ソナー

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フランスのF70タイプのフリゲート艦（ここでは、La Motte-Picquet）には、VDS（可変深度ソナー）タイプのDUBV43またはDUBV43C牽引ソナーが装備されています。
1941年12月3日にフィンランド湾で難破したソビエト海軍の掃海艇T-297、以前はラトビアのヴィルサイティスのソナー画像[1]

ソナー（サウンドナビゲーションおよびレンジング）は、サウンド伝播（通常は水中ナビゲーションのように水中）を使用して、ナビゲート、距離の測定（レンジング）、水面上または水面下のオブジェクト（他の船舶など）との通信または検出を行う手法です。 。[2] 2種類の技術が「ソナー」という名前を共有しています。パッシブソナーは、基本的に船舶が発する音を聞いています。アクティブソナーは、音のパルスを放出し、エコーをリッスンしています。ソナーは音響位置の手段として使用できます水中の「ターゲット」のエコー特性の測定。レーダーが導入される前は、空気中の音響位置が使用されていました。ソナーはロボットのナビゲーションにも使用でき[3]、SODAR（上向きの空中ソナー）は大気調査に使用されます。ソナーという用語は、音を生成および受信するために使用される機器にも使用されます。ソナーシステムで使用される音響周波数は、非常に低い（超低周波音）から非常に高い（超音波）までさまざまです。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された使用は、 1490年にレオナルドダヴィンチによって行われ、耳で血管を検出するために水中に挿入されたチューブを使用しました。[4]第一次世界大戦中に潜水艦戦の脅威の高まりに対抗するために開発され、1918年までに運用可能なパッシブソナーシステムが使用されました。 [2]最新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生成します。ターゲットオブジェクト。[2]

歴史

一部の動物（イルカ、コウモリ、トガリネズミなど）は、何百万年もの間、コミュニケーションと物体検出に音を使用してきましたが、水中での人間による使用は、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。チューブに耳を当てて血管を検出するために使用されると言われています。[4]

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として水中ベルが使用されました。[5]

コウモリが空中航法に音を使用するのと同じように、音を使用して水中を「エコーロケート」することは、1912年のタイタニック号の災害によって促されたようです。 [6]水中エコーレンジングデバイスに関する世界初の特許が申請されました。タイタニック号の沈没から1か月後、英国の気象学者ルイス・フライ・リチャードソンが英国特許庁で[7]、ドイツの物理学者アレクサンダー・ベームが1913年にエコーサウンダーの特許を取得しました。[8]

カナダのエンジニア、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で働いていたときに、1912年に実験システムを構築しました。このシステムは、後にボストンハーバーでテストされ、最終的には1914年にニューファンドランド沖のグランドバンクにある米国レベニューカッターマイアミからテストされました。 。[7] [9]そのテストでは、フェッセンデンは、深さの測深、水中通信（モールス信号）、およびエコーレンジング（2マイル（3.2 km）の範囲で氷山を検出）を実証しました。[10] [11]「フェッセンデンオシレーター"は、約500 Hzの周波数で動作し、 3メートルの波長とトランスデューサーの放射面の小さい寸法（直径1⁄3波長未満）のために氷山の方位を決定できませんでした。 1915年に打ち上げられたイギリスのHクラス潜水艦には、フェッセンデン発振器が装備されていました。[12]

第一次世界大戦中、潜水艦を検出する必要性から、音の使用に関するさらなる研究が促されました。英国はハイドロフォンと呼ばれる水中リスニングデバイスを早期に使用し、フランスの物理学者Paul Langevinは、ロシアの移民電気技師であるConstantin Chilowskyと協力して、1915年に潜水艦を検出するためのアクティブサウンドデバイスの開発に取り組みました。彼らが使用した静電変換器、この作業は将来の設計に影響を与えました。軽量の感音プラスチックフィルムと光ファイバーがハイドロフォンに使用され、Terfenol-DはとPMN（鉛マグネシウムニオブ酸塩）はプロジェクター用に開発されました。

ASDIC

1944年頃からのASDICディスプレイユニット

1916年、英国の発明研究委員会の下で、カナダの物理学者ロバートウィリアムボイルはABウッドと積極的な音検出プロジェクトを引き受け、1917年半ばにテスト用のプロトタイプを作成しました。英国海軍司令長官の対潜水艦部のためのこの作業は、極秘に行われ、水晶圧電結晶を使用して、世界初の実用的な水中アクティブ音検出装置を製造しました。秘密を維持するために、音の実験やクォーツについては言及されていません。初期の作品（「超音速」）を表す言葉は「ASD」に変更され、クォーツの素材は「ASD」に変更されました。反潜水艦部」、したがって英国の頭字語ASDIC。1939年、オックスフォード英語辞典からの質問に応えて、海軍本部は「連合潜水艦探知調査委員会」の略であるという話を作り上げました。これは今でも広く信じられています[13]。アドミラルティアーカイブで見つかりました。[14]

1918年までに、英国とフランスはプロトタイプのアクティブシステムを構築していました。イギリスは1920年にHMS アントリムでASDICをテストし、1922年に生産を開始しました。第6駆逐艦は、1923年にASDICを装備した艦艇を保有していました。

第二次世界大戦の勃発までに、イギリス海軍は異なる水上艦クラス用に5セット、潜水艦用に5セットを持ち、完全な対潜水艦システムに組み込まれていました。初期のASDICの有効性は、対潜水艦兵器として爆雷を使用することによって妨げられていました。これには、攻撃船が船尾に電荷を落とす前に水中接触を通過する必要があり、攻撃に至る瞬間にASDIC接触が失われました。ハンターは効果的にブラインドを発射していました。その間、潜水艦の司令官は回避行動を取ることができました。この状況は、新しい戦術と新しい武器で改善されました。

フレデリックジョンウォーカーによって開発された戦術的改善クリーピング攻撃が含まれています。これには2隻の対潜水艦が必要でした（通常はスループまたはコルベット）。「指示船」は、潜水艦の約1500〜2000ヤード後方の位置からASDICの対象潜水艦を追跡しました。2隻目の船は、ASDICがオフになっており、5ノットで飛行しており、指揮船と目標の間の位置から攻撃を開始しました。この攻撃は、ASDICと距離計（距離計による）および攻撃船の方位に基づいて、指示船からの無線電話によって制御されました。爆雷が解放されるとすぐに、攻撃している船は全速力ですぐ近くを離れました。その後、指示船は目標エリアに入り、爆雷のパターンも解放しました。アプローチの速度が遅いということは、潜水艦が爆雷がいつ解放されるかを予測できなかったことを意味しました。回避行動は、それに応じて与えられた攻撃船に船を向け、操舵命令を出すことによって検出されました。攻撃の速度が遅いという利点は、ドイツの音響魚雷は、非常にゆっくりと移動する軍艦に対しては効果がありませんでした。クリーピング攻撃のバリエーションは「プラスター」攻撃であり、近接して並んでいる3隻の攻撃船が、指示船によってターゲット上に向けられました。[15]

ASDICの死角に対処するための新しい武器は、ハリネズミやその後のSquidsなどの「前方投擲武器」であり、攻撃者の前のターゲットに弾頭を投射し、まだASDICと接触しています。これらは、単一の護衛が潜水艦に対してより狙いを定めた攻撃を行うことを可能にしました。戦争中の開発により、いくつかの異なる形状のビームを使用し、死角を継続的にカバーする英国のASDICセットが生まれました。その後、音響魚雷が使用されました。

第二次世界大戦の初期（1940年9月）、英国のASDIC技術は無料で米国に移転されました。ASDICと水中音に関する研究は、英国と米国で拡大されました。多くの新しいタイプの軍事音検出が開発されました。これらには、1944年に英国によってコードネームHigh Teaとして最初に開発されたソノブイ、ディッピング/ダンキングソナー、および地雷探知ソナーが含まれていました。この作業は、原子力潜水艦に対抗することに関連する戦後の開発の基礎を形成しました。

ソナー

1930年代に、アメリカのエンジニアが独自の水中音響検出技術を開発し、水温躍層の存在や音波への影響など、重要な発見がなされました。[16]アメリカ人は、フレデリック・ハントによってレーダーと同等の造語であるソナーという用語をシステムに使用し始めました。[17]

米海軍水中音響研究所

1917年、米海軍は初めてJ.ウォーレンホートンのサービスを買収しました。ベル研究所を離れるとき、彼は技術専門家として政府に仕えました。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米海軍本部で働きました。ナハントでは、彼は新しく開発された真空管を適用し、現在は電子工学として知られている応用科学の分野の形成段階に関連付けられて、水中信号の検出に使用しました。その結果、以前の検出装置で使用されていたカーボンボタンマイクは、最新のハイドロフォンの前身に置き換えられました。また、この期間中に、彼はけん引検出の方法を実験しました。これは、彼のデバイスの感度が向上したためです。この原理は、現在でも曳航ソナーシステムで使用されています。

イギリスの防衛ニーズを満たすために、彼はイギリスに派遣され、海底ケーブルで海岸のリスニングポストに接続されたアイリッシュ海の底部に取り付けられたハイドロフォンに設置しました。この機器がケーブル敷設船に積み込まれている間に、第一次世界大戦は終わり、ホートンは家に帰りました。

第二次世界大戦中、彼は潜水艦、地雷、魚雷を検出できるソナーシステムの開発を続けました。彼は1957年に米国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発表しました。彼は1959年にテクニカルディレクターになるまでこの役職に就き、1963年に定年を迎えるまでこの役職に就いていました。[18] [19]

アメリカと日本の素材とデザイン

1915年から1940年まで、米国のソナーはほとんど進歩していませんでした。1940年、米国のソナーは通常、磁歪トランスデューサと、ロシェル塩結晶に背中合わせに取り付けられた直径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。球形のハウジングで。このアセンブリは船体を貫通し、手動で目的の角度に回転させました。圧電ロシェル塩結晶はより良いパラメータを持っていましたが、磁歪ユニットははるかに信頼性がありました。第二次世界大戦初期の米国の商人供給船への大きな損失は、磁歪トランスデューサーのパラメーターとロシェル塩の信頼性の両方の改善を追求する、この分野での大規模で優先度の高い米国の研究につながりました。リン酸二水素アンモニウム（ADP）、優れた代替品は、ロッシェル塩の代替品として発見されました。最初のアプリケーションは、24 kHzRochelle-saltトランスデューサーの交換でした。9か月以内に、ロッシェル塩は廃止されました。ADP製造施設は、1940年初頭の数十人から1942年には数千人に増加しました。

ADP結晶の最も初期の用途の1つは、音響鉱山用のハイドロフォンでした。結晶は、5 Hzでの低周波カットオフ、3,000 m（10,000フィート）からの航空機からの展開に対する機械的衝撃に耐え、隣接する鉱山の爆発に耐える能力が指定されています。ADPの信頼性の重要な機能の1つは、ゼロエージング特性です。水晶は、長期間の保管でもそのパラメータを維持します。

別のアプリケーションは、音響誘導魚雷用でした。魚雷の機首には、水平面と垂直面に2対の指向性ハイドロフォンが取り付けられていました。ペアからの差信号を使用して、魚雷を左右および上下に操縦しました。対抗策が開発されました：標的の潜水艦は発泡性化学物質を放出し、魚雷は騒々しい発泡性のおとりを追いかけました。対抗策は、アクティブソナーを備えた魚雷でした。魚雷の鼻にトランスデューサーが追加され、マイクは反射された周期的なトーンバーストをリッスンしていました。トランスデューサーは、千鳥状の列のひし形の領域に配置された同一の長方形の結晶板で構成されていました。

潜水艦用のパッシブソナーアレイは、ADP結晶から開発されました。いくつかの結晶アセンブリを鋼管に配置し、ひまし油を真空充填して密封しました。次に、チューブを並列アレイに取り付けました。

第二次世界大戦末期の標準的な米海軍の走査ソナーは、ADP結晶のアレイを使用して18kHzで動作しました。ただし、より長い範囲が必要な場合は、より低い周波数を使用する必要がありました。必要な寸法がADP結晶には大きすぎるため、1950年代初頭に磁歪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、これらは均一なインピーダンス特性を達成するのに問題があり、ビームパターンに問題がありました。次に、チタン酸バリウムをより安定したチタン酸ジルコン酸鉛に置き換えました。（PZT）、周波数を5kHzに下げました。米国艦隊は、この材料をAN / SQS-23ソナーで数十年間使用していました。SQS-23ソナーは最初に磁歪ニッケルトランスデューサーを使用しましたが、これらは数トンの重さがあり、ニッケルは高価であり、重要な材料と見なされていました。したがって、圧電トランスデューサが代用されました。ソナーは、432個の個別のトランスデューサーの大規模な配列でした。当初、トランスデューサーは信頼性が低く、機械的および電気的な故障を示し、設置後すぐに劣化しました。それらはまた、いくつかのベンダーによって製造され、異なる設計を持ち、それらの特性は、アレイのパフォーマンスを損なうほど十分に異なっていました。その後、個々のトランスデューサーの修理を許可するポリシーが犠牲になり、代わりに「消耗品のモジュラー設計」である密閉された修理不可能なモジュールが選択されました。[20]

第二次世界大戦の開始時に大日本帝国海軍は、石英をベースにしたプロジェクターを使用していました。特に低周波数用に設計されている場合、これらは大きくて重いものでした。タイプ91セット用のものは9kHzで動作し、直径は30インチ（760 mm）で、5kWの電力と7kVの出力振幅の発振器によって駆動されました。タイプ93プロジェクターは、球状の鋳鉄に組み立てられた石英の固いサンドイッチで構成されていました体。タイプ93ソナーは、後にドイツの設計に従い、磁歪プロジェクターを使用したタイプ3に置き換えられました。プロジェクターは、約16 x 9インチ（410mm×230mm）の鋳鉄製の長方形の本体に2つの長方形の同一の独立したユニットで構成されていました。露光領域は、波長の半分の幅と3つの波長の高さでした。磁歪コアは、ニッケルの4 mmのプレス加工で作られ、その後、アルミニウム含有量が12.7％〜12.9％の鉄-アルミニウム合金で作られました。電力は、3.8kVで2kWから供給され、分極は20 V、8 ADC電源から供給されました。

日本帝国海軍のパッシブハイドロフォンは、ムービングコイル設計、ロシェル塩ピエゾトランスデューサー、およびカーボンマイクに基づいていました。[21]

トランスデューサーのその後の開発

磁歪トランスデューサは、第二次世界大戦後、圧電トランスデューサの代替として追求されました。ニッケルスクロール巻きリングトランスデューサーは、直径13フィート（4.0 m）までのサイズで、おそらくこれまでで最大の個々のソナートランスデューサーである高出力低周波操作に使用されました。金属の利点は、引張強度が高く、入力電気インピーダンスが低いことですが、電気損失があり、プレストレスによって引張強度を上げることができるPZTよりも結合係数が低くなります。他の材料も試されました。非金属フェライトは、電気伝導率が低く、渦電流損失が少ないことで有望でした、Metglas高い結合係数を提供しましたが、全体的にPZTより劣っていました。1970年代に、希土類と鉄の化合物が優れた磁気機械的特性を備えて発見されました。つまり、テルフェノール-D合金です。これにより、ハイブリッド磁歪圧電トランスデューサなどの新しい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最新のものはガルフェノールです。

他のタイプのトランスデューサーには、ギャップの表面に磁力が作用する可変磁気抵抗（または可動電機子、または電磁）トランスデューサー、および従来のスピーカーと同様の可動コイル（または電気力学的）トランスデューサーが含まれます。後者は、共振周波数が非常に低く、その上にフラットな広帯域特性があるため、水中の音のキャリブレーションに使用されます。[22]

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、サウンドトランスミッター（またはプロジェクター）とレシーバーを使用します。2つが同じ場所にある場合、それはモノスタティック操作です。送信機と受信機が分離されている場合、それはバイスタティック動作です。[23] より多くの送信機（またはより多くの受信機）が使用され、再び空間的に分離されている場合、それはマルチスタティック操作です。ほとんどのソナーはモノスタティックに使用され、同じアレイが送信と受信によく使用されます。[24]アクティブなソノブイフィールドはマルチスタティックに操作できます。

アクティブソナーは、しばしば「ping」と呼ばれる音のパルスを作成し、パルスの反射（エコー）をリッスンします。この音のパルスは、一般に、信号発生器、電力増幅器、および電気音響変換器/アレイで構成されるソナープロジェクターを使用して電子的に生成されます。[25]トランスデューサーは、音響信号（「ping」）を送受信できるデバイスです。ビームフォーマは通常、音響パワーをビームに集中させるために使用されます。ビームは、必要な探索角度をカバーするために掃引される場合があります。一般的に、電気音響変換器はトンピルツのものですシステム全体のパフォーマンスを最適化するために、タイプとその設計を最適化して、最も広い帯域幅で最大の効率を実現することができます。時折、音響パルスは、他の手段によって、例えば、爆発物、エアガン、またはプラズマ音源を化学的に使用して生成される場合があります。

物体までの距離を測定するために、パルスの送信から受信までの時間が測定され、既知の音速を使用して範囲に変換されます。[26]方位を測定するために、いくつかのハイドロフォンが使用され、セットは、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振幅を測定することにより、それぞれまたはハイドロフォンのアレイを使用した相対到着時間を測定します。アレイを使用すると、空間応答が減少するため、ワイドカバーのマルチビームシステムが使用されます。ターゲット信号（存在する場合）は、ノイズとともにさまざまな形式の信号処理を通過します[27]。単純なソナーの場合、これは単なるエネルギー測定である可能性があります。次に、必要な信号またはノイズのいずれかを出力と呼ぶ何らかの形式の決定デバイスに提示されます。この決定装置は、ヘッドホンまたはディスプレイを備えたオペレーターである場合があり、より洗練されたソナーでは、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。ターゲットを分類してローカライズし、その速度を測定するために、さらにプロセスを実行することができます。

パルスは、一定の周波数または周波数が変化するチャープ（受信時のパルス圧縮を可能にするため）である可能性があります。単純なソナーは一般に、ターゲットの動きによるドップラー変化の可能性をカバーするのに十分な幅のフィルターを備えた前者を使用しますが、より複雑なソナーは一般に後者の手法を含みます。デジタル処理が利用可能になって以来、パルス圧縮は通常、デジタル相関技術を使用して実装されてきました。軍用ソナーは、多くの場合、全周をカバーするために複数のビームを備えていますが、単純なソナーは狭い弧のみをカバーしますが、ビームは機械的スキャンによって比較的ゆっくりと回転する場合があります。

特に単一周波数伝送を使用する場合、ドップラー効果を使用してターゲットの半径方向の速度を測定できます。送信信号と受信信号の周波数差が測定され、速度に変換されます。ドップラーシフトは、レシーバーまたはターゲットモーションのいずれかによって導入される可能性があるため、検索プラットフォームの半径方向の速度を考慮に入れる必要があります。

便利な小さなソナーの1つは、外観が防水懐中電灯に似ています。頭を水中に向け、ボタンを押すと、デバイスがターゲットまでの距離を表示します。もう1つのバリエーションは、魚の群れが表示された小さなディスプレイを表示する「魚群探知機」です。一部の民間ソナー（ステルス用に設計されていない）は、ボートの近くの領域を3次元で表示して、アクティブな軍用ソナーに機能的に接近します。

アクティブソナーを使用してトランスデューサから底部までの距離を測定する場合、音響測深として知られています。同様の方法を上向きに波の測定に使用することができます。

アクティブソナーは、2つのソナートランスデューサー間、またはハイドロフォン（水中音響マイク）とプロジェクター（水中音響スピーカー）の組み合わせの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が特定の問い合わせ信号を受信すると、特定の応答信号を送信して応答します。距離を測定するために、1つのトランスデューサー/プロジェクターが問い合わせ信号を送信し、この送信から他のトランスデューサー/ハイドロフォン応答の受信までの時間を測定します。水を通る音速でスケーリングされ、2で割った時間差は、2つのプラットフォーム間の距離です。この手法を複数のトランスデューサー/ハイドロフォン/プロジェクターで使用すると、水中の静止物体と移動物体の相対位置を計算できます。

戦闘状況では、アクティブなパルスが敵によって検出され、潜水艦自体が接触を検出し、発信pingの特性に基づいて潜水艦のアイデンティティに関する手がかりを与えることができる最大距離の2倍の潜水艦の位置を明らかにします。これらの理由から、アクティブソナーは軍用潜水艦では頻繁に使用されません。

非常に指向性がありますが、効率の低いタイプのソナー（水産業、軍事、および港湾のセキュリティに使用されます）は、非線形ソナーと呼ばれる水の複雑な非線形機能を利用します。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ます。

プロジェクトアルテミス

プロジェクトアルテミスは、1950年代後半から1960年代半ばにかけて、海洋監視に使用される可能性のある低周波アクティブソナーシステムの音響伝搬と信号処理を調査するための実験的研究開発プロジェクトでした。二次的な目的は、固定アクティブボトムシステムの工学的問題の調査でした。[28]受信アレイは、バミューダ沖のPlantagnetBankの斜面にありました。アクティブなソースアレイは、改造された第二次世界大戦のタンカーUSNS MissionCapistrano から配備されました。[29]アルテミスの要素は、主要な実験が終了した後に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所定の信号を即座に（または遅延して）再送信するアクティブソナーデバイスです。トランスポンダを使用して、海中機器をリモートでアクティブ化または回復できます。[30]

パフォーマンス予測

ソナーターゲットは球に比べて小さく、それが配置されているエミッターを中心にしています。したがって、反射信号の電力は非常に低く、元の信号よりも数桁小さくなります。反射信号が同じ電力であったとしても、次の例（仮想値を使用）は問題を示しています。ソナーシステムが1mで10,000W / m 2の信号を放射し、0.001 W / m2を検出できるとします。 信号。100 mでは、信号は1 W / m 2になります（逆二乗の法則による）。信号全体が10m 2のターゲットから反射される場合、0.001 W / m2になります。それがエミッターに到達したとき、つまり検出可能になったとき。ただし、元の信号は3000mまで0.001W / m2を超えたままになります。同様またはより優れたシステムを使用する100〜3000mの10m 2のターゲットは、パルスを検出できますが、エミッターでは検出されません。検出器は、エコーを拾うために非常に敏感でなければなりません。元の信号ははるかに強力であるため、ソナーの範囲の2倍よりも何倍も遠くまで検出できます（例のように）。

アクティブソナーには、ノイズと残響による2つのパフォーマンス制限があります。一般に、これらのいずれかが支配的であるため、最初は2つの効果を別々に考慮することができます。

初期検出時のノイズが制限された状態：[31]

SL − 2PL + TS −（NL − AG）= DT、

ここで、SLはソースレベル、PLは伝搬損失（伝送損失と呼ばれることもあります）、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（指向性インデックスで近似されることもあります） DTは検出しきい値です。

初期検出時の残響が制限された状態（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、その他の要素は以前と同じです。

ダイバーが使用するハンドヘルドソナー

  • LIMIS（リムペットマインイメージングソナー）は、ダイバーが使用するためのハンドヘルドまたはROV搭載のイメージングソナーです。その名前は、パトロールダイバー（戦闘フロッグマンまたはクリアランスダイバー）が視界の悪い水中でリムペットマインを探すために設計されたためです。
  • LUIS（レンズ水中イメージングシステム）は、ダイバーが使用するもう1つのイメージングソナーです。
  • ダイバー用の小さな懐中電灯型のハンドヘルドソナーがありました。これは単に範囲を表示するだけです。
  • INSS（統合ナビゲーションソナーシステム）の場合

上向きのソナー

上向きソナー（ULS）は、海面に向かって上向きに向けられたソナー装置です。下向きのソナーと同様の目的で使用されますが、海氷の厚さ、粗さ、濃度の測定[32] [33]や、荒れた海での気泡プルームからの空気連行の測定など、いくつかの独自の用途があります。多くの場合、それは海底に係留されているか、おそらく100mの一定の深さで係留されているピンと張ったラインに浮かんでいます。また、潜水艦、AUV 、およびアルゴフロートなどのフロートでも使用できます。[34]

パッシブソナー

パッシブソナーは送信せずにリッスンします。軍事環境でよく使用されますが、さまざまな水生環境での存在/不在の研究のために魚を検出するなどの科学アプリケーションでも使用されます。パッシブ音響およびパッシブレーダーも参照してください。非常に広い使用法では、この用語は、通常、水生環境で適用される技術に限定されますが、リモートで生成された音を含む事実上すべての分析技術を含むことができます。

音源の特定

パッシブソナーには、検出された音の発生源を特定するためのさまざまな手法があります。たとえば、米国の船舶は通常、60Hz の交流電力システムを運用しています。変圧器または発電機が船体からの適切な防振なしで取り付けられているか、浸水した場合、巻線からの60Hzの音が潜水艦または船から放出される可能性があります。すべてのヨーロッパの潜水艦と他のほぼすべての国の潜水艦は50Hzの電力システムを備えているため、これは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（レンチを落とすなど）も、パッシブソナーで検出できる場合があります。ごく最近まで、[いつ？]経験豊富で訓練を受けたオペレーターが信号を識別しましたが、今ではコンピューターがこれを行うことができます。

パッシブソナーシステムには大規模な音響データベースがある場合がありますが、ソナーオペレーターは通常、最終的に信号を手動で分類します。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使用して、船のクラス、アクション（つまり、船の速度、または解放された武器の種類）、さらには特定の船を識別します。

ノイズ制限

車両のパッシブソナーは、通常、車両から発生するノイズのために厳しく制限されています。このため、多くの潜水艦は、ポンプなしで冷却できる原子炉、サイレント対流、または燃料電池やバッテリーを使用して動作します。これらの原子炉もサイレントで稼働します。車両のプロペラも、最小限の騒音を発するように設計され、正確に機械加工されています。高速プロペラはしばしば水中に小さな泡を作り、このキャビテーションは独特の音を出します。

ソナーハイドロフォンは、船舶自体によって生成されるノイズの影響を減らすために、船または潜水艦の後ろに曳航される場合があります。牽引ユニットは、水温躍層の上または下に牽引される可能性がある ため、水温躍層にも対抗します。

ほとんどのパッシブソナーのディスプレイは、2次元のウォーターフォールディスプレイでした。ディスプレイの水平方向は方位です。垂直は頻度、または時には時間です。もう1つの表示手法は、方位の周波数-時間情報を色分けすることです。より最近の表示はコンピューターによって生成され、レーダータイプの平面位置インジケーター表示を模倣します。

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含まれます。使用される信号処理が異なるため、検出可能な最小の信号対雑音比は異なります。パッシブソナーの性能を決定するための方程式は[35] [31]です。

SL − PL = NL − AG + DT、

ここで、SLはソースレベル、PLは伝搬損失、NLはノイズレベル、AGはアレイゲイン、DTは検出しきい値です。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、および位置特定のパフォーマンスは、環境と受信機器、およびアクティブソナーの送信機器またはパッシブソナーのターゲット放射ノイズに依存します。

音の伝播

ソナーの動作は、特に垂直面での音速の変動の影響を受けます。音は、違いはわずかですが、淡水では海水よりもゆっくりと伝わります。速度は、水の体積弾性率と質量 密度によって決まります。体積弾性率は、温度、溶存不純物（通常は塩分）、および圧力の影響を受けます。密度効果は小さいです。音速（フィート/秒）はおおよそ次 のとおりです。

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

この経験的に導き出された近似式は、常温、塩分濃度、およびほとんどの海の深さの範囲に対してかなり正確です。海の温度は深さによって異なりますが、30〜100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、暖かい地表水と残りの海を構成する冷たい静止水が分けられます。これは、サーモクラインの片側で発生する音がサーモクラインを介して曲がったり、屈折したりする傾向があるため、ソナーを苛立たせる可能性があります。水温躍層は、より浅い沿岸水域に存在する可能性があります。ただし、波の作用によって水柱が混ざり合い、水温躍層がなくなることがよくあります。水圧_音速にも影響します。圧力が高くなると音速が上がり、音速の高い領域から音波が屈折します。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、条件が正しければ、「深海サウンドチャネル」で伝播が発生する可能性があります。これにより、チャネル内の受信機への伝搬損失が非常に低くなります。これは、境界で損失が発生せずにチャネル内でサウンドがトラップされるためです。同様の伝播は、適切な条件下で「表面ダクト」で発生する可能性があります。ただし、この場合、表面での反射損失があります。

浅瀬では、伝播は一般に表面と底での繰り返しの反射によるものであり、そこでは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、表面や底での吸収の影響を受けます。この吸収は周波数に依存し、海水にはいくつかの異なるメカニズムがあります。長距離ソナーは、吸収効果を最小限に抑えるために低周波数を使用します。

海には、目的のターゲットエコーまたはシグネチャを妨害する多くのノイズ源が含まれています。主な騒音源は波と輸送です。水の中を通る受信機の動きも、速度に依存する低周波ノイズを引き起こす可能性があります。

散乱

アクティブソナーを使用すると、海の小さな物体だけでなく、海底や表面からも散乱が発生します。これは、干渉の主な原因となる可能性があります。この音響散乱は、霧の中の車のヘッドライトからの光の散乱に似ています。高輝度のペンシルビームはある程度霧を透過しますが、より広いビームのヘッドライトは不要な方向に多くの光を放出し、その多くは後方に散乱します。オブザーバーに、ターゲットから反射されたものを圧倒します（「ホワイトアウト」）。同様の理由で、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。

海の下に見える泡の雲。参考文献から。[36]

オブジェクト（地雷、パイプライン、動物プランクトン、地質学的特徴、魚など）からのソナーの散乱は、アクティブなソナーがそれらを検出する方法ですが、この能力は、誤ったターゲットからの強い散乱、つまり「クラッター」によって隠すことができます。それらが発生する場所（砕波下、[37]船の航跡中、海底の浸透や漏れから放出されるガス[38]など）では、気泡は強力な散乱源であり、ターゲットを簡単に隠すことができます。TWIPS（Twin Inverted Pulse Sonar）[39] [40] [41]は現在、この混乱の問題を克服できる唯一のソナーです。

泡立つ水中でターゲットを見つける際の標準ソナーとTWIPSの比較。参考文献から適応。[39]

最近の多くの紛争が沿岸海域で発生しており、鉱山が存在するかどうかを検出できないことは、軍用船に危険と遅延をもたらし、また、紛争が発生してからずっと後にこの地域を支援しようとする護送船団と商船を支援することができないため、これは重要です。やめた。[39]

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の反射特性は、そのターゲット強度として知られています。厄介なのは、クジラ、航跡、魚群、岩など、海の他の物体からもエコーが得られることです。

パッシブソナーは、ターゲットの放射ノイズ特性を検出します。放射スペクトルは、分類に使用できる特定の周波数にピークを持つノイズ の連続スペクトルで構成されます。

対策

攻撃を受けている潜水艦が積極的な（動力を与えられた）対抗策を開始して、騒音レベルを上げ、大きな誤った標的を提供し、潜水艦自体の署名を覆い隠す可能性があります。

パッシブ（つまり、電源が入っていない）対策には次のものがあります。

  • ノイズ発生デバイスを絶縁デバイスに取り付ける。
  • 潜水艦の船体の吸音コーティング、たとえば無響タイル。

軍事用途

現代の海戦では、水上艦艇、航空機、固定設備からのパッシブソナーとアクティブソナーの両方を幅広く利用しています。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、潜水艦は敵軍にその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。ただし、最新の信号処理の出現により、検索および検出操作の主要な手段としてパッシブソナーを使用できるようになりました。1987年に日本企業の東芝の一部門が[42]ソビエト連邦に機械を販売したと伝えられているこれにより、潜水艦のプロペラブレードを粉砕して、根本的に静かになり、新世代の潜水艦の検出がより困難になりました。

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非常にまれであり、潜水艦の射撃管制チームに必ずしも高品質の方位または距離情報を提供するとは限りません。ただし、水上艦でのアクティブソナーの使用は非常に一般的であり、戦術的な状況で敵の潜水艦の位置を隠すよりも敵の潜水艦の位置を決定することが重要である場合に潜水艦によって使用されます。水上艦の場合、放出ソナーの周りの船舶が放出を検出するため、脅威はすでに衛星データで船を追跡していると想定さ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機器（通常はその周波数）とその位置（音波のエネルギー）を簡単に特定できます。アクティブソナーは、特定の範囲のターゲットを検出できるという点でレーダーに似ていますが、

アクティブソナーはオペレーターの存在と位置を明らかにし、ターゲットを正確に分類できないため、高速（飛行機、ヘリコプター）や騒がし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。アクティブソナーが水上艦や潜水艦で使用される場合、検出のリスクを最小限に抑えるために、通常、断続的な期間に非常に短時間アクティブになります。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見なされます。航空機では、アクティブソナーは使い捨てソノブイの形で使用され、航空機のパトロールエリアまたは敵のソナー接触の可能性のある場所の近くにドロップされます。

パッシブソナーにはいくつかの利点がありますが、最も重要なのはサイレントです。ターゲットの放射ノイズレベルが十分に高い場合、アクティブソナーよりも範囲が広くなり、ターゲットを特定できます。電動物体は多少の騒音を発するため、放出される騒音のレベルと周囲の騒音レベルによっては、原則として検出される場合があります。地域で、そして使用される技術。簡単にするために、パッシブソナーはそれを使用して船の周りを「見る」。潜水艦では、機首に取り付けられたパッシブソナーが、船の配置を中心に約270°の方向に検出し、船体に取り付けられた各側に約160°のアレイ、および曳航された360°のアレイを検出します。見えない領域は、船自身の干渉によるものです。信号が特定の方向で検出されると（つまり、何かがその方向に音を出すことを意味します。これはブロードバンド検出と呼ばれます）、ズームインして受信した信号を分析することができます（狭帯域分析）。これは通常、フーリエ変換を使用して行われますサウンドを構成するさまざまな周波数を表示します。すべてのエンジンが特定の音を出すので、オブジェクトを識別するのは簡単です。ユニークなエンジン音のデータベースは、音響インテリジェンスまたはACINT として知られているものの一部です。

パッシブソナーのもう1つの用途は、ターゲットの軌道を決定することです。このプロセスはターゲットモーション分析（TMA）と呼ばれ、結果として得られる「ソリューション」は、ターゲットの範囲、コース、および速度です。TMAは、音が異なる時間にどの方向から来るかをマークし、その動きをオペレーターの自船の動きと比較することによって行われます。相対運動の変化は、限定的なケースに関するいくつかの仮定とともに、標準的な幾何学的手法を使用して分析されます。

パッシブソナーはステルスで非常に便利です。ただし、ハイテク電子部品が必要であり、コストがかかります。これは通常、検出を強化するためにアレイの形で高価な船に配備されます。水上艦はそれを効果的に使用します。それは潜水艦によってさらによく使用され、潜水艦は熱層の下に隠れることができるので、主に「驚きの効果」のために飛行機やヘリコプターによっても使用されます。潜水艦の指揮官が自分が一人であると信じている場合、彼は自分のボートを水面に近づけて検出しやすくするか、より深く、より速く進み、より多くの音を出すことができます。

軍事用途でのソナーアプリケーションの例を以下に示します。次のセクションで説明する民間用途の多くは、海軍用途にも適用できる場合があります。

対潜水艦戦

可変深度ソナーとそのウインチ

最近まで、船のソナーは通常、船体中央または船首に船体に取り付けられたアレイを備えていました。最初の使用後すぐに、フローノイズを低減する手段が必要であることがわかりました。最初はフレームワーク上の帆布で作られ、次に鋼のものが使用されました。現在、ドームは通常、強化プラスチックまたは加圧ゴムで作られています。このようなソナーは、主に運用中にアクティブになります。従来の船体搭載ソナーの例はSQS-56です。

船の騒音の問題から、曳航式ソナーも使用されています。これらは、水中でより深く配置できるという利点がありますが、浅瀬での使用には制限があります。これらは、2 / 3Dアレイを備えた曳航アレイ（線形）または可変深度ソナー（VDS）と呼ばれます。問題は、それらを展開/回復するために必要なウィンチが大きくて高価であるということです。VDSセットは主に動作時にアクティブになりますが、曳航アレイはパッシブになります。

現代のアクティブ-パッシブ船曳航ソナーの例は、タレスアンダーウォーターシステムズ製のソナー2087です。

魚雷

現代の魚雷は一般的にアクティブ/パッシブソナーを備えています。これは、ターゲットに直接ホームするために使用できますが、ウェイクホーミング魚雷も使用されます。アコースティックホーマーの初期の例は、Mark37魚雷でした。

魚雷の対抗策は曳航することも無料にすることもできます。初期の例はドイツのジークリンデ装置で、ボールドは化学装置でした。広く使用されている米国のデバイスは曳航されたAN / SLQ-25 Nixieでしたが、モバイル潜水艦シミュレーター（MOSS）は無料のデバイスでした。Nixieシステムの最新の代替手段は、英国海軍S2170水上艦魚雷防御システムです。

鉱山

地雷には、必要なターゲットを検出、ローカライズ、および認識するためのソナーが装備されている場合があります。例はCAPTOR鉱山です。

鉱山対策

地雷対策（MCM）ソナーは、「地雷および障害物回避ソナー（MOAS）」と呼ばれることもあり、小さな物体を検出するために使用される特殊なタイプのソナーです。ほとんどのMCMソナーは船体に取り付けられていますが、いくつかのタイプはVDS設計です。船体に取り付けられたMCMソナーの例はタイプ2193であり、SQQ-32地雷捜索ソナーとタイプ2093システムはVDS設計です。

潜水艦ナビゲーション

潜水艦は、レーダーを深部で使用できないため、水上艦よりもソナーに大きく依存しています。ソナーアレイは、船体に取り付けられているか、曳航されている可能性があります。典型的なはめあいに当てはまる情報は、おやしお型潜水艦とスウィフトシュア級潜水艦に記載されています。

航空機

H-3シーキングから配備されたAN / AQS-13ディッピングソナー

ヘリコプターは、アクティブ-パッシブソノブイのフィールドを展開することで対潜水艦戦に使用したり、 AQS-13などの潜水艦ソナーを操作したりできます。固定翼航空機はソノブイを配備することもでき、それらを配備するためのより大きな耐久性と能力を備えています。ソノブイまたはディッピングソナーからの処理は、航空機または船上で行うことができます。ディッピングソナーには、日常の状況に適した深さまで展開できるという利点があります。ヘリコプターは、 AQS-20Aなどの牽引ソナーを使用した地雷対策任務にも使用されています。

水中通信

専用のソナーを船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

米国は、1950年に米国電話電信会社（AT＆T）との分類名Sound Surveillance System（SOSUS）でパッシブ固定海洋監視システムのシステムを開始し、ベル研究所の研究とWesternElectricの製造事業体が開発と契約を結んでいます。インストール。システムは、深海サウンドチャネルとしても知られるSOFARチャネルを利用しました。このチャネルでは、音速の最小値によって、低周波音が数千マイルも伝わる導波管が作成されます。分析はAT＆Tサウンドスペクトログラフに基づいており、サウンドを時間周波数分析を表す視覚スペクトログラムに変換しました。音声分析用に開発され、低周波の水中音を分析するために変更された音の分析。そのプロセスは低周波分析と記録であり、装置は低周波分析装置と記録装置と呼ばれ、両方とも頭字語LOFARが付いていました。LOFARの研究はイゼベルと呼ばれ、空気および地上システム、特にプロセスを使用し、時には「イゼベル」を名前に使用するソノブイでの使用につながりました。[43] [44] [45] [46]提案されたシステムは、海軍が実施のための即時の動きを命じたほどの長距離潜水艦探知の約束を提供した。[44] [47]

NAVFACウォッチフロアのLofargramライター（アレイビームごとに1つ）。

テストアレイの設置とそれに続く実物大の40エレメントのプロトタイプ運用アレイの間に、1951年と1958年のシステムが大西洋に設置され、次に太平洋に未分類の名前ProjectCaesarで設置されました。。元のシステムは、海軍施設（NAVFAC）に指定された分類された海岸局で終了し、分類された任務をカバーするために「海洋研究」に従事していると説明されました。システムは、より高度なケーブルで複数回アップグレードされ、アレイを海盆に設置して処理をアップグレードできるようになりました。陸上ステーションは、1990年代に統合され、アレイを中央処理センターに再ルーティングするプロセスで排除されました。1985年に、新しいモバイルアレイやその他のシステムが運用可能になると、総称的なシステム名が統合海底監視システム（IUSS）に変更されました。1991年にシステムの使命は機密解除されました。IUSSの記章が着用を許可される前の年。科学研究のためのいくつかのシステムへのアクセスが許可されました。[43] [44]

同様のシステムがソビエト連邦によって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を検出するために使用できます。これは、船の周りや港の入り口に適用できます。アクティブソナーは、抑止および/または無効化メカニズムとしても使用できます。そのようなデバイスの1つがCerberusシステムです。

AN / PQS-2Aハンドヘルドソナー、取り外し可能な浮力カラーと磁気コンパスで示されています

ハンドヘルドソナー

リムペットマインイメージングソナー（LIMIS）は、視界の悪い水中でリムペットマインを探すためにパトロールダイバー（戦闘フロッグマンまたはクリアランスダイバー）向けに設計されたハンドヘルドまたはROV搭載のイメージングソナーです。

LUISは、ダイバーが使用するもう1つのイメージングソナーです。

統合ナビゲーションソナーシステム（INSS）は、範囲を表示するダイバー向けの小さな懐中電灯型のハンドヘルドソナーです。[48] [49]

インターセプトソナー

これは、敵対的なアクティブソナーからの送信を検出して特定するように設計されたソナーです。この例は、英国のヴァンガード級原子力潜水艦に搭載されたタイプ2082です。

民間アプリケーション

水産業

漁業は需要が高まっている重要な産業ですが、深刻な資源問題の結果、世界の漁獲量は減少しています。業界は、持続可能性のポイントに到達できるまで、世界規模の統合を継続するという未来に直面しています。しかし、漁船団の統合により、センサー、サウンダー、ソナーなどの高度な魚群探知電子機器に対する需要が高まっています。歴史的に、漁師は魚を見つけて収穫するために多くの異なる技術を使用してきました。しかし、音響技術は、現代の商業漁業の発展の背後にある最も重要な原動力の1つです。

魚の空気で満たされた浮き袋は海水とは密度が異なるため、音波は魚の中と水の中を異なる方法で伝わります。この密度差により、反射音を使用して魚群を検出できます。音響技術は、音が空気中よりも水中をより遠く、より速く伝わるため、水中アプリケーションに特に適しています。今日、商業漁船は、魚を検出するために音響ソナーとサウンダーにほぼ完全に依存しています。漁師はまた、アクティブソナーと音響測深機の技術を使用して、水深、底部の輪郭、および底部の組成を決定します。

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、深海の商業漁業向けにさまざまなソナーおよび音響機器を製造しています。たとえば、ネットセンサーはさまざまな水中測定を行い、その情報を船内の受信機に送り返します。各センサーには、特定の機能に応じて1つ以上の音響トランスデューサーが装備されています。データは、ワイヤレス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によって受信されます。アナログ信号はデコードされ、デジタル音響受信機によってデータに変換され、ブリッジコンピュータに送信されて、高解像度モニター にグラフィカルに表示されます。

音響測深

音響測深は、船やボートの下の水深を決定するために使用されるプロセスです。アクティブソナーの一種である音響測深機は、音響パルスを海底に直接下向きに送信し、海底に衝突して元の船に跳ね返った後、送信からエコーが戻るまでの時間を測定します。音響パルスは、リターンエコーも受信するトランスデューサーによって放出されます。深さの測定値は、水中の音速（平均で毎秒1,500メートル）に放出からエコーリターンまでの時間を掛けて計算されます。[50] [51]

漁業にとっての水中音響の価値は、音響測深機と同様に動作する他の音響機器の開発につながりましたが、それらの機能は音響測深機の初期モデルとはわずかに異なるため、異なるものが与えられています条項。

ネットロケーション

ネットサウンダーは、容器の底ではなくネットのヘッドラインにトランスデューサーが取り付けられた音響測深機です。それでも、トランスデューサからディスプレイユニットまでの距離（通常の音響測深機よりもはるかに大きい）に対応するには、いくつかの改良を加える必要があります。2つの主なタイプが利用可能です。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運搬、発射、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番目のタイプは、MarportのTrawl Explorerなどのケーブルレスネットサウンダーで、信号はネットと船体に取り付けられたレシーバーハイドロフォンの間で音響的に送信されます。この場合、

音響測深機のディスプレイには、音響測深機の船体に取り付けられたトランスデューサーのように水深ではなく、底部（または表面）からのネットの距離が表示されます。ネットの見出しに固定されており、通常、ネットのパフォーマンスを示すフットロープが表示されます。ネットに入る魚も見ることができるので、可能な限り多くの魚を捕まえるために微調整を行うことができます。ネット内の魚の量が重要な他の漁業では、キャッチセンサートランスデューサーがネットのタラエンドのさまざまな位置に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、これらのキャッチセンサートランスデューサーが1つずつトリガーされ、この情報が音響的に送信されて、船舶のブリッジにモニターが表示されます。スキッパーは、ネットをいつ運搬するかを決定できます。

複数の要素のトランスデューサーを使用する最新バージョンのネットサウンダーは、音響測深機というよりソナーのように機能し、最初のネットサウンダーが使用した垂直方向のビューだけでなく、ネットの前の領域のスライスを表示します。

ソナーは、魚や船の周りの他の物体を表示できる指向性機能を備えた音響測深機です。

ROVとUUV

小型ソナーは、遠隔操作無人潜水機（ROV）および無人海中ドローン（UUV）に取り付けられており、濁った状態での操作が可能です。これらのソナーは、車両の前方を見るために使用されます。長期鉱山偵察システムは、MCMを目的としたUUVです。

車両の位置

ビーコンとして機能するソナーは、海で衝突した場合にその位置を確認できるように航空機に取り付けられています。短いベースラインソナーと長いベースラインソナーは、LBLなどの場所を気にするために使用できます。

視覚障害者のためのプロテーゼ

2013年、米国の発明者は、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。これは、着用者に脅威の到来を警告します。目隠しをしている場合でも、攻撃者に対応できるようにします。[52]

科学的アプリケーション

バイオマス推定

魚、その他の海洋生物および水生生物の検出、およびアクティブソナー技術を使用した個々のサイズまたは総バイオマスの推定。音のパルスが水の中を伝わると、魚などの周囲の媒体とは密度や音響特性が異なる物体に遭遇し、音を音源に向けて反射します。これらのエコーは、魚のサイズ、場所、豊度、行動に関する情報を提供します。データは通常、 Echoviewなどのさまざまなソフトウェアを使用して処理および分析されます。

波動測定

底部またはプラットフォームに取り付けられた上向きの音響測深機を使用して、波の高さと周期を測定できます。この統計から、ある場所の表面状態を導き出すことができます。

水速測定

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。

ボトムタイプの評価

海底を泥、砂、砂利などに特徴づけるために使用できるソナーが開発されました。音響測深機などの比較的単純なソナーは、アドオンモジュールを介して海底分類システムに昇格させ、エコーパラメータを堆積物タイプに変換できます。さまざまなアルゴリズムが存在しますが、それらはすべて、反射されたサウンダーpingのエネルギーまたは形状の変化に基づいています。高度な基質分類分析は、較正された（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またはファジー論理分析を使用して実現できます。

深浅測量マッピング

マルチビームおよびサイドスキャンソナー操作を行う水路測量船を描いたグラフィック

サイドスキャンソナーを使用して、ソナーを海底の真上で移動させることにより、海底地形のマップ（水深）を導出できます。GLORIAなどの低周波ソナーは大陸棚全体の調査に使用されており、高周波ソナーはより小さな領域のより詳細な調査に使用されています。

サブボトムプロファイリング

海底の上層のプロファイルを提供するために、強力な低周波音響測深機が開発されました。最新のデバイスの1つは、InnomarのSES-2000 quattroマルチトランスデューサパラメトリックSBPであり、たとえば、水中考古学の目的でパックベイで使用されています[53]。

海底からのガス漏れ検知

気泡は、海底から、または海底の近くから、複数の発生源から漏れる可能性があります。これらは、パッシブ[54]とアクティブソナー[38]の両方で検出できます（それぞれ黄色と赤のシステム で概略図[54]に示されています）。

海底（天然ガスの浸透とCCSFの漏れ）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（黄色）ソナー検出。[54]

メタンと二酸化炭素の自然な浸透が発生します。[38]ガスパイプラインは漏出する可能性があり、炭素回収貯留施設（CCSF、抽出された大気中の炭素が貯蔵されている枯渇した油井など）から漏出が発生しているかどうかを検出できることが重要です。[55] [56] [57] [58]ガス漏れ量の定量化は困難であり、アクティブおよびパッシブソナーを使用して推定を行うことはできますが、そのような推定を行う際に固有の仮定があるため、それらの精度を疑うことが重要です。ソナーデータから。[54] [59]

合成アパーチャソナー

さまざまな合成開口ソナーが実験室で構築されており、一部は鉱山の狩猟や捜索システムで使用されています。それらの動作の説明は、合成アパーチャソナーで行われます。

パラメトリックソナー

パラメトリックソースは、水の非線形性を使用して、2つの高周波間の差周波数を生成します。仮想エンドファイアアレイが形成されます。このようなプロジェクターには、広い帯域幅と狭いビーム幅という利点があり、完全に開発されて注意深く測定された場合、明らかなサイドローブはありません。パラメトリックアレイを参照してください。その主な欠点は、効率がわずか数パーセントと非常に低いことです。[60] PJ Westerveltは、関連する傾向を要約しています。[61]

地球外の状況でのソナー

パッシブソナーとアクティブソナーの両方の使用が、さまざまな地球外の用途に提案されています。[62]アクティブソナーの使用例は、タイタンの炭化水素海の深さを決定することです[63]パッシブソナーの使用例は、タイタンのメタン落下の検出です[64]。

地球（大気、海洋、鉱物）環境と地球外環境の違いを適切に考慮せずにソナーの使用を提案する提案は、誤った値につながる可能性があることが指摘されています[65] [66] [67] [ 68] [69] [70]

生態学的影響

上のシリーズの一部
汚染
Air pollution3.jpg
大気汚染
生物学的汚染
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自然汚染
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海棲哺乳類への影響

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ります。[71] 座礁の最も一般的な犠牲者であるアカボウクジラは、中周波のアクティブソナーに非常に敏感であることが示されています。シロナガスクジラのような他の海洋哺乳類もソナーの源から逃げ出しますが[ 73]、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ことが示唆されました。[74]一部の研究に一部資金を提供した米海軍は、調査結果は実際の害ではなくソナーに対する行動反応のみを示したが、「新しい調査結果に照らして[彼らの]海洋哺乳類保護措置の有効性を評価する」と述べた。 。[71]米海軍によるソナーの使用に関する2008年の米国最高裁判所の判決は、ソナーが海洋哺乳類を傷つけたり殺したりしたことが決定的に示された事例はなかったと述べた。[75]

クジラやイルカなどの一部の海洋動物は、捕食者や獲物を見つけるためにバイオソナーと呼ばれることもあるエコーロケーションシステムを使用しています。南カリフォルニア湾のシロナガスクジラに対するソナーの影響に関する研究は、中周波数のソナーの使用がクジラの摂食行動を混乱させることを示しています。これは、ソナーによって引き起こされる摂食の混乱と高品質の獲物パッチからの移動が、ヒゲクジラの採餌生態、個体の健康、および個体群の健康に重大かつ以前は文書化されていない影響を与える可能性があることを示しています。[76]

ソナーが使用された海軍演習に関連する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年に公開されました。中周波アクティブソナーの効果は、キュビエのアカボウクジラに最も強いが、個人または集団によって異なると結論付けました。レビューは、個々の動物の反応の強さは、それらが以前にソナーにさらされたかどうか、および減圧症の症状に依存する可能性があることを示唆しましたソナーへのそのような反応の結果であるかもしれない座礁したクジラで発見されました。以前に複数の座礁が報告されていたカナリア諸島では、ソナーを使用した海軍演習が禁止された後は、座礁が発生しなくなったことに留意し、座礁が続く他の地域に禁止を拡大することを推奨した。発生する。[77] [78]

魚への影響

高強度のソナー音は、一部の魚の聴力しきい値に小さな一時的なシフトを引き起こす可能性があります。[79] [80] [a]

頻度と解像度

ソナーの周波数は、超低周波音からメガヘルツ以上の範囲です。一般に、周波数が低いほど範囲が長くなり、周波数が高いほど解像度が高くなり、特定の方向性に対してサイズが小さくなります。

妥当な指向性を実現するには、通常、1 kHz未満の周波数には大きなサイズが必要であり、通常は曳航アレイとして実現されます。[81]

低周波ソナーは大まかに1〜5 kHzと定義されていますが、一部の海軍は5〜7kHzも低周波と見なしています。中周波数は5〜15kHzと定義されています。別の除算スタイルでは、低周波数は1 kHz未満、中周波数は1〜10kHzと見なされます。[81]

アメリカの第二次世界大戦時代のソナーは、20〜30 kHzの比較的高い周波数で動作し、通常の最大動作範囲が2500ヤードの適度に小さいトランスデューサーで指向性を実現しました。戦後のソナーは、より長い距離を達成するために、より低い周波数を使用しました。たとえば、SQS-4は最大5000ヤードの範囲で10kHzで動作しました。SQS-26およびSQS-53は、最大20,000ヤードの範囲で3kHzで動作しました。彼らのドームのサイズは約です。60フィートの人員用ボート、従来の船体ソナーの上限サイズ。船体全体に広がる等角ソナーアレイによってより大きなサイズを達成することは、これまでのところ効果的ではありませんでした。したがって、より低い周波数では、線形または曳航アレイが使用されます。[81]

日本の第二次世界大戦ソナーは、さまざまな周波数で動作しました。30インチの石英プロジェクターを備えたタイプ91は、9kHzで動作しました。タイプ93は、小型の石英プロジェクターを搭載し、17.5 kHz（16または19 kHzの磁歪のモデル5）で、最大6 kmの範囲で1.7〜2.5キロワットの電力で動作しました。後者のタイプ3は、ドイツ設計の磁歪トランスデューサーを備え、13、14.5、16、または20 kHz（モデル別）で動作し、0.2〜2.5キロワットのツイントランスデューサー（3つのシングルトランスデューサーを備えたモデル1を除く）を使用します。単純なタイプでは、0.25kWの14.5kHz磁歪トランスデューサを使用し、発振器の代わりに容量性放電によって駆動され、範囲は最大2.5kmでした。[21]

ソナーの解像度は角度があります。さらに離れたオブジェクトは、近くのオブジェクトよりも低い解像度で画像化されます。

別の情報源は、サイドスキャンソナーの範囲と解像度と周波数の関係を示しています。30 kHzは1000〜6000 mの範囲の低解像度を提供し、100 kHzは500〜1000 mで中解像度を提供し、300 kHzは150〜500 mで高解像度を提供し、600 kHzは75〜150mで高解像度を提供します。長距離ソナーは、水の不均一性によってより悪影響を受けます。一部の環境、通常は海岸近くの浅瀬は、多くの特徴を備えた複雑な地形を持っています。そこではより高い周波数が必要になります。[82]

も参照してください

注釈

  1. ^ Halvorsen etal。（2013）は、観察された効果は「魚がソナーの近くにあり、3つのテスト信号の全期間にわたってそこにとどまっていたとしても、通常は小さい」と結論付けています。

引用

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General bibliography

Fisheries acoustics references

Further reading

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