聲學/聲納
聲納（聲波導航和測距）是一種利用水下聲波傳播進行導航或探測其他船隻的技術。聲納分為兩種：主動聲納和被動聲納。
法國物理學家保羅·朗之萬與俄羅斯移民電氣工程師康斯坦丁·奇洛夫斯基合作，於1915年發明了第一臺用於探測潛艇的主動聲納裝置。儘管後來壓電換能器取代了他們使用的靜電換能器，但他們的工作對未來的聲納設計產生了影響。1916年，在英國發明與研究委員會的支援下，加拿大物理學家羅伯特·博伊爾接手了該專案，隨後該專案移交給了反潛探測調查委員會，並在1917年中期生產出了一個原型機進行測試，因此產生了英國的縮寫詞ASDIC。
到1918年，美國和英國都建造了主動聲納系統。英國在1920年在安特里姆號上測試了他們仍然稱為ASDIC的系統，並在1922年開始生產該裝置。第6驅逐艦分艦隊在1923年擁有配備ASDIC的艦艇。1924年在波特蘭建立了反潛學校奧斯普雷號和一個由四艘艦艇組成的訓練分艦隊。
美國的聲納QB裝置於1931年投入使用。到第二次世界大戰爆發時，皇家海軍為不同型別的水面艦艇配備了五套聲納裝置，潛艇也配備了其他聲納裝置。當聲納與魷魚反潛武器相結合時，其優勢最大化。
主動聲納發出聲脈衝，通常稱為“聲吶訊號”，然後監聽脈衝的反射。為了測量物體距離，人們測量從脈衝發射到接收的時間。為了測量方位，人們使用多個水聽器，並測量每個水聽器接收到的相對到達時間，這一過程稱為波束形成。
脈衝可以是恆定頻率的，也可以是頻率變化的啁啾訊號。對於啁啾訊號，接收器將反射頻率與已知的啁啾訊號進行相關性分析。由此產生的處理增益使接收器能夠獲得與發射相同總能量的短得多脈衝相同的資訊。實際上，啁啾訊號在較長的時間間隔內傳送；因此，瞬時發射功率將降低，這簡化了發射機的設計。一般來說，長距離主動聲納使用較低的頻率。最低頻率發出低沉的“BAH-WONG”聲音。
最有用的小型聲納看起來大約像一個防水手電筒。將探頭指向水中，按下按鈕，然後讀取距離。另一種變體是“魚探儀”，它顯示一個帶有魚群的小螢幕。一些民用聲納的功能接近於軍用主動聲納，並擁有非常奇特的船隻附近區域的三維顯示。然而，這些聲納並非為隱身設計。
當主動聲納用於測量到海底的距離時，稱為回聲測深。
主動聲納還用於測量兩個聲納應答器之間水中的距離。應答器是一種能夠發射和接收訊號的裝置，但當它接收到特定的詢問訊號時，它會透過發射特定的應答訊號進行響應。為了測量距離，一個應答器發射詢問訊號，並測量該發射與接收另一個應答器回覆訊號之間的時間。時間差乘以水中聲速併除以二，即兩個應答器之間的距離。當與多個應答器一起使用時，這種技術可以計算水中靜止和移動物體的相對位置。
主動聲納資料是透過在發出聲吶訊號後短暫時間內測量檢測到的聲音獲得的；這段時間被選擇以確保聲吶訊號的反射會被檢測到。到海床（或其他聲學反射物體）的距離可以根據聲吶訊號和檢測到其反射之間的時間差計算得出。還可以從聲吶訊號反射的形狀檢測其他屬性。
- 在收集海床資料時，一些反射聲通常會從空氣-水介面反射，然後第二次從海床反射。第二個回波的大小提供了有關海床聲學硬度的資訊。
- 海床的粗糙度會影響反射時間的變化。對於平滑的海床，所有反射聲都會走幾乎相同的路徑，從而導致資料中出現尖峰。對於較粗糙的海床，聲音會在更大的海床區域反射回來，並且一些聲音可能會在海床特徵之間反彈，然後再反射到水面。因此，資料中出現較不尖銳的峰值表明海床較粗糙。
一些海洋動物，如鯨魚和海豚，使用類似於主動聲納的回聲定位系統來定位捕食者和獵物。人們擔心聲納發射器可能會混淆這些動物並導致它們迷路，或許會阻止它們覓食和交配。最近發表在英國廣播公司網站上的一篇文章（見下文）報道了發表在《自然》雜誌上的研究結果，即軍用聲納可能會導致一些鯨魚出現減壓病（以及隨之而來的擱淺）。
高功率聲納發射器可能會間接傷害海洋動物，儘管科學證據表明，首先必須存在多種因素的匯合。2000年，在美國巴哈馬群島，美國海軍對一個頻率範圍為3-7 kHz、230分貝的發射器進行試驗，導致16頭鯨魚擱淺，其中7頭被發現死亡。海軍在2002年1月1日發表在《波士頓環球報》上的一份報告中承認了責任。然而，在低功率下，聲納可以保護海洋哺乳動物免受船舶碰撞的影響。
一種稱為中頻聲納的聲納與世界各地海洋中鯨類動物的大規模擱淺有關，因此被環保主義者認為是導致海洋哺乳動物死亡的原因。關於這些事件的國際新聞報道可以在這個主動聲納新聞剪輯網站上找到。2005年10月19日，在加利福尼亞州聖莫尼卡提起訴訟，稱美國海軍違反了包括《國家環境政策法》、《海洋哺乳動物保護法》和《瀕危物種法》在內的多項環境法律，進行了聲納演習。
被動聲納在不發射的情況下進行監聽。它通常用於軍事環境，儘管一些用於科學應用。
聲納操作受聲速影響。淡水中的聲速比海水中的慢。在所有水中，聲速都受密度（或單位體積的質量）的影響。密度受溫度、溶解的分子（通常是鹽度）和壓力的影響。聲速（以英尺/秒為單位）大約等於4388 +（11.25 × 溫度（以°F為單位））+（0.0182 × 深度（以英尺為單位）+ 鹽度（以千分率為單位））。這是一個根據經驗推匯出的近似方程，對於正常溫度、鹽度濃度和大多數海洋深度的範圍來說，其精度相當高。海洋溫度隨深度變化，但在30到100米之間，通常會發生明顯的變化，稱為溫躍層，將較溫暖的表層水與構成海洋其餘部分的寒冷靜止水隔開。這可能會干擾聲納，因為起源於溫躍層一側的聲音往往會彎曲或折射到溫躍層上。然而，溫躍層也可能存在於較淺的沿海水域，但波浪作用通常會混合水柱並消除溫躍層。水壓也會影響聲傳播。壓力增加會增加水的密度並提高聲速。聲速的增加會導致聲波從較高速度區域折射出去。折射的數學模型稱為斯涅耳定律。
由於壓力對聲音的影響，輻射到海洋中的聲波會因壓力而彎曲向上返回水面，形成巨大的弧線。海洋深度必須至少為6000英尺（1850米），否則聲波會從海底反射回來，而不是向上折射。在合適的條件下，這些聲波然後會在水面附近聚焦，並再次向下折射，重複另一個弧線。每個弧線稱為會聚區。弧線與水面相交的地方形成一個會聚區環帶。會聚區的直徑取決於水的溫度和鹽度。例如，在北大西洋，會聚區大約每33海里（61公里）出現一次，具體取決於季節，在聲源周圍形成同心圓圖案。因此，只能在直線上幾英里範圍內探測到的聲音也可以在數百英里外探測到。通常，第一、第二和第三個會聚區相當有用；再遠一點，訊號就太弱了，熱條件也太不穩定，降低了訊號的可靠性。訊號會因距離自然衰減，但現代聲吶系統非常靈敏。
軍用聲吶有各種各樣的技術來識別探測到的聲音。例如，美國艦艇通常使用60赫茲的交流電源系統。如果變壓器沒有與船體進行適當的隔振安裝，或發生進水，則繞組和發電機產生的60赫茲聲音可能會從潛艇或船舶發出，有助於識別其國籍。相比之下，大多數歐洲潛艇使用50赫茲的電源系統。間歇性噪聲（例如扳手掉落）也可能被聲吶探測到。
被動聲吶系統可能擁有龐大的聲學資料庫，但大多數分類工作是由聲吶操作員手動執行的。計算機系統經常使用這些資料庫來識別船舶類別、行動（即船舶速度或釋放的武器型別），甚至特定船舶。美國海軍情報局提供並持續更新用於聲音分類的出版物。
現代海軍作戰廣泛使用聲吶。前面描述的兩種型別都使用，但來自不同的平臺，即不同型別的艦艇。
主動聲吶非常有用，因為它可以提供物體的精確位置。主動聲吶的工作原理與雷達相同：發射訊號。然後，聲波從發射物體向多個方向傳播。當聲波撞擊物體時，它會向其他多個方向反射。一些能量會返回到發射源。回聲將使聲吶系統或技術人員能夠根據許多因素（如頻率、接收訊號的能量、深度、水溫等）計算反射物體的方位。然而，使用主動聲吶有一定的危險性，因為它不允許聲吶識別目標，並且任何位於發射聲吶周圍的船隻都會探測到發射訊號。聽到訊號後，很容易識別聲吶的型別（通常透過其頻率）及其位置（透過聲波的能量）。此外，主動聲吶類似於雷達，它允許使用者在一定範圍內探測物體，但也使其他平臺能夠在更遠的範圍內探測主動聲吶。
由於主動聲吶無法進行精確識別並且噪音很大，因此這種型別的探測通常由快速平臺（飛機、直升機）和噪聲平臺（大多數水面艦艇）使用，而潛艇很少使用。當水面艦艇或潛艇使用主動聲吶時，通常會以間歇的方式短暫啟用，以降低被敵方被動聲吶探測到的風險。因此，主動聲吶通常被認為是被動聲吶的備用方案。在飛機上，主動聲吶以一次性聲吶浮標的形式使用，這些浮標被投放到飛機的巡邏區域或可能存在敵方聲吶接觸的附近。
被動聲吶的缺點較少。最重要的是，它靜音。通常，它的探測範圍比主動聲吶大得多，並且可以識別目標。由於任何機動物體都會發出一些噪音，因此最終可能會被探測到。這僅僅取決於發出的噪聲量和區域內的噪聲量，以及使用的技術。簡單來說，被動聲吶使用它圍繞著船舶“觀察”。在潛艇上，艇首安裝的被動聲吶探測範圍約為270°，以船舶航向為中心，船體安裝的陣列在每側約為160°，拖曳陣列為360°。無探測區域是由於船舶自身干擾造成的。一旦在某個方向探測到訊號（這意味著某個物體在該方向發出聲音，這稱為寬頻探測），就可以放大並分析接收到的訊號（窄帶分析）。這通常使用傅立葉變換來顯示構成聲音的不同頻率。由於每個引擎都會發出特定的噪聲，因此很容易識別物體。
被動聲吶的另一個用途是確定目標的軌跡。這個過程稱為目標運動分析（TMA），得到的結果是目標的距離、航向和速度。TMA透過標記聲音來自哪個方向的不同時間，並將運動與操作員自身船舶的運動進行比較來完成。使用標準幾何技術以及一些關於限制情況的假設來分析相對運動的變化。
被動聲吶隱蔽且非常有用。但是，它需要高科技元件（帶通濾波器、接收器）並且成本很高。它通常以陣列的形式部署在昂貴的艦艇上以增強探測能力。水面艦艇有效地使用了它；潛艇使用它效果更好，飛機和直升機也使用它，主要用於“突然襲擊”效果，因為潛艇可以隱藏在熱層之下。如果潛艇艇長認為自己獨自一人，他可能會將艇靠近水面，更容易被探測到，或者潛得更深、速度更快，從而發出更多噪音。
在美國海軍中，會向接受過聲吶操作和作戰訓練並獲得資格的人員頒發一種特殊的徽章，稱為綜合水下監視系統徽章。
在第二次世界大戰中，美國人用**聲吶**（SONAR）來稱呼他們的系統。英國人仍然稱他們的系統為**聲納**（ASDIC）。1948年，隨著北約的成立，訊號標準化導致ASDIC被棄用，而採用聲吶（sonar）。