Como funciona o sonar ativo?

O Sonar é instrumento fundamental da guerra antissubmarino. Ele é um dispositivo criado para detectar e localizar objetos submersos na água por meio das ondas sonoras que os alvos refletem ou produzem.

O sonar ativo funciona basicamente como o radar, só que usa pulsos sonoros no lugar das ondas de rádio. As ondas de rádio não se propagam sob a água, além de poucos metros.

O pulso do sonar (para ouvir o “ping” do sonar ativo, clique aqui ), é emitido e ao encontrar um obstáculo, retorna ao emissor. Medindo-se o tempo que o “ping” levou para ir e voltar, tem-se como calcular a distância do objeto ecoado com “relativa” precisão.

A precisão é “relativa” porque os pulsos do sonar sofrem diversos tipos de atenuação causados pela temperatura, salinidade e pressão da água, que mudam de acordo com as estações do ano, posições geográficas e condições atmosféricas.

O som é uma ondulação mecânica cuja propagação é possível por causa da conexão elástica entre as moléculas.

Hardware do Sonar Kingklip de média frequência da Thales, que opera no modo ativo e passivo para navios de superfície, fragatas ou corvetas – Foto: Thales
Telas de sonar a bordo de um destróier da Royal Navy: além do hardware, é preciso dominar o software do sonar

As moléculas nos líquidos estão mais próximas umas das outra do que no ar, porisso a velocidade do som na água é 4,4 vezes maior que no ar. A velocidade exata do som na água é de 1.438m/s, quando a temperatura da água é de 8 graus Celsius.

A velocidade e a direção das ondas sonoras dependem da temperatura, salinidade e profundidade da água.

Por exemplo, o aumento da temperatura da água faz com que a velocidade do som seja maior. Quando o som se propaga através de camadas de água de diferentes temperaturas, ocorre o fenômeno da refração, que é o desvio da onda sonora. A refração pode ser negativa (verão) ou positiva (inverno).

refneg

Refração negativa (gráfico acima): durante o verão, a temperatura da água diminui com o aumento da profundidade. A onda sonora se desvia para o fundo do mar. Se submarino está em menor profundidade, perto da superfície, o sonar do navio pode não detectar o submarino.

refpo2

refpo

Refração positiva (gráficos acima): durante o inverno, a temperatura da água aumenta com a profundidade. As ondas sonoras se curvam para a superfície do mar. Se o submarino está junto à superfície do mar, o sonar do navio pode detectá-lo. A refração positiva torna o alcance do sonar maior.

thermallayer

As termoclinas (gráfico acima): quando se usa um batitermógrafo, é possível detectar camadas de água onde a temperatura é maior do que a camada mais quente da superfície e que tem logo abaixo dela, uma camada de água mais fria. Quando encontra uma camada de temperatura menor, a onda sonora se curva rapidamente para o fundo. A onda sonora vai para o fundo do mar e torna-se inútil. Se um submarino está submerso na termoclina ou abaixo dela, ele não será capturado pela onda sonora e assim permanecerá indetectado.

Existem normalmente duas camadas de termoclinas no verão. Uma camada fica a cerca de 15 a 20 metros de profundidade, e uma outra em torno de 150 metros de profundidade. A de profundidade de 15 a 20 metros é importante, porque durante o verão, à tarde, se as condições climáticas são boas, um submarino não pode ser detectado por um sonar de casco de navio.

Ao mesmo tempo, essa profundidade é boa para observação e lançamento de torpedos. Se um navio de superfície pretende detectar um submarino, ele terá de ser equipado com sonar rebocado de profundidade variável (VDS). Nesse caso, o sonar deve ser mergulhado abaixo da termoclina.

sonar1

Como foi, um fenômeno muito conhecido que prejudica os sonares ativos são as camadas termais ou termoclinas, camadas de água que sofrem uma mudança brusca de temperatura, que desviam as ondas dos sonares, para cima e para baixo, criando zonas de “sombra”, onde os submarinos podem se ocultar (figura acima).

Já que o mar é um ambiente dinâmico, principalmente com os navios em movimento, as camadas termais podem mudar de profundidade, alterando a curva de alcance do sonar. Essas curvas de alcance são computadas com dados obtidos no lançamento de sondas batitermográficas (BT), que vão mergulhando e transferindo para o navio ou aeronave, a localização das camadas termais naquele momento, a pressão da água e a temperatura, dados esses que permitem obter a velocidade do som em dada profundidade. Essas sondas são lançadas periodicamente.

Notar que no desenho, parte do feixe do sonar emitido pelo navio, se propaga próximo da superfície, no fenômeno conhecido como “duto de superfície” e parte do feixe se desvia para baixo, voltando para cima logo adiante (por causa do aumento de pressão, que eleva a velocidade do som). O desvio dos feixes sonoros deixa uma zona de “sombra”, na qual o submarino normalmente procura se ocultar, pois ele também possui batitermógrafo no casco e sabe qual é a profundidade da camada enquanto navega.

Nessas condições, o submarino conhece a posição do navio de superfície, porque usa o sonar passivo, que usa hidrofones só para escuta. Normalmente, o alcance do sonar passivo de um submarino é no mínimo o dobro do alcance do sonar ativo de um navio de superfície, o que lhe dá uma enorme vantagem tática.

sonar1b

Um navio de superfície precisa baixar o sonar de profundidade variável para detectar um submarino abaixo da termoclina

Submarinos sabem com antecedência onde estão os navios inimigos, ouvindo o ruído de suas máquinas e a emissão dos seus sonares ativos. Desse modo, os submarinos podem ocultar-se abaixo da termoclina e esperar o melhor momento e posição para o ataque.

Em certas condições, os submarinos conseguem escutar navios de superfície a mais de 50 milhas de distância, enquanto o alcance típico do sonar ativo dos navios gira em torno de 10 milhas (excetuando-se as situações de “zona de convergência”). Os sonares ativos de helicópteros têm alcance ainda menor, pois são sonares de alta frequência.

Para enfrentar o problema das camadas termais, usa-se o VDS (Variable Depth Sonar – Sonar de Profundidade Variável), que pode ser mergulhado dentro da camada.

Como desvantagem, o sonar de profundidade variável tem alcance menor que o sonar de casco, pois normalmente emprega altas frequências devido ao pequeno tamanho do transdutor. O VDS também limita a mobilidade do navio, que não pode navegar em altas velocidades nem fazer manobras bruscas, sob o risco de arrebentar o cabo e perder o “peixe”. Nas fotos abaixo, alguns tipos de “peixes” VDS, americano, canadense e outro francês.

O VDS de uma fragata classe Knox sendo baixado
vds_big
Um VDS na popa de um navio canadense

 

dubv43
Um VDS na popa de um escolta francês

FONTE: Poder Naval