声学/声纳
声纳（声波导航和测距）是一种利用水下声波传播进行导航或探测其他船只的技术。声纳分为两种：主动声纳和被动声纳。
法国物理学家保罗·朗之万与俄罗斯移民电气工程师康斯坦丁·奇洛夫斯基合作，于1915年发明了第一台用于探测潜艇的主动声纳装置。尽管后来压电换能器取代了他们使用的静电换能器，但他们的工作对未来的声纳设计产生了影响。1916年，在英国发明与研究委员会的支持下，加拿大物理学家罗伯特·博伊尔接手了该项目，随后该项目移交给了反潜探测调查委员会，并在1917年中期生产出了一个原型机进行测试，因此产生了英国的缩写词ASDIC。
到1918年，美国和英国都建造了主动声纳系统。英国在1920年在安特里姆号上测试了他们仍然称为ASDIC的系统，并在1922年开始生产该设备。第6驱逐舰分舰队在1923年拥有配备ASDIC的舰艇。1924年在波特兰建立了反潜学校奥斯普雷号和一个由四艘舰艇组成的训练分舰队。
美国的声纳QB装置于1931年投入使用。到第二次世界大战爆发时，皇家海军为不同类型的水面舰艇配备了五套声纳装置，潜艇也配备了其他声纳装置。当声纳与鱿鱼反潜武器相结合时，其优势最大化。
主动声纳发出声脉冲，通常称为“声呐信号”，然后监听脉冲的反射。为了测量物体距离，人们测量从脉冲发射到接收的时间。为了测量方位，人们使用多个水听器，并测量每个水听器接收到的相对到达时间，这一过程称为波束形成。
脉冲可以是恒定频率的，也可以是频率变化的啁啾信号。对于啁啾信号，接收器将反射频率与已知的啁啾信号进行相关性分析。由此产生的处理增益使接收器能够获得与发射相同总能量的短得多脉冲相同的信息。实际上，啁啾信号在较长的时间间隔内发送；因此，瞬时发射功率将降低，这简化了发射机的设计。一般来说，长距离主动声纳使用较低的频率。最低频率发出低沉的“BAH-WONG”声音。
最有用的小型声纳看起来大约像一个防水手电筒。将探头指向水中，按下按钮，然后读取距离。另一种变体是“鱼探仪”，它显示一个带有鱼群的小屏幕。一些民用声纳的功能接近于军用主动声纳，并拥有非常奇特的船只附近区域的三维显示。然而，这些声纳并非为隐身设计。
当主动声纳用于测量到海底的距离时，称为回声测深。
主动声纳还用于测量两个声纳应答器之间水中的距离。应答器是一种能够发射和接收信号的装置，但当它接收到特定的询问信号时，它会通过发射特定的应答信号进行响应。为了测量距离，一个应答器发射询问信号，并测量该发射与接收另一个应答器回复信号之间的时间。时间差乘以水中声速并除以二，即两个应答器之间的距离。当与多个应答器一起使用时，这种技术可以计算水中静止和移动物体的相对位置。
主动声纳数据是通过在发出声呐信号后短暂时间内测量检测到的声音获得的；这段时间被选择以确保声呐信号的反射会被检测到。到海床（或其他声学反射物体）的距离可以根据声呐信号和检测到其反射之间的时间差计算得出。还可以从声呐信号反射的形状检测其他属性。
- 在收集海床数据时，一些反射声通常会从空气-水界面反射，然后第二次从海床反射。第二个回波的大小提供了有关海床声学硬度的信息。
- 海床的粗糙度会影响反射时间的变化。对于平滑的海床，所有反射声都会走几乎相同的路径，从而导致数据中出现尖峰。对于较粗糙的海床，声音会在更大的海床区域反射回来，并且一些声音可能会在海床特征之间反弹，然后再反射到水面。因此，数据中出现较不尖锐的峰值表明海床较粗糙。
一些海洋动物，如鲸鱼和海豚，使用类似于主动声纳的回声定位系统来定位捕食者和猎物。人们担心声纳发射器可能会混淆这些动物并导致它们迷路，或许会阻止它们觅食和交配。最近发表在英国广播公司网站上的一篇文章（见下文）报道了发表在《自然》杂志上的研究结果，即军用声纳可能会导致一些鲸鱼出现减压病（以及随之而来的搁浅）。
高功率声纳发射器可能会间接伤害海洋动物，尽管科学证据表明，首先必须存在多种因素的汇合。2000年，在美国巴哈马群岛，美国海军对一个频率范围为3-7 kHz、230分贝的发射器进行试验，导致16头鲸鱼搁浅，其中7头被发现死亡。海军在2002年1月1日发表在《波士顿环球报》上的一份报告中承认了责任。然而，在低功率下，声纳可以保护海洋哺乳动物免受船舶碰撞的影响。
一种称为中频声纳的声纳与世界各地海洋中鲸类动物的大规模搁浅有关，因此被环保主义者认为是导致海洋哺乳动物死亡的原因。关于这些事件的国际新闻报道可以在这个主动声纳新闻剪辑网站上找到。2005年10月19日，在加利福尼亚州圣莫尼卡提起诉讼，称美国海军违反了包括《国家环境政策法》、《海洋哺乳动物保护法》和《濒危物种法》在内的多项环境法律，进行了声纳演习。
被动声纳在不发射的情况下进行监听。它通常用于军事环境，尽管一些用于科学应用。
声纳操作受声速影响。淡水中的声速比海水中的慢。在所有水中，声速都受密度（或单位体积的质量）的影响。密度受温度、溶解的分子（通常是盐度）和压力的影响。声速（以英尺/秒为单位）大约等于4388 +（11.25 × 温度（以°F为单位））+（0.0182 × 深度（以英尺为单位）+ 盐度（以千分率为单位））。这是一个根据经验推导出的近似方程，对于正常温度、盐度浓度和大多数海洋深度的范围来说，其精度相当高。海洋温度随深度变化，但在30到100米之间，通常会发生明显的变化，称为温跃层，将较温暖的表层水与构成海洋其余部分的寒冷静止水隔开。这可能会干扰声纳，因为起源于温跃层一侧的声音往往会弯曲或折射到温跃层上。然而，温跃层也可能存在于较浅的沿海水域，但波浪作用通常会混合水柱并消除温跃层。水压也会影响声传播。压力增加会增加水的密度并提高声速。声速的增加会导致声波从较高速度区域折射出去。折射的数学模型称为斯涅耳定律。
由于压力对声音的影响，辐射到海洋中的声波会因压力而弯曲向上返回水面，形成巨大的弧线。海洋深度必须至少为6000英尺（1850米），否则声波会从海底反射回来，而不是向上折射。在合适的条件下，这些声波然后会在水面附近聚焦，并再次向下折射，重复另一个弧线。每个弧线称为会聚区。弧线与水面相交的地方形成一个会聚区环带。会聚区的直径取决于水的温度和盐度。例如，在北大西洋，会聚区大约每33海里（61公里）出现一次，具体取决于季节，在声源周围形成同心圆图案。因此，只能在直线上几英里范围内探测到的声音也可以在数百英里外探测到。通常，第一、第二和第三个会聚区相当有用；再远一点，信号就太弱了，热条件也太不稳定，降低了信号的可靠性。信号会因距离自然衰减，但现代声呐系统非常灵敏。
军用声呐有各种各样的技术来识别探测到的声音。例如，美国舰艇通常使用60赫兹的交流电源系统。如果变压器没有与船体进行适当的隔振安装，或发生进水，则绕组和发电机产生的60赫兹声音可能会从潜艇或船舶发出，有助于识别其国籍。相比之下，大多数欧洲潜艇使用50赫兹的电源系统。间歇性噪声（例如扳手掉落）也可能被声呐探测到。
被动声呐系统可能拥有庞大的声学数据库，但大多数分类工作是由声呐操作员手动执行的。计算机系统经常使用这些数据库来识别船舶类别、行动（即船舶速度或释放的武器类型），甚至特定船舶。美国海军情报局提供并持续更新用于声音分类的出版物。
现代海军作战广泛使用声呐。前面描述的两种类型都使用，但来自不同的平台，即不同类型的舰艇。
主动声呐非常有用，因为它可以提供物体的精确位置。主动声呐的工作原理与雷达相同：发射信号。然后，声波从发射物体向多个方向传播。当声波撞击物体时，它会向其他多个方向反射。一些能量会返回到发射源。回声将使声呐系统或技术人员能够根据许多因素（如频率、接收信号的能量、深度、水温等）计算反射物体的方位。然而，使用主动声呐有一定的危险性，因为它不允许声呐识别目标，并且任何位于发射声呐周围的船只都会探测到发射信号。听到信号后，很容易识别声呐的类型（通常通过其频率）及其位置（通过声波的能量）。此外，主动声呐类似于雷达，它允许用户在一定范围内探测物体，但也使其他平台能够在更远的范围内探测主动声呐。
由于主动声呐无法进行精确识别并且噪音很大，因此这种类型的探测通常由快速平台（飞机、直升机）和噪声平台（大多数水面舰艇）使用，而潜艇很少使用。当水面舰艇或潜艇使用主动声呐时，通常会以间歇的方式短暂激活，以降低被敌方被动声呐探测到的风险。因此，主动声呐通常被认为是被动声呐的备用方案。在飞机上，主动声呐以一次性声呐浮标的形式使用，这些浮标被投放到飞机的巡逻区域或可能存在敌方声呐接触的附近。
被动声呐的缺点较少。最重要的是，它静音。通常，它的探测范围比主动声呐大得多，并且可以识别目标。由于任何机动物体都会发出一些噪音，因此最终可能会被探测到。这仅仅取决于发出的噪声量和区域内的噪声量，以及使用的技术。简单来说，被动声呐使用它围绕着船舶“观察”。在潜艇上，艇首安装的被动声呐探测范围约为270°，以船舶航向为中心，船体安装的阵列在每侧约为160°，拖曳阵列为360°。无探测区域是由于船舶自身干扰造成的。一旦在某个方向探测到信号（这意味着某个物体在该方向发出声音，这称为宽带探测），就可以放大并分析接收到的信号（窄带分析）。这通常使用傅里叶变换来显示构成声音的不同频率。由于每个引擎都会发出特定的噪声，因此很容易识别物体。
被动声呐的另一个用途是确定目标的轨迹。这个过程称为目标运动分析（TMA），得到的结果是目标的距离、航向和速度。TMA通过标记声音来自哪个方向的不同时间，并将运动与操作员自身船舶的运动进行比较来完成。使用标准几何技术以及一些关于限制情况的假设来分析相对运动的变化。
被动声呐隐蔽且非常有用。但是，它需要高科技组件（带通滤波器、接收器）并且成本很高。它通常以阵列的形式部署在昂贵的舰艇上以增强探测能力。水面舰艇有效地使用了它；潜艇使用它效果更好，飞机和直升机也使用它，主要用于“突然袭击”效果，因为潜艇可以隐藏在热层之下。如果潜艇艇长认为自己独自一人，他可能会将艇靠近水面，更容易被探测到，或者潜得更深、速度更快，从而发出更多噪音。
在美国海军中，会向接受过声呐操作和作战训练并获得资格的人员颁发一种特殊的徽章，称为综合水下监视系统徽章。
在第二次世界大战中，美国人用**声呐**（SONAR）来称呼他们的系统。英国人仍然称他们的系统为**声纳**（ASDIC）。1948年，随着北约的成立，信号标准化导致ASDIC被弃用，而采用声呐（sonar）。