SONAR equipamento é usado na maioria dos navios para medir a profundidade da água. Isto é feito enviando um pulso acústico e medindo o tempo para o eco, ou retorno do fundo. Ao conhecer a velocidade do som na água, a profundidade é calculada multiplicando a velocidade por metade do tempo percorrido (para uma viagem de ida). SONAR também é usado para detectar grandes objectos subaquáticos e para procurar grandes concentrações de peixes. Sistemas SONAR mais sofisticados para detecção e rastreamento são encontrados a bordo de embarcações navais e submarinos. Na natureza, os morcegos são bem conhecidos por fazerem uso da ecolocalização, assim como os botos e algumas espécies de baleias. SONAR não deve ser confundido com ultra-som, que é simplesmente som em frequências superiores ao limiar da audição humana – superior a 15.000-20.000 ciclos por segundo, ou hertz (Hz). O ultra-som é utilizado em escala muito pequena, em alta potência, para decompor o material e para fins de limpeza. O ultra-som de menor potência é utilizado terapeuticamente, para o tratamento de lesões musculares e teciduais.
SONAR é muito direccional, pelo que os sinais são enviados em feixes estreitos em várias direcções para procurar a água. O SONAR opera normalmente em frequências na faixa de 10.000-50.000 Hz. Embora frequências mais altas forneçam dados de localização mais precisos, as perdas de propagação também aumentam com a frequência. Portanto, frequências mais baixas são usadas para detecção de longo alcance (até 10 mi) ao custo da precisão de localização.
Ondas acústicas são detectadas usando hidrofones que são essencialmente microfones submarinos. Os hidrofones são frequentemente implantados em grandes grupos, chamados arrays, formando uma rede SONAR. As matrizes SONAR também fornecem informações direcionais valiosas sobre fontes em movimento. A eletrônica e o processamento de sinais desempenham um grande papel no desempenho dos hidrofones e do sistema SONAR em geral.
A propagação do som na água é bastante complexa e depende muito da temperatura, pressão e profundidade da água. A salinidade, a quantidade de sal na água, também altera a velocidade de propagação do som. Em geral, a temperatura do oceano é a mais quente na superfície e diminui com a profundidade. A pressão da água, no entanto, aumenta com a profundidade, devido à massa de água. A temperatura e a pressão, portanto, alteram o que se chama índice de refração da água. Assim como a luz é refratada, ou dobrada por um prisma, as ondas acústicas são continuamente refratadas para cima ou para baixo e refletidas para fora da superfície ou do fundo. Um feixe SONAR que se propaga ao longo da água desta forma assemelha-se a um carro que viaja ao longo de colinas e vales regularmente espaçados. Como é possível que um objeto esteja escondido entre essas colinas, as condições da água devem ser conhecidas para avaliar corretamente o desempenho SONAR.
Em operações de localização e rastreamento, existem dois tipos de modos SONAR, ativo e passivo. A ecolocalização é uma técnica ativa na qual um pulso é enviado e depois detectado depois que ele ressalta de um objeto. O SONAR passivo é um SONAR mais sensível, somente de escuta, que não envia pulsos. A maioria dos objectos em movimento debaixo de água fazem algum tipo de ruído. Isto significa que eles podem ser detectados apenas por ouvir o ruído. Exemplos de ruído subaquático são a vida marinha, cavitação (pequenas bolsas de ar em colapso causadas por hélices), estalos do casco de submarinos mudando de profundidade, e vibração do motor. Alguns SONARs militares passivos são tão sensíveis que podem detectar pessoas falando dentro de outro submarino. Outra vantagem do SONAR passivo é que ele também pode ser usado para detectar uma assinatura acústica. Cada tipo de submarino emite certas frequências acústicas e o padrão acústico composto de cada navio é diferente, tal como uma impressão digital ou assinatura. O SONAR passivo é predominantemente uma ferramenta militar utilizada para a caça submarina. Um elemento importante da caça é não divulgar a sua própria posição. Entretanto, se o SONAR passivo não ouvir nada, um é obrigado a se voltar para o modo ativo, mas ao fazê-lo, corre o risco de alertar o outro de sua presença. O uso do SONAR neste caso tornou-se um exercício tático sofisticado.
Outras aplicações, não militares, do SONAR, além de encontrar peixes, incluem a busca de naufrágios, sondagem de portos onde a visibilidade é ruim, estudos oceanográficos, busca de falhas geológicas submarinas e mapeamento do fundo do oceano.