ソナー
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ソナー（Sonar 、ソーナーとも。海上自衛隊ではソーナーと呼称する。）とは、音波による航行と測距 (sound navigation and ranging) のアクロニムで、音波によって物体の探知をする機械である。一般には水中物体の位置を測定し画像化する装置を指し、潜水艦や漁船などはほとんど装備している。
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[編集] 概要
海水中においては、光や電波は急速に減衰してしまうために、観測・測定用の波動として有効ではない。海は濁っていることから、光が海水中で届く距離はせいぜい50mである。また海水は塩などの電解質が解けた電解液であるため、電波は入射すると海水に流れる電流でエネルギーが消費され、急速に減衰する。しかし音波は水中において、光や電波に比べきわめて減衰が小さく、遠くまで伝搬する。例えば周波数10kHzの音波であれば、ゆうに10km以上離れた場所にも伝搬する。しかし、同様の原理をもつレーダーと異なり、水を伝達媒質としているため、実用には不安定要素が大きい。たとえば、全く現実に存在しないゴースト（虚映）を探知したり、目視距離内にある潜水艦を探知できない場合や、突然の失探といったこともいまだに日常茶飯事である。
また音波は、空気中よりも水中のほうが伝播速度が速い。空中における音速はおよそ340m/sであるが、水中においてはおよそ1500m/sであり、4倍以上早く伝搬する。これは遠距離における物体を探知する場合には極めて重要である。例えば距離1kmにある物体を探知しようとする場合、往復2kmを音波が伝搬する時間は空中では約5.9秒であるが、水中では約1.3秒である。1秒でも早く目標を発見したい状況において、この差は極めて大きい。
この海水中における他よりも優れた伝搬特性を利用して、物体の位置を測定する装置がソナーである。その原理は極めて単純である。ある方向に出した音波が、なんらかの物体に当たり、反射されてT秒後に観測された（エコーが返ってきた）とすれば、
- 物体までの距離 = （音速×T）/ 2 ※ 2で除すのはTが音波の往復にかかる時間であるため
として求められる。例えば音波を360度、全周にわたって放射しエコーを記録すれば、周囲の全物体を探知する事ができる。この原理はレーダーとまったく同じである。
[編集] 歴史
ソナーは20世紀初頭から開発が進められた。それはタイタニック号の沈没を契機に、夜間や濃霧において氷山を発見し、すみやかに回避するためであった。氷山の探知に技術的には成功したが、完全に実用となったのは第二次世界大戦時の対潜兵器として、水中にひそむドイツのUボートの探知を目的としてである。
[編集] 種類
ソナーは大別すると、アクティブ(active:自発)タイプとパッシブ(passive:受動)タイプに分ける事ができる。一般的なソナーはほとんどがアクティブタイプであるアクティブソナーであり、パッシブタイプであるパッシブソナーは隠密行動が必要な潜水艦において利用されることがほとんどである。
アクティブソナーは、下方を見るためのエコー・サウンダー(echo sounder)と、横を見るためのサイド・スキャン・ソナー(side scan sonar)、前方もしくは周囲を見るためのオブスタクル・アヴォイダンス・ソナー(obstacle avoidance sonar:障害物回避ソナー)などに分類できる。映画などに登場する初期のソナーは「ピン．．．ピン．．．」と音を鳴らして敵を探し、円い画面上に光点として敵が写るが、これは現代の分類では障害物回避ソナーに分類できる(当時はその障害物を破壊して“回避”していたとも言える)。
パッシブソナーは、海底ケーブル式SOSUS、曳航式SUR-TASS、投下式ソノブイなどに分類できる。現代の潜水艦はアクティブだけでなくパッシブも搭載しているが、ほとんどパッシブソナーしか利用しない。アクティブソナーの使用は自分の位置を相手に知らせる事につながるので、緊急時の最終手段（差し違えてでも相手を沈める覚悟の時）でしか使用しない。ソナーは日本語では水中音波探知機または水中測的装置とも呼ばれ、海上自衛隊において操作員は水測員と呼ばれる。
[編集] アクティブソナー
[編集] エコーサウンダー
音波を直下方向に発射するソナーで、魚群探知機や水中用高度計などがある。また体内を見るために使う超音波検査器も、広い意味ではこれに分類される。基本的に音波の発射方向に物体があるか無いかを判断するだけで、もっとも単純な部類に入るが、最近は音波方向を百以上に制御（フェイズドアレイレーダーと同じ原理）し、直下を細かく探査する事ができるマルチビームエコーサウンダーも普及している。また極端な低周波を大音量で用い、海底下に音を貫通させて海底地層の探査をするサブボトムプロファイラーもある。鯨の座礁事件が頻発した時に低周波アクティブソナー（LFAS）が問題になった事があったが、これが原因であった可能性がある。
[編集] サイドスキャンソナー
船舶の側面に搭載し、船舶の真横から斜下方向へ音波を発射し、その方向の探査をする。このままではサイドスキャンソナーは横の目標しか探知できないので、船舶が移動する事が必須である。船舶が直線的に移動する事で、ちょうど上から目標を見下ろすような画像として、平面的に目標およびその周辺をスキャンする。多くの場合で左右にそれぞれ一つずつ搭載し、海底表面の状態をスキャンするのに用いる。
このタイプのソナーには開口合成技術を用いた合成開口ソナーも存在し、機雷の発見に効果的である事がわかってきている。
[編集] オブスタクルアヴォイダンスソナー
エコーサウンダーを前方に固定するか、回転機構の付いた台座に取り付けて回転できるようにしたもので、基本的にエコーサウンダーと同じである。ソナーの原点はこれである。海上を高速移動し、障害物の早期発見が必要である水中翼船には標準的に取り付けられている。しかし鯨などの海洋生物や流木との接触が絶えないのは、海面付近は波などの影響で安定してエコーが返って来ないためである。この形式でもっとも有益で普及しているのは、車のバックをサポートするバックソナーであろう。
[編集] 軍事面
軍事用途としては、主として潜水艦を探知するための物があり。水上艦艇にはハルソーナー、バウソーナー、可変深度ソーナーなどがあり、対潜ヘリコプターにはディッピングソーナーがある。P-3C哨戒機ではアクティブ発信可能なソノブイダイキャスも用いられる。潜水艦においては、パッシブソナーでは得られない高い精度の位置情報や相手の大きさなどの情報を獲得するために、極めて短時間かつ限定的に用いられる。
使用される音波は通常数kHz～数十kHzであるが、周波数が高くなるほど測定精度（分解能）が良くなるが、海水によるエネルギーの減衰が大きくなり遠距離まで届かない。 一方、周波数が低いほど減衰が少なく、遠距離まで届くが、測定精度が低下する、という特徴をもち、通常複数の周波数を状況に応じて使い分けている。
特徴としては
- 自ら音を発するため敵のパッシブソナーに聞かれる危険性がある
- パッシプソナーに比べ精度が高い（高い周波数の場合）
- あまり遠距離の探知はできない（高い周波数の場合）
高周波低周波の数字的定義はあいまいであるが、アクティブソーナーにおける低周波は、高出力(約100KW以上)の3KHz以下が低周波ソーナーとされる。この周波数以下であると、CZ域（約33海里）付近の遠距離探知が可能となり、敵潜水艦の行動を大きく制限することができるといわれる。
[編集] パッシブソナー
主に軍事目的の利用で、相手の音波を受け取る装置。潜水艦は自ら音波を発するアクティブソナーを使用すると、敵に自分の居場所を教えることになるため、潜水艦を中心にパッシブソナーも重視される。
運用方法としては、海底ケーブル式のSOSUS、音響測定艦曳航式のSUR-TASS、潜水艦曳航式のS-TASS、駆逐艦曳航式のTASS、空中投下式のソノブイなどがある。
パッシブソナーはその性質上、潜水艦においては減速機やスクリューなどの騒音源からもっとも遠い艦首付近に設置されることが通例である。近年では艦首部分にソナーの送受波器（アクティブと共用）多数を球状に配置し、個々の受波器が受ける音波の感度差から、音源の方位を三次元的に計測することができるようになった。
また、航走中に艦尾付近に設置したウインチから長いワイヤーに取り付けられた多数の受波器=TASS(Towed Arrey Sonar System)を後方に繰り出して、騒音のない離れた場所で音を捉えたり、艦体の受波器との間で長い距離（基線長）を稼ぎ、三角測量の原理による測距精度を高めたりすることができる。
特徴としては
- 自ら音を発しないため、使用することによって敵に自分の存在や位置が知られることは無い。
- 敵が完全に停止して音を発しない状態の時は探知できない。
- 超音波を用いるアクティブソナーに比べ、敵の発する音源を利用するため、測定精度が低い。
[編集] アメリカ海軍ソナー戦用語
- TSR（タクティカル ソナー レンジ）
- 戦術ソナー探知距離。艦艇4,000ヤード、哨戒ヘリ3,000ヤードが標準とされる。
- CDR
- 潜水艦逆探知距離。艦艇用アクティブソナーを5～10倍の距離で探知する。
- MDR
- ソノブイ有効探知距離。P-3C用ソノブイ直接伝搬域探知距離は半径3,000ヤード。
- TASS（トゥド アレイ サーベーイランス ソナー）
- 艦艇用曳航パッシブソナー。CZ域（艦艇から約30～35海里間）での遠距離探知が可能。
- S-TASS（サブマリン トゥド アレイ サーベーイランス ソナー）
- 潜水艦用TASS
- SUR-TASS
- 音響測定艦用の曳航パッシブソナー。
- TAPA（TASSパトロール）
- TASS PATROLの略。TASS展開のため艦隊より先行して哨戒する駆逐艦。
- SOSUS
- 海底敷設式ソーナー監視網。世界各地に敷設され、常時各国の潜水艦の動静を把握している。
- レイヤーデプス
- サーモクラインとも呼ばれる海中の温度境界層の深さ。サーモクラインは水深200mまでの深さで発生し、季節変動や、気温の日較差でも発生深度に変化が見られる。気温の日較差は、正午頃に海面温度が急上昇することにより顕著な温度境界が生じ、浅深度で発信するアクティブソーナーの探知能力が極端に低下してしまう。この現象は「アフタヌーンエフェクト」（午後の効果）とよばれているアクティブソーナー独特の特性である。潜水艦艦はこの温度境界層下200ftで艦艇襲撃の機会を伺っている。温度境界層には内部波が存在し、最大波長数10km、波高数10mから最大100m、周期は数分から4～5日。発生メカニズムは潮汐と海底地形の相互作用や大気中の風の変動など。音波伝搬路を不規則に歪ませる作用を持つ。
- BDR（ベスト デプス レンジ）
- LD下200ftに潜む潜水艦を探知できる距離。LDの深度により変化する。
- CZ（コンバージェンス ゾーン）
- 水深5000m以上の海域において発生する音波の遠距離伝搬現象。音波は水深の深い方に潜っていく性質があるが、深深度では水圧の壁により跳ね返され、再度浅深度に音波伝搬路が現れる。これをCZといい、発音源から半径約３３海里、幅４～５海里の区域に発現する。さらに2倍3倍の距離でも発現を繰り返す場合がある。
- SC（サウンドチャンネル）
- 水深1,000m付近にできる水圧と水温のバランスにより形成される音波伝搬層。まれに浅深度でも発生するが、発生のメカニズムは研究中である。
- SD（サーフェイス ダクト）
- 水中音波が海面反射とLD反射を繰り返し、浅深度において遠距離伝搬する現象。
- SST（シー サーフェイス テンパレーチャー）
- 海水表面温度。標準は華氏70度（摂氏約15度）。温度上昇に伴い海水の対流で探知能力が低下する。
- VTG（バーチカル サーモグラフ）
- 水中の垂直温度の傾度。傾度が大きいほど伝搬距離は低下する。
- X-BT（エクスパンディッド バシー サーモグラフィー）
- SST、VTGを調査する装置。探知距離の参考とする。
[編集] その他
イルカやクジラなどの海生生物がソナーと同じ仕組みを使用している。また暗い洞窟を自由自在に飛ぶことができるコウモリもソナーを持っている。
