L’attrezzatura SONAR è usata sulla maggior parte delle navi per misurare la profondità dell’acqua. Questo si ottiene inviando un impulso acustico e misurando il tempo dell’eco, o ritorno dal fondo. Conoscendo la velocità del suono nell’acqua, la profondità viene calcolata moltiplicando la velocità per la metà del tempo percorso (per un viaggio di sola andata). SONAR è anche usato per rilevare grandi oggetti sottomarini e per cercare grandi concentrazioni di pesci. Sistemi SONAR più sofisticati per il rilevamento e l’inseguimento si trovano a bordo di navi e sottomarini. In natura, i pipistrelli sono ben noti per fare uso dell’ecolocalizzazione, così come le focene e alcune specie di balene. SONAR non deve essere confuso con gli ultrasuoni, che sono semplicemente suoni a frequenze superiori alla soglia dell’udito umano – maggiori di 15.000-20.000 cicli al secondo, o hertz (Hz). Gli ultrasuoni sono usati su scala molto piccola, ad alta potenza, per rompere il materiale e per scopi di pulizia. Gli ultrasuoni a bassa potenza sono usati terapeuticamente, per il trattamento di lesioni muscolari e dei tessuti.
SONAR è molto direzionale, quindi i segnali sono inviati in fasci stretti in varie direzioni per cercare l’acqua. SONAR di solito opera a frequenze nell’intervallo 10.000-50.000 Hz. Anche se le frequenze più alte forniscono dati di localizzazione più accurati, le perdite di propagazione aumentano anche con la frequenza. Frequenze più basse sono quindi utilizzate per il rilevamento a lungo raggio (fino a 10 mi) al costo della precisione della posizione.
Le onde acustiche vengono rilevate utilizzando idrofoni che sono essenzialmente microfoni subacquei. Gli idrofoni sono spesso distribuiti in grandi gruppi, chiamati array, formando una rete SONAR. Gli array SONAR danno anche preziose informazioni direzionali su fonti in movimento. L’elettronica e l’elaborazione del segnale giocano un ruolo importante nelle prestazioni degli idrofoni e del sistema SONAR in generale.
La propagazione del suono in acqua è abbastanza complessa e dipende molto dalla temperatura, dalla pressione e dalla profondità dell’acqua. La salinità, la quantità di sale nell’acqua, cambia anche la velocità di propagazione del suono. In generale, la temperatura dell’oceano è più calda in superficie e diminuisce con la profondità. La pressione dell’acqua, invece, aumenta con la profondità, a causa della massa d’acqua. Temperatura e pressione, quindi, cambiano quello che viene chiamato l’indice di rifrazione dell’acqua. Proprio come la luce viene rifratta, o piegata da un prisma, le onde acustiche vengono continuamente rifratte in alto o in basso e riflesse dalla superficie o dal fondo. Un fascio SONAR che si propaga lungo l’acqua in questo modo assomiglia a un’automobile che viaggia lungo colline e valli regolarmente distanziate. Poiché è possibile che un oggetto sia nascosto tra queste colline, le condizioni dell’acqua devono essere conosciute per valutare correttamente le prestazioni SONAR.
Nelle operazioni di localizzazione e inseguimento, esistono due tipi di modalità SONAR, attive e passive. L’ecolocalizzazione è una tecnica attiva in cui un impulso viene inviato e poi rilevato dopo che rimbalza su un oggetto. Il SONAR passivo è un SONAR più sensibile, di solo ascolto, che non invia impulsi. La maggior parte degli oggetti in movimento sott’acqua producono qualche tipo di rumore. Questo significa che possono essere rilevati semplicemente ascoltando il rumore. Esempi di rumore subacqueo sono la vita marina, la cavitazione (piccole sacche d’aria che collassano causate dalle eliche), lo schiocco dello scafo dei sottomarini che cambiano profondità e le vibrazioni del motore. Alcuni SONAR passivi militari sono così sensibili che possono rilevare le persone che parlano all’interno di un altro sottomarino. Un altro vantaggio del SONAR passivo è che può anche essere usato per rilevare una firma acustica. Ogni tipo di sottomarino emette determinate frequenze acustiche e il modello acustico composito di ogni nave è diverso, proprio come un’impronta digitale o una firma. Il SONAR passivo è principalmente uno strumento militare usato per la caccia ai sottomarini. Un elemento importante della caccia è non divulgare la propria posizione. Tuttavia, se il SONAR passivo non sente nulla, si è obbligati a passare alla modalità attiva ma, così facendo, si rischia di avvisare l’altro della sua presenza. L’uso del SONAR in questo caso è diventato un esercizio tattico sofisticato.
Altre applicazioni non militari del SONAR, a parte la ricerca di pesci, includono la ricerca di relitti di navi, il sondaggio di porti dove la visibilità è scarsa, studi di oceanografia, la ricerca di faglie geologiche subacquee e la mappatura del fondo dell’oceano.