ソナー

ソナー（音響航法と測距または音波航法と測距）^[2]は、音の伝播（通常は潜水艦航法のように水中）を利用して、他の船舶など水面上または水面下の物体を航行、距離測定（測距）、通信、または検出する技術である。^[3]

「ソナー」は 2 種類の技術のいずれかを指します。パッシブソナーは船舶の音を聞き取るもので、アクティブソナーは音波を発射して反響を聞き取るものです。ソナーは音響による位置特定や水中の「ターゲット」の反響特性の測定に使用できます。^{[4]空中での音響による位置特定は}レーダー導入前に使用されていました。ソナーはロボットのナビゲーションにも使用でき、^[5]ソーダー(上向きの空中ソナー) は大気調査に使用されます。ソナーという用語は、音を生成および受信するために使用される機器にも使用されます。ソナー システムで使用される音響周波数は、非常に低いもの (超低周波) から非常に高いもの (超音波) までさまざまです。水中音の研究は水中音響学または水中音響学として知られています。

この技術が初めて記録に残っているのは1490年、レオナルド・ダ・ヴィンチが水中に挿入した管を使って耳で船舶を探知したというものである。^[6]これは第一次世界大戦中に潜水艦戦の脅威の高まりに対抗するために開発され、1918年までに実用可能なパッシブソナーシステムが使用された。 ^[3]現代のアクティブソナーシステムは音響変換器を使用して音波を発生させ、それが目標物から反射される。^[3]

いくつかの動物（イルカ、コウモリ、一部のトガリネズミなど）は数百万年もの間、音をコミュニケーションや物体検出に使用してきましたが、水中での人間の音の使用は、1490年にレオナルド・ダ・ヴィンチによって最初に記録されました。水中に挿入された管に耳を当てることで船舶を検出するために使用されたと言われています。^[6]

19世紀後半には、危険を警告するために灯台や灯台船の補助装置として水中鐘が使われていました。 ^[7]

コウモリが音を使って空中を航行するのと同じように、音を使って水中で「エコー位置特定」するという考えは、1912年のタイタニック号^{の沈没がきっかけとなったようだ。[8]}世界初の水中エコー測距装置の特許は、タイタニック号の沈没から1か月後にイギリスの気象学者ルイス・フライ・リチャードソンによって英国特許庁に申請された。^[9]また、ドイツの物理学者アレクサンダー・ベームは1913年にエコー測深機の特許を取得した。^[10]

カナダ人技術者のレジナルド・フェッセンデンは、マサチューセッツ州ボストンの潜水艦信号会社で働いていたとき、1912年に実験システムを構築し、後にボストン港でテストされ、最終的には1914年にニューファンドランド沖のグランドバンクスで米国の税関巡視船マイアミでテストされました。^{[9] [11]}そのテストで、フェッセンデンは深度測定、水中通信（モールス信号）、エコー測距（2マイル（3.2 km）の範囲で氷山を検出）を実証しました。^{[12] [13]}約500 Hzの周波数で動作する「フェッセンデン発振器」は、3メートルの波長と変換器の放射面の小ささ（直径が1 ⁄ 3波長未満）のために、氷山の方位を判定できませんでした。1915年に進水したモントリオールで建造された10隻のイギリスH級潜水艦には、フェッセンデン発振器が搭載されていました。^[14]

第一次世界大戦中、潜水艦を探知する必要性から、音の利用に関する研究が進められた。英国では、ハイドロフォンと呼ばれる水中聴音装置が早くから使用されていたが、フランスの物理学者ポール・ランジュバンは、ロシア移民の電気技師コンスタンティン・チロウスキーと共同で、1915年に潜水艦を探知するための能動音響装置の開発に取り組んだ。後に、彼らが使用した静電トランスデューサーは圧電性および磁歪性のトランスデューサーに取って代わられたが、この研究は将来の設計に影響を与えた。軽量の音に敏感なプラスチックフィルムと光ファイバーはハイドロフォンに使用され、テルフェノールDとニオブ酸鉛マグネシウム（PMN）はプロジェクター用に開発された。

1916 年、英国発明研究委員会のもと、カナダの物理学者ロバート・ウィリアム・ボイルがAB ウッドと共に能動音響検出プロジェクトに着手し、1917 年半ばに試験用の試作品を製作しました。英国海軍参謀本部の対潜水艦部隊のためのこの作業は極秘裏に進められ、水晶圧電結晶を使用して世界初の実用的な水中能動音響検出装置が製作されました。機密保持のため、音響実験や水晶については一切触れられませんでした。初期の作業を表すために使用された言葉 (「スーパーソニックス」) は「ASD」ics に、水晶素材は「ASD」ivite に変更されました。「ASD」は「対潜水艦部隊」の略で、これが英国の頭字語ASDIC の由来です。 1939年、オックスフォード英語辞典の質問に答えて、海軍本部はそれが「連合国潜水艦探知調査委員会」の略であるとの話をでっち上げ、これは今でも広く信じられているが^[15] 、この名前の委員会は海軍本部のアーカイブには見つかっていない。^[16]

1918 年までに、英国とフランスはアクティブ システムのプロトタイプを製作しました。英国は1920 年にHMS  Antrimで ASDIC をテストし、1922 年に生産を開始しました。1923 年には、第 6 駆逐艦隊に ASDIC 搭載の船舶が配備されました。1924 年には、ポートランドに対潜水艦学校のHMS Ospreyと4 隻の訓練艦隊が設立されました。

第二次世界大戦の勃発までに、イギリス海軍は異なる水上艦クラス用に 5 セット、および潜水艦用にその他のセットを保有し、完全な対潜水艦システムを構築していました。初期の ASDIC の有効性は、対潜水艦兵器として爆雷を使用したことで妨げられました。このため、攻撃艦は潜水艦の接触点の上を通過してから船尾に爆雷を投下する必要があり、攻撃直前の瞬間に ASDIC の接触点が失われました。ハンターは事実上盲目的に射撃していたため、その間に潜水艦の指揮官は回避行動を取ることができました。この状況は、新しい戦術と新しい武器によって改善されました。

フレデリック・ジョン・ウォーカーが開発した戦術的改良には、忍び寄る攻撃が含まれていました。これには 2 隻の対潜水艦船 (通常はスループまたはコルベット) が必要でした。「指揮船」は、潜水艦の約 1500 ～ 2000 ヤード後方の位置から ASDIC で目標潜水艦を追跡しました。2 隻目の船は、ASDIC をオフにして 5 ノットで航行し、指揮船と目標の間の位置から攻撃を開始しました。この攻撃は、指揮船の ASDIC と距離 (測距儀による) および攻撃船の方位に基づいて、指揮船からの無線電話で制御されました。爆雷が投下されるとすぐに、攻撃船は全速力でそのすぐ近くのエリアを離れました。次に指揮船は目標エリアに入り、爆雷のパターンも投下しました。接近速度が低かったため、潜水艦は爆雷がいつ投下されるかを予測できませんでした。回避行動は指揮艦によって感知され、それに応じて攻撃艦に操舵命令が出された。攻撃速度が低速だったため、ドイツの音響魚雷は低速で移動する軍艦には効果がないという利点があった。忍び寄る攻撃のバリエーションとして「プラスター」攻撃があり、これは3隻の攻撃艦が接近して一列に並び、指揮艦によって目標上空に誘導されるというものであった。^[17]

ASDIC の死角に対処するための新しい兵器は、ヘッジホッグや後にはスクイッドなどの「前方投射兵器」であり、これは攻撃者の前方の標的に、ASDIC で接触したまま弾頭を投射する。これにより、護衛艦 1 隻でより狙いを定めた潜水艦攻撃が可能になった。戦争中の開発により、イギリスの ASDIC セットは複数の異なる形状のビームを使用し、死角を継続的にカバーするようになった。後には音響魚雷が使用された。

第二次世界大戦初期（1940年9月）、英国のASDIC技術は米国に無償で譲渡されました。ASDICと水中音響の研究は英国と米国で拡大され、多くの新しいタイプの軍用音響検出が開発されました。これには、1944年に英国でハイティーというコード名で初めて開発されたソノブイ、ディッピング/ダンキングソナー、機雷探知ソナーが含まれます。この研究は、戦後の原子力潜水艦に対抗するための開発の基礎となりました。

1930年代にアメリカのエンジニアは独自の水中音響検出技術を開発し、サーモクラインの存在やそれが音波に与える影響などの重要な発見がなされました。^{[18]アメリカ人は、}フレデリック・ハントがレーダーに相当する造語として作った「ソナー」という用語を自分たちのシステムに使い始めました。^[19]

1917年、アメリカ海軍は初めてJ・ウォーレン・ホートンのサービスを獲得しました。ベル研究所を休職し、彼は最初はマサチューセッツ州ナハントの実験ステーションで、後にイギリスのロンドンにあるアメリカ海軍本部で、政府に技術専門家として勤務しました。ナハントで彼は、当時は応用科学の形成段階である、現在電子工学として知られている新開発の真空管を、水中信号の検出に応用しました。その結果、初期の検出装置で使用されていたカーボンボタンマイクが、現代のハイドロフォンの前身に取って代わられました。またこの時期に、彼は曳航検出の方法の実験も行いました。これは彼の装置の感度が向上したためでした。その原理は、現代の曳航式ソナーシステムで今でも使用されています。

イギリスの防衛ニーズを満たすため、彼はイギリスに派遣され、アイルランド海の海底に海底ケーブルで海岸の監視所に接続された水中聴音機を設置しました。この機器がケーブル敷設船に積み込まれている間に第一次世界大戦が終結し、ホートンは帰国しました。

第二次世界大戦中、彼は潜水艦、機雷、魚雷を探知できるソナーシステムの開発を続けた。1957年、彼は米海軍水中音響研究所の主任研究コンサルタントとして「ソナーの基礎」を出版した。彼は1959年に技術ディレクターに就任するまでこの職を務め、1963年に定年退職するまでその職を務めた。^{[20] [21]}

1915年から1940年にかけて、米国のソナーはほとんど進歩がなかった。1940年の米国のソナーは、通常、磁歪トランスデューサーと、球形のハウジング内のロシェル塩結晶に背中合わせに取り付けられた直径1フィートの鋼板に接続されたニッケル管のアレイで構成されていた。このアセンブリは船体を貫通し、手動で目的の角度に回転させた。圧電ロシェル塩結晶の方がパラメータは優れていたが、磁歪ユニットの方がはるかに信頼性が高かった。第二次世界大戦初期に米国の商船補給船に大きな損失があったため、この分野での米国の大規模で優先度の高い研究が行われ、磁歪トランスデューサーのパラメータとロシェル塩の信頼性の両方の改善が追求された。より優れた代替品であるリン酸二水素アンモニウム（ADP）がロシェル塩の代替品として発見され、最初の適用は24kHzロシェル塩トランスデューサーの代替品であった。9か月以内に、ロシェル塩は時代遅れになった。 ADP 製造施設の人員は、1940 年初頭の数十人から 1942 年には数千人にまで増加しました。

ADP 結晶の最も初期の用途の 1 つは音響機雷用のハイドロフォンでした。結晶は 5 Hz の低周波カットオフ、3,000 m (10,000 フィート) から航空機で展開しても機械的衝撃に耐えられること、および近隣の機雷の爆発に耐えられることが仕様に定められていました。ADP の信頼性の重要な特徴の 1 つは、経年劣化がないことです。結晶は長期保管してもパラメータを維持します。

もう一つの用途は、音響誘導魚雷です。2 組の指向性ハイドロフォンが、水平および垂直面の魚雷先端に取り付けられ、この 2 組からの信号差を使用して、魚雷を左右および上下に操縦します。対抗策が開発されました。標的の潜水艦が発泡性化学物質を放出し、魚雷は騒々しい発泡性のデコイを追尾します。対抗策は、アクティブ ソナーを備えた魚雷でした。魚雷先端にトランスデューサーが追加され、マイクが反射する周期的なトーン バーストを聞き取ります。トランスデューサーは、ダイヤモンド形の領域に交互に配置された同一の長方形の結晶板で構成されます。

潜水艦用のパッシブソナーアレイは、ADP 結晶から開発されました。複数の結晶アセンブリが鋼管内に配置され、ヒマシ油で真空充填され、密封されました。その後、管は平行アレイに取り付けられました。

第二次世界大戦末期の米国海軍の標準的なスキャンソナーは、ADP 結晶のアレイを使用して 18 kHz で動作していました。しかし、より長い距離を求めるには、より低い周波数を使用する必要がありました。必要な寸法は ADP 結晶には大きすぎたため、1950 年代初頭に磁歪式およびチタン酸バリウム圧電システムが開発されましたが、これらは均一なインピーダンス特性を実現するのに問題があり、ビームパターンに問題がありました。その後、チタン酸バリウムはより安定したチタン酸ジルコン酸鉛(PZT) に置き換えられ、周波数は 5 kHz に下げられました。米国艦隊は数十年にわたってこの材料を AN/SQS-23 ソナーに使用しました。SQS-23 ソナーは最初、磁歪ニッケルトランスデューサーを使用しましたが、これは数トンの重さがあり、ニッケルは高価で重要な材料であると考えられていたため、圧電トランスデューサーに置き換えられました。当初、トランスデューサーは信頼性が低く、機械的および電気的に故障し、設置後すぐに劣化しました。また、トランスデューサーは複数のベンダーによって製造され、設計が異なり、特性がアレイのパフォーマンスを損なうほど異なっていました。個々のトランスデューサーの修理を可能にするという方針はその後犠牲にされ、代わりに「消耗モジュール設計」、つまり修理不可能な密閉モジュールが選択され、シールやその他の余分な機械部品の問題が排除されました。^[22]

第二次世界大戦の初め、日本海軍は石英製の投射器を使用していた。これらは、特に低周波用に設計されたものは大きくて重かった。91式投射器は9kHzで動作し、直径30インチ (760 mm) で、出力5kW、出力振幅7kVの発振器で駆動された。93式投射器は、球状の鋳鉄製の本体に組み立てられた石英の固体サンドイッチで構成されていた。93式ソナーは後にドイツの設計に従い、磁歪投射器を使用した3式に置き換えられた。投射器は、約16×9インチ (410 mm × 230 mm) の鋳鉄製の長方形の本体に収められた2つの長方形の同一の独立したユニットで構成されていた。露出領域は幅が波長の半分、高さが波長の3倍であった。磁歪コアは4mmのニッケルの打ち抜き加工品で作られ、後にアルミニウム含有量が12.7%～12.9%の鉄アルミニウム合金で作られた。電力は 2 kW、3.8 kV から供給され、分極は 20 V、8 A DC 電源から供給されました。

大日本帝国海軍の受動型水中聴音器は、可動コイル設計、ロシェル塩圧電変換器、カーボンマイクロフォンをベースとしていた。^[23]

磁歪式トランスデューサーは、圧電式トランスデューサーの代替として、第二次世界大戦後に開発が進められた。高出力低周波動作には、直径最大 13 フィート (4.0 m) のニッケル製スクロール巻きリング トランスデューサーが使用され、これはおそらくこれまでで最大の個別のソナー トランスデューサーである。金属の利点は、高い引張強度と低い入力電気インピーダンスであるが、電気損失があり、プレストレスによって引張強度を高めることができる PZT よりも結合係数が低い。他の材料も試された。非金属フェライトは、低い電気伝導率によって渦電流損失が低くなるため有望であり、Metglas は高い結合係数を提供したが、全体的には PZT より劣っていた。1970 年代には、優れた磁気機械特性を持つ希土類元素と鉄の化合物、すなわちTerfenol-D合金が発見された。これにより、ハイブリッド磁歪式圧電トランスデューサーなどの新しい設計が可能になった。これらの改良された磁歪材料のうち最新のものはGalfenolである。

その他のタイプのトランスデューサーには、磁力がギャップの表面に作用する可変磁気抵抗（または可動アーマチュア、または電磁）トランスデューサーと、従来のスピーカーに似た可動コイル（または電気力学）トランスデューサーがあります。後者は、非常に低い共振周波数とそれを超える平坦な広帯域特性のため、水中音響校正に使用されます。^[24]

アクティブソナーは、音響送信機（またはプロジェクター）と受信機を使用する。この2つが同じ場所にある場合はモノスタティック動作である。送信機と受信機が離れている場合はバイスタティック動作である。 ^[25] より多くの送信機（または受信機）が使用され、これも空間的に離れている場合はマルチスタティック動作である。ほとんどのソナーはモノスタティックで使用され、同じアレイが送信と受信に使用されることが多い。^[26]アクティブソノブイフィールドはマルチスタティックで動作する場合があります。

アクティブソナーは、しばしば「ピング」と呼ばれる音のパルスを生成し、次にパルスの反射（エコー）を聞きます。この音のパルスは、通常、信号発生器、電力増幅器、電気音響トランスデューサー/アレイで構成されるソナープロジェクターを使用して電子的に生成されます。 ^[27]トランスデューサーは、音響信号（「ピング」）を送受信できるデバイスです。通常、ビームフォーマーは、音響パワーをビームに集中させるために使用され、ビームは必要な検索角度をカバーするようにスイープされる場合があります。通常、電気音響トランスデューサーはトンピルツ型であり、その設計は、システム全体のパフォーマンスを最適化するために、最も広い帯域幅で最大の効率を達成するように最適化される場合があります。場合によっては、音響パルスは、爆発物、エアガン、プラズマ音源などを使用して化学的に生成されることもあります。

物体までの距離を測定するには、パルスの送信から受信までの時間を測定し、既知の音速を使用して距離に変換します。^[28]方位を測定するには、複数のハイドロフォンを使用し、セットで各ハイドロフォンへの相対的な到着時間を測定するか、またはハイドロフォンのアレイを使用して、ビームフォーミングと呼ばれるプロセスで形成されたビームの相対的な振幅を測定します。アレイを使用すると空間応答が減少するため、広いカバーを提供するためにマルチビームシステムが使用されます。ターゲット信号（存在する場合）はノイズとともに、さまざまな形式の信号処理に渡されます。^[29]単純なソナーの場合は、エネルギー測定のみになります。次に、出力が必要な信号かノイズかを判別する何らかの決定デバイスに渡されます。この決定デバイスは、ヘッドフォンまたはディスプレイを備えたオペレーターである場合もあれば、より高度なソナーでは、この機能がソフトウェアによって実行される場合もあります。ターゲットを分類して位置を特定し、その速度を測定するために、さらに処理が実行される場合もあります。

パルスは、一定周波数の場合もあれば、周波数が変化するチャープ（受信時にパルス圧縮を可能にするため）の場合もあります。単純なソナーでは、通常、ターゲットの移動によるドップラー変化をカバーできる幅の広いフィルターを備えた前者を使用しますが、より複雑なソナーでは後者の技術が一般的に採用されています。デジタル処理が可能になって以来、パルス圧縮は通常、デジタル相関技術を使用して実装されています。軍用ソナーでは、全方位をカバーするために複数のビームを備えていることが多いのに対し、単純なソナーでは狭い弧しかカバーしませんが、ビームは機械的なスキャンによって比較的ゆっくりと回転させることができます。

特に単一周波数送信を使用する場合、ドップラー効果を使用してターゲットの半径速度を測定できます。送信信号と受信信号の周波数の差が測定され、速度に変換されます。ドップラーシフトは受信機またはターゲットの動きによって発生する可能性があるため、検索プラットフォームの半径速度を考慮する必要があります。

便利な小型ソナーの 1 つは、防水懐中電灯に似た外観です。ヘッドを水中に向け、ボタンを押すと、装置がターゲットまでの距離を表示します。別のバリエーションとして、魚群の小さなディスプレイを表示する「魚群探知機」があります。民間用ソナーの中には (ステルス用に設計されていない)、ボート付近のエリアを 3D 表示する機能を備え、軍用ソナーに匹敵する機能を持つものもあります。

アクティブソナーを使用してトランスデューサーから海底までの距離を測定することをエコー測深といいます。同様の方法は、上向きの波を測定する場合にも使用できます。

アクティブソナーは、2 つのソナートランスデューサー間、またはハイドロフォン (水中音響マイク) とプロジェクター (水中音響スピーカー) の組み合わせ間の水中距離を測定するためにも使用されます。ハイドロフォン/トランスデューサーが特定の問い合わせ信号を受信すると、特定の応答信号を送信して応答します。距離を測定するには、1 つのトランスデューサー/プロジェクターが問い合わせ信号を送信し、この送信と他のトランスデューサー/ハイドロフォンの応答の受信との間の時間を測定します。水中の音速でスケーリングされ、2 で割られた時間差が、2 つのプラットフォーム間の距離です。この技術を複数のトランスデューサー/ハイドロフォン/プロジェクターで使用すると、水中の静止物体と移動物体の相対位置を計算できます。

戦闘状況では、アクティブ パルスは敵に検知され、潜水艦自体が接触を検知できる最大距離の 2 倍の距離で潜水艦の位置が明らかになり、発信音の特徴に基づいて潜水艦の身元に関する手がかりが得られます。これらの理由から、アクティブ ソナーは軍用潜水艦ではあまり使用されません。

非常に指向性が高いが効率の低いタイプのソナー（漁業、軍事、港湾警備で使用）は、非線形ソナーと呼ばれる水の複雑な非線形特性を利用し、仮想トランスデューサーはパラメトリックアレイと呼ばれます。

アルテミス計画は、1950年代後半から1960年代半ばにかけて行われた実験的研究開発プロジェクトで、海洋監視に使用できる低周波アクティブソナーシステムの音響伝播と信号処理を調査するものでした。副次的な目的は、固定式アクティブボトムシステムの技術的問題の調査でした。^[30]受信アレイは、バミューダ沖のプランタグネットバンクの斜面に設置されました。アクティブソースアレイは、改造された第二次世界大戦時のタンカーUSNS ミッションカピストラーノから展開されました。^[31]アルテミスの要素は、主な実験が終了した後、実験的に使用されました。

これは、特定の刺激を受信し、受信した信号または事前に設定された信号を即座に（または遅延して）再送信するアクティブソナーデバイスです。トランスポンダーは、海底機器を遠隔的に起動または回復するために使用できます。^[32]

ソナーターゲットは、それが配置されているエミッターを中心とした球体に比べて小さいです。したがって、反射信号のパワーは非常に低く、元の信号よりも数桁小さくなります。反射信号が同じパワーであったとしても、次の例 (仮想値を使用) は問題を示しています。ソナーシステムが 1 m で 10,000 W/m ^{2 の}信号を発信し、0.001 W/m ^{2 の信号を検出できるとします。100 m では、信号は 1 W/m 2} になります(反二乗の法則により)。信号全体が 10 m ^{2 の}ターゲットから反射された場合、エミッターに到達したときには 0.001 W/m ²になり、つまり検出可能になります。ただし、元の信号は 3000 m まで 0.001 W/m ²以上のままです。同様のシステムまたはより優れたシステムを使用すると、100 ～ 3000 m の範囲にある10 m ^{2 の}ターゲットであればパルスを検出できますが、発信機では検出されません。エコーを拾うには、検出器の感度が非常に高くなければなりません。元の信号ははるかに強力であるため、ソナーの範囲の 2 倍よりも何倍も遠くで検出できます (例を参照)。

アクティブソナーには、ノイズと残響による 2 つのパフォーマンス制限があります。一般的に、これらのいずれかが支配的になるため、最初は 2 つの影響を別々に検討できます。

初期検出時のノイズ制限条件では：^[33]

SL − 2PL + TS − (NL − AG) = DT、

ここで、SL はソースレベル、PL は伝播損失（伝送損失と呼ばれることもある）、TS はターゲット強度、NL はノイズレベル、AG は受信アレイのアレイゲイン（指向性指数で近似されることもある）、DT は検出しきい値です。

初期検出時の残響制限条件（アレイゲインを無視）の場合：

SL − 2PL + TS = RL + DT、

ここで、RL は残響レベルであり、他の要因は前と同じです。

• LIMIS (limpet mine Imaging Sonar) は、ダイバーが使用する手持ち式またはROV搭載型の画像ソナーです。この名前は、視界の悪い水域でリムペット マインを探す巡回ダイバー (戦闘潜水士または掃海ダイバー) 向けに設計されたことに由来しています。
• LUIS (レンズ式水中画像システム) は、ダイバーが使用する別の画像ソナーです。
• 距離を表示するだけの、ダイバー用の小型懐中電灯型携帯ソナーが存在します (または存在していました)。
• INSS（統合航法ソナーシステム）の場合

上方ソナー（ULS）は、海面を上向きに向いたソナー装置である。下方ソナーと同様の目的で使用されるが、海氷の厚さ、粗さ、濃度の測定、^{[34] [35]}や、荒れた海での気泡柱からの空気混入の測定など、独自の用途がある。多くの場合、海底に係留されるか、100メートル程度の一定深度に張られたロープに浮かんでいる。潜水艦、AUV、アルゴフロートなどのフロートでも使用されることがある。^[36]

パッシブソナーは音波を送信せずに聞く。^[37]軍事現場でよく利用されるが、科学分野でも利用されており、例えば、様々な水中環境で魚の存在の有無を調査するために魚を検出するなど、さまざまな用途に使われている。パッシブ音響学やパッシブレーダーも参照のこと。最も広い意味では、この用語は遠隔で生成された音を含むほぼすべての分析技術を包含することができるが、通常は水中環境に適用される技術に限定されている。

パッシブソナーには、検出された音源を特定するためのさまざまな技術があります。たとえば、米国の船舶は通常、60ヘルツ(Hz)の交流電力システムで動作します。変圧器または発電機が船体から適切な防振対策を施さずに取り付けられていたり、浸水したりすると、巻線からの 60 Hz の音が潜水艦または船舶から発せられることがあります。ヨーロッパのすべての潜水艦とほぼすべての他の国の潜水艦は 50 Hz の電力システムを備えているため、この音は潜水艦または船舶の国籍を特定するのに役立ちます。「過渡音」と呼ばれる断続的な音源 (レンチを落とす音など) もパッシブソナーで検出できる場合があります。ごく最近まで^{[いつ? ]}、熟練した訓練を受けたオペレーターが信号を識別していましたが、現在ではコンピューターでこれを行うことができます。

パッシブソナーシステムには大規模な音響データベースがある場合もありますが、通常はソナーオペレーターが最終的に信号を手動で分類します。コンピューターシステムはこれらのデータベースを頻繁に使用して、船舶のクラス、動作（船舶の速度、発射された武器の種類、および使用する最も効果的な対抗手段など）、さらには特定の船舶を識別します。

乗り物に搭載されたパッシブソナーは、乗り物から発生する騒音のため、通常、大幅に制限されます。このため、多くの潜水艦は、ポンプなしで冷却できる原子炉、静音対流、または同様に静かに稼働できる燃料電池やバッテリーを使用しています。乗り物のプロペラも、騒音を最小限に抑えるように設計され、精密に機械加工されています。高速プロペラは水中に小さな泡を作ることが多く、このキャビテーションは独特の音を発します。

ソナー水中聴音機は、船舶自体が発する騒音の影響を減らすために、船舶または潜水艦の後ろに牽引されることがあります。牽引ユニットはサーモクラインより上または下に牽引されるため、サーモクラインと戦うこともできます。

ほとんどのパッシブソナーの表示は、2 次元のウォーターフォール表示でした。表示の水平方向は方位です。垂直方向は周波数、または時間です。別の表示手法では、周波数と時間情報を方位に応じて色分けします。最近の表示はコンピューターによって生成され、レーダータイプの平面位置表示器の表示を模倣しています。

アクティブソナーとは異なり、一方向の伝播のみが関与します。使用される信号処理が異なるため、検出可能な最小信号対雑音比は異なります。パッシブソナーの性能を決定する式は^{[38] [33]です。}

SL − PL = NL − AG + DT、

ここで、SLは音源レベル、PLは伝播損失、NLはノイズレベル、AGはアレイゲイン、DTは検出閾値である。パッシブソナーの 性能指数は

FOM = SL + AG − (NL + DT)。

ソナーの検出、分類、位置特定性能は、環境と受信機器、およびアクティブソナーの送信機器やパッシブソナーのターゲット放射ノイズによって異なります。

ソナーの動作は、特に垂直面における音速の変化の影響を受けます。淡水中の音は海水中よりも遅く伝わりますが、その差はわずかです。速度は水の体積弾性係数と質量 密度によって決まります。体積弾性係数は、温度、溶解不純物（通常は塩分）、および圧力の影響を受けます。密度の影響はわずかです。音速（フィート/秒）は、おおよそ次のようになります。

4388 + (11.25 × 温度（°F）) + (0.0182 × 深さ（フィート）) + 塩分濃度（1000分の1）。

この経験的に導かれた近似方程式は、通常の温度、塩分濃度、およびほとんどの海洋深度の範囲に対してかなり正確です。海洋温度は深さによって変わりますが、30～100 メートルの間では、サーモクラインと呼ばれる顕著な変化が見られることが多く、暖かい表層水と、海洋の残りの部分を構成する冷たい静止水とを分けています。サーモクラインの片側で発生した音は、サーモクラインによって曲げられる、つまり屈折する傾向があるため、ソナーはこれを妨害する可能性があります。サーモクラインは、浅い沿岸水域に存在する可能性があります。ただし、波の作用により、水柱が混合され、サーモクラインが消滅することがよくあります。水圧も音の伝播に影響します。水圧が高いほど音速が速くなり、音波は音速の高い領域から離れて屈折します。屈折の数学的モデルは、スネルの法則と呼ばれます。

音源が深く、条件が適切であれば、「深層音チャネル」で伝播が発生する可能性があります。これにより、チャネル内の受信機への伝播損失が極めて低くなります。これは、境界での損失がなく、チャネル内で音が閉じ込められるためです。同様の伝播は、適切な条件の下で「表面ダクト」で発生する可能性があります。ただし、この場合は表面で反射損失が発生します。

浅瀬では、伝播は一般に表面と底部での反射の繰り返しによって行われ、かなりの損失が発生する可能性があります。

音の伝播は、水自体だけでなく、表面や底での吸収によっても影響を受けます。この吸収は周波数に依存し、海水中ではいくつかの異なるメカニズムが働きます。長距離ソナーは、吸収効果を最小限に抑えるために低周波数を使用します。

海には、目的のターゲットエコーやシグネチャを妨害するノイズ源が多数存在します。主なノイズ源は波と船舶です。受信機が水中を移動すると、速度に依存する低周波ノイズが発生することもあります。

アクティブソナーを使用すると、海底や海面だけでなく、海中の小さな物体からも散乱が発生します。これが大きな干渉源となることがあります。この音響散乱は、霧の中での車のヘッドライトの光の散乱に似ています。高輝度のペンシルビームはある程度霧を透過しますが、ビームの広いヘッドライトは不要な方向に多くの光を放射し、その多くが観測者に向かって散乱し、ターゲットからの反射光を圧倒します (「ホワイトアウト」)。同様の理由から、アクティブソナーは散乱を最小限に抑えるために狭いビームで送信する必要があります。

アクティブソナーは、物体（鉱山、パイプライン、動物プランクトン、地質学的特徴、魚など）からのソナーの散乱によって物体を検出しますが、この能力は、偽のターゲット、つまり「クラッター」からの強い散乱によって隠される可能性があります。クラッターが発生する場所（砕波の下、^[40]船の航跡、海底の浸出や漏出から放出されるガス^[41]など）では、ガス泡が強力なクラッター源となり、ターゲットを簡単に隠すことができます。TWIPS（ツイン反転パルスソナー）^{[42] [43] [44]}は現在、このクラッター問題を克服できる唯一のソナーです。

これは、最近の多くの紛争が沿岸海域で発生しており、機雷の有無を検知できないことで軍艦に危険や遅延が生じていること、また、紛争が終結した後も長期間にわたりその地域を支援しようとする護送船団や商船を支援する上で重要である。^[42]

潜水艦などのアクティブソナーのターゲットの音の反射特性は、ターゲット強度として知られています。複雑なのは、クジラ、航跡、魚群、岩など、海中の他の物体からのエコーも取得されることです。

パッシブソナーは、ターゲットの放射ノイズ特性を検出します。放射スペクトルは、分類に使用できる特定の周波数でピークとなるノイズの 連続スペクトルで構成されます。

攻撃を受けている船舶は、騒音レベルを上げ、大きな偽の標的を提供し、船舶自体の特徴を不明瞭にするために、 能動的な（動力による）対抗手段を発射することがあります。

パッシブ（非動力）対策としては、以下のものがあります。

• ノイズ発生装置を絶縁装置に取り付ける。
• 潜水艦の船体に施された吸音コーティング（無響タイルなど） 。

現代の海軍戦争では、水上艦艇、航空機、固定施設からのパッシブソナーとアクティブソナーの両方が広範に使用されています。アクティブソナーは第二次世界大戦で水上艇によって使用されていましたが、潜水艦は敵軍に存在と位置を明らかにする可能性があるため、アクティブソナーの使用を避けていました。しかし、現代の信号処理の出現により、パッシブソナーを捜索および検出活動の主な手段として使用できるようになりました。1987年に日本の東芝の一部門がソ連に機械を販売したと伝えられています^[45] 。これにより、潜水艦のプロペラブレードをフライス加工して音を大幅に低減し、新しい世代の潜水艦を検出しにくくすることができました。

潜水艦が方位を決定するためにアクティブソナーを使用することは極めてまれであり、必ずしも高品質の方位情報や距離情報を潜水艦の射撃管制チームに提供するわけではありません。ただし、水上艦でのアクティブソナーの使用は非常に一般的であり、戦術的な状況により、敵潜水艦の位置を特定することが自分の位置を隠すことよりも重要であると判断された場合に潜水艦によって使用されます。水上艦の場合、ソナーを発信している周囲の船舶はどれもその発信を検出するため、脅威がすでに衛星データで船舶を追跡していると考えられます。信号を聞くと、使用されているソナー装置 (通常はその周波数で) とその位置 (音波のエネルギーで) を簡単に特定できます。アクティブソナーは、特定の距離にあるターゲットを検出できる一方で、望ましくないはるかに長い距離で発信元を検出できるという点でレーダーに似ています。

アクティブソナーは、操作者の存在と位置を明らかにし、ターゲットを正確に分類できないため、高速 (飛行機、ヘリコプター) や騒音の多いプラットフォーム (ほとんどの水上艦) で使用されますが、潜水艦ではほとんど使用されません。アクティブソナーが水上艦や潜水艦で使用される場合、検出されるリスクを最小限に抑えるために、通常は断続的に非常に短時間作動します。したがって、アクティブソナーは通常、パッシブソナーのバックアップと見なされます。航空機では、アクティブソナーは、航空機の哨戒エリア内または敵のソナー接触の可能性がある近くに投下される 使い捨てのソノブイの形で使用されます。

パッシブソナーにはいくつかの利点がありますが、最も重要なのは静音性です。ターゲットの放射ノイズ レベルが十分に高い場合、アクティブソナーよりも広い範囲をカバーでき、ターゲットを識別できます。モーター付きの物体はノイズを発するため、ノイズの放出レベル、周囲のノイズ レベル、および使用するテクノロジに応じて、原理的には検出できます。簡単に言うと、パッシブソナーは船の周囲を「見る」ものです。潜水艦では、船首に取り付けられたパッシブソナーは、船の方向を中心に約 270° の方向、船体に取り付けられたアレイは両側に約 160°、曳航されたアレイは 360° の範囲を検出します。見えない領域は、船自体の干渉によるものです。特定の方向で信号が検出されると (つまり、その方向で何かが音を立てることを意味します。これを広帯域検出と呼びます)、ズームインして受信した信号を分析できます (狭帯域分析)。これは通常、音を構成するさまざまな周波数を示すためにフーリエ変換を使用して行われます。すべてのエンジンは特定の音を出すため、オブジェクトを識別するのは簡単です。固有のエンジン音のデータベースは、音響インテリジェンスまたは ACINTと呼ばれるものの一部です。

パッシブソナーのもう 1 つの用途は、ターゲットの軌道を決定することです。このプロセスはターゲット運動解析 (TMA) と呼ばれ、結果として得られる「解」はターゲットの距離、進路、速度です。TMA は、さまざまな時間に音がどの方向から来るかを記録し、その動きをオペレーターの船の動きと比較することによって行われます。相対的な動きの変化は、標準的な幾何学的手法と、限界ケースに関するいくつかの仮定を使用して解析されます。

パッシブソナーはステルス性が高く、非常に便利です。しかし、ハイテクな電子部品が必要で、コストもかかります。通常は高価な船舶にアレイの形で配備され、探知能力を高めます。水上艦艇はこれを効果的に使用していますが、潜水艦ではさらに効果的に使用されており、飛行機やヘリコプターでも使用されています。潜水艦は熱層の下に隠れることができるため、主に「奇襲効果」を目的としています。潜水艦の指揮官が自分は一人だと判断した場合、潜水艦を水面に近づけて探知しやすくしたり、より深くより速く潜って音を大きくしたりします。

軍事用途におけるソナーの応用例を以下に示します。次のセクションに示す民間用途の多くは、海軍用途にも適用できる可能性があります。

最近まで、船舶用ソナーは船体中央または船首に船体搭載型アレイで作られるのが一般的でした。最初の使用後すぐに、流れのノイズを減らす手段が必要であることがわかりました。最初はキャンバス地のフレームで作られ、その後スチール製のものになりました。現在、ドームは通常、強化プラスチックまたは加圧ゴムで作られています。このようなソナーは主に作動時にアクティブになります。従来の船体搭載型ソナーの例として、SQS-56 があります。

船舶の騒音の問題から、曳航式ソナーも使用されています。曳航式ソナーは、水中に深く設置できるという利点がありますが、浅瀬での使用には制限があります。これらは、曳航式アレイ (リニア) または 2/3D アレイを備えた可変深度ソナー (VDS) と呼ばれます。問題は、それらを展開/回収するために必要なウインチが大きくて高価なことです。VDS セットは主にアクティブに動作しますが、曳航式アレイはパッシブです。

最新のアクティブ・パッシブ型船舶曳航式ソナーの一例として、Thales Underwater Systems社製のSonar 2087が挙げられます。

現代の魚雷には、一般的にアクティブ/パッシブ ソナーが装備されています。これは、ターゲットに直接ホーミングするために使用される場合もありますが、航跡ホーミング魚雷も使用されます。音響ホーマーの初期の例としては、マーク 37 魚雷があります。

魚雷対策には、曳航式と自由式があります。初期の例としてはドイツのジークリンデ装置があり、ボールドは化学装置でした。広く使用されていた米国の装置は曳航式のAN/SLQ-25 ニキシーで、移動式潜水艦シミュレーター(MOSS) は自由装置でした。ニキシー システムの現代的な代替品は、英国海軍の S2170 水上艦魚雷防御システムです。

地雷には、必要な目標を検知、位置を特定、認識するためのソナーが装備されている場合があります。一例として、CAPTOR地雷があります。

機雷対策 (MCM) ソナーは、「機雷および障害物回避ソナー (MOAS)」とも呼ばれ、小さな物体の検出に使用される特殊なタイプのソナーです。ほとんどの MCM ソナーは船体に取り付けられていますが、いくつかのタイプは VDS 設計です。船体に取り付けられた MCM ソナーの例としてはタイプ 2193 があり、SQQ-32 機雷探知ソナーとタイプ 2093 システムは VDS 設計です。

潜水艦は水中ではレーダーを使用できないため、水上艦よりもソナーに大きく依存しています。ソナーアレイは船体に取り付けられている場合もあれば、曳航されている場合もあります。典型的な装備に関する情報は、おやしお型潜水艦とスウィフトシュア型潜水艦に記載されています。

ヘリコプターは、アクティブ・パッシブソノブイフィールドを展開して対潜水艦戦に使用したり、AQS-13などのディッピングソナーを操作したりすることができます。固定翼航空機もソノブイを展開することができ、より長い耐久性と展開能力を備えています。ソノブイまたはディッピングソナーからの処理は、航空機または船舶上で行うことができます。ディッピングソナーには、日常の状況に適した深さまで展開できるという利点があります。ヘリコプターは、 AQS-20Aなどの曳航式ソナーを使用して機雷対策任務にも使用されています。

専用のソナーを船舶や潜水艦に取り付けて水中通信を行うことができます。

1950年、米国はアメリカ電話電信会社（AT&T）と共同で、音響監視システム（SOSUS）という分類名で受動型固定海洋監視システムを開始し、同社のベル研究所の研究部門とウェスタン・エレクトリックの製造部門が開発と設置の契約を交わした。このシステムは、深海音響チャンネルとしても知られるSOFARチャンネルを活用した。深海音響チャンネルでは、音速が最低となることで導波管が形成され、低周波の音が何千マイルも伝わる。分析はAT&Tの音響分光器に基づいており、これは音を視覚的な分光図に変換し、音の時間周波数分析を表す。この分光図は音声分析用に開発され、低周波水中音の分析用に改良された。このプロセスは「低周波分析および記録」と呼ばれ、機器は「低周波分析および記録装置」と呼ばれ、どちらも頭字語はLOFARだった。LOFARの研究は「イゼベル」と呼ばれ、空中および地上システム、特にこのプロセスを使用するソノブイで使用され、その名前に「イゼベル」が使われることもあった。^{[46] [47] [48] [49]}提案されたシステムは長距離潜水艦探知に非常に有望であったため、海軍は直ちに実施を命じた。^{[47] [50]}

1951年から1958年にかけてテストアレイが設置され、その後40素子の実物大のプロトタイプ運用アレイが設置されるまで、大西洋に続いて太平洋に非機密名プロジェクトシーザーというシステムが設置された。オリジナルのシステムは、機密任務を遂行するために「海洋研究」に従事していると説明された海軍施設（NAVFAC）と名付けられた機密沿岸局で終了した。システムは、より高度なケーブルを使用して何度もアップグレードされ、アレイを海盆に設置し、処理をアップグレードできるようになった。沿岸局は、1990年代にアレイを統合し、中央処理センターに再ルーティングするプロセスで廃止された。1985年、新しいモバイルアレイと他のシステムが運用可能になり、システム全体の名前が統合海中監視システム（IUSS）に変更された。1991年、システムの任務は機密解除された。その前年、IUSSの記章の着用が許可された。科学研究​​のために一部のシステムへのアクセスが許可された。^{[46] [47]}

同様のシステムがソビエト連邦でも運用されていたと考えられています。

ソナーは、潜水士や他のスキューバダイバーを検出するために使用できます。これは、船の周囲や港の入り口で使用できます。アクティブソナーは、抑止力や無効化メカニズムとしても使用できます。そのようなデバイスの 1 つがCerberusシステムです。

リムペット機雷画像ソナー (LIMIS) は、視程の悪い水域でリムペット機雷を探す巡回ダイバー (戦闘潜水員または掃海ダイバー) 向けに設計された、手持ち式またはROV搭載型の画像ソナーです。

LUIS は、ダイバーが使用するもう 1 つの画像ソナーです。

統合航法ソナーシステム（INSS）は、距離を表示するダイバー用の小型懐中電灯型の手持ち式ソナーです。^{[51] [52]}

これは敵のアクティブソナーからの送信を検出し、位置を特定するために設計されたソナーです。この例としては、イギリスのヴァンガード級潜水艦に搭載されているタイプ 2082 があります。

漁業は需要が高まっている重要な産業ですが、深刻な資源問題により世界の漁獲量は減少しています。持続可能な状態に到達するまで、この産業は今後も世界規模で統合が進むと予想されます。しかし、漁船団の統合により、センサー、音響探知機、ソナーなどの高度な魚探知電子機器の需要が高まっています。歴史的に、漁師は魚を探して捕獲するためにさまざまな技術を使用してきました。しかし、音響技術は現代の商業漁業の発展の最も重要な原動力の 1 つとなっています。

魚の浮袋は空気で満たされており、密度が海水と異なるため、音波は魚の中を伝わるときと水中を伝わるときで伝わり方が異なります。この密度の違いにより、反射音を使用して魚群を検知できます。音響技術は、水中では空気中よりも音の伝わり方が速く、距離も長いため、特に水中での使用に適しています。今日、商業漁船は魚の検知に音響ソナーと音響測深機にほぼ全面的に依存しています。漁師は、アクティブソナーと音響測深機技術を使用して、水深、水底の輪郭、水底の構成も調べます。

eSonar、 Raymarine、Marport Canada、Wesmar、Furuno、Krupp、Simradなどの企業は、深海商業漁業向けにさまざまなソナーおよび音響機器を製造しています。たとえば、ネット センサーはさまざまな水中測定を行い、その情報を船上の受信機に送信します。各センサーには、その特定の機能に応じて 1 つ以上の音響トランスデューサーが装備されています。データはワイヤレス音響テレメトリを使用してセンサーから送信され、船体に取り付けられたハイドロフォンで受信されます。アナログ信号はデジタル音響受信機によってデコードされ、データに変換されてブリッジ コンピューターに送信され、高解像度モニターにグラフィック表示されます。

エコー測深は、船舶の水深を測定するために使用されるプロセスです。アクティブソナーの一種であるエコー測深は、音響パルスを海底に直接送信し、海底に当たって元の船舶に跳ね返った後、送信からエコーの戻りまでの時間を測定します。音響パルスは、戻りエコーも受信するトランスデューサーによって送信されます。水深の測定値は、水中での音速（平均1,500メートル/秒）と送信からエコーの戻りまでの時間を掛けて計算されます。^[53]

漁業における水中音響の価値により、エコーサウンダと同様の方法で動作する他の音響機器が開発されましたが、その機能はエコーサウンダの初期モデルとは若干異なるため、異なる用語が付けられています。

ネットサウンダは、船底ではなくネットの見出しにトランスデューサを搭載したエコーサウンダです。とはいえ、通常のエコーサウンダよりもトランスデューサからディスプレイユニットまでの距離がはるかに長いため、それに対応するためにいくつかの改良が必要です。主に 2 つのタイプがあります。1 つ目は、信号がケーブルに沿って送信されるケーブル タイプです。この場合、操作のさまざまな段階でケーブルを牽引、発射、および格納するためのケーブル ドラムを用意する必要があります。2 つ目は、ケーブルのないネットサウンダです。Marport の Trawl Explorer などです。この場合、信号はネットと船体に取り付けられた受信機兼水中聴音器の間で音響的に送信されます。この場合、ケーブル ドラムは必要ありませんが、トランスデューサと受信機には高度な電子機器が必要です。

網測深機のディスプレイには、エコー測深機の船体搭載型トランスデューサーのように水深を表示するのではなく、網の底（または表面）からの距離が表示されます。網の見出しに固定されているフットロープは通常見ることができ、網の性能の目安となります。網に入る魚も見えるため、微調整を行ってできるだけ多くの魚を捕獲することができます。網の中の魚の量が重要な他の漁業では、網のコッドエンドのさまざまな位置に漁獲センサートランスデューサーが取り付けられています。コッドエンドがいっぱいになると、これらの漁獲センサートランスデューサーが 1 つずつ作動し、この情報が船のブリッジにあるディスプレイモニターに音響で送信されます。その後、船長は網を引き上げるタイミングを決定できます。

複数要素トランスデューサーを使用する最新バージョンのネットサウンダーは、エコーサウンダーよりもソナーのように機能し、初期のネットサウンダーが使用した垂直ビューだけでなく、ネットの前の領域のスライスを表示します。

ソナーは、船舶の周囲の魚やその他の物体を表示できる指向性機能を備えた音響測深機です。

遠隔操作車両 (ROV) や無人潜水艇 (UUV) には、濁った状況でも操作できるように小型ソナーが取り付けられています。これらのソナーは、車両の前方を確認するために使用されます。長期機雷偵察システムは、MCM 用の UUV です。

航空機にはビーコンとして機能するソナーが取り付けられており、海上での墜落の際に位置を特定できます。位置の特定には、LBLなどの短基線ソナーと長基線ソナーが使用される場合があります。

2013年に米国の発明家が、超音波センサーと触覚フィードバックシステムを備えた「スパイダーセンス」ボディスーツを発表しました。このボディスーツは着用者に迫り来る脅威を警告し、目隠しをされていても攻撃者に反応することができます。^[54]

アクティブソナー技術を使用して、魚やその他の海洋生物や水生生物を検出し、それらの個々のサイズや総バイオマスを推定します。音波パルスは、周囲の媒体と密度が異なる物体から反射します。これには魚、より具体的には魚の空気で満たされた浮き袋が含まれます。 ^[55]これらのエコーは、魚のサイズ、位置、個体数、行動に関する情報を提供します。これは、魚の浮き袋（ニシン、タラ、ポロックなど）に特に効果的ですが、浮き袋のない魚（サメ、サバ、ヒラメなど）にはあまり役立ちません。^[56]水柱のデータは通常、海底または物体検出データとは異なる方法で処理されます。このデータタイプは、専用のソフトウェアで処理できます。^[55]

底またはプラットフォーム上に設置された上向きのエコーサウンダーを使用して、波の高さと周期を測定できます。これにより、特定の場所の表面状態の統計を導き出すことができます。

水の速度を測定できるように特別な短距離ソナーが開発されました。

海底を泥、砂、砂利などに特徴づけるために使用できるソナーが開発されています。エコーサウンダーなどの比較的単純なソナーは、アドオンモジュールを介して海底分類システムに昇格し、エコーパラメータを堆積物の種類に変換できます。さまざまなアルゴリズムが存在しますが、それらはすべて、反射されたサウンダーの音のエネルギーまたは形状の変化に基づいています。高度な基質分類分析は、較正された（科学的）エコーサウンダーと音響データのパラメトリックまたはファジーロジック分析を使用して実行できます。

サイドスキャンソナーは、海底のすぐ上でソナーを動かすことで海底地形図 (測深図) を作成するのに使用できます。GLORIAなどの低周波ソナーは大陸棚全体の調査に使用され、高周波ソナーはより狭い範囲の詳細な調査に使用されます。

大型水上船の船体に取り付けられたマルチビーム音響測深機は、ほぼリアルタイムで広範囲の水深データを生成します。 1 つの例である General Instrument の「Seabeam」システムは、キールに沿ってプロジェクター アレイを使用し、ファン ビームで海底を音響化します。 船の横方向に取り付けられたハイドロフォン アレイからの信号が処理され、プロジェクター ビームと直角に交差する複数の仮想ファン ビームが合成されます。

ソナーデータを使用して 2 次元および 3 次元画像を作成します。

強力な低周波エコーサウンダーは、海底の上層のプロファイルを提供するために開発されました。最新の機器の1つは、InnomarのSES-2000クアトロマルチトランスデューサーパラメトリックSBPで、例えばパック湾の水中考古学的目的で使用されています^[57]

ガス泡は海底やその近くから複数の発生源から漏れ出す可能性があります。これらはパッシブ^{ソナー[58]}とアクティブソナー^[41]の両方で検出できます（模式図^[58]ではそれぞれ黄色と赤色のシステムで示されています）。

メタンと二酸化炭素の自然な漏出が起こる。^[41]ガスパイプラインは漏れる可能性があり、炭素回収貯留施設（CCSF、例えば、抽出された大気中の炭素を貯留する枯渇した油井）からの漏れが起こっているかどうかを検出できることが重要である。^{[59] [60] [61] [62]}ガス漏れの量を定量化することは困難であり、アクティブソナーとパッシブソナーを使用して推定することはできるが、ソナーデータからそのような推定を行うことには固有の仮定があるため、その正確性を疑問視することが重要である。^{[58] [63]}

さまざまな合成開口ソナーが研究室で製造されており、そのいくつかは機雷探知および捜索システムに使用されています。その動作については、合成開口ソナーで説明されています。

パラメトリック光源は、水の非線形性を利用して、2つの高周波の差周波数を生成する。仮想エンドファイアアレイが形成される。このようなプロジェクターは、帯域幅が広く、ビーム幅が狭いという利点があり、完全に開発され、注意深く測定されると、明らかなサイドローブは発生しない。パラメトリックアレイを参照。主な欠点は、効率がわずか数パーセントと非常に低いことである。^[64] PJ Westerveltは、関連する傾向をまとめている。^[65]

アクティブソナーとパッシブソナーの両方の使用が、さまざまな地球外環境で提案されています。^[66]一例としては、タイタンでは、アクティブソナーを使用して炭化水素の海の深さを決定することができ、^[67]パッシブソナーを使用してメタンの降下を検出することができます。^[68]

地球環境と地球外環境の違いを適切に考慮しない提案は、誤った測定につながる可能性がある。^{[69] [70] [71] [72] [73] [74]}

研究によると、アクティブソナーの使用は海洋哺乳類の大量座礁につながる可能性がある。^{[75]座礁で最も被害が} 大きかったアカボウクジラは、中周波アクティブソナーに非常に敏感であることがわかっている。^[76]シロナガスクジラなどの他の海洋哺乳類もソナーの発生源から逃げる。^[77]一方、海軍の活動がイルカの大量座礁の最も可能性の高い原因であると示唆されている。^[78]一部の研究に一部資金提供した米海軍は、調査結果はソナーに対する行動反応を示しただけで、実際の危害は示していないが、「新しい研究結果に照らして、海洋哺乳類保護対策の有効性を評価する」と述べた。^[75]米海軍によるソナーの使用に関する2008年の米国最高裁判所の判決では、ソナーが海洋哺乳類に危害を加えたり殺したりしたことが決定的に示された事例はなかったと指摘されている。^[79]

クジラやイルカなどの海洋動物の中には、捕食者や獲物の位置を特定するためにバイオソナーと呼ばれるエコーロケーションシステムを使用するものもいる。南カリフォルニア湾のシロナガスクジラに対するソナーの影響に関する研究では、中周波ソナーの使用がクジラの摂食行動を妨害することがわかっている。これは、ソナーによる摂食の妨害や質の高い獲物の群れからの追放が、ヒゲクジラの採餌生態、個体の適応度、個体群の健康にこれまで記録されていない重大な影響を及ぼす可能性があることを示している。^[80]

ソナーが使用された海軍演習に関連したアカボウクジラの大量座礁に関する証拠のレビューが2019年に発表された。中周波アクティブソナーの影響はアカボウクジラに最も強く現れるが、個体や集団によって異なるという結論に達した。レビューでは、個々の動物の反応の強さは、以前にソナーにさらされたかどうかによって異なる可能性があり、座礁したクジラにはソナーへの反応の結果である可能性のある減圧症の症状が見つかっていることが示唆された。レビューでは、以前に複数の座礁が報告されていたカナリア諸島では、ソナーが使用された海軍演習が禁止されてから、それ以上の大量座礁は発生していないと指摘し、大量座礁が引き続き発生している他の地域にも禁止を拡大することを推奨した。^{[81] [82]}

低周波ソナーは、一部の魚の聴覚閾値に一時的な小さな変化を引き起こす可能性がある。^{[83] [84] [a]}

ソナーの周波数は、超低周波からメガヘルツ以上までの範囲です。一般的に、周波数が低いほど範囲が広くなり、周波数が高いほど解像度が高くなり、特定の方向性に対してサイズが小さくなります。

1kHz以下の周波数では、適切な指向性を実現するために、通常は曳航アレイとして実現される大きなサイズが必要になります。^[85]

低周波ソナーは1～5kHzと大まかに定義されていますが、海軍によっては5～7kHzも低周波とみなすところもあります。中周波は5～15kHzと定義されています。別の区分法では、低周波は1kHz未満、中周波は1～10kHzとされています。^[85]

第二次世界大戦時代のアメリカのソナーは、比較的小型のトランスデューサーで指向性を確保するために、20～30 kHz という比較的高い周波数で動作し、典型的な最大動作距離は 2,500 ヤードでした。戦後のソナーはより長い範囲を実現するためにより低い周波数を使用しました。たとえば、SQS-4 は 10 kHz で動作し、最大範囲は 5,000 ヤードでした。SQS-26 と SQS-53 は 3 kHz で動作し、最大範囲は 20,000 ヤードでした。そのドームはおよそ 60 フィートの人員ボートと同じサイズで、従来の船体ソナーの上限サイズでした。船体全体に広がるコンフォーマル ソナー アレイでより大きなサイズを実現することは、これまでのところ効果的ではなく、そのため、低周波数では線形アレイまたは曳航アレイが使用されています。^[85]

第二次世界大戦中の日本のソナーは、さまざまな周波数で作動した。91型は30インチの石英プロジェクターを備え、9kHzで作動した。93型はより小型の石英プロジェクターを備え、17.5kHz（モデル5は16kHzまたは19kHzの磁歪式）で作動し、出力は1.7～2.5kW、範囲は最大6kmだった。ドイツ設計の磁歪式トランスデューサーを備えた後のタイプ3は、13、14.5、16、または20kHz（モデルによって）で作動し、ツイントランスデューサー（3つのシングルトランスデューサーを備えたモデル1を除く）を使用し、0.2～2.5kWで作動した。シンプルなタイプは、発振器ではなく容量放電で駆動する0.25kWの14.5kHzの磁歪式トランスデューサーを使用し、範囲は最大2.5kmだった。^[23]

ソナーの解像度は角度によるため、遠くにある物体は近くの物体よりも低い解像度で画像化されます。

別の情報源では、サイドスキャンソナーの周波数に対する範囲と解像度がリストされています。30 kHz では 1000～6000 m の範囲で低解像度、100 kHz では 500～1000 m で中解像度、300 kHz では 150～500 m で高解像度、600 kHz では 75～150 m で高解像度となります。より長距離のソナーは、水の不均質性によってより悪影響を受けます。一部の環境、典型的には海岸近くの浅瀬では、地形が複雑で多くの特徴があり、そこではより高い周波数が必要になります。^[86]

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