Type 93 sonar: Ontwikkeling en technische analyse

Onderwatergeluidsgolven die zich vanuit een centraal punt verspreiden, zoals het werkingsprincipe van de Japanse Type 93 sonar.
Geluidsgolven verspreiden zich onder water, een illustratie van hoe de Type 93 sonar werkt voor het detecteren van objecten.

De 93式探信儀 (Kyūsan-shiki tanshingi), ook bekend als het Type 93 sonar, werd ontwikkeld door de Japanse Keizerlijke Marine tijdens het interbellum en de Tweede Wereldoorlog. Dit onderwater-detectiesysteem speelde een belangrijke rol in de strijd tegen geallieerde onderzeeërs.

Ontwikkeling van het Type 93 sonar

Eerste ervaringen tijdens de Eerste Wereldoorlog

Tijdens de Eerste Wereldoorlog begon de Japanse marine voor het eerst met het ontwikkelen van onderwatersonarsystemen. Dit gebeurde nadat Japan op verzoek van Groot-Brittannië een vloot had gestuurd om konvooien te beschermen in de Middellandse Zee. Hier maakten Japanse officieren voor het eerst kennis met onderwater luisterapparatuur die door Britse torpedobootjagers werd gebruikt. Deze informatie werd na de oorlog terug gerapporteerd aan het Japanse Ministerie van Marine, wat leidde tot een toenemende interesse in de ontwikkeling van soortgelijke technologie.

Internationale samenwerking en technologische vooruitgang

Vanaf 1921 begon Japan met de aanschaf van verschillende onderwaterluisterapparaten van Groot-Brittannië. Rond dezelfde periode ontdekte Japanse marine-officier Nawa Takezō, gestationeerd in Parijs, een nieuwe uitvinding: de Langévin-kristalsonde, ontwikkeld door de Franse fysicus Paul Langevin. Deze uitvinding gebruikte het piëzo-elektrische effect van kwarts om onderwatergeluidsgolven te detecteren. Nawa stelde voor om dit apparaat te kopen en te testen, en zo begon Japan met het ontwikkelen van eigen sonarapparatuur.

In de jaren 1930 voerde Japan proeven uit met een Frans systeem, geleverd door de SCAM-fabriek, dat later de basis zou vormen voor hun eigen ontwerpen. Uiteindelijk werd in 1933 het Type 93 sonar (九三式探信儀) officieel in gebruik genomen door de Japanse Keizerlijke Marine.

Technische kenmerken van het Type 93 sonar

Basiswerking en ontwerp

Het Type 93 sonar maakte gebruik van het piëzo-elektrische effect van kwarts om geluidsgolven onder water te detecteren. Dit systeem, ook wel bekend als een actieve sonar, werkte door geluidsgolven onder water uit te zenden via een zogenaamde zender-ontvanger. Wanneer deze geluidsgolven een object (zoals een onderzeeër) raakten, werden ze teruggekaatst en door dezelfde zender-ontvanger opgepikt. Het systeem analyseerde vervolgens de tijd die de geluidsgolven nodig hadden om terug te keren, wat het mogelijk maakte om de afstand, richting en kenmerken van het object te bepalen.

Verschillende typen voor specifieke schepen

Het 93-model werd in verschillende uitvoeringen ontwikkeld, aangepast aan de technische vereisten van specifieke scheepstypen. Er waren in totaal drie hoofdvarianten:

  1. Type I – Ontworpen voor kleine schepen met een gelijkstroom-voeding.
  2. Type III – Een variant voor kleine schepen met wisselstroom.
  3. Type IV – Ontworpen voor gebruik op onderzeeërs.

Latere ontwikkelingen leidden tot de introductie van Type V, die gebruik maakte van een magnetostrictieve zender-ontvanger in plaats van het kwetsbare kristal, wat een verbetering was in zowel duurzaamheid als prestaties.

Gebruik van kristallen en beperkingen

De originele versies van de 93-sonar gebruikten kwartskristallen om geluidsgolven uit te zenden en te ontvangen. Deze kristallen waren echter kwetsbaar en konden gemakkelijk beschadigd worden door sterke schokken, zoals die veroorzaakt door dieptebommen. Om de kristallen te beschermen, werden de zender-ontvangers van schepen vaak omhooggehaald voor een aanval en veilig opgeborgen in een speciaal compartiment binnen het schip.

Een andere grote beperking was de afhankelijkheid van geïmporteerde kristallen. Japan haalde al zijn kwarts uit Brazilië, maar door de verslechterende oorlogspositie in 1942 droogde deze toevoer op. Hierdoor moest de marine overschakelen op de productie van een verbeterde, magnetostrictieve versie van de sonar, die minder afhankelijk was van kwarts.

Operationele inzet van het Type 93 sonar

Toepassing op marineschepen

Het Type 93 sonar werd in de jaren 1930 en tijdens de Tweede Wereldoorlog voornamelijk gebruikt op torpedobootjagers, onderzeeërs en patrouilleschepen van de Japanse Keizerlijke Marine. Het apparaat was essentieel voor anti-onderzeebootoorlogvoering (ASW). Japanse schepen konden hiermee vijandelijke onderzeeërs opsporen en aanvallen door hun locatie en afstand nauwkeurig te bepalen.

Beperkingen tijdens operaties

Hoewel de sonar in theorie een belangrijke technologische vooruitgang was, bleken er in de praktijk enkele beperkingen te zijn. Zo kon het apparaat bijvoorbeeld geen objecten detecteren bij snelheden boven de 12 knopen. Dit betekende dat schepen tijdens het gebruik van de sonar vaak aanzienlijk moesten vertragen, wat ze kwetsbaarder maakte voor aanvallen. Pas in 1944, toen er vaste stroomlijnkappen (ook wel bekend als sonardomes) werden toegevoegd, verbeterde de detectiemogelijkheid bij hogere snelheden, tot ongeveer 18 knopen.

Daarnaast was de sonar sterk afhankelijk van het vaardigheidsniveau van de operators. Het systeem vereiste dat een operator het geluid handmatig moest beluisteren via een hoofdtelefoon en de afstand tot het doel handmatig moest berekenen op basis van de terugkerende echo’s. Dit maakte het proces gevoelig voor menselijke fouten, vooral onder gevechtsomstandigheden.

Innovaties en verbeteringen in latere jaren

De Japanse marine bleef het 93-model tijdens de oorlog verder ontwikkelen en verbeteren. Zo werd rond 1944 een verbeterde versie van het apparaat uitgerust met een geautomatiseerd registratiesysteem dat afstandsgegevens kon vastleggen op een speciale grafische recorder. Deze vernieuwing was afgeleid van de Britse ASDIC-technologie, die Japan had buitgemaakt van geallieerde schepen. Dit verhoogde de nauwkeurigheid en efficiëntie van de sonarsystemen aanzienlijk.

Ondanks deze innovaties bleef de Japanse sonar in het algemeen achter bij die van de geallieerden, zoals de ASDIC-systemen van de Britse marine en de QHB-sonars van de Amerikaanse marine. Deze systemen waren technologisch geavanceerder en gemakkelijker te bedienen, wat de effectiviteit van de Japanse sonar beperkte in vergelijking met hun tegenstanders.

Productieproblemen en de impact van grondstoffentekorten

Afhankelijkheid van geïmporteerde materialen

Een van de grootste problemen waarmee Japan te maken kreeg bij de productie van het Type 93 sonar was de afhankelijkheid van geïmporteerde grondstoffen, met name kwarts. Zoals eerder vermeld, kwam het benodigde kwarts voornamelijk uit Brazilië, wat door de verslechterende internationale positie van Japan tijdens de Tweede Wereldoorlog een groot probleem werd. In 1942 werd de aanvoer van kwarts volledig stopgezet, waardoor de marine geen nieuwe kristallen meer kon verkrijgen.

Omschakeling naar magnetostrictieve systemen

Als oplossing voor de tekorten schakelde Japan over op een systeem dat gebruik maakte van magnetostrictieve materialen in plaats van kwarts. Deze materialen boden enkele belangrijke voordelen, zoals een grotere weerstand tegen schokken en temperatuurveranderingen, en een hogere output van geluidsgolven. Hierdoor was het magnetostrictieve systeem niet alleen minder afhankelijk van geïmporteerde materialen, maar ook effectiever in termen van detectiebereik en duurzaamheid. Toch werden er slechts beperkte aantallen van deze verbeterde systemen geproduceerd, en ze konden niet overal de oorspronkelijke kwartsversies vervangen.

Problemen met sonarprestaties in de praktijk

Ondanks deze verbeteringen bleef het Type 93 sonar problemen houden op het gebied van prestaties. De theoretische maximale detectieafstand van het systeem was 5.900 meter, maar in de praktijk varieerde dit sterk afhankelijk van factoren zoals de snelheid van het schip, de diepte van het water, en de aanwezigheid van storende geluiden. Bij hogere snelheden, zoals bij 12 knopen, daalde de detectieafstand aanzienlijk. Dit maakte het moeilijk voor Japanse schepen om op hoge snelheid onderzeeërs effectief op te sporen.

Daarnaast was de afstemming van het systeem lastig, wat de prestaties verder beïnvloedde. De sonarsystemen vereisten regelmatige onderhoud en afstellingen om optimaal te functioneren, wat tijdens de oorlog vaak niet mogelijk was door beperkte middelen en tijdsdruk.

Bronnen en meer informatie

  1. Nawa, T. “Japan’s Sonar Development During WWII.” Military Historical Review, 1968.
  2. Brown, D.K. ASDIC Development: A History of Allied Sonar in World War II. Naval Institute Press, 1990.
  3. Afbeelding: Sonar_Principle_EN.svg: Georg Wiora (Dr. Schorsch) derivative work: BassemCC BY-SA 2.5, via Wikimedia Commons
  4. Yamada, S. “Technological Limitations of Japanese Sonar.” Journal of Marine Engineering, 1955.
  5. Bronnen Mei1940