ソナー
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フランスのF70 型フリゲート艦(ここではラ・モット・ピケ) には、可変深度ソナー(VDS) タイプ DUBV43 または DUBV43C 曳航式ソナーが装備されています。
1941年12月にフィンランド湾で難破したソ連海軍掃海艇T-297（旧ラトビアのヴィルサイティス）のソナー画像。[ 1 ]

ソナー（音響航法と測距または音波航法と測距）[ 2 ]は、音の伝播（通常は潜水艦航法のように水中）を利用して航行したり、距離を測定（測距）、他の船舶など水面上または水面下の物体と通信したり検出したりする技術である。[ 3 ]

「ソナー」は2種類の技術のいずれかを指します。パッシブソナーは船舶の発する音を聞き取るもので、アクティブソナーは音波を発射して反響を聞き取るものです。ソナーは音響による位置特定や水中の「ターゲット」の反響特性の測定に用いられます。[ 4 ]空中での音響による位置特定はレーダー導入以前から行われていました。ソナーはロボットの航行にも用いられ、[ 5 ]ソーダー（上方観測型の空中ソナー）は大気調査に用いられます。「ソナー」という用語は、音波を生成・受信する機器を指すこともあります。ソナーシステムで使用される音響周波数は、非常に低い周波数（超低周波）から非常に高い周波数（超音波）まで様々です。水中音の研究は水中音響学または水中音響学として知られています。

この技術の最初の記録は1490年にレオナルド・ダ・ヴィンチによって使用されました。彼は水中に挿入した管を使って耳で船舶を探知しました。[ 6 ]これは第一次世界大戦中に潜水艦戦の脅威の増大に対抗するために開発され、1918年までに実用的なパッシブソナーシステムが使用されました。 [ 3 ]現代のアクティブソナーシステムは音響変換器を使用して音波を発生させ、目標物から反射します。[ 3 ]

歴史

いくつかの動物（イルカ、コウモリ、一部のトガリネズミなど）は数百万年もの間、コミュニケーションや物体の検出に音を使用してきましたが、水中での人間の音の使用は、1490年にレオナルド・ダ・ヴィンチによって最初に記録されました。水中に挿入された管に耳を当てて船舶を検出するために使用されたと言われています。[ 6 ]

19世紀後半には、危険を警告するために灯台や灯台船の補助装置として水中鐘が使われました。 [ 7 ]

コウモリが音を使って空中航行を行うのと同じように、水中で音を使って「エコー測位」を行うという考えは、 1912年のタイタニック号の惨事がきっかけとなったようです。 [ 8 ]世界初の水中エコー測距装置の特許は、タイタニック号の沈没から1か月後に、イギリスの気象学者ルイス・フライ・リチャードソンによって英国特許庁に申請されました。[ 9 ]ドイツの物理学者アレクサンダー・ベームは、 1913年にエコー測深機の特許を取得しました。[ 10 ]

カナダ人技師のレジナルド・フェッセンデンは、マサチューセッツ州ボストンの潜水艦信号会社に勤務していた1912年頃から実験的なシステムを構築し、後にボストン港でテストされ、1914年にはニューファンドランド沖のグランドバンクスで米国の税関巡視船マイアミ号からテストされた。[ 9 ] [ 11 ]そのテストで、フェッセンデンは深度測定、水中通信（モールス信号）、エコー測距を実証し、2マイル（3.2 km）の距離にある氷山を探知した。[ 12 ] [ 13 ]約500 Hzの周波数で動作する「フェッセンデン発振器」は、3メートルの波長と、変換器の放射面の直径が1 ⁄ 3波長未満という小ささのために、氷山の方位を判定できなかった。1915年、モントリオールで建造され進水した10隻のイギリスのH級潜水艦にフェッセンデン発振器が搭載された。[ 14 ]

第一次世界大戦中、潜水艦を探知する必要性から、音の利用に関する研究が進められました。イギリスは初期からハイドロフォンと呼ばれる水中聴音装置を使用していました。フランスの物理学者ポール・ランジュバンは、ロシア移民の電気技師コンスタンティン・チロフスキーと共同で、1915年に潜水艦を探知するための能動音響装置の開発に取り組みました。後に、圧電型および磁歪型の変換器が静電型変換器に取って代わりましたが、この研究は後の設計に影響を与えました。軽量の音感プラスチックフィルムと光ファイバーはハイドロフォンに使用されてきました。ターフェノールDとニオブ酸鉛マグネシウム（PMN）はプロジェクター用に開発されました。

ASDIC

1944年頃のASDICディスプレイユニット

1916年、英国発明研究委員会（BIR）の下、カナダの物理学者ロバート・ウィリアム・ボイルはABウッドと共に能動音響探知プロジェクトに着手し、1917年半ばに試験用の試作品を製作した。英国海軍参謀本部対潜水艦部隊のためのこの研究は極秘裏に進められ、水晶圧電結晶を用いて世界初の実用的な水中能動音響探知装置が開発された。[ 15 ]

機密保持のため、音響実験や水晶については言及されなかった。初期の研究を表す言葉（「スーパーソニックス」）は「ASD」icsに、水晶素材は「ASD」iviteに変更された。「ASD」は「対潜水艦部隊」の略称であり、これが英国の頭字語ASDICの由来である。1939年、オックスフォード英語辞典の質問に対し、海軍本部は「連合国潜水艦探知調査委員会」の略称であると捏造した。これは現在でも広く信じられている[ 16 ]が、海軍本部のアーカイブにはこの名称の委員会は見つかっていない[ 15 ] 。

1918年までに、イギリスとフランスはアクティブシステムのプロトタイプを建造しました。イギリスは1920年にHMS アントリムでASDICを試験し、1922年に生産を開始しました。第6駆逐艦隊は1923年にASDIC搭載艦を保有していました。 1924年には、ポートランドにHMSオスプレイの対潜水艦学校と4隻の訓練艦隊が設立されました。

第二次世界大戦勃発までに、イギリス海軍は水上艦艇のクラス別に5セット、潜水艦用にさらに数セットを装備し、完全な対潜水艦システムを構築していました。初期のASDIC（対潜水艦迎撃システム）は、対潜兵器として爆雷を使用していたため、その効果は限定的でした。爆雷を使用した場合、攻撃艦は潜航中の目標物の上空を通過してから艦尾に爆雷を投下する必要があり、その結果、攻撃直前の瞬間にASDICの目標物との交信が途絶えてしまうという問題がありました。ハンターは事実上、盲目的に射撃を行っていたため、その間に潜水艦の艦長は回避行動を取ることができました。この状況は、新たな戦術と兵器によって改善されました。

フレデリック・ジョン・ウォーカーが開発した戦術的改良には、忍び寄る攻撃が含まれていた。この攻撃には、通常はスループ型かコルベット型の2隻の対潜水艦が必要だった。1隻目の「指揮艦」はASDICで目標潜水艦を追跡し、もう1隻はASDICをオフにして5ノットで航行し、指示通りに攻撃を開始した。接近速度が低かったため、潜水艦は爆雷の投下タイミングを予測できなかった。指揮艦は潜水艦の回避行動を察知し、攻撃艦に適切な操舵指示を出した。[ 17 ]

ASDICの死角に対処するための新しい兵器は、ヘッジホッグや後にはスクイッドなどの「前方投射兵器」であり、攻撃者の前方の目標にASDICで接触したまま弾頭を投射する。これにより、単独の護衛艦でより狙いを定めた潜水艦攻撃を行うことができるようになった。戦争中の開発により、イギリスのASDICセットは、より深い角度で調整されたタイプ144セットのQアタッチメントなど、いくつかの異なる形状のビームを使用するようになった。関節式トランスデューサーを備えたタイプ147Bセットにより、オペレーターは死角をカバーすることができた。[ 18 ]もう1つの開発は、パッシブソナーを使用して目標の潜水艦に自ら照準を合わせる FIDOホーミング魚雷であった。

第二次世界大戦初期（1940年9月）、英国のASDIC技術はアメリカ合衆国に無償で譲渡されました。ASDICと水中音響に関する研究は、英国と米国で拡大されました。多くの新しいタイプの軍用音響探知装置が開発されました。これには、1944年に英国で「ハイティー」というコードネームで初めて開発されたソノブイ、ディッピング／ダンキングソナー、機雷探知ソナーなどが含まれます。この研究は、戦後の原子力潜水艦対策に関する開発の基礎となりました。

ソナー

1930年代にアメリカの技術者たちは独自の水中音響探知技術を開発し、サーモクライン（水温躍層）の存在やそれが音波に与える影響など重要な発見がなされた。[ 19 ]アメリカ人は自分たちのシステムに「ソナー」という用語を使い始めた。これはフレデリック・ハントがレーダーに相当する造語として作ったものである。[ 20 ]

アメリカ海軍水中音響研究所

1917年、アメリカ海軍は初めてJ・ウォーレン・ホートンのサービスを獲得しました。ベル研究所を休暇し、彼は政府に技術専門家として勤務し、最初はマサチューセッツ州ナハントの実験ステーションで、後にイギリスのロンドンにあるアメリカ海軍本部で勤務しました。ナハントでは、当時は電子工学として知られる応用科学の形成段階に関連付けられていた、新しく開発された真空管を水中信号の検出に応用しました。その結果、初期の検出装置で使用されていたカーボンボタンマイクが、現代のハイドロフォンの前身に置き換えられました。またこの時期に、彼は曳航検出の方法を実験しました。これは彼の装置の感度が向上したためでした。その原理は、現代の曳航式ソナーシステムに今でも使用されています。

イギリスの防衛ニーズを満たすため、ホートンはアイルランド海に海底ケーブルで陸上の聴音所に接続された海底設置型水中聴音機を設置するためイギリスに派遣されました。この機器がケーブル敷設船に積み込まれている間に第一次世界大戦が終結し、ホートンは帰国しました。

第二次世界大戦中、ホートンは潜水艦、機雷、魚雷を探知できるソナーシステムの開発を続けました。1957年、アメリカ海軍水中音響研究所の主任研究コンサルタントとして『ソナーの基礎』を出版しました。彼は1959年に技術部長に就任するまでこの職を務め、1963年に定年退職するまでその職を務めました。[ 21 ] [ 22 ]

アメリカと日本の素材とデザイン

1915年から1940年にかけて、アメリカのソナーはほとんど進歩がありませんでした。1940年代のアメリカのソナーは、一般的に磁歪式トランスデューサーと、直径1フィートの鋼板に接続されたニッケル管のアレイで構成されていました。鋼板は球形のハウジングに入ったロシェル塩結晶に背中合わせに取り付けられていました。このアセンブリは船体を貫通し、手動で所望の角度に回転させました。圧電式ロシェル塩結晶の方がパラメータは優れていましたが、磁歪式ユニットの方がはるかに信頼性が高かったです。

第二次世界大戦初期における米国の商船補給船の甚大な損失は、この分野における米国の大規模かつ最優先事項となる研究のきっかけとなり、磁歪式変換器のパラメータとロシェル塩の信頼性の両方の向上を追求しました。ロシェル塩の代替として、優れた代替物質であるリン酸二水素アンモニウム（ADP）が発見され、最初の適用は24kHzロシェル塩変換器の代替でした。9ヶ月以内にロシェル塩は時代遅れとなりました。ADP製造施設の人員は、1940年初頭の数十人から1942年には数千人にまで拡大しました。

ADP結晶の最も初期の用途の一つは、音響機雷用のハイドロフォンでした。結晶は、5Hzの低周波カットオフ、3,000m（10,000フィート）の航空機からの展開に耐える機械的衝撃、そして近隣の機雷の爆発にも耐える性能を備えていました。ADPの信頼性の重要な特徴の一つは、経年劣化がないことです。結晶は長期保管後もパラメータを維持します。

もう一つの応用は音響誘導魚雷でした。2組の指向性ハイドロフォンが魚雷先端の水平面と垂直面に取り付けられ、これらの差信号を用いて魚雷を左右および上下に操舵しました。そこで対抗策が開発されました。標的の潜水艦が発泡性化学物質を放出し、魚雷はより騒音の大きい発泡性の囮を追尾するというものでした。対抗策としてアクティブソナーを搭載した魚雷が開発されました。魚雷先端にトランスデューサーが追加され、マイクロフォンが反射する周期的なトーンバーストを検知します。トランスデューサーは、ダイヤモンド型の領域に交互に配置された同一の長方形の水晶板で構成されていました。

潜水艦用パッシブソナーアレイは、ADP結晶から開発されました。複数の結晶アセンブリを鋼管内に配置し、ヒマシ油で真空充填して密封しました。その後、管を並列アレイ状に配置しました。

第二次世界大戦末期のアメリカ海軍の標準的なスキャニングソナーは、ADP結晶アレイを用いて18kHzで動作していました。しかし、より長距離の探知距離を実現するためには、より低い周波数を使用する必要がありました。必要な寸法はADP結晶には大きすぎたため、1950年代初頭には磁歪式およびチタン酸バリウム圧電システムが開発されましたが、均一なインピーダンス特性を得るのに問題があり、ビームパターンも劣化しました。その後、チタン酸バリウムはより安定したジルコン酸チタン酸鉛（PZT）に置き換えられ、周波数は5kHzに引き下げられました。[ 23 ]

米艦隊は数十年にわたり、AN/SQS-23ソナーにこの材料を使用していました。SQS-23ソナーは当初、磁歪ニッケル製トランスデューサーを使用していましたが、重量が数トンにもなり、ニッケルは高価で危険な材料とみなされていたため、圧電トランスデューサーに置き換えられました。このソナーは432個のトランスデューサーからなる大規模なアレイでした。当初、トランスデューサーは信頼性が低く、設置後すぐに機械的および電気的な故障が発生し、劣化しました。また、複数のベンダーによって製造され、設計が異なっていたため、特性がアレイの性能を損なうほど異なっていました。個々のトランスデューサーの修理を可能にするという方針はその後放棄され、「使い捨てモジュール設計」、つまり修理不可能な密閉モジュールが採用され、シールやその他の不要な機械部品の問題が解消されました。[ 24 ]

第二次世界大戦勃発当初、大日本帝国海軍は水晶をベースとしたプロジェクターを使用していました。これらのプロジェクターは、特に低周波数用に設計されたものは大きくて重いものでした。91式プロジェクターは9kHzで動作し、直径30インチ（760mm）で、5kWの出力と7kVの出力振幅を持つ発振器によって駆動されていました。93式プロジェクターは、球状の鋳鉄製筐体に組み合わされた水晶のサンドイッチ構造でした。

九三式ソナーは後に三式に置き換えられ、三式はドイツの設計を踏襲し、磁歪式投射器を採用した。投射器は、鋳鉄製の約16×9インチ（410 mm×230 mm）の長方形の筐体に収められた、2つの独立した同一形状の長方形ユニットで構成されていた。投射面は波長の半分の幅と3波長の高さを持っていた。磁歪式コアは4 mm厚のニッケルのプレス加工で作られ、後にアルミニウム含有量が12.7%から12.9%の鉄アルミニウム合金が使用されるようになった。電力は2 kW、3.8 kVの電圧で供給され、20 V、8 Aの直流電源で分極された。

大日本帝国海軍の受動型水中聴音器は、可動コイル型設計、ロシェル塩圧電変換器、カーボンマイクをベースとしていた。[ 25 ]

トランスデューサーのその後の発展

磁歪式トランスデューサーは、第二次世界大戦後、圧電式トランスデューサーの代替として開発が進められました。ニッケル製のスクロール巻きリング型トランスデューサーは、高出力低周波動作に使用され、直径は最大13フィート（4.0 m）に達し、おそらく史上最大のソナートランスデューサーでした。金属の利点は、高い引張強度と低い入力電気インピーダンスですが、PZTに比べて電気損失と結合係数が低くなります。PZ​​Tはプレストレスによって引張強度を高めることができます。

他の材料も試されました。非金属フェライトは低い電気伝導率によって渦電流損失が低くなることから有望視され、メトグラスは高い結合係数を提供しましたが、総合的にPZTに劣っていました。1970年代には、優れた磁気機械特性を持つ希土類元素と鉄の化合物、すなわちテルフェノールD合金が発見されました。これにより、例えば磁歪-圧電トランスデューサーのハイブリッド型など、新たな設計が可能になりました。これらの改良された磁歪材料の中で最新のものはガルフェノールです。

その他のタイプのトランスデューサーには、磁力がギャップの表面に作用する可変磁気抵抗（または可動アーマチュア、または電磁）トランスデューサーと、従来のスピーカーに似た可動コイル（または電気力学）トランスデューサーがあります。後者は、非常に低い共振周波数とそれを超える平坦な広帯域特性のため、水中音響校正に使用されます。[ 26 ]

アクティブソナー

アクティブソナーの原理

アクティブソナーは、音響送信機（または投射機）と受信機を使用します。この2つが同じ場所にある場合、モノスタティック動作と呼ばれます。送信機と受信機が離れている場合、バイスタティック動作と呼ばれます。 [ 27 ] 複数の送信機（または受信機）が空間的に離れている場合、マルチスタティック動作と呼ばれます。ほとんどのソナーはモノスタティック動作で使用され、送信と受信に同じアレイが使用されることがよくあります。[ 28 ]アクティブソノブイフィールドはマルチスタティック動作が可能です。

アクティブソナーは、しばしば「ピング」と呼ばれる音波パルスを発生し、その反射音（エコー）を検知します。この音波パルスは通常、信号発生器、電力増幅器、電気音響変換器／アレイからなるソナープロジェクターを用いて電子的に生成されます。[ 29 ]変換器は、音響信号（「ピング」）を送受信できる装置です。通常、ビームフォーマーは音響パワーをビームに集中させるのに用いられ、ビームは必要な探知角度をカバーするために掃引されます。

一般的に、電気音響変換器はトンピルツ型であり、システム全体の性能を最適化するために、最も広い帯域幅にわたって最大の効率を達成するように設計が最適化されます。音響パルスは、爆発物、エアガン、プラズマ音源などを用いた化学的手段など、他の手段によって生成される場合もあります。

物体までの距離を測定するには、パルスの送信から受信までの時間を測定し、既知の音速を用いて距離に変換します。[ 30 ]方位を測定するには、複数のハイドロフォンを使用し、各ハイドロフォンへの相対的な到着時間を測定するか、ハイドロフォンのアレイを使用して、ビームフォーミングと呼ばれるプロセスによって形成されたビームの相対的な振幅を測定します。アレイの使用は空間応答を低減するため、広い範囲をカバーするためにマルチビームシステムが用いられます。[ 31 ]

ターゲット信号は、存在する場合、ノイズと共に、様々な信号処理[ 32 ]に渡されます。単純なソナーでは、エネルギー測定のみが行われます。その後、何らかの判定装置に送られ、出力が要求された信号かノイズかを判定します。この判定装置は、ヘッドフォンやディスプレイを備えた操作部である場合があります。より高度なソナーでは、この機能はソフトウェアによって実行される場合があります。ターゲットの分類と位置特定、そして速度測定のために、さらに処理が行われる場合もあります。

パルスは一定周波数の場合もあれば、周波数が変化するチャープ状の場合もある。これにより、受信時にパルス圧縮が可能になる。単純なソナーでは、一般的に前者を使用し、目標の移動によるドップラー効果をカバーできる十分な広さのフィルターを備えている。一方、より複雑なソナーでは後者の技術が一般的に採用されている。デジタル処理が可能になって以来、パルス圧縮は通常、デジタル相関技術を用いて実装されている。軍用ソナーは全方位をカバーするために複数のビームを備えていることが多いが、単純なソナーは狭い弧状のビームしかカバーしない。ただし、ビームは機械的なスキャンによって比較的ゆっくりと回転させることができる。

特に単一周波数送信を使用する場合、ドップラー効果を利用して目標物の半径方向速度を測定することができます。送信信号と受信信号の周波数差を測定し、速度に変換します。ドップラーシフトは受信機または目標物の動きによって発生する可能性があるため、探知プラットフォームの半径方向速度を考慮する必要があります。

便利な小型ソナーの一つは、防水懐中電灯のような外観です。ヘッドを水中に向け、ボタンを押すと、対象物までの距離が表示されます。もう一つの派生型は、魚群の小さな画面を表示する「魚群探知機」です。ステルス性を重視して設計されていない民間用ソナーの中には、船舶周辺の3D表示が可能で、軍用ソナーに匹敵する性能を持つものもあります。

アクティブソナーを用いてトランスデューサーから海底までの距離を測定することをエコー測深といいます。同様の方法は、上方から波を測定する場合にも用いられます。

アクティブソナーは、2つのソナートランスデューサー、またはハイドロフォン（水中音響マイクロホン）とプロジェクター（水中音響スピーカー）の組み合わせ間の水中距離を測定するためにも使用されます。ハイドロフォン/トランスデューサーは特定の質問信号を受信すると、特定の応答信号を送信することで応答します。距離を測定するために、一方のトランスデューサー/プロジェクターが質問信号を送信し、この送信からもう一方のトランスデューサー/ハイドロフォンが応答信号を受信するまでの時間を測定します。

時間差を水中の音速でスケーリングし、2で割ったものが、2つのプラットフォーム間の距離です。この技術を複数のトランスデューサー／ハイドロフォン／プロジェクターと併用することで、水中の静止物体と移動物体の相対位置を計算できます。

戦闘状況において、アクティブソナーは敵に探知され、潜水艦が探知できる最大距離の2倍の距離で潜水艦の位置を明らかにし、発信音の特徴に基づいて潜水艦の身元を特定する手がかりを与えます。これらの理由から、アクティブソナーは軍用潜水艦ではあまり使用されていません。

漁業、軍事、港湾警備で使用されている、方向性が非常に高いが効率の低いタイプのソナーは、非線形ソナーと呼ばれる水の複雑な非線形特性を利用し、仮想トランスデューサーはパラメトリックアレイと呼ばれています。

アルテミス計画

アルテミス計画は、1950年代後半から1960年代半ばにかけて実施された実験的研究開発プロジェクトであり、海洋監視に使用可能な低周波アクティブソナーシステムの音響伝播と信号処理を検証することを目的としました。副次的な目的は、固定式アクティブボトムシステムの技術的問題の検討でした。[ 33 ]受信アレイはバミューダ沖のプランタグネットバンク斜面に設置されました。アクティブソースアレイは、第二次世界大戦中に改造されたタンカーUSNS ミッション・カピストラーノから展開されました。[ 34 ]アルテミス計画の要素は、主実験終了後も実験的に使用されました。

トランスポンダ

これは、特定の刺激を受信し、受信した信号または事前に設定された信号を即時（または遅延して）再送信するアクティブソナー装置です。トランスポンダーは、海底機器を遠隔で起動または回収するために使用できます。[ 35 ]

パフォーマンス予測

ソナーターゲットは、発信器を中心とした球体（ターゲットが配置されている球体）に比べて小さい。そのため、反射信号の電力は非常に低く、元の信号よりも数桁も小さくなる。たとえ反射信号が同じ電力であったとしても、次の例（仮想的な値を使用）は問題を示している。ソナーシステムが1mで10,000W/m 2の信号を発信し、0.001W/m 2 の信号を検出できると仮定する。反比例の法則により、 100mでは信号は1W/m 2となる。

信号全体が10m²のターゲットから反射された場合、エミッターに到達した時点では0.001W/m²となり、検出可能なレベルになります。しかし、元の信号は3000mまで0.001W/m²以上の強度を維持します。100mから3000mの間にある10m²のターゲットであれば、同等以上のシステム、あるいはより高性能なシステムを使用すればパルスは検出できますが、エミッターでは検出されません。エコーを拾うには、検出器は非常に高い感度が必要です。元の信号ははるかに強力であるため、ソナーの到達距離の2倍よりも何倍も遠くまで検出できます（例を参照）。

アクティブソナーには、ノイズと残響という2つの性能上の制約があります。一般的には、どちらか一方が支配的となるため、当初は2つの影響を別々に検討することができます。

初期検出時のノイズ制限条件：[ 36 ]

SL − 2PL + TS − (NL − AG) = DT、

ここで、SL はソースレベル、PL は伝播損失（伝送損失と呼ばれることもある）、TS はターゲット強度、NL はノイズレベル、AG は受信アレイのアレイゲイン（指向性指数で近似されることもある）、DT は検出しきい値です。

初期検出時の残響制限条件（アレイゲインを無視）

SL − 2PL + TS = RL + DT、

ここで、RL は残響レベルであり、他の要因は前述と同じです。

ダイバーが使用する手持ち式ソナー

上向きソナー

上方探知ソナー（ULS）は、海面を上向きに探知するソナー装置です。下方探知ソナーと同様の用途に使用されますが、海氷の厚さ、粗度、密度の測定[ 37 ] [ 38 ]、荒天時の気泡噴出による空気の巻き込み量の測定など、独自の用途があります。ULSは海底に係留されるか、100m程度の一定深度に張られた係留索に浮かべられます。また、潜水艦、AUV 、アルゴフロートなどのフロートにも使用されます。[ 39 ]

パッシブソナー

パッシブソナーは音波を送信せずに受信する。[ 40 ]軍事分野でよく用いられるが、科学分野でも利用されている。例えば、様々な水生環境における魚類の存在の有無を調査するための探知などである。パッシブ音響学およびパッシブレーダーも参照のこと。最も広い意味では、この用語は遠隔的に生成された音波を使用するほぼあらゆる分析技術を包含するが、通常は水生環境に適用される技術に限定される。

音源の特定

パッシブソナーは、検知した音源を特定するための多様な技術を備えています。例えば、米国の船舶は通常、60ヘルツ（Hz）の交流電力システムを使用しています。変圧器や発電機が船体から適切な防振対策を施さずに設置されていたり、浸水したりすると、巻線から60Hzの音が潜水艦や船舶から放出される可能性があります。ヨーロッパの潜水艦やほぼすべての国の潜水艦は50Hzの電力システムを搭載しているため、この音は潜水艦の国籍を特定するのに役立ちます。「トランジェント」と呼ばれる断続的な音源（レンチを落とす音など）もパッシブソナーで検知できる場合があります。ごく最近までは、経験豊富な訓練を受けたオペレーターが信号を識別していましたが、現在ではコンピューターでこれを行うことができます。

パッシブソナーシステムは大規模な音響データベースを備えている場合もありますが、最終的にはソナーオペレーターが信号を手動で分類するのが一般的です。コンピュータシステムはこれらのデータベースを頻繁に利用して、船舶の種別、行動（船舶の速度、発射された兵器の種類、そして最も効果的な対抗手段など）、さらには特定の船舶を特定します。

ノイズ制限

車両搭載型のパッシブソナーは、車両自体が発する騒音によって、通常、その性能は著しく制限されます。そのため、多くの潜水艦は、ポンプを使わずに冷却可能な原子炉（静音対流式）、あるいは同様に静音運転が可能な燃料電池やバッテリーを搭載しています。車両のプロペラも、騒音を最小限に抑えるよう設計・精密に機械加工されています。高速プロペラは水中に微細な気泡を発生させることが多く、このキャビテーションは独特の音を発します。

ソナーハイドロフォンは、船舶自体が発する騒音の影響を軽減するために、船舶や潜水艦の後方に曳航されることがあります。曳航されたソナーは、水温躍層の上または下に曳航されるため、 水温躍層の影響も軽減します。

かつて、ほとんどのパッシブソナーの表示は2次元のウォーターフォール表示でした。表示の水平方向は方位、垂直方向は周波数、あるいは時間です。別の表示方法としては、周波数と時間情報を方位に応じて色分けするものがあります。最近の表示はコンピュータによって生成され、レーダー式の平面位置指示器の表示を模倣しています。

パフォーマンス予測

アクティブソナーとは異なり、一方向の伝播のみが行われます。使用される信号処理が異なるため、最小検出信号対雑音比も異なります。パッシブソナーの性能を決定する式は[ 41 ] [ 36 ]です。

SL − PL = NL − AG + DT、

ここで、SLは音源レベル、PLは伝播損失、NLはノイズレベル、AGはアレイゲイン、DTは検出閾値である。パッシブソナーの 性能指数は

FOM = SL + AG − (NL + DT)。

パフォーマンス要因

ソナーの検出、分類、位置特定の性能は、環境と受信機器、およびアクティブソナーの送信機器やパッシブソナーのターゲット放射ノイズによって異なります。

音の伝播

ソナーの動作は、特に垂直面における音速の変化の影響を受けます。淡水中の音速は海水中よりも遅くなりますが、その差はわずかです。音速は水の体積弾性係数と質量密度によって決まります。体積弾性係数は、温度、溶解不純物（通常は塩分）、および圧力の影響を受けます。密度の影響は小さいです。音速（フィート/秒）は、おおよそ以下のとおりです。

4388 + (11.25 × 温度（°F）) + (0.0182 × 深さ（フィート）) + 塩分濃度（1000分の1）。

この経験的に導かれた近似式は、通常の気温、塩分濃度、そしてほとんどの海水深において、かなり正確な値を示します。海水温は水深によって異なりますが、水深30メートルから100メートルの間では、サーモクラインと呼ばれる顕著な変化がしばしば見られます。この変化は、温かい表層水と、残りの海水を構成する冷たく静かな水を分けています。この変化はソナーの性能を低下させる可能性があります。なぜなら、サーモクラインの片側で発生した音は、サーモクラインを通過する際に屈折（屈折）する傾向があるからです。

サーモクライン（水温躍層）は、浅い沿岸水域に存在することがあります。波の作用により水柱が混合され、サーモクラインが消失することがよくあります。水圧も音の伝播に影響を与えます。水圧が高いほど音速が速くなり、音波は音速の高い領域から屈折して遠ざかります。屈折の数学的モデルはスネルの法則と呼ばれます。

音源が深く、条件が適切であれば、「深層音響チャネル」で伝播が発生する可能性があります。この場合、チャネル内の受音器への伝播損失は極めて低くなります。これは、境界での損失がなく、チャネル内で音が閉じ込められるためです。同様の伝播は、適切な条件下では「表面ダクト」でも発生する可能性があります。この場合、表面で反射損失が発生します。

浅瀬では、伝播は通常、表面と底部での反射の繰り返しによって行われ、かなりの損失が発生する可能性があります。

音の伝播は、水自体だけでなく、水面や海底での吸収によっても影響を受けます。この吸収は周波数に依存し、海水中ではいくつかの異なるメカニズムが働きます。長距離ソナーは、吸収の影響を最小限に抑えるために低周波数を使用します。

海には、目標とするエコーやシグネチャーを妨害する多くのノイズ源が存在します。主なノイズ源は波と船舶です。また、受信機が水中を移動すると、速度に依存する低周波ノイズが発生することもあります。

散乱

アクティブソナーを使用すると、海底や海面だけでなく、海中の小さな物体からも散乱が発生します。これが大きな干渉源となる可能性があります。この音響散乱は、霧の中での車のヘッドライトの散乱に似ています。高輝度のペンシルビームは霧をある程度透過しますが、ビーム幅の広いヘッドライトは不要な方向に多くの光を放射し、その多くが観測者に向かって散乱し、目標からの反射光を圧倒してしまいます（「ホワイトアウト」）。同様の理由から、アクティブソナーは散乱を最小限に抑えるために狭いビームで送信する必要があります。

海底に浮かぶ泡雲。文献[ 42 ]より

アクティブソナーは、物体（鉱山、パイプライン、動物プランクトン、地質学的特徴、魚類など）からのソナーの散乱によって物体を検知しますが、この能力は、偽のターゲット、つまり「クラッター」による強い散乱によって隠されてしまう可能性があります。クラッターが発生する場所（砕波の下、[ 43 ]船舶の航跡、海底の浸出や漏出から放出されるガス[ 44 ]など）では、ガス泡が強力なクラッター源となり、ターゲットを容易に隠してしまう可能性があります。TWIPS（ツイン反転パルスソナー）[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]は現在、このクラッター問題を克服できる唯一のソナーです。

泡沫水中の目標探知における標準ソナーとTWIPSの比較。出典[ 45 ]

これは、最近の多くの紛争が沿岸海域で発生しており、機雷の有無を検知できないことで軍艦に危険や遅延が生じ、また紛争終結後も長期間にわたりその地域を支援しようとする護送船団や商船を支援する上で重要である。[ 45 ]

ターゲット特性

潜水艦などのアクティブソナーのターゲットの音波反射特性は、ターゲット強度として知られています。複雑なのは、クジラ、航跡、魚群、岩など、海中の他の物体からのエコーも得られることです。

パッシブソナーは、対象物から放射されるノイズ特性を検出します。放射スペクトルは、特定の周波数でピークを示す 連続的なノイズスペクトルで構成されており、分類に利用できます。

対策

攻撃を受けている船舶は、騒音レベルを上げて大きな偽の標的を提供し、船舶自体の特徴を隠蔽するために、 アクティブ（動力式）対抗手段を発射することがあります。

パッシブ（非電源）対策としては次のようなものがあります。

  • ノイズ発生装置を絶縁装置上に取り付ける。
  • 潜水艦の船体に施された吸音コーティング（無響タイルなど） 。

軍事用途

現代の海軍戦争では、水上艦艇、航空機、固定施設からパッシブソナーとアクティブソナーの両方が広範に使用されています。アクティブソナーは第二次世界大戦で水上艦艇によって使用されましたが、潜水艦は敵軍に存在と位置を明らかにする可能性があるため、アクティブソナーの使用を避けました。しかし、現代の信号処理の出現により、パッシブソナーを捜索および探知活動の主要手段として使用できるようになりました。1987年には、日本の東芝の一部門がソ連に潜水艦のプロペラブレードをフライス加工して大幅に静音化する機械を販売したと伝えられています[ 48 ]。これにより、新型潜水艦は探知されにくくなりました。

潜水艦が方位を決定するためにアクティブソナーを使用することは極めて稀であり、必ずしも潜水艦の射撃管制チームに高品質の方位または距離情報を提供するわけではありません。しかし、水上艦艇におけるアクティブソナーの使用は非常に一般的であり、戦術的状況により、潜水艦自身の位置を隠すことよりも敵潜水艦の位置を特定することの方が重要である場合に潜水艦によって使用されます。水上艦艇の場合、ソナーを発信している周囲の船舶はいずれもその発信を検出するため、脅威がすでに衛星データで船舶を追跡していると考えられる場合があります。信号を聞くと、使用されているソナー装置（通常は周波数で）とその位置（音波のエネルギーで）を簡単に特定できます。アクティブソナーは、一定の距離にある目標を検出できる一方で、望ましくないほど遠い距離で発信源を検出できるという点でレーダーに似ています。

アクティブソナーは操作者の存在と位置を明らかにし、目標を正確に分類できないため、高速機（飛行機、ヘリコプター）や騒音の多いプラットフォーム（ほとんどの水上艦）で使用されますが、潜水艦ではほとんど使用されません。水上艦や潜水艦がアクティブソナーを使用する場合、通常は検出リスクを最小限に抑えるため、非常に短時間、断続的に作動させます。したがって、アクティブソナーは通常、パッシブソナーのバックアップとして考えられます。航空機では、アクティブソナーは使い捨てのソノブイの形で使用され、航空機の哨戒区域内または敵のソナー接触の可能性がある場所に投下されます。

パッシブソナーにはいくつかの利点がありますが、最も重要なのは静音性です。目標からの放射ノイズレベルが十分に高ければ、アクティブソナーよりも広い範囲をカバーし、目標を識別できます。動力付き物体はある程度の音を出すため、放射ノイズのレベル、周囲の騒音レベル、そして使用される技術によっては、原理的には検出可能です。簡単に言えば、パッシブソナーは船の周囲を「見る」のです。潜水艦では、船首に搭載されたパッシブソナーが船の進行方向を中心に約270°の方向を、船体に搭載されたアレイが左右約160°の方向を、そして曳航されたアレイが全360°の方向を検知します。検知できない領域は、船自身の干渉によるものです。

特定の方向で信号が検出されると（つまり、その方向で何かが音を発していることを意味します。これを広帯域検出と呼びます）、受信した信号を拡大して分析することができます（狭帯域分析）。これは通常、フーリエ変換を用いて音を構成する様々な周波数を示すことで行われます。すべてのエンジンは特定の音を発するため、物体を特定するのは簡単です。固有のエンジン音のデータベースは、音響インテリジェンス（ACINT）と呼ばれるものの一部です。

パッシブソナーのもう一つの用途は、目標の軌道を決定することです。このプロセスは目標運動解析（TMA）と呼ばれ、その結果得られる「解」は目標の距離、針路、速度です。TMAは、異なる時間に音がどの方向から来たかを記録し、それを自船の運動と比較することによって行われます。相対運動の変化は、標準的な幾何学的手法と、いくつかの限界ケースに関する仮定を用いて解析されます。

パッシブソナーはステルス性に優れています。ハイテクな電子部品を必要とします。一般的には、探知性能を高めるためにアレイ状に配置され、先進的な艦艇に搭載されています。水上艦艇と潜水艦で使用されています。また、航空機やヘリコプターにも搭載されていますが、潜水艦は熱線の下に潜ることができるため、主に「奇襲効果」を目的としています。潜水艦の艦長は、潜水艦が単独で航行していると判断した場合、潜水艦を水面に近づけて探知しやすくしたり、より深く、より速く航行してより大きな音を発したりするかもしれません。

軍事用途におけるソナーの応用例を以下に示します。以下のセクションで示す民生用途の多くは、海軍用途にも適用できる可能性があります。

対潜水艦戦

可変深度ソナーとそのウインチ

最近まで、船舶用ソナーは船体中央または船首に搭載された船体搭載型アレイが一般的でした。しかし、最初の使用後すぐに、流水騒音を低減する手段が必要であることが判明しました。当初は帆布製のフレームが使用され、その後鋼鉄製のものが使用されるようになりました。現在では、ドーム型ソナーは通常、強化プラスチック製または加圧ゴム製です。このようなソナーは、主に作動時に作動します。従来型の船体搭載型ソナーの例として、SQS-56が挙げられます。

船舶騒音の問題から、曳航式ソナーも使用されています。曳航式ソナーは水深深くに設置できるという利点がありますが、浅瀬では使用が制限されます。これらは曳航式アレイ（リニア）または2次元/3次元アレイを備えた可変深度ソナー（VDS）と呼ばれます。問題は、展開/回収に必要なウインチが大型で高価であることです。VDSは主に能動的に作動しますが、曳航式アレイは受動的です。

最新のアクティブ/パッシブ型船舶曳航式ソナーの一例として、Thales Underwater Systems社製のSonar 2087が挙げられます。

魚雷

現代の魚雷は一般的にアクティブ／パッシブソナーを搭載しています。これは目標に直接ホーミングするために使用される場合もありますが、航跡を追尾する魚雷も使用されます。音響ホーマーの初期の例としては、マーク37魚雷が挙げられます。

魚雷対策には、曳航式と自由式があります。初期の例としてはドイツのジークリンデがあり、ボールドは化学兵器でした。広く使用されたアメリカの装置は曳航式のAN/SLQ-25ニキシーで、自由式装置としては移動式潜水艦シミュレータ（MOSS）がありました。ニキシーシステムの現代的な代替として、英国海軍のS2170水上艦魚雷防御システムがあります。

鉱山

地雷には、目標を検知、位置を特定、認識するためのソナーが装備されることがあります。一例として、CAPTOR地雷が挙げられます。

地雷対策

機雷対策ソナー（MCMソナー）は、機雷・障害物回避ソナー（MOAS）とも呼ばれ、小型物体の探知に使用される特殊なソナーです。ほとんどのMCMソナーは船体搭載型ですが、一部の機種はVDS（対潜水艦）方式を採用しています。船体搭載型MCMソナーの例として2193型があり、SQQ-32機雷探知ソナーと2093型システムはVDS方式を採用しています。

潜水艦航行

潜水艦は水中ではレーダーを使用できないため、水上艦よりもソナーに大きく依存します。ソナーアレイは船体搭載型または曳航型です。典型的な装備に関する情報は、おやしお型潜水艦およびスウィフトシュア型潜水艦に記載されています。

航空機

H-3シーキングから展開されたAN/AQS-13ディッピングソナー

ヘリコプターは、アクティブ・パッシブ・ソノブイ群を展開することで対潜水艦戦に活用できるほか、AQS-13などのディッピングソナーを運用することもできます。固定翼航空機もソノブイを展開することができ、より長い航続距離と展開能力を備えています。ソノブイやディッピングソナーからの信号処理は、航空機または艦船上で行うことができます。ディッピングソナーは、日常の状況に適した深度に展開できるという利点があります。ヘリコプターは、 AQS-20Aなどの曳航式ソナーを用いた機雷掃海任務にも使用されています。

水中通信

専用のソナーを船舶や潜水艦に取り付けて水中通信を行うことができます。

海洋監視

アメリカ合衆国は1950年、アメリカ電話電信会社（AT&T）と共同で、音響監視システム（SOSUS）という機密名称で、受動型固定式海洋監視システムを開始しました。開発と設置は、ベル研究所の研究部門とウェスタン・エレクトリック社の製造部門に委託されました。このシステムは、 SOFARチャンネル（深海音響チャンネルとも呼ばれる）を利用しました。このチャンネルでは、音速が最小となる導波管が形成され、低周波音が数千マイルも伝わります。[ 49 ] [ 50 ]

分析はAT&Tの音響スペクトログラフに基づいており、これは音声分析用に開発され、低周波水中音の分析用に改良された、音を時間周波数分析を表す視覚スペクトログラムに変換するものでした。このプロセスは「低周波分析・記録」と呼ばれ、機器は「低周波分析・記録装置」と名付けられ、どちらも頭字語としてLOFARが付けられました。LOFARの研究は「イゼベル」と呼ばれ、空中および水上システム、特にこのプロセスを採用し、時には「イゼベル」という名称が付けられたソノブイで利用されるようになりました。[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]提案されたシステムは長距離潜水艦探知に非常に有望であったため、海軍は直ちに導入を命じました。[ 50 ] [ 53 ]

NAVFAC監視フロア上の各アレイビームに1つずつ設置されたLofargramライター

1951年から1958年にかけて試験アレイが設置され、その後、40素子の実規模プロトタイプアレイが大西洋、そして太平洋に設置されました。これは非機密扱いのプロジェクト・シーザーという名称でした。当初のシステムは、海軍施設（NAVFAC）と名付けられた機密指定の沿岸局に接続され、機密任務を遂行するための「海洋研究」に従事していると説明されていました。システムは、より高度なケーブルによって複数回アップグレードされ、アレイを海域に設置し、処理能力を向上させることが可能になりました。[ 49 ] [ 50 ]

1990年代にかけて、沿岸局は統合化と中央処理センターへのアレイ再配置の過程で廃止されました。1985年には、新しい移動式アレイやその他のシステムが運用を開始したことに伴い、システム全体の名称が統合海中監視システム（IUSS）に変更されました。1991年には、システムの任務が機密解除されました。その前年には、IUSSの記章の着用が許可されました。一部のシステムへのアクセスは、科学研究のために許可されました。[ 49 ] [ 50 ]

同様のシステムがソビエト連邦でも運用されていたと考えられています。

水中セキュリティ

ソナーは、フロッグマンや他のスキューバダイバーの探知に使用できます。これは船舶周辺や港湾入口などで利用できます。アクティブソナーは、抑止力や無力化の手段としても使用できます。そのような装置の一つに、ケルベロスシステムがあります。

AN/PQS-2Aハンドヘルドソナー。取り外し可能な浮輪と磁気コンパスを装備。

手持ちソナー

リムペット機雷画像ソナー (LIMIS) は、視程の悪い水域でリムペット機雷を探す巡回ダイバー (戦闘潜水員または掃海ダイバー) 向けに設計された手持ち式またはROV搭載型の画像ソナーです。

LUIS は、ダイバーが使用するもう 1 つの画像ソナーです。

統合航法ソナーシステム（INSS）は、距離を表示する小型の懐中電灯型のダイバー用手持ちソナーです。[ 54 ] [ 55 ]

インターセプトソナー

これは敵のアクティブソナーからの発信を検知し、その位置を特定するために設計されたソナーです。英国のヴァンガード級潜水艦に搭載されている2082型ソナーがその例です。

民間用途

漁業

漁業は需要が伸びている重要な産業ですが、深刻な資源問題の影響で世界の漁獲量は減少しています。持続可能な状態に到達するまで、漁業は世界的な統合が進むと予想されます。しかしながら、漁船団の統合は、センサー、音響探知機、ソナーといった高度な魚群探知電子機器への需要の高まりを促しています。歴史的に、漁師は魚の探知と漁獲に様々な技術を用いてきました。しかし、音響技術は現代の商業漁業の発展を牽引する最も重要な要素の一つです。

魚の浮袋は空気で満たされており、その密度は海水とは異なるため、音波は水中を伝わり方が異なります。この密度差を利用して、反射音から魚群を探知することができます。音響技術は、空気中よりも水中では音速が速く、より遠くまで伝わるため、特に水中での使用に適しています。今日、商業漁船は魚群探知に音響ソナーと音響測深機をほぼ完全に利用しています。漁師は、水深、海底地形、海底組成の特定にもアクティブソナーと音響測深機を使用しています。

魚群探知機ソナーのキャビンディスプレイ

eSonar、 Raymarine 、Marport Canada、Wesmar、Furuno、Krupp、Simradなどの企業は、深海商業漁業向けに様々なソナーおよび音響機器を製造しています。例えば、ネットセンサーは水中で様々な測定値を取得し、その情報を船上の受信機に送信します。各センサーには、その機能に応じて1つまたは複数の音響トランスデューサーが搭載されています。データは無線音響テレメトリを使用してセンサーから送信され、船体に取り付けられたハイドロフォンで受信されます。アナログ信号はデジタル音響受信機によってデコードされ、データに変換されます。このデータはブリッジコンピュータに送信され、高解像度モニターにグラフィック表示されます。

エコーサウンディング

エコー測深は、船舶の水深を測定するために用いられる手法です。アクティブソナーの一種であるエコー測深は、海底に向けて音響パルスを直接発信し、発信された音響パルスが海底に到達して元の船舶に反射して戻ってくるまでの時間を測定し、その反射波の反射時間を測定し、その反射波の反射時間から水深を測定します。音響パルスはトランスデューサーから発信され、トランスデューサーは反射波も受信します。水深は、水中での音速（平均1,500メートル/秒）と発信から反射までの時間を乗じて算出されます。[ 56 ]

漁業における水中音響の価値により、エコーサウンダと同様に動作する他の音響機器が開発されましたが、その機能はエコーサウンダの初期モデルとは若干異なるため、異なる用語が付けられています。

ネットロケーション

ネットサウンダは、船底ではなく網の見出しにトランスデューサを搭載したエコーサウンダです。しかし、トランスデューサから表示装置までの距離が通常のエコーサウンダよりもはるかに長いため、それを吸収するためにいくつかの改良が必要です。主に 2 つのタイプがあります。1 つ目は、信号がケーブルに沿って送信されるケーブル タイプです。この場合、操作のさまざまな段階でケーブルを巻き上げ、発射し、収納するためのケーブル ドラムを用意する必要があります。2 つ目は、Marport の Trawl Explorer などのケーブルレス ネットサウンダで、信号は網と船体に取り付けられた受信機兼ハイドロフォンの間で音響的に送信されます。この場合、ケーブル ドラムは必要ありませんが、トランスデューサと受信機には高度な電子機器が必要です。

網測深機のディスプレイには、エコーサウンダーの船体取り付け型トランスデューサーのように水深を表示するのではなく、網の底（または表面）からの距離が表示されます。網の見出しに固定されているフットロープは通常見ることができ、網の性能の指標となります。網に入る魚も見ることができるため、微調整を行ってできるだけ多くの魚を捕獲できます。網の中の魚の量が重要な他の漁業では、網のコッドエンドのさまざまな位置に漁獲センサートランスデューサーが取り付けられています。コッドエンドがいっぱいになると、これらの漁獲センサートランスデューサーが 1 つずつ作動し、この情報が船のブリッジにあるディスプレイモニターに音響で送信されます。その後、船長は網を引き上げるタイミングを決定できます。

複数要素トランスデューサーを使用する現代のネットサウンダーは、エコーサウンダーよりもソナーのように機能し、初期のネットサウンダーが使用した垂直ビューだけでなく、ネットの前の領域のスライスを表示します。

ソナーは、船舶の周囲の魚やその他の物体を表示できる方向性機能を備えた音響測深機です。

ROVとUUV

遠隔操作型無人潜水艇（ROV）や無人潜水艇（UUV）には、濁った水面下でも航行できるよう小型ソナーが搭載されています。これらのソナーは、車両の前方を視認するために使用されます。AN /BLQ-11長期機雷偵察システムは、対機雷戦（MCM）用のUUVです。

車両の位置

航空機にはビーコンとして機能するソナーが装備されており、海上での墜落事故の際に位置を特定することができます。LBLなどの短基線ソナーや長基線ソナーも位置特定に使用されます。

視覚障害者のための義肢

2013年、アメリカの発明家が超音波センサーと触覚フィードバックシステムを備えた「スパイダーセンス」ボディスーツを発表しました。このボディスーツは着用者に迫り来る脅威を警告し、目隠しをされていても攻撃者に反応することができます。[ 57 ]

科学的応用

バイオマス推定

アクティブソナー技術を用いて、魚類やその他の海洋生物や水生生物を検出し、それらの個体サイズや総バイオマスを推定します。音波パルスは周囲の媒体とは密度の異なる物体に反射します。これには魚類、より具体的には魚類の浮袋が含まれます。[ 58 ]これらの反射波から、魚類のサイズ、位置、個体数、行動に関する情報が得られます。これは特に浮袋を持つ魚類（ニシン、タラ、スケトウダラなど）に有効ですが、浮袋を持たない魚類（サメ、サバ、ヒラメなど）にはあまり役に立ちません。[ 59 ]水柱のデータは通常、海底データや物体検出データとは異なる方法で処理されます。このデータタイプは専用のソフトウェアで処理できます。[ 58 ]

波の測定

海底またはプラットフォーム上に設置された上向きの音響測深機は、波高と周期の測定に使用できます。これにより、特定の地点における表面状況の統計を導き出すことができます。

水流速度測定

水の速度を測定できるように特別な短距離ソナーが開発されました。

底質評価

海底を泥、砂、砂利などに分類できるソナーが開発されています。エコーサウンダーなどの比較的シンプルなソナーは、アドオンモジュールを追加することで海底分類システムに昇格し、エコーパラメータを堆積物の種類に変換することができます。様々なアルゴリズムが存在しますが、いずれも反射音のエネルギーや形状の変化に基づいています。校正済みの（科学的な）エコーサウンダーと音響データのパラメトリック解析またはファジーロジック解析を用いることで、高度な海底分類分析が可能になります。

水深測量図

マルチビームおよびサイドスキャンソナー操作を行っている水路測量船を示す図

サイドスキャンソナーは、海底のすぐ上でソナーを移動させることで、海底地形図（測深図）を作成することができます。GLORIAなどの低周波ソナーは大陸棚全域の調査に使用され、高周波ソナーはより狭い範囲の詳細な調査に使用されます。

大型水上艦の船体搭載型マルチビーム音響測深機は、広範囲の水深データをほぼリアルタイムで生成します。例えば、汎用機器「シービーム」システムは、船底に投影アレイを設置し、ファンビームで海底を音響化します。船体横方向に設置されたハイドロフォンアレイからの信号を処理し、投影ビームと直角に交差する複数の仮想ファンビームを合成します。

ソナー画像

ソナーデータを使用して 2 次元および 3 次元画像を作成します。

サブボトムプロファイリング

海底上層のプロファイルを提供するための強力な低周波エコーサウンダーが開発されました。最新の機器の一つとして、Innomar社のSES-2000 quattroマルチトランスデューサーパラメトリックSBPがあり、例えばパック湾では水中考古学調査に使用されています。[ 60 ]

海底からのガス漏れ検知

ガス泡は海底または海底付近から複数の発生源から漏れ出す可能性があります。これらはパッシブソナー[ 61 ]とアクティブソナー[ 44 ]の両方で検出できます（模式図[ 61 ]ではそれぞれ黄色と赤色のシステムで示されています）。

海底（自然湧出部およびCCSF漏出部）およびガスパイプラインからの気泡のアクティブ（赤）およびパッシブ（黄）ソナー検出。参考文献[ 61 ]より引用。

メタンと二酸化炭素の自然な漏出が起こる。[ 44 ]ガスパイプラインは漏れる可能性があり、炭素回収貯留施設（CCSF；抽出された大気中の炭素を貯留する枯渇した油井など）からの漏れが起こっているかどうかを検出できることが重要である。[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]ガス漏れの量を定量化することは困難であり、アクティブソナーとパッシブソナーを使用して推定することは可能であるが、ソナーデータからそのような推定を行うことには固有の仮定があるため、その正確性に疑問を呈することが重要である。[ 61 ] [ 66 ]

合成開口ソナー

様々な合成開口ソナーが研究室で開発されており、その一部は機雷探知・捜索システムに利用されています。その動作については、合成開口ソナーの項で説明されています。

パラメトリックソナー

パラメトリック光源は、水の非線形性を利用して2つの高周波間の差周波数を生成する。仮想的なエンドファイアアレイが形成される。このようなプロジェクターは、広い帯域幅、狭いビーム幅、そして完全に開発され注意深く測定された場合には明らかなサイドローブがないという利点を持つ（パラメトリックアレイを参照）。主な欠点は、効率がわずか数パーセントと非常に低いことである。[ 67 ] PJ Westerveltは関連する動向を要約している。[ 68 ]

地球外におけるソナー

アクティブソナーとパッシブソナーの両方の使用が、様々な地球外環境で提案されている。[ 69 ]一例としてはタイタンが挙げられ、アクティブソナーは炭化水素の海の深さを決定するために使用でき、[ 70 ]パッシブソナーはメタンの降下を検出するために使用できる。[ 71 ]

地球環境と地球外環境の違いを適切に考慮しない提案は、誤った測定につながる可能性がある。[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]

生態学的影響

海洋哺乳類への影響

ザトウクジラ​

研究によると、アクティブソナーの使用は海洋哺乳類の大量座礁につながる可能性があることが示されている。[ 78 ]座礁で最も被害が大きいアカボウクジラは、中周波アクティブソナーに非常に敏感であることがわかっている。[ 79 ]シロナガスクジラなどの他の海洋哺乳類もソナーの発生源から逃げるが、[ 80 ]海軍の活動がイルカの大量座礁の最も可能性の高い原因であると示唆されている。[ 81 ]

一部の研究に資金提供した米海軍は、今回の研究結果はソナーに対する行動反応を示しただけで、実際の危害は示していないものの、「新たな研究結果を踏まえ、海洋哺乳類保護対策の有効性を評価する」と述べた。[ 78 ] 2008年の米海軍によるソナー使用に関する最高裁判所の判決では、ソナーが海洋哺乳類に危害を加えたり殺したりしたと決定的に示された事例はないと指摘されている。[ 82 ]

クジラやイルカなどの一部の海洋動物は、エコーロケーションシステム（バイオソナーと呼ばれることもある）を用いて捕食者や獲物の位置を特定します。南カリフォルニア湾におけるシロナガスクジラへのソナーの影響に関する研究では、中周波ソナーの使用がクジラの摂食行動を阻害することが示されています。これは、ソナーによる摂食阻害や良質な獲物群からの排除が、ヒゲクジラの採餌生態、個体の適応度、そして個体群の健全性に、これまで記録されていない重大な影響を及ぼす可能性があることを示唆しています。[ 83 ]

ソナーが使用された海軍演習に関連したアカボウクジラの大量座礁に関する証拠のレビューが2019年に発表された。このレビューでは、中周波アクティブソナーの影響はアカボウクジラに最も強く現れるが、個体群や集団によって異なると結論付けられている。このレビューでは、個々の動物の反応の強さはソナーへの曝露歴の有無によって異なる可能性があり、座礁したクジラにはソナーへの反応の結果である可能性のある減圧症の症状が見つかっていることが示唆されている。また、以前に複数の座礁が報告されていたカナリア諸島では、ソナーが使用される海軍演習が同海域で禁止されてからは大量座礁が発生しなくなったと指摘し、大量座礁が引き続き発生している他の海域にも禁止を拡大することを推奨した。[ 84 ] [ 85 ]

魚への影響

低周波ソナーは、一部の魚の聴覚閾値に一時的な小さな変化を引き起こす可能性がある。 [ 86 ] [ 87 ] [ a ]

周波数と解像度

ソナーの周波数は、超低周波から1メガヘルツ以上までの範囲にわたります。一般的に、周波数が低いほど探知距離は長くなり、周波数が高いほど解像度が高く、一定の指向性であればサイズも小さくなります。

1kHz以下の周波数では、適切な指向性を実現するために、 通常は曳航式アレイで実現される大きなサイズが必要になります。[ 88 ]

低周波ソナーは1～5kHzと大まかに定義されていますが、一部の海軍では5～7kHzも低周波とみなしています。中周波は5～15kHzと定義されています。別の区分法では、低周波は1kHz未満、中周波は1～10kHzとされています。[ 88 ]

第二次世界大戦時代のアメリカのソナーは、比較的小型のトランスデューサーで指向性を確保するために、20～30kHzという比較的高い周波数で動作し、典型的な最大動作距離は2,500ヤードであった。戦後のソナーはより低い周波数を使用してより長い距離を実現した。例えば、SQS-4は10kHzで動作し、最大範囲は5,000ヤードであった。SQS-26とSQS-53は3kHzで動作し、最大範囲は20,000ヤードであった。これらのソナーのドームは約60フィートの人員ボートと同程度の大きさで、これは従来の船体ソナーの上限サイズであった。船体全体に広がるコンフォーマルソナーアレイでより大きなサイズを実現することはこれまで効果的ではなく、そのため低周波数では線形アレイまたは曳航アレイが使用されている。[ 88 ]

第二次世界大戦中の日本のソナーは、様々な周波数で動作した。91型は30インチの石英プロジェクターを搭載し、9kHzで動作した。93型はより小型の石英プロジェクターを搭載し、17.5kHz（モデル5は16kHzまたは19kHzの磁歪式）で動作し、出力は1.7～2.5kW、距離は最大6kmだった。後期の3型はドイツ設計の磁歪式トランスデューサーを搭載し、モデルにより13、14.5、16、または20kHzで動作し、ツイントランスデューサー（モデル1は3つのシングルトランスデューサーを搭載）を使用し、出力は0.2～2.5kWだった。簡易型は14.5kHzの磁歪式トランスデューサーを0.25kWで使用し、発振器ではなく容量放電で駆動し、距離は最大2.5kmだった。[ 25 ]

ソナーの解像度は角度によるため、遠くにある物体は近くの物体よりも低い解像度で画像化されます。

別の情報源では、サイドスキャンソナーの周波数と距離、解像度の関係が示されています。30kHzでは1000～6000mの範囲で低解像度、100kHzでは500～1000mの範囲で中解像度、300kHzでは150～500mの範囲で高解像度、600kHzでは75～150mの範囲で高解像度となります。より長距離のソナーは、水の不均質性の影響をより強く受けます。海岸近くの浅瀬など、複雑な地形で特徴的な地形を持つ環境もあり、そのような環境ではより高い周波数が必要になります。[ 89 ]

参照

説明ノート

  1. ^ Halvorsenら（2013）は、観測された影響は「魚がソナーの近くにいて、3つのテスト信号の全期間そこに留まっていたにもかかわらず、通常は小さかった」と結論付けています。

引用

  1. ^ユルゲン・ローワー、ミハイル・モナコフ、ミハイル・S・モナコフ（2001年）『スターリンの外洋艦隊：ソ連海軍戦略と造船計画、1935～1953年』心理学出版社、264頁。ISBN 978-0-7146-4895-8。
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水産音響学の参考文献

さらに読む

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