mini|hochkant=1.5|Sonar-Monitore im US-amerikanischen Atom-U-Boot Toledo
Sonar ist ein „Verfahren zur Ortung von Gegenständen in der Atmosphäre und unter Wasser mittels ausgesandter Schallimpulse“.Sonar. duden.de; abgerufen am 13. August 2011. Das Wort ist ein englisches Akronym von sound navigation and ranging, was sich mit Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung übersetzen lässt.
Sonar-Messtechniken werden überwiegend mithilfe von Hydrophonen unter Wasser eingesetzt, da sich insbesondere hochfrequenter Schall im Wasser sehr viel verlustärmer ausbreitet als in der Luft. Aus historischen Gründen wird begrifflich unterschieden zwischen Sonargeräten (kurz als „Sonare“ bezeichnet), die überwiegend horizontal, und Echoloten, die überwiegend vertikal orten.
Schallsignale können bei der Echoortung (aktives Sonar, hierzu zählt auch das Echolot) oder zur Lokalisation von Objekten eingesetzt werden, die selbst Schall emittieren.
Aktive Sonare nutzen wie Radaranlagen das Echoprinzip, sie strahlen also selbst ein Signal aus, dessen Echo sie empfangen, aus dem sie über Laufzeit des Echos die Entfernung bestimmen. Echolote gehören zu diesem Typ.
In der Literatur wird teils von passivem Sonar gesprochen, wobei sich diese Angabe auf den passiven Betriebsmodus eines auch zum aktiven Senden fähigen Ortungssystems beziehen kann. Dabei werden nur die von Objekten eigenständig generierten Signale bzw. Geräusche empfangen, was die Tarnung des ortenden Systems schützt. In beiden Betriebsarten kann die Richtung des einfallenden Schalles bestimmt werden, eine präzise und verlässliche Entfernungsmessung ist jedoch oft nur im aktiven Betriebsmodus möglich.
Die Abgrenzung zwischen „Sonaranlagen“, die neben dem aktiven auch einen passiven Betriebsmodus haben können, und „Horchanlagen“, die ausschließlich die passive Schallortung erlauben, ist besonders in der englischsprachigen Literatur oft nicht eindeutig.
Geschichte Die passive Ortungsmöglichkeit durch Wasserschall wurde von dem Universalgenie Leonardo da Vinci im Jahr 1490 erstmals erwähnt: „Wenn Du ein Rohr in das Wasser tauchst und das andere Ende an Dein Ohr hältst, kannst Du Schiffe auf sehr große Entfernungen hören.“ Ob er dies jedoch erfolgreich angewandt hat, ist fraglich, da Schiffe ohne Motor vergleichsweise wenige Geräusche erzeugen. Aber vielleicht war es möglich, das Rauschen der Bugwelle, den Trommelschlag des Taktgebers für die Ruderer, das rhythmische Eintauchen der Riemen oder das Knarzen des Holzschiffkörpers auf diese Weise zu hören.
Es werden drei Männer genannt, die etwa gleichzeitig völlig unabhängig voneinander ein aktives System zur Ortung von Eisbergen patentiert haben, das zwar gegen Eisberge nicht erfolgreich war, sich jedoch zur Tiefenortung als Echolot eignete. Alle drei standen offenbar unter dem Eindruck des Untergangs der Titanic: Dies sind einmal Alexander Behm (siehe Echolot), ferner der kanadische Erfinder Reginald Fessenden und schließlich Lewis Fry Richardson.
Im Ersten Weltkrieg stieg das Interesse an einer Weiterentwicklung des aktiven Sonars, um U-Boote zu orten. Der französische Physiker Paul Langevin entwickelte 1915 zusammen mit dem aus Russland emigrierten Elektrotechniker Constantin Chilowski das erste aktive Sonar-System, das schließlich geeignet war, U-Boote auf etwa 1500 m Entfernung zu orten. Auf britischer Seite wurde parallel intensiv unter der Bezeichnung ASDIC an einem aktiven Sonar gearbeitet. Zu einem operativen Einsatz von Aktivsonar kam es im Ersten Weltkrieg nicht mehr. Hingegen wurden schon verschiedene Versionen von passiven Anlagen verwendet.
mini|Dem deutschen Gruppenhorchgerät (Kristall-Drehbasisgerät) vergleichbares Hydrophon an Bord der USS Pampanito aus dem Zweiten Weltkrieg
Obwohl die Entwicklung zwischen den Weltkriegen nur relativ langsam voranging, standen im Zweiten Weltkrieg ausreichend entwickelte passive und aktive Systeme zur Verfügung. Dennoch wurden U-Boote anfangs vor allem im aufgetauchten Zustand geortet, weil diese damals nur zeitweilig bei Gefahr oder zum Angriff tauchten („Tauchboote“). Die Bedeutung des aktiven Sonars bestand darin, einen einmal gewonnenen Kontakt zu einem getauchten U-Boot unabhängig von seinen Eigengeräuschen aufrechterhalten und vor dem Wasserbombeneinsatz seine Entfernung, Kurs und Geschwindigkeit bestimmen zu können.
Die Tauchtiefe des U-Bootes konnte dagegen wegen der Schallbrechung im Wasser und anfangs fehlender Schwenkmöglichkeit der Sonaranlagen in der vertikalen nur geschätzt werden. Der Sonarkontakt ging unmittelbar vor Wasserbombenangriffen meist verloren, weil das angreifende Schiff mit hoher Geschwindigkeit aus einiger Entfernung anlaufen musste, um von den mit Zeitverzögerung in der Tiefe explodierenden Wasserbomben nicht selbst beschädigt zu werden.
Wegen der Eigengeräusche des Schiffs war ab mittlerer Geschwindigkeit sowie im achteren Bereich keine Sonarortung möglich. Auch bereits explodierte Wasserbomben stören diese für einige Zeit. Die Reichweite der Sonaranlagen ist stark von den Wasser- und Wetterverhältnissen abhängig, die Unterscheidung zwischen realen und scheinbaren Ortungszielen oft schwierig. Dies gab den U-Booten, die einmal ihre größtmögliche Tauchtiefe erreicht hatten, gute Möglichkeiten, Wasserbombenangriffen durch eigene Manöver auszuweichen und auch aktiver Sonarortung zu entkommen.
Das typische Aktivsonar war das Suchstrahl-Sonar („Search Light Sonar“) im Frequenzbereich zwischen 15 kHz und 40 kHz. Dabei wurden jeweils kurze Schallimpulse, sogenannte Pings, ausgesendet.
Die Überdeckung eines Sektors mit Aktivsonar war wegen der Signallaufzeit (für jeden Winkel-Schritt) sehr zeitaufwändig. Deswegen war eine Gebietsüberwachung wenig erfolgreich. Im Gegensatz dazu ist beim Radar trotz ähnlichem Funktionsprinzip eine Gebietsüberwachung möglich, weil dabei elektromagnetische Wellen genutzt werden können, die in Luft eine um mehrere Größenordnungen höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit haben als Schallwellen in Wasser.
Sobald der Kontakt zu einem Objekt aufgenommen wurde, kann ein Suchstrahl-Sonar das Ziel gut halten. Eine Hilfe bietet dabei die „Split-Beam“-Technik, bei der mit einem zweigeteilten Empfänger festgestellt werden kann, ob sich das Ziel aus der Strahlachse herausbewegt.
Das Panorama-Sonar (englisch PPI – Plane Position Indication) kam erst nach dem Zweiten Weltkrieg auf. Damit wird rundum oder sektorweise gesendet, und beim Empfang wird simultan (oder sehr schnell elektronisch geschwenkt) mit einer elektronischen Richtungsbildung des Strahls durch entsprechende Phasen- beziehungsweise Laufzeitänderungen ein Sektor- oder Rundumbild von einem Sonarping gebildet. Dies war die gängige Technik der ersten 20 Jahre nach dem Zweiten Weltkrieg.
Eine wesentliche Neuerung der 1970er Jahre war die Einführung von Schleppantennen (englisch Towed Array Sonar, TAS). Bei diesem passiven Ortungssystem wird eine Kette von Hydrophonen in einem ölgefüllten Schlauch an einem langen Kabel hinter dem Schiff hergeschleppt. Durch das Öl schwebt der Schlauch ohne Auftrieb unter Wasser. Zwischen Hydrophon-Schlauch und Schleppkabel sind mechanische Dämpfer zur akustischen Entkopplung angebracht, damit Vibrationen des Schiffs möglichst wenig störenden Einfluss haben. Mit dieser Technik können sehr tiefe Frequenzen bis unter 100 Hz nutzbar gemacht werden. Sie werden im Tiefwasser wenig gedämpft, können aber mit einer Antenne am Schiff nicht entkoppelt werden und erforderten wegen der großen Wellenlänge sehr große Abmessungen.
Die neueste Entwicklung ab etwa 1985 ist das aktive tieffrequente Schleppsonar oder LFAS (Low Frequency Active Sonar), das bei Frequenzen unter 2 kHz arbeitet, zum Teil bei wenigen hundert Hz.
Während des Kalten Krieges wurde ein erheblicher Aufwand für die Entwicklung der Sonartechnik getrieben, parallel zu den großen Fortschritten in der U-Boot-Technik. Auch nach dem Ende des Kalten Krieges ist die Sonartechnik von großer Bedeutung wegen der unterseeischen terroristischen Bedrohung und der Entwicklung unbemannter Unterwasserfahrzeuge (UUV, Unmanned Underwater Vehicles), vor allem der autonomen Unterwasserfahrzeuge (AUV, Autonomous Underwater Vehicles), die zunehmend die Seekriegssituation bestimmen.
Sonarforschungsinstitute sind in den USA das United States Naval Research Laboratory, in der NATO das NATO Undersea Research Centre in La Spezia, Italien, und in Deutschland die Wehrtechnische Dienststelle für Schiffe und Marinewaffen, Maritime Technologie und Forschung.
Aktives Sonar mini|hochkant=1.5|Prinzip des aktiven Sonars: Die Zeit vom Aussenden des Impulses bis zum Empfangen des reflektierten Signals ist proportional zur Objektentfernung mini|hochkant=1|Bordgerät eines „Fishfinder“-Sonars
Es gibt niederfrequente (50 Hz bis 3 kHz), mittelfrequente (3 kHz bis 15 kHz) und hochfrequente Aktivsonare.
Niederfrequente Sonare werden als Weitbereichssonare mit Übertragungsdistanzen von über 20 km oder Überwachungs(Surveillance)-Anlagen für die U-Jagd, d. h. die Ortung von U-Booten verwendet. Dies ergibt sich aus der geringen Dämpfung tiefer Frequenzen. Die Ausführung erfolgt normalerweise als Schleppsystem. Mittelfrequente Anlagen sind die traditionellen U-Jagdanlagen. Das Torpedosonar im Kopf eines Torpedos verwendet 20 kHz bis 60 kHz. Minenjagd- und Minenmeidesonare verwenden Frequenzen über 100 kHz wegen der erforderlichen hohen Auflösung und des geringen Entfernungsbedarfs. Seitensichtsonare sind abbildende Sonaranlagen, die in der Forschung und der Minenjagd eingesetzt werden.
Im zivilen Bereich werden beispielsweise Fischschwärme mit der Fischlupe geortet. Die Abgrenzung zum Echolot ist dort fließend. Neben der Ortung der Fischschwärme werden gerade in der pelagischen Schleppnetzfischerei auf dem Prinzip des Echolots basierende Netzsonden eingesetzt, die sowohl die Tiefansteuerung des Fanggeschirrs ermöglichen, wie auch die Überwachung des Abstandes der Scheerbretter oder der Netzgeometrie.
Der Vorteil des Aktivsonars gegenüber dem Passivsonar besteht darin, dass es neben der Richtung auch die Entfernung zum Ziel einfach bestimmen kann und dass es auch für Ziele geeignet ist, die keine Geräusche abstrahlen. Daher sind Minenjagd- und Minenmeidesonare immer Aktivsonare. Ihr Nachteil besteht darin, dass sie die Anwesenheit eines aktiv sendenden Sonarträgers deutlich über die Auffassreichweite der Anlage hinaus verraten und dass sie eine Belastung für die Umwelt, insbesondere für Meeressäuger, darstellen können. U-Boote verwenden Aktivsonar – wenn überhaupt – nur äußerst sparsam.
Sogenannte Search Light-(„Suchscheinwerfer“-)Sonare sind mittlerweile veraltet und finden kaum noch Anwendung. Bei dieser Anlagenart wird der Sender/Empfänger mechanisch gedreht. Dadurch kann man immer nur in eine Richtung detektieren. Die meisten heutigen U-Jagd-Sonare (außer Schleppsonare) verwenden eine Kreis- oder Teilkreisanlage. Dort werden die Sender/Empfänger im Kreis und zu mehreren übereinander angeordnet. Auf diese Art kann man gleichzeitig alle Richtungen überwachen und trotzdem gezielt detektieren. Elektronisch kann man dann einzelne Gruppen oder auch alle ansteuern und so einen Rundum-Ping senden oder aber nacheinander gestaffelt pingen.
Passives Sonar mini|hochkant=0.5|Hydrofon
Das passive Sonar besteht aus mindestens einem Hydrophon (Unterwasser-Mikrofon) und wird verwendet, um Unterwassergeräusche und andere akustische Signale aufzuspüren. Das passive Sonar sendet selbst keine Schallwellen aus und ist daher, im Gegensatz zum aktiven Sonar, nicht zu orten.