ソナー
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この項目では、音響技術について説明しています。その他の用法については「ソナー (曖昧さ回避)」をご覧ください。

ソナー(英語: Sound navigation and ranging, SONAR; ソーナーとも)は、水中を伝播する音波を用いて、水中・水底の物体に関する情報を得る装置[1][2][3]
目次

1 歴史

1.1 呼称について


2 種類

2.1 アクティブ・ソナー

2.2 パッシブ・ソナー


3 構成・利用技術

3.1 送波・受波

3.2 送信・受信

3.2.1 送信信号

3.2.2 ビームフォーミング

3.2.3 送信形式

3.2.4 受信形式



4 性能・特性

4.1 ソナー方程式

4.2 海洋音響環境

4.2.1 音速プロファイル

4.2.2 サウンドチャネル



5 脚注

5.1 注釈

5.2 出典


6 参考文献

7 関連項目

歴史

1490年レオナルド・ダ・ヴィンチは、ラッパにパイプと聴診器を付けたような器具を作成して小船の上から水中にそれを伸ばし、遠くのガレオン船の水中音を聞いて、音波は水中の方が空気中より良く伝わることを確認していた[3]
原理の発明

1827年、スイスのジャン-ダニエル・コラドン(英語版)とフランスのジャック・シャルル・フランソワ・スツルム(英語版)は、レマン湖において音速の実測試験を実施し、ソナーの理論化の端緒となった。また、19世紀後半には、電気から音響へのエネルギー変換を扱う電気音響工学に関して多くの知見が得られ、水中音響研究に間接的に寄与した。その代表的なものとして、1840年代ジェームズ・プレスコット・ジュールにより発見された磁歪効果や、1880年ピエール・キュリージャック・キュリー兄弟によって発見された圧電効果があった[3]
水中音響学への応用

20世紀に入ると、これらの水中音響学の実践的な応用が志向されるようになった。まず、危険海域の灯台付近に設置された水中ベルからの音を利用して、これと自船の霧笛との時間間隔の計測によって灯台との距離を測定するシステムが開発された。間もなく電波航法が登場したため、このシステムは普及しなかったが、これを開発していたSubmarine Signal Companyは後にレイセオン社に合併されて、今日にその系譜を残している。そして1912年タイタニック号沈没事故によって、海上に浮かぶ遠方の氷山を何とか早期に発見することが求められるようになると、タイタニック号の建造国であったイギリスだけでなく多くの犠牲者を出しその後も海上交通を利用する必要のあった米仏でも、新たな技術の開発が求められるようになった[3]

1914年には、アメリカ合衆国の科学者フェッセンデンが、アクティブ・ソナーの原型となる装置を開発し、2マイル先の氷山の探知に成功した[1][4][5]。彼の装置はダイナミック・スピーカーの可動コイルと同じ原理で、トランスデューサー(送受信器)を作り、1100Hzの可聴音による音響ビームを一方向に放って反響波を受信するものだった[6]

この年に第一次世界大戦が始まったが、大戦勃発から1ヶ月後の9月5日ドイツ帝国海軍の潜水艦(Uボート)の1隻であるU21の雷撃により英海軍の偵察巡洋艦パスファインダー」が撃沈されたのを端緒として、その17日後の9月22日にはU9が3隻のクレッシー級装甲巡洋艦を立て続けに撃沈するなど、潜水艦の脅威は猖獗を極めた。これに対抗するため、対潜戦の技術開発は焦眉の急となった[7]。まずセンサーとして用いられたのがハイドロフォン(のちのパッシブ・ソナー)であり、1915年には地上局が設置され[8]、1916年には艦載化が開始された[9]

その後、1917年にはパリ市立工業物理化学高等専門大学ランジュバン博士が水晶圧電効果による高性能のトランスデューサーを開発し、真空管アンプと共に実用的なアクティブ・ソナーを作った[10]。ランジュバン博士のソナー装置は100キロヘルツの超音波を直径200mmの振動子から放射することで鋭いビームを形成することに成功した[6]。この装置はフランス海軍の興味を引き、1918年には1,500メートル先の潜水艇を発見している[1]。これによって開発されたのがアクティブ式のASDIC(のちのアクティブ・ソナー)である。その実用化は1920年と、大戦には間に合わなかったが[8]、例えばアメリカ海軍の概念実証モデルであるQAは1927年より洋上試験に入った[11]。このようなサーチライト・ソナーは各国で開発され、第二次世界大戦において実戦投入された[3][12]

戦中期から第二次大戦期には、特殊な海洋音響環境の存在が知られるようになっており、戦後にかけて、当時の対潜戦の趨勢とあわせて数理学的分析を導入した水測予察技術の開発が志向されることとなった。また戦後には、デジタル信号処理技術の発達を背景に、アメリカ海軍が1948年より艦隊配備を開始したQHBを端緒として、フェーズドアレイ方式を採用したスキャニング・ソナーが普及するとともに、遠距離探知の要請から低周波化が志向された。またその後、対潜戦のパッシブ化を受けて、パッシブソナーの技術開発が並行して進められたほか、C4Iシステムの発達とともに、両者を組み合わせたマルチスタティック・ソナー技術の開発もなされている[3][12]
呼称について

1910年代、イギリスで水晶振動子を用いた反響測距に関する機密実験が行われた際、この研究グループにASDICという秘匿名が用いられた。これは"Anti-Submarine Division"の略語に知識・学問領域を示す接尾辞である"-ics"を付したもの[3]、または"Anti-Submarine Detection Information Comittiee"の略語とされている[2]


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出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)
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