水中音響
簡略化された海洋環境における水中音響伝播のコンピュータ モデルの出力。
マルチビームソナーで作成された海底地図

水中音響学（水中音響学とも呼ばれる）は、水中における音の伝播、および音を構成する機械波と水、その内容物、そして境界との相互作用を研究する学問です。水は、海、湖、川、または水槽など、様々な場所にあります。水中音響学に関連する典型的な周波数は、10 Hzから1 MHzです。10 Hz未満の周波数では、海中における音の伝播は通常、海底深くまで浸透しなければ不可能ですが、1 MHzを超える周波数は吸収が非常に速いため、ほとんど使用されません。

水中音響は、ソナー技術を用いて、水中の物理的および生物学的特性のモニタリングに最も一般的に用いられています。水中音響は、水深（水深測量）だけでなく、水中の植物[ 1 ]や動物の有無、生息数、分布、大きさ、行動の検出にも用いられます。水中音響センシングには、「受動音響」（音を聴く）と「能動音響」 （音を発して反響を聴く）の2つの方法があり、この装置は通常、エコーサウンダーまたはエコーサウンダーと呼ばれます。

船舶の騒音には様々な原因があります。これらは、プロペラによる騒音、機械による騒音、そして船体の水中移動による騒音に分けられます。これら3つのカテゴリーの相対的な重要性は、船舶の種類などによって異なります。

完全に水没した揚力面から発生する水中音響騒音の主な原因の一つは、揚力面後縁付近の非定常剥離乱流です。この乱流は揚力面上で圧力変動を引き起こし、近傍後流には非定常振動流を生じます。揚力面と海洋の相対運動により、揚力面を取り囲む乱流境界層（TBL）が形成されます。このTBL内の速度場と圧力場の変動によって騒音が発生します。

水中音響学の分野は、ソナー、変換、信号処理、音響海洋学、生物音響学、物理音響学など、他の多くの音響研究分野と密接に関連しています。

歴史

水中の音は、おそらく何百万年もの間、海洋生物によって利用されてきた。水中音響学の科学は、レオナルド・ダ・ヴィンチが次のように記した1490年に始まった。 [ 2 ]

「船を止めて長い管の先端を水の中に入れ、その先端を耳に当てると、はるか遠くの船の音が聞こえるだろう。」

1687年、アイザック・ニュートンは「自然哲学の数学的原理」を著し、音に関する最初の数学的処理を盛り込んだ。水中音響学の発展における次の大きなステップは、スイス人物理学者のダニエル・コラドンとフランス人数学者のシャルル・シュトゥルムによって成し遂げられた。1826年、レマン湖で彼らは、水中聴音器を使用して水中に沈んだ船の鐘の音と閃光の間の経過時間を測定した。[ 3 ]彼らは17キロメートル(km)の距離で毎秒1435メートルの音速を測定し、水中での音速を初めて定量的に測定した。[ 4 ]彼らが得た結果は、現在受け入れられている値の約2%以内であった。1877年、レイリー卿が音響理論を著し、現代の音響理論を確立した。

1912年のタイタニック号の沈没と第一次世界大戦の勃発は、水中音響学における次の進歩の波のきっかけとなった。氷山やUボートを探知するシステムが開発された。1912年から1914年にかけて、ヨーロッパと米国で数多くのエコーロケーションの特許が認められ、1914年にはレジナルド・A・フェッセンデンによるエコーレンジャーが完成した。この時期、フランスではポール・ランジュバン、イギリスではAB・ウッドとその仲間たちが先駆的な研究を行った。[ 5 ]アクティブASDICとパッシブソナー（音響航法と測距）の開発は、潜水艦の初の大規模配備に牽引され、戦時中は急速に進んだ。水中音響学におけるその他の進歩としては、音響機雷の開発が挙げられる。

1919年、水中音響に関する最初の科学論文[ 6 ]が発表され、海中の温度と塩分濃度の勾配によって生じる音波の屈折が理論的に記述されました。この論文で予測された到達距離は、伝搬損失の測定によって実験的に検証されました。

その後の20年間は、水中音響の様々な応用が発展しました。1920年代には、ファソメーター（深度計）と呼ばれる測深機が商業的に開発されました。当初は天然素材がトランスデューサーに使用されていましたが、1930年代には合成素材製の圧電トランスデューサーを組み込んだソナーシステムが、受動聴音システムや能動エコー測距システムに利用されるようになりました。これらのシステムは、第二次世界大戦中、潜水艦と対潜水艦の両方で効果的に使用されました。水中音響学における多くの進歩は、後に1946年に出版された『Physics of Sound in the Sea』シリーズにまとめられました。

第二次世界大戦後、ソナーシステムの開発は主に冷戦によって推進され、コンピューターベースの技術の助けを借りて、水中音響の理論的および実践的理解が進歩しました。

理論

水中、海底の音波

水中を伝播する音波は、水の圧縮と希薄化を交互に繰り返すことで構成されます。これらの圧縮と希薄化は、人間の耳やハイドロフォンなどの受信機によって圧力の変化として検出されます。これらの波は、人工的に生成されたものでも、自然に発生したものでも構いません。

音速、密度、インピーダンス

音速（つまり、波面の縦方向の動き）は、波 の周波数および波長と次の関係があります。 c{\displaystyle c\,}f{\displaystyle f\,}λ{\displaystyle \lambda \,}c＝f⋅λ{\displaystyle c=f\cdot \lambda }

これは、音による媒体内の分子の運動を指し、平面波圧力を流体の密度と音速に関連付ける粒子速度 とは異なります。 あなた{\displaystyle u\,}p{\displaystyle p\,}ρ{\displaystyle \rho \,}c{\displaystyle c\,}p＝c⋅あなた⋅ρ{\displaystyle p=c\cdot u\cdot \rho }

上記の式から得られると の積は、特性音響インピーダンスと呼ばれます。単位面積を横切る音響パワー（1秒あたりのエネルギー）は波の強度と呼ばれ、平面波の場合、平均強度は で与えられます。ここでは二乗平均平方根音圧 です。c{\displaystyle c}ρ{\displaystyle \rho \,}私＝q2/（ρc）{\displaystyle I=q^{2}/(\rho c)\,}q{\displaystyle q\,}

1kHzでは、水中での波長は約1.5mです。「音速」という用語が使われることもありますが、これはスカラー値であるため誤りです。

空気と水の間の大きなインピーダンス差（比は約3600）と表面粗さの規模により、海面は1kHz未満の周波数においてほぼ完全な音波反射体として機能します。水中の音速は空気中の音速の4.4倍であり、密度比は約820です。

音の吸収

低周波音の吸収は弱い。[ 7 ] （オンライン計算機については、技術ガイド「海水中の音の吸収計算」を参照）。淡水中、および海水中の高周波（100kHz以上）における音の減衰の主な原因は粘性である。海水中の低周波における追加の寄与は、ホウ酸（約10kHzまで）[ 7 ]および硫酸マグネシウム（約10kHz～100kHz）のイオン緩和と関連している。 [ 8 ]

音は流体境界での損失によって吸収される可能性があります。海面近くでは気泡層や氷の中で損失が生じる可能性がありますが、海底では音が堆積物に浸透して吸収される可能性があります。

音の反射と散乱

境界相互作用

水面と水底はともに反射と散乱の境界です。

表面

多くの用途において、海面と空気面は完全な反射体と考えることができます。インピーダンスの差が非常に大きいため、この境界を越えるエネルギーはほとんどありません。海面から反射された音圧波は位相反転を起こし、これはしばしば「π位相変化」または「180度位相変化」と呼ばれます。これは数学的には、海面の反射係数をプラス1ではなくマイナス1とすることで表されます。[ 9 ]

高周波（約1 kHz以上）や海が荒れている場合には、入射音の一部が散乱されます。これを考慮して、反射係数の値は1未満とします。例えば、垂直入射に近い場合、反射係数は となります。ここで、hは実効値波高です。 [ 10 ]R＝−e−2け2h2罪2⁡あ{\displaystyle R=-e^{-2k^{2}h^{2}\sin ^{2}A}}

さらに複雑なのは、風で発生した泡や海面近くに魚がいることです。[ 11 ] 泡はプルームを形成し、入射音や散乱音の一部を吸収したり、泡自体が音の一部を散乱させたりします。[ 12 ]

海底

水と底との間の音響インピーダンス不整合は、一般的に表面よりもはるかに小さく、より複雑です。これは底質の種類と層の深さに依存します。この場合の底部における音の伝播を予測するための理論は、例えばBiot [ 13 ]やBuckingham [ 14 ]によって開発されています。

ターゲットで

音波の波長に比べて大きな寸法を持つ標的における音波の反射は、標的の大きさと形状、そして水のインピーダンスに対する標的のインピーダンスに依存する。様々な単純な形状の標的強度を音波の入射角の関数として表す公式が開発されている。より複雑な形状は、これらの単純な公式を組み合わせることで近似できる。[ 2 ]

音の伝播

水中での音響伝播は多くの要因に左右されます。音の伝播方向は、水中の音速勾配によって決まります。これらの速度勾配は、屈折、反射、分散によって音波を変換します。海中では、一般的に垂直勾配は水平勾配よりもはるかに大きくなります。これと、深海では圧力の上昇により深度が増すにつれて音速が増加する傾向が相まって、サーモクラインにおける音速勾配が逆転し、最小音速に対応する深度で効率的な導波路が形成されます。音速プロファイルによって、「シャドウゾーン」と呼ばれる音の強度が低い領域と、「コースティック」と呼ばれる強度が高い領域が生じることがあります。これらはレイトレーシング法 によって見つけることができます。

海洋の赤道および温帯緯度では、表面温度は圧力の影響を逆転させるほど高く、音速の最小値は深さ数百メートルで発生します。この最小値の存在により、深海音響チャンネルまたは SOFAR ( sound fixing and ranging) チャンネルと呼ばれる特殊なチャンネルが形成され、海面や海底と相互作用することなく、水中音を数千キロメートルにわたって誘導伝播できます。深海におけるもう 1 つの現象は、収束帯と呼ばれる音の焦点領域の形成です。この場合、音は表面近くの音源から下方に屈折し、その後再び上方に向かいます。これが発生する音源からの水平距離は、正および負の音速勾配によって異なります。表面ダクトは、たとえば表面温度が低いために上方屈折がある場合、深海とやや浅い水の両方で発生することもあります。伝播は、音が表面で繰り返し反射することによって行われます。

一般に、水中で音が伝播するとき、距離が増加するにつれて音の強度は減少しますが、状況によっては集束により利得が得られます。 伝播損失（透過損失と呼ばれることもある）は、2 点間（通常は音源と遠くの受信機）の音の強度の減少を定量的に表したものです。 が音源の音響中心から 1 m の点を基準とした遠距離場の強度で、が受信機における強度である場合、伝播損失は[ 2 ]で与えられます。この式では、 は受信機における真の音響強度（ベクトル量）ではなく、音場の等価平面波強度（EPWI）に等しいスカラーです。EPWI は、真の音響場と同じ RMS 圧力の平面波の強度の大きさとして定義されます。短距離では伝播損失は拡散によって支配されますが、長距離では吸収や散乱による損失によって支配されます。 私s{\displaystyle I_{s}}私r{\displaystyle I_{r}}PL＝10ログ⁡（私s/私r）{\displaystyle {\mathit {PL}}=10\log(I_{s}/I_{r})}私r{\displaystyle I_{r}}

強度の代わりに圧力で定義することも可能であり、[ 15 ]は となる。ここで、 はプロジェクターの遠距離場におけるRMS音圧で、標準距離1mにスケール化されており、 は 受信機位置におけるRMS圧力である。 PL＝20ログ⁡（ps/pr）{\displaystyle {\mathit {PL}}=20\log(p_{s}/p_{r})}ps{\displaystyle p_{s}}pr{\displaystyle p_{r}}

これら2つの定義は、受信機の特性インピーダンスが音源の特性インピーダンスと異なる場合があるため、完全には等価ではありません。そのため、強度に基づく定義を用いると、圧力比に基づく定義とは異なるソナー方程式が得られます。[ 16 ] 音源と受信機の両方が水中にある場合、その差は小さくなります。

伝播モデリング

水中を伝搬する音は、適切な境界条件を課した波動方程式によって記述される。伝搬計算を簡素化するために、多くのモデルが開発されてきた。これらのモデルには、音線理論、通常モード解、そして波動方程式の放物型方程式による簡略化などがある。[ 17 ]各解法は、一般的に限られた周波数と範囲において有効かつ計算効率が高く、他の制限も含む場合がある。音線理論は短距離と高周波数でより適しており、他の解法は長距離と低周波数でより適切に機能する。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]様々な経験式や解析式も測定から導き出されており、これらは有用な近似値となっている。[ 21 ]

残響

過渡音は、減衰する背景音を発生させ、その持続時間は元の過渡信号よりもはるかに長くなることがあります。この背景音は残響と呼ばれ、粗い境界からの散乱と魚類などの生物からの散乱によって生じます。音響信号を容易に検出するには、残響レベルと背景雑音レベルの両方を上回る必要があります。

ドップラーシフト

水中の物体が水中受信機に対して動いている場合、受信された音の周波数は、物体から放射（または反射）された音の周波数とは異なります。この周波数の変化はドップラーシフトとして知られています。アクティブソナーシステム、特に狭帯域ソナーシステムでは、送信機の周波数がわかっており、ソナーと物体の相対的な動きを計算できるため、このシフトは簡単に観察できます。放射されるノイズ（トーン）の周波数もわかっている場合があり、その場合はパッシブソナーで同じ計算を行うことができます。アクティブシステムの場合、周波数の変化は1ノットあたり1kHzあたり0.69Hzですが、パッシブシステムの場合は伝播が一方向のみであるため、この半分になります。このシフトは、ターゲットが近づいている場合の周波数の増加に対応します。

強度変動

音響伝播モデルでは、一般的に受信音圧レベルは一定であると予測されますが、実際には時間的および空間的な変動が存在します。これらの変動は、小規模および大規模の環境現象に起因する可能性があります。環境現象には、音速プロファイルの微細構造や前線帯、内部波などが含まれます。一般に、音源と受波器の間には複数の伝播経路が存在するため、これらの経路間の干渉パターンにおける小さな位相変化が、音の強度に大きな変動をもたらす可能性があります。

非線形性

水中、特に気泡のある水中では、圧力変化による密度の変化は必ずしも直線的に比例するわけではありません。結果として、正弦波を入力すると、追加の高調波および低調波周波数が生成されます。2つの正弦波を入力すると、和周波数と差周波数が生成されます。この変換プロセスは、音源レベルが高いほど、低い場合よりも大きくなります。非線形性のため、音速は圧力振幅に依存し、大きな変化は小さな変化よりも速く伝わります。このように、正弦波は徐々に、急激に立ち上がり、緩やかに減衰する鋸歯状波へと変化します。この現象はパラメトリックソナーで利用されており、ウェスターフィールドなどによって、この現象を説明する理論が開発されています。

測定

水中の音は、水中マイクに相当するハイドロフォンを用いて測定されます。ハイドロフォンは圧力変動を測定し、通常は音圧レベル（SPL）に変換されます。SPLは、平均二乗音圧の対数尺度です。

測定値は通常、次の 2 つの形式のいずれかで報告されます。

水中の音圧の尺度は、空気中の音の尺度とは異なります。空気中の基準圧力は1μPaではなく20μPaです。同じ音圧レベル（SPL）の場合、平面波の強度（単位面積あたりのパワー、平均二乗音圧を音響インピーダンスで割った値に比例）は、空気中においては水中の約20 2 × 3600 = 1 440 000倍高くなります。同様に、水中の音圧レベルが61.6dB高い場合、強度はほぼ同じになります。

2017 年規格 ISO 18405 では、水中音圧レベルの計算など、水中音響の分野で使用される用語と表現が定義されています。

音速

大気圧下での淡水と海水の音速のおおよその値は、それぞれ1450 m/sと1500 m/s、密度は1000 kg/m 3と1030 kg/m 3である。 [ 22 ] 水中の音速は、圧力、温度、塩分濃度の上昇とともに増加する。[ 23 ] [ 24 ] 大気圧下での純水中の最大速度は約74℃で達成され、それを超える温度では音速は遅くなり、圧力とともに最大値も増加する。[ 25 ]

吸収

湖や海における音響吸収については多くの測定が行われてきました [ 7 ] [ 8 ] （オンライン計算機については 技術ガイドの「海水中の音響吸収の計算」を参照）。

周囲の騒音

音響信号の測定は、その振幅が最小閾値を超える場合に可能です。この閾値は、使用される信号処理と背景雑音のレベルによって部分的に決定されます。周囲雑音とは、受信される雑音のうち、音源、受信機、およびプラットフォームの特性に依存しない部分です。したがって、例えば残響や曳航雑音は除外されます。

海洋に存在する背景雑音、つまり周囲雑音は、多くの異なる発生源があり、場所と周波数によって異なります。[ 26 ]約 0.1 Hz から 10 Hz の最も低い周波数では、海洋の乱流と微小地震が背景雑音の主な原因です。[ 27 ]一般的な雑音スペクトルレベルは、周波数の増加とともに、1 Hz で約 140 dB re 1 μPa 2 /Hz から 100 kHz で約 30 dB re 1 μPa 2 /Hz まで減少します。 [ 28 ]遠方の船舶交通は、約 100 Hz の周波数のほとんどの領域で主要な雑音源の 1 つですが、1 kHz から 30 kHz の間では風による表面雑音が主な発生源です。 100 kHz を超える非常に高い周波数では、水分子の熱雑音が支配的になり始めます。100 kHz での熱雑音スペクトルレベルは、25 dB re 1 μPa 2 /Hz です。熱雑音のスペクトル密度は10年ごとに20dB （1オクターブあたり約6dB ）増加する。[ 29 ]

過渡的な音源も周囲騒音の一因となります。これには、地震や海底火山などの断続的な地質活動、[ 30 ]地表への降雨、生物活動などが含まれます。生物活動の発生源としては、鯨類（特にシロナガスクジラ、ナガスクジラ、マッコウクジラ）、[ 31 ] [ 32 ]特定の種類の魚類、テッポウエビなどが挙げられます。

雨は高いレベルの周囲騒音を発生させる可能性があります。しかし、海上では降雨量の測定が困難であるため、降雨量と周囲騒音レベルの関係を数値的に特定することは困難です。

残響

海面、海底、体積残響については多くの測定が行われてきました。これらの測定結果から経験的モデルが導かれることもあります。0.4～6.4 kHzの帯域でよく使われる表現は、ChapmanとHarrisによるものです。[ 33 ]正弦波は海面の動きによって周波数が広がることが分かっています。海底残響については、ランバートの法則が近似的に適用されることが多いことが分かっています。例えば、Mackenzieを参照してください。[ 34 ] 体積残響は通常、主に層で発生し、その深さは時刻によって変化します。例えば、MarshallとChapmanを参照してください。[ 35 ] 氷の下面が荒れていると、強い残響が生じることがあります。例えば、Milneを参照してください。[ 36 ]

最下位の損失

底質損失は、様々な場所で、多くの周波数において、斜面角度の関数として測定されており、例えば米国海洋物理調査所（US Marine Geophysical Survey）による測定が行われている。[ 37 ] 損失は、底質内の音速（勾配や地層の影響を受ける）と粗度に依存する。特定の状況下で予想される損失を示すグラフが作成されている。浅瀬では、底質損失が長距離伝播に最も大きな影響を与えることが多い。低周波数では、音は堆積物を通過して伝播し、再び水中に戻る可能性がある。

水中聴覚

空気伝播音レベルとの比較

空気伝播音と同様に、水中の音圧レベル（SPL）は通常デシベル単位で報告されますが、水中のSPLと空気中のSPLを比較することは困難（そしてしばしば不適切）となる違いがあります。これらの違いには以下が含まれます。[ 38 ]

人間の聴覚

聴覚過敏

正常な聴力を持つ人間のダイバーにとって、最低の可聴音圧レベルは約67dB re 1μPaで、最も感度が高くなるのは1kHz付近の周波数です。[ 40 ]これは、空気中の閾値よりも5.4dB、つまり3.5倍高い音の強度に相当します（上記の測定値を参照）。

安全基準

水中の高音は、ダイバーにとって潜在的な危険を及ぼす可能性があります。[ 41 ] NATO海中研究センター のSOLMARプロジェクトでは、ダイバーの水中音への曝露に関するガイドラインが報告されています。[ 42 ] 0.6～2.5 kHzの周波数範囲で154 dB re 1 μPaを超える音圧レベル（SPL）に曝露されたダイバーは、心拍数や呼吸数に変化を経験すると報告されています。ダイバーが低周波音を嫌うかどうかは、音圧レベルと中心周波数に依存します。[ 43 ]

その他の種

水生哺乳類

イルカやその他の歯のあるクジラ類は、特に5～50kHzの周波数範囲において、鋭い聴覚感度を持つことで知られています。[ 39 ] [ 44 ] いくつかの種は、この周波数範囲において30～50dB re 1μPaの聴力閾値を有します。例えば、シャチの聴力閾値は、 RMS音圧0.02mPa（周波数15kHz）で発生し、これはSPL閾値26dB re 1μPaに相当します。[ 45 ]

水中の高音は海洋動物や両生類に潜在的な危険をもたらす。[ 39 ]水中騒音への曝露の影響はサウスオールらによって検討されている。[ 46 ]

魚

魚類の聴覚感度については、ラディッチとフェイがレビューしている。[ 47 ]ソルジャーフィッシュ の聴覚閾値は、1.3kHzで0.32mPa（50dB re 1μPa）である。[ 45 ]水中騒音への曝露の影響については、ポッパーらがレビューしている。[ 48 ]

甲殻類

ロブスターの聴力閾値は70Hzで1.3Pa（1μPaで122dB）である。[ 45 ]

水鳥

いくつかの水鳥種は1～4kHzの範囲の水中音に反応することが観察されており[ 49 ]、これは空中にいる鳥類の聴覚感度が最も高い周波数範囲と一致しています。ウミガモとウミウは、1～4kHzの音に反応するように訓練されており、最低聴覚閾値（最高感度）は71dB re 1μPa [ 50 ]（ウミガモ）および105dB re 1μPa（ウミガモ）です[ 49 ] 。潜水種は陸生種と比較して耳にいくつかの形態学的違いがあり、これは潜水鳥の耳が水中環境に適応していることを示唆しています[ 51 ]。

水中音響の応用

ソナー

ソナーは、レーダーに相当する音響機器です。音波パルスを用いて海を探査し、その反射波を処理して海、その境界、そして水中の物体に関する情報を抽出します。パッシブソナーと呼ばれる別の用途では、水中の物体から放射される音を聴くことで同様のことを行います。

水中通信

水中音響テレメトリの必要性は、環境モニタリングのためのデータ収集、有人・無人水中ビークル間の通信、ダイバーの音声伝送などの用途で存在します。関連する用途として水中リモートコントロールがあり、音響テレメトリは遠隔でスイッチを作動させたりイベントをトリガーしたりするために使用されます。水中リモートコントロールの顕著な例は音響リリースです。これは、展開終了時に遠隔コマンドに従って海底に展開された機器パッケージまたはその他のペイロードを水面に戻すために使用されるデバイスです。音響通信は 、特に水平の浅い水路では克服すべき大きな課題を伴う 活発な研究分野です[ 52 ] [ 53 ] 。

無線通信と比較すると、利用可能な帯域幅は数桁も狭くなります。音速が低いため、マルチパス伝搬は数十ミリ秒から数百ミリ秒の時間遅延間隔にわたって広がり、ドップラーシフトと拡散も顕著になります。音響通信システムは、ノイズではなく、受信アルゴリズムの能力を超える残響や時間変動によって制限されることがよくあります。水中通信リンクの忠実度は、ハイドロフォンアレイの使用によって大幅に向上します。ハイドロフォンアレイは、適応ビームフォーミングやダイバーシティ合成などの処理技術を可能にします。

水中ナビゲーションと追跡

水中ナビゲーションと追跡は、ダイバー、ROV、自律型水中探査機（AUV）、有人潜水艇、潜水艦などによる探査や作業において共通の要件です。ほとんどの無線信号はすぐに吸収されますが、音波は水中を遠くまで伝播し、その速度は正確に測定または推定可能です。[ 54 ]そのため、追跡対象と1つまたは複数の基準局との間の距離を正確に測定し、対象の位置を三角測量することが可能です。これは、時にはセンチメートル単位の精度で行われます。1960年代以降、この技術が水中音響測位システムを生み出し、現在では広く利用されています。

地震探査

地震探査では、低周波音（100Hz未満）を用いて海底深部を探査します。波長が長いため分解能は比較的低いものの、高周波音は海底を通過する際に大きく減衰するため、低周波音は好まれます。使用される音源としては、エアガン、バイブロサイス、爆薬などが挙げられます。

気象と気候の観測

音響センサーは、風や降雨によって発生する音を監視するために使用できます。例えば、音響雨量計はNystuenによって説明されています。[ 55 ]落雷も検出できます。[ 56 ]海洋気候音響温度測定（ATOC）は、低周波音を用いて全球の海洋温度を測定します。

音響海洋学

NOAAによる音響調査に使用された38 kHz水中音響曳航フィン。アラスカ州南東部。

音響海洋学は、水中の音を利用して海、その境界、およびその内容を 研究する学問です。

歴史

1912年のタイタニック号沈没事故を契機に、エコー測距システムの開発への関心が本格的に高まりました。船の前方に音波を発射すると、氷山の水面下で反射したエコーが衝突の早期警報となるという理論が提唱されました。同じ種類のビームを下方に向けることで、海底の深さを計算できるのです。[ 57 ]

最初の実用的な深海音響測深機は、アメリカ海軍の物理学者ハーヴェイ・C・ヘイズによって発明されました。これにより、船舶の航路に沿って海底の準連続プロファイルを作成することが初めて可能になりました。最初のプロファイルは、1922年6月22日から29日にかけてニューポートからジブラルタルへ航行した海軍駆逐艦USSスチュワート号の乗艦中にヘイズによって作成されました。その週に900回の深海測深が行われました。[ 58 ]

ドイツの測量船メテオ号は、改良された音響測深機を用いて、1925年から1927年にかけて南大西洋を赤道から南極まで数回横断し、5マイルから20マイルごとに測深を行いました。この測深によって、大西洋中央海嶺の詳細な地図が初めて作成されました。この地図は、海嶺が一部の科学者が想像していたような滑らかな台地ではなく、起伏の多い山脈であることを示しました。それ以来、海軍艦艇と調査船は、航海中にほぼ継続的に音響測深機を運用しています。[ 59 ]

音響海洋学への貢献は以下の方々によってなされてきました。

使用機器

海の特性を調査するための音響・ソナー技術の最も古く、最も広く利用されたのは、レインボーエコーサウンダーを用いた水深測定です。このサウンダーは、1993年までサンタバーバラ港の何マイルにも及ぶ海底の地図を作成するために使用されていました。

深度計は水深を測定します。船舶から電子的に音波を送信し、海底から反射してきた音波を受信することで機能します。紙製の海図が深度計内を移動し、水深を記録するために目盛りが付けられます。

技術の進歩に伴い、20世紀後半には高解像度ソナーが開発され、水中物体の探知だけでなく、分類や画像化まで可能になりました。現在では、船舶やロボット潜水艦に遠隔操作型無人機（ROV）が搭載されており、電子センサーがROVに取り付けられています。これらの装置にはカメラが搭載されており、正確な画像が得られます。海洋学者は鮮明で正確な画像を得ることができます。また、ソナーから海中の音波を反射させることで「画像」を送信することもできます。多くの場合、音波は動物に反射し、より深い動物行動研究に役立つ情報が得られます。[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]

パッシブ音響モニタリング

ハイドロフォンは、水中の音響風景の音響イメージを構築することにより、音響海洋学の受動的な聴取機器として使用されます。

海洋生物学

水中音は優れた伝播特性を持つため、微小プランクトンからシロナガスクジラに至るまで、海洋生物の研究を支援するツールとして利用されています。 音響測深機は、海洋生物の個体数、分布、行動に関する情報を提供するためによく使用されます。音響測深機（水中音響とも呼ばれます）は、魚の位置、数、サイズ、バイオマスの測定にも使用されます。

音響テレメトリーは、魚類や海洋生物のモニタリングにも用いられています。音響送信機を魚類に装着し（場合によっては体内に装着）、多数の受信機で音波によって伝達される情報を受信します。これにより、研究者は小中規模の個体の動きを追跡することができます。[ 63 ]

ピストルシュリンプは、最高5,000 K（4,700 °C）に達する音響発光キャビテーションバブルを生成します[ 64 ]

素粒子物理学

ニュートリノは他の物質と非常に弱い相互作用をする基本粒子です。そのため、非常に大規模な検出装置が必要であり、海洋がこの目的で使用されることもあります。特に、海水中の超高エネルギーニュートリノは音響的に検出できると考えられています。[ 65 ]

その他のアプリケーション

その他のアプリケーションは次のとおりです:

参照

注記

参考文献

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参考文献

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