrida em cada lado do peixe. Isso geralmente é governado por um ângulo de depressão fixo para os feixes de som emitidos, e a largura real depende da altura do peixe acima do fundo, que pode ser controlada.
  • TWTT (tempo de viagem de ida e volta): o tempo que leva para o som ir do peixe ao alvo e retornar. A partir do TWTT e da velocidade do som, a faixa inclinada para o alvo pode ser calculada.
  • Faixa de inclinação: distância ao alvo percorrida pelo som. É a hipotenusa do triângulo com a altura do peixe e a verdadeira distância horizontal do solo como as outras pernas.
  • Deitar.
  • Trilha cruzada e ao longo da trilha: cada ping da varredura lateral coleta dados na direção transversal da trilha, perpendicular ao navio e ao caminho do peixe. Conforme o peixe se move na direção ao longo da trilha, o próximo ping será deslocado e a imagem da próxima linha na direção da trilha ao longo. A parte da imagem que mostra a coluna de água indicará a direção ao longo da trilha, se a imagem foi corrigida geometricamente para remover a coluna de água, os pixels distorcidos revelarão a direção ao longo da trilha.
Retornos fortes agora são geralmente mostrados em branco e nenhum retorno em preto, denotando a sombra do som. Este nem sempre foi o caso com os primeiros sistemas que usavam apenas um registrador de papel e apenas colocavam tinta preta nos alvos. Você deve sempre verificar a convenção de cores usada nas imagens que está olhando. Às vezes, as cores também são usadas para destacar retornos muito fortes e manter um alerta do observador quando eles chegam. Um esquema de cores dourado é o mais comum hoje.
Tons de CinzaEscala de cor ouro personalizada

Freqüências mais baixas atenuam menos e viajam mais longe. As baleias usam freqüências baixas para aumentar o alcance de sua comunicação.

A Figura 1 abaixo mostra duas vistas do Submarino S5. A imagem à esquerda é menor, indicando que o sonar estava operando com um alcance maior. Isso fornece menos detalhes, mas cobre uma grande área e é geralmente como os sonares são usados ​​na pesquisa. Os sonares de varredura lateral são projetados para visualizar o fundo do mar de lado e fornecem uma geometria muito pobre diretamente sob o peixe (Figura 2). Em ambas as Figuras 1 e 2, o rastro do peixe é mostrado por pixels grandes. Para a imagem do S5, uma vez que o navio de pesquisa NOAA localizou o naufrágio, eles mudaram para um curto alcance na varredura lateral para coletar uma imagem melhor e retornaram para uma segunda passagem com a rota do navio orientada na mesma direção do naufrágio . Além disso, eles garantiram que o naufrágio estava no meio de um canal, e não sob os peixes. Se a pesquisa que adquiriu a Figura 12 estivesse interessada em detalhes do naufrágio, eles teriam feito uma segunda passagem e garantido que passaram para o lado do naufrágio. Além de não querer passar por cima do naufrágio, o towfish precisa estar próximo ao fundo para realçar as sombras. Observe que na Figura 11 as sombras fornecem mais informações do que a parte real da imagem do naufrágio.

A área iluminada é o reflexo e o escuro é a sombra.

Os navios de pesquisa podem adquirir batimetria multifeixe e imagens de sonar de varredura lateral ao mesmo tempo (Figura 7), e a combinação desses resultados aumenta muito o que um analista pode ver nos dados (Figura 13).

Figura 13. Comparação de sistemas antigos de varredura lateral e multi-feixe em destroços de navios. Os sistemas mais novos de alta resolução estão à direita da imagem.

O levantamento de varredura lateral tem uma largura de faixa, que é a área coberta. É um pouco menos do que o dobro do intervalo, uma vez que o intervalo entre aspas é o intervalo inclinado para cada canal. Se o peixe estiver na altura preferida (15% da largura da faixa), a distância horizontal no fundo é de cerca de 99% do intervalo. Se os rastros do navio estivessem exatamente com o dobro do alcance, você teria quase 100% de cobertura, mas a região diretamente sob o peixe teria uma cobertura terrível. Se os rastros do navio estivessem na metade do espaçamento, você cobriria cada ponto no fundo duas vezes, e a região diretamente sob os peixes em uma passagem estaria na borda da próxima passagem. Em qualquer caso, você gostaria que o espaçamento fosse um pouco mais próximo, para evitar lacunas. O espaçamento que você escolhe depende do tempo e do dinheiro disponíveis e do custo potencial de perder o que você está procurando.

O sonar de varredura lateral coleta imagens. Um sistema relacionado, multifeixe ou batimetria de faixa, coleta informações de profundidade.


Sonar de varredura lateral

O software de mapeamento do fundo do mar, líder da indústria, permite que os topógrafos:

  • Detecta pequenos alvos por meio de uma resolução de trilha aprimorada.
  • Identifique as diferenças entre pesquisas antigas e novas por meio das ferramentas SonarWiz de transparência, furto ou mudança de linha.
  • Preserve a fidelidade total dos dados do sonar em vários formatos. Por exemplo, SonarWiz permite a gravação em formatos XTF padrão da indústria ou específicos de fornecedores, como Edgetech JSF ou Kongsberg-GeoAcoustics GCF.
  • Simplifique a execução da missão por meio do uso de uma solução de mapeamento única e fácil de aprender.
  • Crie relatórios de contato superiores graças aos recursos de edição aprimorados. Exporte facilmente dados para uma variedade de formatos, incluindo PDF, OpenOffice, Microsoft Word e HTML.
  • Otimize o tempo na água com o uso de ferramentas de planejamento sofisticadas.
  • Reduza os custos aproveitando a aquisição de dados em tempo real para confirmar a qualidade e a cobertura antes de deixar a área de cobertura.
  • Gere mosaicos de última geração, contato e imagens de cachoeira com monitores de alta resolução de 64 bits.

Detalhes do recurso SonarWiz

Planejamento de Pesquisa
  • Carregue mapas e gráficos de fundo de uma variedade de formatos, incluindo DNC, RNC, S57 e GeoTIFF.
  • Planeje automaticamente as linhas de levantamento paralelas a uma linha de referência, dentro de um polígono com base na eficiência ou em padrões convencionais.
  • Gere mapas de levantamento planejados como GeoPDF, GeoTIFF, ECW, JPEG ou Google Earth.
  • Estime o tempo da pesquisa.
Pós-processamento
  • Visualize arquivos com o recurso SNIFF.
  • Adicione e corrija dados de navegação com NavInjectorPro.
  • Aproveite o processamento de sinal avançado e controle de ganho, aproveite as vantagens de recursos como correção de ângulo de feixe, eliminação, TVG não linear por canal, AGC, filtragem e empilhamento de passagem de banda, captura de contato (alvo), anotação e relatório resumido por meio do visualizador 3D .
  • Empregue configurações flexíveis de layback.
  • Saída facilmente imprimível.
  • Geração de shapefile / grade do tipo isopach de grade / contorno a partir de variáveis ​​selecionadas (por exemplo, altitude + profundidade).
Compatibilidade de Hardware

SonarWiz é compatível com o seguinte Hardware Sonar:

  • Atlas NA, C-MAX, EdgeTech, Falmouth Scientific, GeoAcoustics, Imagenex, Innomar, Jetasonic, Klein Marine Systems, Knudsen, Kongsberg Hugin AUV, Kongsberg Mesotech, Marine Sonic, PingDSP, R2Sonic, SyQwest, Teledyne Benthos, Teledyne Gavia, Teledyne Odom e Tritech.
  • Consulte nossas interfaces e formatos de arquivo suportados para obter uma lista dos vários formatos que suportamos. Se você não encontrar um, basta perguntar!


Coisas a considerar ao comprar o localizador de profundidade com imagem lateral

Há algumas coisas importantes a se considerar ao investir em localizadores de profundidade de vista lateral.

Os dados a seguir são:

Poder

Alta potência é sempre boa. É por isso que escolher um com watts mais altos é bom para obter uma potência mais forte.

Frequências

Você precisa ter certeza de quais resoluções você precisa exatamente. Apenas determine se você precisa de frequências simples, duplas ou múltiplas. As frequências desempenham um papel importante na eficácia do desempenho dos scanners de sonar.

A regra é selecionar a frequência mais alta para obter mais detalhes na tela. No entanto, muitos profissionais experientes opinam que as frequências mais baixas são ideais para águas mais profundas e as frequências mais altas são boas para águas rasas.

Resolução da tela

Resolução de tela mais alta é sempre bom. Ajuda você a obter mais visualizações de detalhes e determinar seu alvo.

Transdutores

Os transdutores são usados ​​para emitir ondas de sonar através da água para entrar em representações digitais de objetos não vivos, estruturas e coisas vivas como carne. Os transdutores são essenciais para fazer qualquer ferramenta de localização de peixes.

Cor da tela

A escolha de telas de alta resolução é boa para obter uma ampla variedade de cores que ajudam a distinguir objetos diferentes facilmente. É por isso que a seleção de tela correta é importante aqui.

O que é um localizador de imagem lateral de peixes?

Como o nome sugere, um localizador de imagem lateral de peixes é basicamente um dispositivo de sonar usado para localizar peixes debaixo d'água. Você pode aproveitar ao máximo seu tempo na água. Ele usa tecnologia de sonar que vem com um transdutor específico. Você só precisa colocá-lo na parte externa das gias do barco para ter uma visão do cardume de peixes.

O aspecto utilitário do localizador de peixes com varredura lateral

Com a ajuda de um localizador de imagens laterais, você poderá determinar os ricos locais de pesca e a existência de cardumes de peixes. Conseqüentemente, você pode realizar as ações necessárias para capturar os peixes facilmente. Assim, você pode simplificar sua experiência de pesca.

Com base nas melhores análises de localizadores de peixes, incluímos os melhores localizadores de peixes por imagem lateral (de 2021) usando as melhores tecnologias para garantir uma experiência tranquila.


O sonar de varredura lateral pode ser usado para conduzir pesquisas para arqueologia marinha em conjunto com amostras do fundo do mar, pois é capaz de fornecer uma compreensão das diferenças no tipo de material e textura do fundo do mar. Imagens de sonar de varredura lateral também são uma ferramenta comumente usada para detectar itens de detritos e outras obstruções no fundo do mar que podem ser perigosas para o transporte ou para as instalações do fundo do mar pela indústria de petróleo e gás. Além disso, o status de oleodutos e cabos no fundo do mar pode ser investigado usando o sonar de varredura lateral. Os dados de varredura lateral são frequentemente adquiridos junto com as sondagens batimétricas e os dados do perfilador de sub-fundo, fornecendo assim um vislumbre da estrutura rasa do fundo do mar. O sonar de varredura lateral também é usado para pesquisas pesqueiras, operações de dragagem e estudos ambientais. Ele também tem aplicações militares, incluindo detecção de minas.

A varredura lateral usa um dispositivo de sonar que emite pulsos cônicos ou em forma de leque em direção ao fundo do mar através de um grande ângulo perpendicular ao caminho do sensor através da água, que pode ser rebocado de um navio de superfície ou submarino, ou montado no navio casco. A intensidade das reflexões acústicas do fundo do mar desse feixe em forma de leque é registrada em uma série de cortes transversais. Quando costuradas ao longo da direção do movimento, essas fatias formam uma imagem do fundo do mar dentro da faixa (largura de cobertura) do feixe. As frequências de som usadas no sonar de varredura lateral geralmente variam de 100 a 500 kHz; frequências mais altas geram melhor resolução, mas menos alcance.

Edição de tecnologia

Os primeiros sonares de varredura lateral usavam um único transdutor de feixe cônico. Em seguida, as unidades foram feitas com dois transdutores para cobrir os dois lados. Os transdutores estavam contidos em um pacote montado no casco ou com dois pacotes em cada lado do navio. Em seguida, os transdutores evoluíram para feixes em forma de leque para produzir um "sonograma" ou imagem de sonar melhor. Para chegar mais perto do fundo em águas profundas, os transdutores de varredura lateral foram colocados em um "tow fish" e puxados por um cabo de reboque.

Até meados da década de 1980, as imagens comerciais de digitalização lateral eram produzidas em registros em papel. Os primeiros registros em papel foram produzidos com uma plotadora extensa que gravou a imagem em um registro em papel rolante. Os plotters posteriores permitiram a plotagem simultânea de informações de posição e movimento do navio no registro em papel. No final da década de 1980, os sistemas comerciais que usavam os sistemas de computador mais novos e mais baratos desenvolveram conversores de varredura digital que poderiam imitar mais barato os conversores de varredura analógicos usados ​​pelos sistemas militares para produzir imagens da varredura exibidas na TV e no computador e armazená-las em uma fita de vídeo . Atualmente, os dados são armazenados em discos rígidos de computador ou mídia de estado sólido.

Aplicação militar Editar

Um dos inventores do sonar de varredura lateral foi o cientista alemão Dr. Julius Hagemann, que foi trazido para os EUA após a Segunda Guerra Mundial e trabalhou no Laboratório de Defesa de Minas da Marinha dos EUA, Cidade do Panamá, Flórida, de 1947 até sua morte em 1964. Seu trabalho está documentado na Patente dos EUA 4.197.591 [1], que foi divulgada pela primeira vez em agosto de 1958, mas permaneceu classificada pela Marinha dos EUA até ser finalmente emitida em 1980. Sistemas experimentais de sonar de varredura lateral foram feitos durante a década de 1950 em laboratórios incluindo a Scripps Institution of Oceanography and Hudson Laboratories e pelo Dr. Harold Edgerton no MIT.

Os sonares militares de varredura lateral foram feitos na década de 1950 pela Westinghouse. Sistemas avançados foram posteriormente desenvolvidos e construídos para fins militares especiais, como para encontrar bombas H perdidas no mar ou para encontrar um submarino russo perdido, nas instalações da Westinghouse em Annapolis até os anos 1990. Este grupo também produziu o primeiro e único trabalho Angle Look Sonar que pode rastrear objetos enquanto olha sob o veículo.

Aplicação comercial Editar

O primeiro sistema de varredura lateral comercial foi o Kelvin Hughes "Transit Sonar", um eco-sondador convertido com um transdutor fan-beam de canal único, montado em poste, introduzido por volta de 1960. Em 1963, Dr. Harold Edgerton, Edward Curley e John Yules usou um sonar de varredura lateral de feixe cônico de 12 kHz para encontrar o barco Vineyard Lightship afundado em Buzzards Bay, Massachusetts. Uma equipe liderada por Martin Klein em Edgerton, Germeshausen & Grier (posteriormente EG & G., Inc.) desenvolveu o primeiro sistema de sonar de varredura lateral comercial de canal duplo rebocado de sucesso de 1963 a 1966. Martin Klein é geralmente considerado o "pai" do sonar comercial de varredura lateral. Em 1967, Edgerton usou o sonar de Klein para ajudar Alexander McKee a encontrar a nau capitânia de Henrique VIII Maria Rosa. Naquele mesmo ano, Klein usou o sonar para ajudar o arqueólogo George Bass a encontrar um navio de 2.000 anos na costa da Turquia. Em 1968 Klein fundou a Klein Associates (agora Klein Marine Systems) e continuou a trabalhar em melhorias, incluindo os primeiros sistemas comerciais de alta frequência (500 kHz) e os primeiros sonares de varredura lateral de dupla frequência, e os primeiros combinados de varredura lateral e sub sonar de perfilação inferior. Em 1985, Charles Mazel da Klein Associates (agora Klein Marine Systems, Inc.) produziu os primeiros vídeos comerciais de treinamento com sonar de varredura lateral e o primeiro Manual de treinamento do sonar de varredura lateral e dois oceanógrafos encontraram os destroços do RMS Titânico.

Para o levantamento de grandes áreas, o sonar de varredura lateral GLORIA foi desenvolvido pela Marconi Underwater Systems e pelo Instituto de Ciências Oceanográficas (IOS) para o NERC.GLORIA significa Geological Long Range Inclined Asdic. [2] Foi usado pelo US Geological Survey e pelo IOS no Reino Unido para obter imagens de plataformas continentais em todo o mundo. Ele operou em frequências relativamente baixas para obter longo alcance. Como a maioria dos sonares de varredura lateral, o instrumento GLORIA é rebocado por um navio. GLORIA tem uma taxa de ping de dois por minuto e detecta retornos de até 22 km de cada lado do peixe sonar.


Conteúdo

  • 1 história
    • 1.1 ASDIC
    • 1.2 SONAR
    • 1.3 Laboratório de som subaquático da Marinha dos EUA
    • 1.4 Materiais e projetos nos EUA e Japão
    • 1.5 Desenvolvimentos posteriores em transdutores
  • 2 sonar ativo
    • 2.1 Projeto Artemis
    • 2.2 Transponder
    • 2.3 Previsão de desempenho
    • 2.4 Sonar portátil para uso por um mergulhador
    • 2.5 Sonar voltado para cima
  • 3 sonar passivo
    • 3.1 Identificação de fontes de som
    • 3.2 Limitações de ruído
    • 3.3 Previsão de desempenho
  • 4 fatores de desempenho
    • 4.1 Propagação do som
    • 4.2 Dispersão
    • 4.3 Características do alvo
    • 4.4 Contramedidas
  • 5 aplicações militares
    • 5.1 Guerra anti-submarina
    • 5.2 Torpedos
    • 5.3 Minas
    • 5.4 Contra-medidas contra minas
    • 5.5 Navegação submarina
    • 5.6 Aeronave
    • 5.7 Comunicações subaquáticas
    • 5.8 Vigilância oceânica
    • 5.9 Segurança subaquática
    • 5.10 Sonar portátil
    • 5.11 Sonar de interceptação
  • 6 aplicações civis
    • 6.1 Pesca
    • 6.2 Eco soando
    • 6.3 Localização da rede
    • 6.4 ROV e UUV
    • 6.5 Localização do veículo
    • 6.6 Prótese para deficientes visuais
  • 7 aplicações científicas
    • 7.1 Estimativa de biomassa
    • 7.2 Medição de onda
    • 7.3 Medição da velocidade da água
    • 7.4 Avaliação do tipo de fundo
    • 7.5 Mapeamento batimétrico
    • 7.6 Perfil de sub-fundo
    • 7.7 Detecção de vazamento de gás do fundo do mar
    • 7,8 aberturas de sonar sintético
    • 7.9 Sonar paramétrico
    • 7.10 Sonar em contextos extraterrestres
  • 8 Efeito do sonar na vida marinha
    • 8.1 Efeito em mamíferos marinhos
    • 8.2 Efeito nos peixes
  • 9 Frequências e resoluções
  • 10 Veja também
  • 11 notas explicativas
  • 12 citações
  • 13 Bibliografia geral
    • 13.1 Referências acústicas de pesca
  • 14 Leituras adicionais
  • 15 links externos

Embora alguns animais (golfinhos, morcegos, alguns musaranhos e outros) tenham usado o som para comunicação e detecção de objetos por milhões de anos, o uso por humanos na água foi inicialmente registrado por Leonardo da Vinci em 1490: um tubo inserido na água foi dito ser usado para detectar vasos, colocando uma orelha no tubo. [4]

No final do século 19, um sino subaquático era usado como acessório de faróis ou navios-farol para alertar sobre perigos. [5]

O uso do som para "eco-localizar" debaixo d'água, da mesma forma que os morcegos usam o som para navegação aérea, parece ter sido solicitado pelo Titânico desastre de 1912. [6] A primeira patente do mundo para um dispositivo subaquático de eco foi registrada no British Patent Office pelo meteorologista inglês Lewis Fry Richardson um mês após o naufrágio do Titânico, [7] e um físico alemão Alexander Behm obtiveram uma patente para um ecobatímetro em 1913. [8]

O engenheiro canadense Reginald Fessenden, enquanto trabalhava para a Submarine Signal Company em Boston, Massachusetts, construiu um sistema experimental começando em 1912, um sistema testado posteriormente no porto de Boston e, finalmente, em 1914 nos EUA. Cortador de receita Você me ama no Grand Banks fora de Newfoundland. [7] [9] Nesse teste, Fessenden demonstrou sondagem de profundidade, comunicações subaquáticas (código Morse) e alcance do eco (detectando um iceberg a uma faixa de 2 milhas (3,2 km)). [10] [11] O "oscilador Fessenden", operado em cerca de 500 Hz de frequência, não foi capaz de determinar a direção do iceberg devido ao comprimento de onda de 3 metros e à pequena dimensão da face radiante do transdutor (menos de 1 ⁄3 comprimento de onda em diâmetro). Os dez submarinos britânicos da classe H construídos em Montreal e lançados em 1915 foram equipados com osciladores Fessenden. [12]

Durante a Primeira Guerra Mundial, a necessidade de detectar submarinos levou a mais pesquisas sobre o uso do som. Os britânicos fizeram uso de dispositivos de escuta subaquáticos chamados hidrofones, enquanto o físico francês Paul Langevin, trabalhando com um engenheiro elétrico imigrante russo Constantin Chilowsky, trabalhou no desenvolvimento de dispositivos de som ativos para detectar submarinos em 1915. Embora os transdutores piezoelétricos e magnetostritivos tenham sido substituídos posteriormente os transdutores eletrostáticos que eles usaram, este trabalho influenciou projetos futuros. Filme plástico leve e sensível ao som e fibra óptica foram usados ​​para hidrofones, enquanto Terfenol-D e PMN (niobato de magnésio e chumbo) foram desenvolvidos para projetores.

ASDIC

Em 1916, sob o Conselho Britânico de Invenção e Pesquisa, o físico canadense Robert William Boyle assumiu o projeto de detecção ativa de som com A. B. Wood, produzindo um protótipo para teste em meados de 1917. Este trabalho para a Divisão Anti-Submarino do Estado-Maior Naval Britânico foi realizado em total sigilo e usou cristais piezoelétricos de quartzo para produzir o primeiro aparelho de detecção de som ativo subaquático do mundo. Para manter o sigilo, nenhuma menção de experimentação de som ou quartzo foi feita - a palavra usada para descrever o trabalho inicial ("supersônico") foi alterada para "ASD" ics, e o material de quartzo para "ASD" ivite: "ASD" para " Divisão Anti-Submarina ", daí a sigla britânica ASDIC. Em 1939, em resposta a uma pergunta do Oxford English Dictionary, o Almirantado inventou a história de que significava "Comitê de Investigação de Detecção de Submarinos Aliados", e isso ainda é amplamente aceito, [13] embora nenhum comitê com este nome tenha sido encontrado nos arquivos do Almirantado. [14]

Em 1918, a Grã-Bretanha e a França haviam construído protótipos de sistemas ativos. Os britânicos testaram seu ASDIC em HMS Antrim em 1920 e iniciou a produção em 1922. A 6th Destroyer Flotilla tinha embarcações equipadas com ASDIC em 1923. Uma escola anti-submarino HMS Osprey e uma flotilha de treinamento de quatro navios foi estabelecida em Portland em 1924.

Com a eclosão da Segunda Guerra Mundial, a Marinha Real tinha cinco conjuntos para diferentes classes de navios de superfície e outros para submarinos, incorporados em um sistema anti-submarino completo. A eficácia do ASDIC inicial foi prejudicada pelo uso da carga de profundidade como uma arma anti-submarina. Isso exigia que um navio de ataque passasse por um contato submerso antes de lançar cargas sobre a popa, resultando em uma perda de contato ASDIC nos momentos que antecederam o ataque. O caçador estava efetivamente atirando às cegas, durante o qual um comandante de submarino poderia fazer uma ação evasiva. Esta situação foi remediada com novas táticas e novas armas.

As melhorias táticas desenvolvidas por Frederic John Walker incluíam o ataque rasteiro. Para isso, eram necessários dois navios anti-submarinos (geralmente saveiros ou corvetas). O "navio de direção" rastreou o submarino alvo no ASDIC de uma posição de cerca de 1.500 a 2.000 jardas atrás do submarino. O segundo navio, com seu ASDIC desligado e funcionando a 5 nós, iniciou um ataque de uma posição entre o navio que o dirigia e o alvo. Este ataque foi controlado por rádio-telefone da nave dirigente, com base em seu ASDIC e o alcance (por telêmetro) e rumo da nave de ataque. Assim que as cargas de profundidade foram liberadas, a nave atacante deixou a área imediata a toda velocidade. O navio de direção então entrou na área alvo e também lançou um padrão de cargas de profundidade. A baixa velocidade da abordagem significava que o submarino não podia prever quando as cargas de profundidade seriam lançadas. Qualquer ação evasiva foi detectada pelo navio-guia e as ordens de direção para o navio atacante foram dadas em conformidade. A baixa velocidade do ataque tinha a vantagem de que o torpedo acústico alemão não era eficaz contra um navio de guerra que viajava tão lentamente. Uma variação do ataque rasteiro foi o ataque de "gesso", no qual três navios de ataque trabalhando em linha próxima foram direcionados sobre o alvo pelo navio que o dirigia. [15]

As novas armas para lidar com o ponto cego do ASDIC eram "armas de lançamento à frente", como Hedgehogs e depois Squids, que projetavam ogivas em um alvo à frente do atacante e ainda em contato com o ASDIC. Isso permitia que uma única escolta fizesse ataques mais bem direcionados aos submarinos. Os desenvolvimentos durante a guerra resultaram em conjuntos ASDIC britânicos que usaram vários formatos diferentes de feixe, cobrindo continuamente os pontos cegos. Mais tarde, torpedos acústicos foram usados.

No início da Segunda Guerra Mundial (setembro de 1940), a tecnologia britânica ASDIC foi transferida gratuitamente para os Estados Unidos. A pesquisa sobre ASDIC e som subaquático foi expandida no Reino Unido e nos Estados Unidos. Muitos novos tipos de detecção de som militar foram desenvolvidos. Estas incluíam sonobuoys, desenvolvidas pela primeira vez pelos britânicos em 1944 sob o codinome High Tea, sonar de imersão / imersão e sonar de detecção de minas. Este trabalho formou a base para os desenvolvimentos do pós-guerra relacionados ao combate ao submarino nuclear.

SONAR

Durante a década de 1930, os engenheiros americanos desenvolveram sua própria tecnologia de detecção de som subaquático, e importantes descobertas foram feitas, como a existência de termoclinas e seus efeitos nas ondas sonoras. [16] Os americanos começaram a usar o termo SONAR para seus sistemas, cunhado por Frederick Hunt para ser o equivalente ao RADAR. [17]

Laboratório de som subaquático da Marinha dos EUA

Em 1917, a Marinha dos Estados Unidos adquiriu os serviços de J. Warren Horton pela primeira vez. De licença do Bell Labs, serviu ao governo como especialista técnico, primeiro na estação experimental de Nahant, Massachusetts, e depois no quartel-general da Marinha dos Estados Unidos, em Londres, Inglaterra. Em Nahant, ele aplicou o tubo de vácuo recém-desenvolvido, então associado aos estágios de formação do campo da ciência aplicada agora conhecido como eletrônica, para a detecção de sinais subaquáticos. Como resultado, o microfone de botão de carbono, que tinha sido usado em equipamentos de detecção anteriores, foi substituído pelo precursor do hidrofone moderno. Também durante este período, ele experimentou métodos de detecção de reboque. Isso ocorreu devido ao aumento da sensibilidade de seu dispositivo. Os princípios ainda são usados ​​em sistemas modernos de sonar rebocado.

Para atender às necessidades de defesa da Grã-Bretanha, ele foi enviado à Inglaterra para instalar no Mar da Irlanda hidrofones montados no fundo, conectados a um posto de escuta em terra por cabo submarino. Enquanto o equipamento estava sendo carregado no navio de lançamento de cabos, a Primeira Guerra Mundial terminou e Horton voltou para casa.

Durante a Segunda Guerra Mundial, ele continuou a desenvolver sistemas de sonar que podiam detectar submarinos, minas e torpedos. Ele publicou Fundamentos do Sonar em 1957 como consultor-chefe de pesquisa no Laboratório de Som Submarino da Marinha dos EUA. Ele ocupou esse cargo até 1959, quando se tornou diretor técnico, cargo que ocupou até a aposentadoria compulsória em 1963. [18] [19]

Materiais e designs nos EUA e Japão

Houve pouco progresso no sonar dos EUA de 1915 a 1940. Em 1940, os sonares dos EUA normalmente consistiam em um transdutor magnetostritivo e uma matriz de tubos de níquel conectados a uma placa de aço de 30 cm de diâmetro ligada costas com costas a um cristal de sal de Rochelle em uma caixa esférica. Este conjunto penetrou no casco do navio e foi girado manualmente até o ângulo desejado. O cristal de sal piezoelétrico Rochelle tinha melhores parâmetros, mas a unidade magnetostritiva era muito mais confiável. Grandes perdas para o transporte marítimo de suprimentos mercantes dos Estados Unidos no início da Segunda Guerra Mundial levaram a pesquisas americanas de alta prioridade em grande escala, buscando tanto melhorias nos parâmetros do transdutor magnetostritivo quanto na confiabilidade do sal de Rochelle. Dihidrogenofosfato de amônio (ADP), uma alternativa superior, foi encontrado como um substituto para o sal de Rochelle; a primeira aplicação foi uma substituição dos transdutores de sal de Rochelle de 24 kHz. Em nove meses, o sal Rochelle estava obsoleto. A fábrica da ADP cresceu de algumas dezenas de funcionários no início de 1940 para vários milhares em 1942.

Uma das primeiras aplicações dos cristais ADP foram os hidrofones para minas acústicas - os cristais foram especificados para corte de baixa frequência a 5 Hz, suportando choque mecânico para implantação de aeronaves de 3.000 m (10.000 pés) e capacidade de sobreviver a explosões de minas vizinhas. Um dos principais recursos da confiabilidade do ADP são as características de envelhecimento zero - o cristal mantém seus parâmetros mesmo durante armazenamento prolongado.

Outra aplicação era para torpedos homing acústicos. Dois pares de hidrofones direcionais foram montados no nariz do torpedo, no plano horizontal e vertical os sinais de diferença dos pares foram usados ​​para direcionar o torpedo da esquerda para a direita e de cima para baixo. Uma contramedida foi desenvolvida: o submarino visado descarregou uma substância química efervescente e o torpedo foi atrás da isca efervescente mais barulhenta. A contra-medida era um torpedo com sonar ativo - um transdutor foi adicionado ao nariz do torpedo, e os microfones estavam ouvindo suas rajadas de tom periódicas refletidas. Os transdutores compreendiam placas retangulares de cristal idênticas dispostas em áreas em forma de diamante em fileiras escalonadas.

Matrizes de sonar passivo para submarinos foram desenvolvidas a partir de cristais de ADP. Vários conjuntos de cristal foram dispostos em um tubo de aço, preenchido a vácuo com óleo de rícino e selado. Os tubos foram então montados em arranjos paralelos.

O sonar de varredura padrão da Marinha dos EUA no final da Segunda Guerra Mundial operava a 18 kHz, usando uma série de cristais ADP. O alcance mais longo desejado, entretanto, exigia o uso de frequências mais baixas. As dimensões exigidas eram grandes demais para os cristais ADP, portanto, no início da década de 1950, foram desenvolvidos sistemas magnetostritivos e piezoelétricos de titanato de bário, mas estes tinham problemas para alcançar características de impedância uniformes, e o padrão de feixe sofreu. O titanato de bário foi então substituído por titanato zirconato de chumbo (PZT) mais estável, e a frequência foi reduzida para 5 kHz. A frota dos EUA usou esse material no sonar AN / SQS-23 por várias décadas. O sonar SQS-23 usou primeiro transdutores de níquel magnetostritivos, mas estes pesavam várias toneladas, e o níquel era caro e considerado um material crítico, os transdutores piezoelétricos foram, portanto, substituídos. O sonar era um grande conjunto de 432 transdutores individuais. No início, os transdutores não eram confiáveis, mostrando falhas mecânicas e elétricas e se deteriorando logo após a instalação, eles também eram produzidos por vários fornecedores, tinham designs diferentes e suas características eram diferentes o suficiente para prejudicar o desempenho do array. A política para permitir o reparo de transdutores individuais foi então sacrificada, e o "design modular dispensável", módulos selados não reparáveis, foi escolhido em seu lugar, eliminando o problema com selos e outras partes mecânicas estranhas. [20]

A Marinha Imperial Japonesa no início da Segunda Guerra Mundial usava projetores baseados em quartzo. Estes eram grandes e pesados, especialmente se projetados para frequências mais baixas, o do conjunto Tipo 91, operando a 9 kHz, tinha um diâmetro de 30 polegadas (760 mm) e era acionado por um oscilador com potência de 5 kW e amplitude de saída de 7 kV . Os projetores Tipo 93 consistiam em sanduíches sólidos de quartzo, montados em corpos esféricos de ferro fundido. Os sonares Tipo 93 foram posteriormente substituídos pelo Tipo 3, que seguiu o design alemão e usava projetores magnetostritivos. Os projetores consistiam em duas unidades retangulares idênticas e independentes em um corpo retangular de ferro fundido de aproximadamente 16 por 9 polegadas (410 mm × 230 mm). A área exposta tinha metade do comprimento de onda de largura e três comprimentos de onda de altura. Os núcleos magnetostritivos foram feitos de estampagem de 4 mm de níquel e, posteriormente, de uma liga de ferro-alumínio com teor de alumínio entre 12,7% e 12,9%. A alimentação foi fornecida de 2 kW a 3,8 kV, com polarização de uma fonte de 20 V, 8 A DC.

Os hidrofones passivos da Marinha Imperial Japonesa eram baseados no projeto de bobina móvel, transdutores piezoelétricos de sal Rochelle e microfones de carbono. [21]

Desenvolvimentos posteriores em transdutores

Transdutores magnetostritivos foram perseguidos após a Segunda Guerra Mundial como uma alternativa aos piezoelétricos. Transdutores de anel de níquel enrolados em espiral foram usados ​​para operações de alta potência e baixa frequência, com tamanho de até 13 pés (4,0 m) de diâmetro, provavelmente os maiores transdutores de sonar individuais de todos os tempos. A vantagem dos metais é sua alta resistência à tração e baixa impedância elétrica de entrada, mas apresentam perdas elétricas e menor coeficiente de acoplamento que o PZT, cuja resistência à tração pode ser aumentada por protensão. Outros materiais também foram testados; ferritas não metálicas eram promissoras por sua baixa condutividade elétrica, resultando em baixas perdas por correntes parasitas; Metglas ofereceu alto coeficiente de acoplamento, mas eram inferiores ao PZT em geral. Na década de 1970, foram descobertos compostos de terras raras e ferro com propriedades magnetomecânicas superiores, nomeadamente a liga Terfenol-D. Isso possibilitou novos designs, por ex. um transdutor magnetostritivo-piezoelétrico híbrido. O mais recente desses materiais magnetostritivos melhorados é o Galfenol.

Outros tipos de transdutores incluem transdutores de relutância variável (ou armadura móvel ou eletromagnética), onde a força magnética atua nas superfícies das lacunas e transdutores de bobina móvel (ou eletrodinâmicos), semelhantes aos alto-falantes convencionais, os últimos são usados ​​na calibração de som subaquático , devido às suas frequências de ressonância muito baixas e características de banda larga plana acima delas. [22]

O sonar ativo usa um transmissor de som (ou projetor) e um receptor. Quando os dois estão no mesmo lugar, é uma operação monoestática. Quando o transmissor e o receptor são separados, é uma operação biestática. [23] Quando mais transmissores (ou mais receptores) são usados, novamente separados espacialmente, é uma operação multiestática. A maioria dos sonares são usados ​​monostaticamente, com o mesmo arranjo sendo freqüentemente usado para transmissão e recepção. [24] Os campos de sonobuoy ativos podem ser operados multistaticamente.

O sonar ativo cria um pulso de som, geralmente chamado de "ping", e então escuta os reflexos (eco) do pulso. Este pulso de som é geralmente criado eletronicamente usando um projetor de sonar que consiste em um gerador de sinal, amplificador de potência e transdutor / matriz eletroacústica. [25] Um transdutor é um dispositivo que pode transmitir e receber sinais acústicos ("pings"). Um formador de feixe é normalmente empregado para concentrar a potência acústica em um feixe, que pode ser varrido para cobrir os ângulos de busca necessários. Geralmente, os transdutores eletroacústicos são do tipo Tonpilz e seu design pode ser otimizado para atingir a eficiência máxima na largura de banda mais ampla, a fim de otimizar o desempenho de todo o sistema. Ocasionalmente, o pulso acústico pode ser criado por outros meios, por exemplo, quimicamente usando explosivos, armas de ar ou fontes de som de plasma.

Para medir a distância até um objeto, o tempo desde a transmissão de um pulso até a recepção é medido e convertido em um intervalo usando a velocidade conhecida do som. [26] Para medir o rolamento, vários hidrofones são usados, e o conjunto mede o tempo de chegada relativo a cada um, ou com uma matriz de hidrofones, medindo a amplitude relativa em feixes formados por um processo chamado beamforming. O uso de uma matriz reduz a resposta espacial de modo que, para fornecer uma ampla cobertura, sejam usados ​​sistemas multifeixe. O sinal alvo (se presente) junto com o ruído é então passado por várias formas de processamento de sinal, [27] que para sonares simples pode ser apenas medição de energia.Ele é então apresentado a alguma forma de dispositivo de decisão que chama a saída de sinal ou ruído necessário. Este dispositivo de decisão pode ser um operador com fones de ouvido ou um display, ou em sonares mais sofisticados esta função pode ser realizada por software. Outros processos podem ser realizados para classificar o alvo e localizá-lo, bem como medir sua velocidade.

O pulso pode estar em frequência constante ou um chirp de mudança de frequência (para permitir a compressão do pulso na recepção). Sonares simples geralmente usam o primeiro com um filtro largo o suficiente para cobrir possíveis alterações de Doppler devido ao movimento do alvo, enquanto os mais complexos geralmente incluem a última técnica. Desde que o processamento digital se tornou disponível, a compressão de pulso geralmente tem sido implementada usando técnicas de correlação digital. Os sonares militares costumam ter vários feixes para fornecer cobertura completa, enquanto os simples cobrem apenas um arco estreito, embora o feixe possa ser girado, relativamente lentamente, por varredura mecânica.

Particularmente quando as transmissões de frequência única são usadas, o efeito Doppler pode ser usado para medir a velocidade radial de um alvo. A diferença de frequência entre o sinal transmitido e recebido é medida e convertida em velocidade. Como os desvios Doppler podem ser introduzidos pelo movimento do receptor ou do alvo, deve-se levar em consideração a velocidade radial da plataforma de busca.

Um pequeno sonar útil é semelhante em aparência a uma lanterna à prova d'água. A cabeça é apontada para a água, um botão é pressionado e o dispositivo exibe a distância até o alvo. Outra variante é um "localizador de cardumes" que mostra uma pequena tela com cardumes de peixes. Alguns sonares civis (que não são projetados para serem furtivos) aproximam-se dos sonares militares ativos em capacidade, com exibições tridimensionais da área próxima ao barco.

Quando o sonar ativo é usado para medir a distância do transdutor até o fundo, isso é conhecido como sondagem de eco. Métodos semelhantes podem ser usados ​​olhando para cima para medição de onda.

O sonar ativo também é usado para medir a distância através da água entre dois transdutores de sonar ou uma combinação de um hidrofone (microfone acústico subaquático) e projetor (alto-falante acústico subaquático). Quando um hidrofone / transdutor recebe um sinal de interrogação específico, ele responde transmitindo um sinal de resposta específico. Para medir a distância, um transdutor / projetor transmite um sinal de interrogação e mede o tempo entre esta transmissão e o recebimento do outro transdutor / resposta do hidrofone. A diferença de tempo, calculada pela velocidade do som na água e dividida por dois, é a distância entre as duas plataformas. Esta técnica, quando usada com vários transdutores / hidrofones / projetores, pode calcular as posições relativas de objetos estáticos e em movimento na água.

Em situações de combate, um pulso ativo pode ser detectado por um inimigo e revelará a posição de um submarino no dobro da distância máxima que o próprio submarino pode detectar um contato e dar pistas quanto à identidade do submarino com base nas características do ping de saída. Por essas razões, o sonar ativo não é usado com frequência por submarinos militares.

Um tipo de sonar muito direcional, mas de baixa eficiência (usado por pescarias, militares e para segurança portuária) faz uso de um recurso não linear complexo de água conhecido como sonar não linear, o transdutor virtual sendo conhecido como um matriz paramétrica.

Projeto Artemis

O Projeto Artemis foi um projeto experimental de pesquisa e desenvolvimento do final dos anos 1950 a meados dos anos 1960 para examinar a propagação acústica e o processamento de sinais para um sistema de sonar ativo de baixa frequência que poderia ser usado para vigilância oceânica. Um objetivo secundário era o exame de problemas de engenharia de sistemas de fundo ativo fixo. [28] A matriz receptora estava localizada na encosta do banco Plantagnet, nas Bermudas. A matriz de fonte ativa foi implantada a partir do tanque convertido USNS da Segunda Guerra Mundial Mission Capistrano. [29] Elementos de Artemis foram usados ​​experimentalmente depois que o experimento principal foi encerrado.

Transponder

Trata-se de um sonar ativo que recebe um estímulo específico e retransmite imediatamente (ou com atraso) o sinal recebido ou pré-determinado. Os transponders podem ser usados ​​para ativar ou recuperar remotamente equipamentos submarinos. [30]

Previsão de desempenho

Um alvo de sonar é pequeno em relação à esfera, centralizado em torno do emissor, no qual está localizado. Portanto, a potência do sinal refletido é muito baixa, várias ordens de magnitude menor do que o sinal original. Mesmo se o sinal refletido tivesse a mesma potência, o seguinte exemplo (usando valores hipotéticos) mostra o problema: Suponha que um sistema de sonar seja capaz de emitir um sinal de 10.000 W / m 2 a 1 m e detectar 0,001 W / m 2 sinal. A 100 m, o sinal será de 1 W / m 2 (devido à lei do inverso do quadrado). Se todo o sinal for refletido de um alvo de 10 m 2, ele estará em 0,001 W / m 2 quando atingir o emissor, ou seja, apenas detectável. No entanto, o sinal original permanecerá acima de 0,001 W / m 2 até 3000 m. Qualquer alvo de 10 m 2 entre 100 e 3000 m usando um sistema semelhante ou melhor seria capaz de detectar o pulso, mas não seria detectado pelo emissor. Os detectores devem ser muito sensíveis para captar os ecos. Como o sinal original é muito mais poderoso, ele pode ser detectado muitas vezes além do dobro do alcance do sonar (como no exemplo).

O sonar ativo tem duas limitações de desempenho: devido ao ruído e reverberação. Em geral, um ou outro desses vai dominar, de modo que os dois efeitos podem ser inicialmente considerados separadamente.

Em condições de ruído limitado na detecção inicial: [31]

onde SL é o nível de origem, PL é a perda de propagação (às vezes referida como perda de transmissão), TS é a intensidade do alvo, NL é o nível de ruído, AG é o ganho da matriz de recepção (às vezes aproximado por seu índice de diretividade) e DT é o limite de detecção.

Em condições de reverberação limitada na detecção inicial (negligenciando o ganho da matriz):

onde RL é o nível de reverberação e os outros fatores são como antes.

Sonar portátil para uso por um mergulhador

  • O LIMIS (sonar de imagem de mina de lapa) é um sonar de imagem portátil ou montado em ROV para uso por um mergulhador. Seu nome deve-se ao fato de ter sido projetado para que mergulhadores de patrulha (combatentes ou mergulhadores de desminagem) procurassem minas de lapa em águas de baixa visibilidade.
  • O LUIS (sistema de imagem subaquática de lente) é outro sonar de imagem para uso por um mergulhador.
  • Existe ou existia um pequeno sonar portátil em forma de lanterna para mergulhadores, que apenas exibe o alcance.
  • Para o INSS (sistema integrado de sonar de navegação)

Sonar voltado para cima

Um sonar voltado para cima (ULS) é um dispositivo de sonar apontado para cima, voltado para a superfície do mar. É usado para propósitos semelhantes aos do sonar voltado para baixo, mas tem algumas aplicações exclusivas, como medição da espessura, aspereza e concentração do gelo marinho, [32] [33] ou medição de entrada de ar de plumas de bolhas durante mares agitados. Freqüentemente, ele está atracado no fundo do oceano ou flutua em uma amarração de linha esticada a uma profundidade constante de talvez 100 m. Eles também podem ser usados ​​por submarinos, AUVs e carros alegóricos, como o flutuador Argo. [34]

O sonar passivo escuta sem transmitir. É frequentemente empregado em ambientes militares, embora também seja usado em aplicações científicas, por exemplo., detectando peixes para estudos de presença / ausência em vários ambientes aquáticos - veja também acústica passiva e radar passivo. No uso mais amplo, este termo pode abranger virtualmente qualquer técnica analítica envolvendo som gerado remotamente, embora seja geralmente restrito a técnicas aplicadas em um ambiente aquático.

Identificação de fontes de som

O sonar passivo possui uma ampla variedade de técnicas para identificar a origem de um som detectado. Por exemplo, EUA os navios geralmente operam sistemas de energia de corrente alternada de 60 Hz. Se os transformadores ou geradores forem montados sem o isolamento adequado contra vibração do casco ou forem inundados, o som de 60 Hz dos enrolamentos pode ser emitido do submarino ou navio. Isso pode ajudar a identificar sua nacionalidade, já que todos os submarinos europeus e quase todos os submarinos de outras nações têm sistemas de energia de 50 Hz. Fontes de som intermitentes (como uma chave inglesa sendo derrubada), chamadas de "transientes", também podem ser detectáveis ​​pelo sonar passivo. Até bem recentemente, [ quando? ] um operador experiente e treinado identificou sinais, mas agora os computadores podem fazer isso.

Os sistemas de sonar passivos podem ter grandes bancos de dados sônicos, mas o operador de sonar geralmente finalmente classifica os sinais manualmente. Um sistema de computador frequentemente usa esses bancos de dados para identificar classes de navios, ações (ou seja, a velocidade de um navio ou o tipo de arma lançada) e até mesmo navios específicos.

Limitações de ruído

O sonar passivo em veículos geralmente é severamente limitado por causa do ruído gerado pelo veículo. Por isso, muitos submarinos operam reatores nucleares que podem ser resfriados sem bombas, por convecção silenciosa, ou células de combustível ou baterias, que também podem funcionar silenciosamente. As hélices dos veículos também são projetadas e usinadas com precisão para emitir o mínimo de ruído. Hélices de alta velocidade costumam criar pequenas bolhas na água, e essa cavitação tem um som distinto.

Os hidrofones de sonar podem ser rebocados atrás do navio ou submarino, a fim de reduzir o efeito do ruído gerado pela própria embarcação. As unidades rebocadas também combatem a termoclina, pois a unidade pode ser rebocada acima ou abaixo da termoclina.

A exibição da maioria dos sonares passivos costumava ser uma exibição bidimensional em cascata. A direção horizontal do display está se movendo. A vertical é a frequência ou, às vezes, o tempo. Outra técnica de exibição é codificar com cores as informações de frequência e tempo para o rolamento. Telas mais recentes são geradas pelos computadores e imitam telas de indicadores de posição de planos do tipo radar.

Previsão de desempenho

Ao contrário do sonar ativo, apenas a propagação unilateral está envolvida. Por causa do processamento de sinal diferente usado, a relação sinal-ruído mínima detectável será diferente. A equação para determinar o desempenho de um sonar passivo é [35] [31]

onde SL é o nível de origem, PL é a perda de propagação, NL é o nível de ruído, AG é o ganho da matriz e DT é o limite de detecção. A figura de mérito de um sonar passivo é

O desempenho de detecção, classificação e localização de um sonar depende do ambiente e do equipamento receptor, bem como do equipamento transmissor em um sonar ativo ou do ruído irradiado por alvo em um sonar passivo.

Propagação de som

A operação do sonar é afetada por variações na velocidade do som, particularmente no plano vertical. O som viaja mais lentamente na água doce do que na água do mar, embora a diferença seja pequena. A velocidade é determinada pelo módulo de volume da água e densidade de massa. O módulo de bulk é afetado pela temperatura, impurezas dissolvidas (geralmente salinidade) e pressão. O efeito de densidade é pequeno. A velocidade do som (em pés por segundo) é aproximadamente:

4388 + (11,25 × temperatura (em ° F)) + (0,0182 × profundidade (em pés)) + salinidade (em partes por mil).

Esta equação de aproximação derivada empiricamente é razoavelmente precisa para temperaturas normais, concentrações de salinidade e a faixa da maioria das profundidades do oceano. A temperatura do oceano varia com a profundidade, mas entre 30 e 100 metros muitas vezes ocorre uma mudança acentuada, chamada termoclina, separando as águas superficiais mais quentes das águas frias e paradas que constituem o resto do oceano. Isso pode frustrar o sonar, porque um som originado em um lado da termoclina tende a ser curvado, ou refratado, através da termoclina. A termoclina pode estar presente em águas costeiras rasas. No entanto, a ação das ondas geralmente mistura a coluna de água e elimina a termoclina. A pressão da água também afeta a propagação do som: a pressão mais alta aumenta a velocidade do som, o que faz com que as ondas sonoras sejam refratadas para longe da área de maior velocidade do som. O modelo matemático de refração é chamado de lei de Snell.

Se a fonte de som for profunda e as condições forem adequadas, a propagação pode ocorrer no 'canal de som profundo'. Isso fornece perda de propagação extremamente baixa para um receptor no canal. Isso ocorre por causa da interceptação de som no canal, sem perdas nos limites. Uma propagação semelhante pode ocorrer no 'duto de superfície' sob condições adequadas. No entanto, neste caso, há perdas de reflexão na superfície.

Em águas rasas, a propagação é geralmente por reflexão repetida na superfície e no fundo, onde perdas consideráveis ​​podem ocorrer.

A propagação do som é afetada pela absorção na própria água, bem como na superfície e no fundo. Essa absorção depende da freqüência, com vários mecanismos diferentes na água do mar. O sonar de longo alcance usa baixas frequências para minimizar os efeitos de absorção.

O mar contém muitas fontes de ruído que interferem no eco ou assinatura do alvo desejado. As principais fontes de ruído são as ondas e o transporte marítimo. O movimento do receptor através da água também pode causar ruído de baixa frequência dependente da velocidade.

Espalhamento

Quando o sonar ativo é usado, a dispersão ocorre de pequenos objetos no mar, bem como do fundo e da superfície. Isso pode ser uma grande fonte de interferência. Este espalhamento acústico é análogo ao espalhamento da luz dos faróis de um carro no nevoeiro: um feixe de lápis de alta intensidade penetra no nevoeiro até certo ponto, mas os faróis de feixe mais amplo emitem muita luz em direções indesejadas, grande parte da qual é espalhada para trás para o observador, sobrepujando o que é refletido no alvo ("white-out"). Por razões análogas, o sonar ativo precisa transmitir em um feixe estreito para minimizar a dispersão.

O espalhamento do sonar de objetos (minas, oleodutos, zooplâncton, características geológicas, peixes, etc.) é como o sonar ativo os detecta, mas essa capacidade pode ser mascarada por forte espalhamento de alvos falsos, ou 'desordem'. Onde eles ocorrem (sob ondas quebrando [37] em ondas de navio em gás emitido de infiltrações e vazamentos no fundo do mar [38], etc.), as bolhas de gás são fontes poderosas de desordem e podem facilmente ocultar alvos. O TWIPS (Twin Inverted Pulse Sonar) [39] [40] [41] é atualmente o único sonar que pode superar esse problema de desordem.

Isso é importante porque muitos conflitos recentes ocorreram em águas costeiras e a incapacidade de detectar se as minas estão presentes ou não representam riscos e atrasos para embarcações militares, e também para ajudar comboios e navios mercantes que tentam apoiar a região muito depois do conflito cessou. [39]

Características do alvo

O som reflexão as características do alvo de um sonar ativo, como um submarino, são conhecidas como a força do alvo. Uma complicação é que os ecos também são obtidos de outros objetos no mar, como baleias, esteiras, cardumes de peixes e pedras.

O sonar passivo detecta o alvo irradiado características de ruído. O espectro irradiado compreende um espectro contínuo de ruído com picos em certas frequências que podem ser usados ​​para classificação.

Contramedidas

Ativo As contra-medidas (energizadas) podem ser lançadas por um submarino sob ataque para aumentar o nível de ruído, fornecer um grande alvo falso e obscurecer a assinatura do próprio submarino.

Passiva (ou seja, sem energia) as contra-medidas incluem:

  • Montagem de dispositivos geradores de ruído em dispositivos de isolamento.
  • Revestimentos absorventes de som nos cascos de submarinos, por exemplo, azulejos anecóicos.

A guerra naval moderna faz uso extensivo de sonar passivo e ativo de embarcações, aeronaves e instalações fixas. Embora o sonar ativo tenha sido usado por naves de superfície na Segunda Guerra Mundial, os submarinos evitaram o uso do sonar ativo devido ao potencial de revelar sua presença e posição às forças inimigas. No entanto, o advento do processamento de sinal moderno permitiu o uso de sonar passivo como meio principal para operações de busca e detecção. Em 1987, uma divisão da empresa japonesa Toshiba [42] vendeu maquinário para a União Soviética que permitia que as pás da hélice de seus submarinos fossem fresadas de forma que ficassem radicalmente mais silenciosas, tornando a nova geração de submarinos mais difícil de detectar.

O uso de sonar ativo por um submarino para determinar o rumo é extremamente raro e não fornecerá necessariamente informações de alta qualidade sobre rumo ou alcance para a equipe de controle de fogo dos submarinos. No entanto, o uso de sonar ativo em navios de superfície é muito comum e é usado por submarinos quando a situação tática exige que seja mais importante determinar a posição de um submarino hostil do que ocultar sua própria posição. Com os navios de superfície, pode-se presumir que a ameaça já está rastreando o navio com dados de satélite, pois qualquer navio ao redor do sonar de emissão detectará a emissão. Depois de ouvir o sinal, é fácil identificar o equipamento de sonar utilizado (geralmente com sua frequência) e sua posição (com a energia da onda sonora). O sonar ativo é semelhante ao radar no sentido de que, embora permita a detecção de alvos em um determinado alcance, também permite que o emissor seja detectado em um alcance muito maior, o que é indesejável.

Como o sonar ativo revela a presença e a posição do operador e não permite a classificação exata dos alvos, é usado por plataformas rápidas (aviões, helicópteros) e barulhentas (a maioria dos navios de superfície), mas raramente por submarinos. Quando o sonar ativo é usado por navios de superfície ou submarinos, normalmente é ativado muito brevemente em períodos intermitentes para minimizar o risco de detecção. Consequentemente, o sonar ativo é normalmente considerado um backup do sonar passivo. Em aeronaves, o sonar ativo é usado na forma de sonobuoys descartáveis ​​que são lançadas na área de patrulha da aeronave ou nas proximidades de possíveis contatos de sonar do inimigo.

O sonar passivo tem várias vantagens, a mais importante é que é silencioso. Se o nível de ruído irradiado do alvo for alto o suficiente, ele pode ter um alcance maior do que o sonar ativo e permite que o alvo seja identificado. Uma vez que qualquer objeto motorizado faz algum ruído, ele pode, em princípio, ser detectado, dependendo do nível de ruído emitido e do nível de ruído do ambiente na área, bem como da tecnologia utilizada. Para simplificar, o sonar passivo "vê" ao redor do navio que o usa. Em um submarino, o sonar passivo montado no nariz detecta em direções de cerca de 270 °, centradas no alinhamento do navio, a matriz montada no casco de cerca de 160 ° em cada lado e a matriz rebocada de 360 ​​° completos. As áreas invisíveis são causadas pela própria interferência do navio. Uma vez que um sinal é detectado em uma determinada direção (o que significa que algo emite som nessa direção, isso é chamado de detecção de banda larga), é possível ampliar e analisar o sinal recebido (análise de banda estreita). Isso geralmente é feito usando uma transformada de Fourier para mostrar as diferentes frequências que constituem o som. Como cada motor emite um som específico, é fácil identificar o objeto. Bancos de dados de sons de motores exclusivos fazem parte do que é conhecido como inteligência acústica ou ACINT.

Outro uso do sonar passivo é determinar a trajetória do alvo. Esse processo é chamado de análise de movimento do alvo (TMA) e a "solução" resultante é o alcance, o curso e a velocidade do alvo.O TMA é feito marcando de qual direção o som vem em momentos diferentes e comparando o movimento com o do próprio navio do operador. Mudanças no movimento relativo são analisadas usando técnicas geométricas padrão junto com algumas suposições sobre casos limites.

O sonar passivo é furtivo e muito útil. No entanto, requer componentes eletrônicos de alta tecnologia e é caro. Geralmente é implantado em navios caros na forma de matrizes para melhorar a detecção. Os navios de superfície usam-no com bons resultados, é ainda melhor usado por submarinos, e também é usado por aviões e helicópteros, principalmente para um "efeito surpresa", uma vez que os submarinos podem esconder-se sob as camadas térmicas. Se o comandante de um submarino acredita que está sozinho, ele pode trazer seu barco para mais perto da superfície e ser mais fácil de detectar, ou ir mais fundo e mais rápido e, assim, fazer mais barulho.

Exemplos de aplicações de sonar em uso militar são fornecidos abaixo. Muitos dos usos civis fornecidos na seção a seguir também podem ser aplicáveis ​​ao uso naval.

Guerra anti-submarina

Até recentemente, os sonares dos navios eram geralmente com matrizes montadas no casco, a meia-nau ou na proa. Logo após o uso inicial, descobriu-se que era necessário um meio de reduzir o ruído do fluxo. Os primeiros eram feitos de tela sobre uma estrutura, depois os de aço eram usados. Agora, os domos são geralmente feitos de plástico reforçado ou borracha pressurizada. Esses sonares são principalmente ativos em operação. Um exemplo de sonar convencional montado no casco é o SQS-56.

Por causa dos problemas de ruído do navio, sonares rebocados também são usados. Estes também têm a vantagem de poderem ser colocados mais profundamente na água. No entanto, existem limitações para seu uso em águas rasas. Eles são chamados de arrays rebocados (linear) ou sonares de profundidade variável (VDS) com arrays 2 / 3D. Um problema é que os guinchos necessários para implantá-los / recuperá-los são grandes e caros. Os conjuntos VDS são principalmente ativos na operação, enquanto as matrizes rebocadas são passivos.

Um exemplo de sonar rebocado de navio ativo-passivo moderno é o Sonar 2087, fabricado pela Thales Underwater Systems.

Torpedos

Os torpedos modernos são geralmente equipados com um sonar ativo / passivo. Isso pode ser usado para atingir o alvo diretamente, mas torpedos wake homing também são usados. Um dos primeiros exemplos de homer acústico foi o torpedo Mark 37.

As contra-medidas de torpedo podem ser rebocadas ou livres. Um exemplo antigo foi o alemão Sieglinde dispositivo enquanto o Negrito era um dispositivo químico. Um dispositivo americano amplamente utilizado foi o AN / SLQ-25 Nixie rebocado, enquanto o simulador de submarino móvel (MOSS) era um dispositivo gratuito. Uma alternativa moderna ao sistema Nixie é o sistema de defesa de torpedo para navios de superfície S2170 da Marinha Real do Reino Unido.

Minas

As minas podem ser equipadas com um sonar para detectar, localizar e reconhecer o alvo necessário. Um exemplo é a mina CAPTOR.

Contra-medidas minhas

O sonar de contramedida para minas (MCM), às vezes chamado de "sonar para evitar minas e obstáculos (MOAS)", é um tipo especializado de sonar usado para detectar pequenos objetos. A maioria dos sonares MCM são montados no casco, mas alguns tipos são de projeto VDS. Um exemplo de sonar MCM montado no casco é o Tipo 2193, enquanto o sonar de caça a minas SQQ-32 e os sistemas Tipo 2093 são projetos VDS.

Navegação submarina

Os submarinos dependem mais do sonar do que os navios de superfície, pois não podem usar o radar em profundidade. As matrizes de sonar podem ser montadas no casco ou rebocadas. As informações ajustadas em ajustes típicos são fornecidas em Oyashio-classe submarino e Swiftsuresubmarino de classe.

Aeronave

Helicópteros podem ser usados ​​para guerra anti-submarino, implantando campos de sonobuoys ativo-passivo ou podem operar sonares de imersão, como o AQS-13. Aeronaves de asa fixa também podem implantar sonobuoys e têm maior resistência e capacidade para implantá-las. O processamento das sonobuoys ou do sonar de imersão pode ser feito na aeronave ou no navio. O sonar de imersão tem a vantagem de ser implantado em profundidades adequadas às condições diárias. Helicópteros também têm sido usados ​​em missões de contramedida para minas usando sonares rebocados, como o AQS-20A.

Comunicações subaquáticas

Sonares dedicados podem ser instalados em navios e submarinos para comunicação subaquática.

Vigilância do oceano

Os Estados Unidos iniciaram um sistema de sistemas passivos fixos de vigilância oceânica em 1950 com o nome classificado Sound Surveillance System (SOSUS) da American Telephone and Telegraph Company (AT&T), com sua pesquisa Bell Laboratories e entidades de manufatura Western Electric sendo contratadas para desenvolvimento e instalação. Os sistemas exploravam o canal de som profundo (SOFAR) e eram baseados em um espectrógrafo de som da AT&T, que convertia o som em um espectrograma visual que representa uma análise de frequência de tempo do som que foi desenvolvida para análise de fala e modificada para analisar sons subaquáticos de baixa frequência. Esse processo foi Análise e Gravação de Baixa Frequência e o equipamento foi denominado Analisador e Registrador de Baixa Frequência, ambos com a sigla LOFAR. A pesquisa LOFAR foi denominada Jezebel e levou ao uso em sistemas de ar e superfície, particularmente sonobuys usando o processo e às vezes usando "Jezebel" em seu nome. [43] [44] [45] O sistema proposto ofereceu tal promessa de detecção de submarinos de longo alcance que a Marinha ordenou movimentos imediatos para implementação. [44] [46]

Entre a instalação de uma matriz de teste seguida por uma escala completa, quarenta elementos, matriz operacional de protótipo em 1951 e 1958, os sistemas foram instalados no Atlântico e depois no Pacífico sob o nome não classificado Projeto César. Os sistemas originais foram encerrados em estações costeiras classificadas designadas Naval Facility (NAVFAC), explicadas como engajadas em "pesquisas oceânicas" para cobrir sua missão classificada. O sistema foi atualizado várias vezes com cabos mais avançados, permitindo que os arrays fossem instalados em bacias oceânicas e um processamento atualizado. As estações costeiras foram eliminadas em um processo de consolidação e redirecionamento das matrizes para centros de processamento centrais na década de 1990. Em 1985, com as novas matrizes móveis e outros sistemas se tornando operacionais, o nome do sistema coletivo foi alterado para Sistema Integrado de Vigilância Submarina (IUSS). Em 1991, a missão do sistema foi desclassificada. No ano anterior, as insígnias IUSS foram autorizadas para uso. O acesso foi concedido a alguns sistemas de pesquisa científica. [43] [44]

Acredita-se que um sistema semelhante tenha sido operado pela União Soviética.

Segurança subaquática

O sonar pode ser usado para detectar homens-rãs e outros mergulhadores. Isso pode ser aplicável em torno de navios ou nas entradas de portos. O sonar ativo também pode ser usado como um mecanismo de dissuasão e / ou desativação. Um desses dispositivos é o sistema Cerberus.

Sonar portátil

O sonar de imagem de minas Limpet (LIMIS) é um sonar de imagem portátil ou montado em ROV projetado para mergulhadores de patrulha (homens-sapos de combate ou mergulhadores de desminagem) para procurar minas de lapa em águas de baixa visibilidade.

O LUIS é outro sonar de imagem para uso por um mergulhador.

O sistema de sonar de navegação integrado (INSS) é um pequeno sonar portátil em forma de lanterna para mergulhadores que exibe alcance. [47] [48]

Sonar de interceptação

Este é um sonar projetado para detectar e localizar as transmissões de sonares ativos hostis. Um exemplo disso é o Type 2082 instalado no British Vanguardasubmarinos de classe.

Pescarias

A pesca é uma indústria importante com uma demanda crescente, mas a tonelagem mundial de captura está caindo como resultado de sérios problemas de recursos. A indústria enfrenta um futuro de contínua consolidação mundial até que um ponto de sustentabilidade possa ser alcançado. No entanto, a consolidação das frotas pesqueiras está levando ao aumento da demanda por eletrônicos sofisticados de localização de peixes, como sensores, sirenes e sonares. Historicamente, os pescadores usaram muitas técnicas diferentes para encontrar e colher peixes. No entanto, a tecnologia acústica tem sido uma das forças motrizes mais importantes por trás do desenvolvimento da pesca comercial moderna.

As ondas sonoras viajam de maneira diferente pelos peixes e pela água, porque a bexiga natatória cheia de ar de um peixe tem uma densidade diferente da água do mar. Esta diferença de densidade permite a detecção de cardumes de peixes usando o som refletido. A tecnologia acústica é especialmente adequada para aplicações subaquáticas, uma vez que o som viaja mais longe e mais rápido debaixo d'água do que no ar. Hoje, os navios de pesca comercial dependem quase totalmente de sonares acústicos e sirenes para detectar peixes. Os pescadores também usam sonar ativo e tecnologia de ecobatímetro para determinar a profundidade da água, o contorno e a composição do fundo.

Empresas como eSonar, Raymarine, Marport Canada, Wesmar, Furuno, Krupp e Simrad fabricam uma variedade de sonares e instrumentos acústicos para a indústria de pesca comercial em alto mar. Por exemplo, os sensores de rede fazem várias medições subaquáticas e transmitem as informações de volta para um receptor a bordo de um navio. Cada sensor é equipado com um ou mais transdutores acústicos, dependendo de sua função específica. Os dados são transmitidos a partir dos sensores usando telemetria acústica sem fio e são recebidos por um hidrofone montado no casco. Os sinais analógicos são decodificados e convertidos por um receptor acústico digital em dados que são transmitidos a um computador de ponte para exibição gráfica em um monitor de alta resolução.

Eco soando

A sondagem de eco é um processo usado para determinar a profundidade da água abaixo de navios e barcos. Uma espécie de sonar ativo, o eco-sondagem é a transmissão de um pulso acústico direto para o fundo do mar, medindo o tempo entre a transmissão e o retorno do eco, após atingir o fundo e retornar ao seu navio de origem. O pulso acústico é emitido por um transdutor que também recebe o eco de retorno. A medição de profundidade é calculada multiplicando a velocidade do som na água (em média 1.500 metros por segundo) pelo tempo entre a emissão e o retorno do eco. [49] [50]

O valor da acústica subaquática para a indústria pesqueira levou ao desenvolvimento de outros instrumentos acústicos que operam de maneira semelhante às eco-sondas, mas, por sua função ser um pouco diferente do modelo inicial da eco-sondadora, receberam diferentes termos.

Localização da rede

A sonda de rede é uma sonda de eco com um transdutor montado na linha da frente da rede, em vez de no fundo da embarcação. No entanto, para acomodar a distância do transdutor à unidade de exibição, que é muito maior do que em uma eco-sondagem normal, vários refinamentos devem ser feitos. Dois tipos principais estão disponíveis. O primeiro é o tipo de cabo em que os sinais são enviados ao longo de um cabo. Neste caso, deve haver um tambor de cabo para transportar, disparar e alojar o cabo durante as diferentes fases da operação. O segundo tipo é a sonda de rede sem cabos - como o Trawl Explorer da Marport - em que os sinais são enviados acusticamente entre a rede e o hidrofone receptor montado no casco do navio. Nesse caso, nenhum tambor de cabo é necessário, mas eletrônicos sofisticados são necessários no transdutor e no receptor.

O visor em uma sonda de rede mostra a distância da rede do fundo (ou da superfície), ao invés da profundidade da água como com o transdutor montado no casco da sonda de eco. Fixado na manchete da rede, a corda dos pés geralmente pode ser vista, o que dá uma indicação do desempenho da rede. Qualquer peixe passando na rede também pode ser visto, permitindo que ajustes finos sejam feitos para pegar o máximo de peixes possível. Em outras pescarias, onde a quantidade de peixes na rede é importante, os transdutores do sensor de captura são montados em várias posições na cuada da rede. À medida que a cuada enche, esses transdutores de sensor de captura são acionados um por um e essa informação é transmitida acusticamente para exibir monitores na ponte do navio. O capitão pode então decidir quando puxar a rede.

Versões modernas da sonda de rede, usando transdutores de múltiplos elementos, funcionam mais como um sonar do que uma sonda de eco e mostram fatias da área em frente à rede e não apenas a visão vertical que as sirenes de rede iniciais usaram.

O sonar é um eco-sondador com capacidade direcional que pode mostrar peixes ou outros objetos ao redor da embarcação.

ROV e UUV

Pequenos sonares foram instalados em veículos operados remotamente (ROVs) e veículos subaquáticos não tripulados (UUVs) para permitir sua operação em condições obscuras. Esses sonares são usados ​​para olhar à frente do veículo. O Long-Term Mine Reconnaissance System é um UUV para fins de MCM.

Localização de veículos

Os sonares que atuam como faróis são instalados nas aeronaves para permitir sua localização em caso de acidente no mar. Sonares de linha de base curtos e longos podem ser usados ​​para cuidar da localização, como LBL.

Prótese para deficientes visuais

Em 2013, um inventor nos Estados Unidos revelou uma roupa "com sentido de aranha", equipada com sensores ultrassônicos e sistemas de feedback tátil, que alerta o usuário sobre ameaças recebidas, permitindo que ele responda aos agressores mesmo quando vendado. [51]

Estimativa de biomassa

Detecção de peixes e outras formas de vida marinha e aquática e estimativa de seus tamanhos individuais ou biomassa total usando técnicas de sonar ativo. À medida que o pulso sonoro viaja pela água, ele encontra objetos que são de densidade ou características acústicas diferentes do meio circundante, como peixes, que refletem o som de volta para a fonte sonora. Esses ecos fornecem informações sobre o tamanho, localização, abundância e comportamento dos peixes. Os dados são geralmente processados ​​e analisados ​​usando uma variedade de software, como Echoview.

Medição de onda

Um ecobatímetro voltado para cima, montado na parte inferior ou em uma plataforma, pode ser usado para fazer medições da altura e do período das ondas. A partir desta estatística das condições da superfície em um local pode ser derivada.

Medição da velocidade da água

Sonares especiais de curto alcance foram desenvolvidos para permitir medições da velocidade da água.

Avaliação de tipo de fundo

Foram desenvolvidos sonares que podem ser usados ​​para caracterizar o fundo do mar em, por exemplo, lama, areia e cascalho. Sonares relativamente simples, como ecobatímetros, podem ser promovidos a sistemas de classificação do fundo do mar por meio de módulos adicionais, convertendo parâmetros de eco em tipo de sedimento. Existem diferentes algoritmos, mas todos são baseados em mudanças na energia ou na forma dos pings refletidos da sirene. A análise de classificação de substrato avançada pode ser alcançada usando ecossondadoras calibradas (científicas) e análise paramétrica ou lógica difusa dos dados acústicos.

Mapeamento batimétrico

Os sonares de varredura lateral podem ser usados ​​para obter mapas da topografia do fundo do mar (batimetria) movendo o sonar logo acima do fundo. Os sonares de baixa frequência, como o GLORIA, têm sido usados ​​para levantamentos de toda a plataforma continental, enquanto os sonares de alta frequência são usados ​​para levantamentos mais detalhados de áreas menores.

Perfil de sub-fundo

Potentes eco-sondas de baixa frequência foram desenvolvidos para fornecer perfis das camadas superiores do fundo do oceano.

Detecção de vazamento de gás no fundo do mar

As bolhas de gás podem vazar do fundo do mar, ou perto dele, de fontes múltiplas. Estes podem ser detectados por sonar passivo [52] e ativo [38] (mostrado na figura esquemática [52] pelos sistemas amarelo e vermelho, respectivamente).

Ocorrem infiltrações naturais de metano e dióxido de carbono. [38] Os gasodutos podem vazar e é importante ser capaz de detectar se o vazamento ocorre nas instalações de captura e armazenamento de carbono (CCSFs, por exemplo, poços de petróleo esgotados nos quais o carbono atmosférico extraído é armazenado). [53] [54] [55] [56] A quantificação da quantidade de vazamento de gás é difícil e, embora as estimativas possam ser feitas com o uso de sonar ativo e passivo, é importante questionar sua precisão devido às suposições inerentes em fazer tais estimativas dos dados do sonar. [52] [57]

Aberturas de sonar sintético

Vários sonares de abertura sintética foram construídos no laboratório e alguns começaram a ser usados ​​em sistemas de busca e caça a minas. Uma explicação de seu funcionamento é fornecida no sonar de abertura sintética.

Sonar paramétrico

Fontes paramétricas usam a não linearidade da água para gerar a diferença de frequência entre duas frequências altas. Uma matriz virtual de fim de disparo é formada. Esse projetor tem vantagens de largura de banda larga, largura de feixe estreita e, quando totalmente desenvolvido e medido com cuidado, não tem lóbulos laterais óbvios: consulte Matriz paramétrica. Sua principal desvantagem é a eficiência muito baixa de apenas alguns por cento. [58] P.J. Westervelt resume as tendências envolvidas. [59]

Sonar em contextos extraterrestres

O uso de sonar passivo e ativo foi proposto para vários usos extraterrestres. [60] Um exemplo do uso de sonar ativo é na determinação da profundidade dos mares de hidrocarbonetos em Titã, [61] Um exemplo do uso de sonar passivo é na detecção de metanais em Titã, [62]

Foi notado que aquelas propostas que sugerem o uso de sonar sem levar em consideração a diferença entre os ambientes terrestres (atmosfera, oceano, minerais) e os extraterrestres, podem levar a valores errôneos [63] [64] [65 ] [66] [67] [68]

Efeito em mamíferos marinhos

A pesquisa mostrou que o uso de sonar ativo pode levar a encalhes em massa de mamíferos marinhos. [69] Baleias bicudas, a vítima mais comum dos encalhes, mostraram ser altamente sensíveis ao sonar ativo de média frequência. [70] Outros mamíferos marinhos, como a baleia azul, também fogem da fonte do sonar, [71] enquanto a atividade naval foi sugerida como a causa mais provável de encalhe em massa de golfinhos. [72] A Marinha dos Estados Unidos, que financiou parcialmente alguns dos estudos, disse que as descobertas mostraram apenas respostas comportamentais ao sonar, não danos reais, mas "avaliarão a eficácia de [suas] medidas de proteção aos mamíferos marinhos à luz de novas resultados da pesquisa ". [69] Uma decisão da Suprema Corte dos Estados Unidos de 2008 sobre o uso de sonar pela Marinha dos Estados Unidos observou que não houve nenhum caso em que o sonar tenha causado danos ou matou um mamífero marinho. [73]

Alguns animais marinhos, como baleias e golfinhos, usam sistemas de ecolocalização, às vezes chamados de biosonar para localizar predadores e presas. Pesquisas sobre os efeitos do sonar nas baleias azuis no sul da Califórnia Bight mostram que o uso do sonar de frequência média interrompe o comportamento alimentar das baleias. Isso indica que a interrupção induzida por sonar de alimentação e deslocamento de manchas de presas de alta qualidade pode ter impactos significativos e não documentados anteriormente na ecologia de forrageamento de baleias de barbatanas, aptidão individual e saúde da população. [74]

Uma revisão das evidências sobre os encalhes em massa de baleias com bico vinculado a exercícios navais em que o sonar foi usado foi publicada em 2019. Concluiu-se que os efeitos do sonar ativo de média frequência são mais fortes nas baleias de bico de Cuvier, mas variam entre os indivíduos ou as populações. A revisão sugeriu que a força da resposta de animais individuais pode depender de se eles tiveram exposição anterior ao sonar, e que sintomas de doença descompressiva foram encontrados em baleias encalhadas que podem ser resultado de tal resposta ao sonar.Ele observou que nas Ilhas Canárias, onde vários encalhes foram relatados anteriormente, não ocorreram mais encalhes em massa uma vez que os exercícios navais durante os quais o sonar foi usado foram proibidos na área, e recomendou que a proibição fosse estendida a outras áreas onde os encalhes em massa continuam a ocorrer. [75] [76]

Efeito em peixes

Sons de sonar de alta intensidade podem criar uma pequena mudança temporária no limiar de audição de alguns peixes. [77] [78] [a]

As frequências dos sonares variam de infra-sônico a acima de um megahertz. Geralmente, as frequências mais baixas têm alcance mais longo, enquanto as frequências mais altas oferecem melhor resolução e tamanho menor para uma determinada direcionalidade.

Para atingir uma direcionalidade razoável, as frequências abaixo de 1 kHz geralmente requerem um tamanho grande, geralmente obtido como matrizes rebocadas. [79]

Os sonares de baixa frequência são vagamente definidos como 1–5 kHz, embora algumas marinhas considerem 5–7 kHz também como baixa frequência. A frequência média é definida como 5–15 kHz. Outro estilo de divisão considera a frequência baixa abaixo de 1 kHz e a frequência média entre 1–10 kHz. [79]

Os sonares americanos da Segunda Guerra Mundial operavam a uma frequência relativamente alta de 20-30 kHz, para atingir a direcionalidade com transdutores razoavelmente pequenos, com alcance operacional máximo típico de 2500 jardas. Os sonares do pós-guerra usaram frequências mais baixas para alcançar um alcance mais longo, por ex. SQS-4 operou a 10 kHz com faixa de até 5000 jardas. SQS-26 e SQS-53 operavam a 3 kHz com alcance de até 20.000 jardas, seus domos tinham um tamanho de aprox. um barco de pessoal de 60 pés, um limite de tamanho superior para sonares de casco convencionais. Alcançar tamanhos maiores por matriz de sonar conformada espalhada pelo casco não foi eficaz até agora, para frequências mais baixas, matrizes lineares ou rebocadas são, portanto, usadas. [79]

Os sonares japoneses da 2ª Guerra Mundial operaram em uma faixa de frequências. O Type 91, com projetor de quartzo de 30 polegadas, funcionava a 9 kHz. O Type 93, com projetores de quartzo menores, operava em 17,5 kHz (modelo 5 em 16 ou 19 kHz magnetostrictivo) em potências entre 1,7 e 2,5 quilowatts, com alcance de até 6 km. O último Tipo 3, com transdutores magnetostritivos de design alemão, operava a 13, 14,5, 16 ou 20 kHz (por modelo), usando transdutores gêmeos (exceto o modelo 1 que tinha três únicos), de 0,2 a 2,5 quilowatts. O tipo simples usava transdutores magnetostritivos de 14,5 kHz a 0,25 kW, acionados por descarga capacitiva em vez de osciladores, com alcance de até 2,5 km. [21]

A resolução do sonar é que objetos angulares mais distantes são fotografados com resoluções mais baixas do que os próximos.

Outra fonte lista faixas e resoluções vs frequências para sonares de varredura lateral. 30 kHz oferece baixa resolução com faixa de 1000–6000 m, 100 kHz oferece resolução média em 500–1000 m, 300 kHz oferece alta resolução em 150–500 me 600 kHz oferece alta resolução em 75–150 m. Os sonares de longo alcance são mais adversamente afetados pelas não homogenidades da água. Alguns ambientes, normalmente águas rasas perto da costa, têm terrenos complicados com muitos recursos onde as frequências mais altas se tornam necessárias. [80]


Vídeo: How To Interpret Side Imaging Sonar