L’équipement SONAR est utilisé sur la plupart des navires pour mesurer la profondeur de l’eau. Cela se fait en envoyant une impulsion acoustique et en mesurant le temps de l’écho, ou retour du fond. En connaissant la vitesse du son dans l’eau, la profondeur est calculée en multipliant la vitesse par la moitié du temps parcouru (pour un aller simple). Le SONAR est également utilisé pour détecter de grands objets sous-marins et pour rechercher de grandes concentrations de poissons. Des systèmes SONAR plus sophistiqués de détection et de suivi se trouvent à bord de navires et de sous-marins. Dans la nature, les chauves-souris sont bien connues pour utiliser l’écholocation, tout comme les marsouins et certaines espèces de baleines. Le SONAR ne doit pas être confondu avec les ultrasons, qui sont simplement des sons à des fréquences supérieures au seuil de l’audition humaine – plus de 15 000 à 20 000 cycles par seconde, ou hertz (Hz). Les ultrasons sont utilisés à très petite échelle, à haute puissance, pour briser des matériaux et à des fins de nettoyage. Les ultrasons de plus faible puissance sont utilisés à des fins thérapeutiques, pour le traitement des blessures musculaires et tissulaires.
Le SONAR est très directionnel, les signaux sont donc envoyés en faisceaux étroits dans diverses directions pour fouiller l’eau. Le SONAR fonctionne généralement à des fréquences comprises entre 10 000 et 50 000 Hz. Bien que les fréquences plus élevées fournissent des données de localisation plus précises, les pertes de propagation augmentent également avec la fréquence. Les fréquences plus basses sont donc utilisées pour la détection à plus longue distance (jusqu’à 10 mi ) au prix de la précision de localisation.
Les ondes acoustiques sont détectées à l’aide d’hydrophones qui sont essentiellement des microphones sous-marins. Les hydrophones sont souvent déployés en grands groupes, appelés réseaux, formant un filet SONAR. Les réseaux SONAR donnent également de précieuses informations directionnelles sur les sources en mouvement. L’électronique et le traitement des signaux jouent un rôle important dans les performances des hydrophones et des systèmes SONAR en général.
La propagation du son dans l’eau est assez complexe et dépend beaucoup de la température, de la pression et de la profondeur de l’eau. La salinité, la quantité de sel dans l’eau, modifie également la vitesse de propagation du son. En général, la température de l’océan est plus élevée à la surface et diminue avec la profondeur. La pression de l’eau, en revanche, augmente avec la profondeur, en raison de la masse d’eau. La température et la pression modifient donc ce que l’on appelle l’indice de réfraction de l’eau. Tout comme la lumière est réfractée, ou pliée par un prisme, les ondes acoustiques sont continuellement réfractées vers le haut ou vers le bas et réfléchies par la surface ou le fond. Un faisceau SONAR qui se propage dans l’eau de cette manière ressemble à une voiture qui se déplace le long de collines et de vallées régulièrement espacées. Comme il est possible qu’un objet soit caché entre ces collines, les conditions de l’eau doivent être connues afin d’évaluer correctement les performances du SONAR.
Dans les opérations de localisation et de suivi, deux types de modes SONAR existent, actif et passif. L’écholocation est une technique active dans laquelle une impulsion est envoyée puis détectée après avoir rebondi sur un objet. Le SONAR passif est un SONAR plus sensible, qui ne fait qu’écouter et n’envoie aucune impulsion. La plupart des objets en mouvement sous l’eau émettent un certain type de bruit. Cela signifie qu’ils peuvent être détectés simplement en écoutant le bruit. Les exemples de bruits sous-marins sont la vie marine, la cavitation (petites poches d’air qui s’effondrent causées par les hélices), le claquement de la coque des sous-marins qui changent de profondeur et les vibrations des moteurs. Certains SONAR passifs militaires sont si sensibles qu’ils peuvent détecter des personnes parlant dans un autre sous-marin. Un autre avantage du SONAR passif est qu’il peut également être utilisé pour détecter une signature acoustique. Chaque type de sous-marin émet certaines fréquences acoustiques et le modèle acoustique composite de chaque navire est différent, tout comme une empreinte digitale ou une signature. Le SONAR passif est principalement un outil militaire utilisé pour la chasse aux sous-marins. Un élément important de la chasse est de ne pas divulguer sa propre position. Cependant, si le SONAR passif n’entend rien, on est obligé de passer en mode actif mais, ce faisant, on risque d’alerter l’autre de sa présence. L’utilisation du SONAR dans ce cas est devenue un exercice tactique sophistiqué.
Les autres applications, non militaires, du SONAR, en dehors de la recherche de poissons, comprennent la recherche d’épaves, le sondage des ports où la visibilité est faible, les études océanographiques, la recherche de failles géologiques sous-marines et la cartographie des fonds marins.