Post on 15-Jul-2020
水中（海洋）音響工学の概要・歴史-- 海洋音響研究とソーナー技術 --
自 己 紹 介
土屋利雄 （tutiyat@gmail.com）
東海大学海洋学部卒、東京工業大学にて学位取得,工学博士
研究歴：海洋科学技術センター（現海洋研究開発機構）において，主に潜水調査船や観測船のTVカメラや水中音響機器（何でもやりました）の開発、音響トモグラフィシステムの開発、音波伝搬理論解析の研究、「かいれい」「みらい」建造責任者、各種海洋データ管理体制の構築
表彰など：科学技術長官賞，水路技術奨励賞，海洋音響学会功績賞，同学会論文賞等の各賞
現職：海洋研究開発機構 海洋工学センター 観測技術担当役東京海洋大学大学院客員教授（水中音響学）防衛庁技術本部研究課題外部評価委員
関連 URL: http://www.tsuchiya2.org
http://www.ntt-f.co.jp/fusion/no32/takumi/
深海トランスポンダの回収実験成功(1978年ころ 水深6000m)
(Q1)音波は縦波か横波か？A1:縦波
(Q2)空中と水中(15℃)でのおおよその音速は？A2:空中 340m/s
水中 1500m/s(Q3)海中で音速に影響を与える3つの要素は何？
A3:1.水温2.塩分3.圧力
(Q4)海洋観測で使われるXBTとは何の略か？A4:eXpendable Bathy Thermograph (投げ捨て型鉛直水温計）
(Q5)単位dBの読みとどういう値を表わすのに使われるものか？
A5:デシベル（または、デービー）
信号や雑音強度、アンプ増幅度、センサーの感度などの相対値を表す
水中音響の基礎知識テスト---成績とは関係ありません---
レポート課題・講義中に興味を持った事項と感想・後から考えると疑問だった事項や質問事項・講義中説明不足だからと、自分で調べた事項
などをA4一枚程度以上・次の講義までにメール（添付書類）で以下に提出
tutiyat@gmail.com・フォーマットは、 PDF.Word,Power Point,HTMLなど・形式自由（日本語、英語OK）・講義に出席してレポートを提出すれば、毎回10点・最後のレポート（課題未定）で40～50点
２.海洋音響機器（SONAR）・各種ソーナーの原理と応用
サイドスキャンソーナー，測深技術測位，海底下探査，通信
・沈没船などの捜索手法
１.水中音響の基礎・概要・歴史
・水中音響基礎知識音速，減衰，音波伝搬ソーナー方程式
水中（海洋）音響工学
U.S. 定価： $99.00
価格： ￥11,047 （税込）
http://www.amazon.co.jp/http://www.masj.jp/
書 名：｢海洋音響の基礎と応用｣編 者：海洋音響学会発行所：成山堂書店頁 数：B5版306頁
定 価（税込み）：5460円学会割引定価（税・送料込み）：4900円
An Introduction to Underwater Acoustics:
Principles and Applications
(Springer Praxis Books)
Xavier Lurton (著)
参考書
地上や宇宙空間では電波が使える誰でも（子供でも）
どこ（月でも）からでも簡単に通信ができる
どこからでも
誰でも
海中での音波通信 電波ほど簡単ではない
海中音響通信の困難さ電波に比べて
・遅い音速（ 電波の20万分の1）
・狭い帯域（ 電波の千分の1）
・大きな雑音
伝送量が小さい
↓
リアルタイム通信 不可能往復5秒以上かかる
映画「日本沈没」の嘘
実際の通信（しんかい6500）
海中音響通信水中通話機
海中環境は技術的三重苦
糸電話
有線電話
水中の通信は糸電話と同じ原理
声の振動
声の振動を電気信号に
水（海）中電話声の振動を水の振動に
声の振動 声の振動を糸の振動に
水（海）中電話は糸電話？
しかし、海中の音は！・狭い周波数範囲・遅い音速（1.5km/sec 電波の1/20万）・不安定・大きい雑音 ⇨ 情報・信号検出技術
水中音響⇨技術的困難を克服するための研究・開発の歴史
それでも海の中は音の世界？
海中 ・電磁波（電波，光）の減衰が大きい
・携帯もテレビも使えない
・光もせいぜい10mくらいしか届かない
・音波なら空中よりはるかに遠くまで届く
SONAR SOund Navigation And Rangingソーナー → 音波を送信/受信する装置の総称
（RADAR レーダー RAdio Detection And Ranging）
音波（海中）と電波（空中）の比較（ほぼ波長が同じ）
電波と海中音波の違い（デジタル通信に関する事項）------通信ではあまりに不利な音波の性質-----
電波（空中） 音波（海中）
波動の性質 電磁波 圧縮波（粗密波）
伝搬速度 秒速300,000km（ほぼ変動なし） 秒速1.5km（±3％変動）
利用周波数 数十kHz～数十GHz 数kHz～数MHz
帯域幅（6km伝搬） 1,000,000kHz以上 10kHz以下
最大利用速度 時速40,000km（衛星） 時速50km（船舶）
ドプラーシフト 極小（0.00004～0.0003 ％） 大（1～2 ％）
揺らぎ・残響 とても小さい 大きい
雑音 小さい（主に熱雑音） 大きい（船舶、生物、波浪など）
音波はデジタル通信（特に位相通信）には大きなハンディ（大きな変動の無いことが前提）
ハンディを克服するのが技術力
それでは、なぜ水（海）中で音波を使うのか?
音波は、水（海）中で、1.良く透過する（伝搬損失が小）2.目標を容易に識別できる（反射が大）3.時間検出が簡単（伝搬速度が遅い）
例 1m/sの分解能水中音波 1.5km/10-3ms=1.5m
電波 300,000km/10-3=300km
伝搬速度は、１／20万、ドプラシフトも大きい逆(検出)を考えると有利な点も！
海中での伝搬減衰比較音波はあまり弱くならない！
電波 10dB/m @100kHz
1/10500@ 1km
音波 0.004dB/m @100kHz
1/100@ 1km
海棲哺乳動物（鯨，イルカ，シャチ）のソーナーバイオ・ソーナー補食、探知、通信？（会話？）鯨(イルカ）は2.5-3千万年前から？ソーナー利用の大先輩
海棲哺乳動物のソーナー（例 ガンジス川イルカ）
2.5-3千万年前
耳包骨の秘密
１４９０年頃レオナルドダビンチによる水中聴音実験？？
（どうも、あやしいらしい）
水中音響の歴史（人類！）
水中音波研究の本当の始まり 1827年
運のいい奴！運も実力の内
Colladon と Sturm
距離13,487 m
水温8℃ 9.4秒音速1435 m/s
(正しくは1438 m/s)
誤差
わずか
0.4％
光
鐘を叩く薄膜
Lake Geneva
水中音響ニーズの到来
海洋音響の元年1912年4月タイタニックの悲劇
めざとい人
1912年5月L.F.Richardson 英国水中反響測距の特許申請氷山の探知のため
1913年R.A.Fessenden
Sub. Sig. Company 米国水中反響測距の米国特許申請
高出力化に成功
1914年距離 2マイルの氷山検出
断面図 外観図
レーダーが発明されるまでの命
⇩ソーナー開発の始まり
潜水艦のエコー検出 1915～1918年
ランジュバン（Langevin:フランスの高名な物理学者）型振動子 高性能な音源
2枚の鋼鉄製極板の間に水晶をサンドイッチ状にした
セーヌ川沖の海上1300m離れた潜水艦からのエコーを検出
LangevinEinstein
圧電素子（水晶振動子）1880年キューリー兄弟が発見
水中音響送受波器（カタログ品）
磁歪振動子→ピエゾ効果セラミック（トランスジューサ）チタン酸バリウム(チタバリ）の焼結体セラミック
PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）
送波器→プロジェクタ Projector受波器→ハイドロフォン（水中マイク） Hydrophone
価格価格数万円～数億円まで、特殊な物なら数十億円も
SBP用4kHz
送波器アレー
SeaBeam2112 測深用12kHz 送波器アレー
深海調査研究船「かいれい」船底装備送波器アレー
4kHzプロジェクターアレイ
12kHzプロジェクターアレイ
ハイドロフォンアレイ
第1次世界大戦( 1914 - 1918)
ドイツのUボート探知が急務
オペレータ
集音マイク
船内
船底から見る
手っ取り早く、90年前のアイディアを
1918 年戦時中の進歩は早い
特に米国では
活用は身近なものから
おばけ聴診器 ?
自分の雑音が邪魔
ゴムボール
原因がわからない光合成によるガスの泡の生成？
ソーナーオペレーターの昼食後の無気力？
第1次大戦後
1925年 C.W.Pierce 磁歪振動子開発 → 大きな進歩
Afternoon Effect（午後の効果）海中音波伝搬研究の重要性が認識された
平和時 進歩鈍化
海中音波は気まぐれ 不明な現象が多発した
風の弱い晴れた日の午後にエコーによる測距が通例の悪化
BT (Bathy Thermograph)（鉛直水温計）
の開発1937年 A. Spilhaus
圧力→温度
↓
XBTに発展1970年代
(eXpendable Bathy
Thermograph)
投げ捨て型BT
水温計測の革新的進歩
⇩正確な音速の推定が可能
ドイツのUボート対策
第2次大戦開戦以前に、艦艇にBTを装備
1945年までにソーナーオペレーター16,000人の訓練
Afternoon Effect（午後の効果）の正体
ソーナーオペレーター昼食後の無気力?違う ぬれぎぬだ！
日中の海面水温上昇音速プロファイルの変動
シャドーゾーン（無音地帯）
の発生
本当の正体は
音速の計測が重要
午前
午後
敵艦発見！
敵艦消失！
第2次世界大戦
アクティブソーナー技術第１世代のエレクトロニクス技術（真空管）ラジオ技術の応用ドイツＵボートに対抗英国海軍のＡＳＤＩＣシステム
1941年 米国の参戦によりソーナーの性能が一気に改善・音波伝搬理論・雑音に埋もれた信号の検知技術
やりすぎは自滅への道
ドイツUボートにより撃沈された商船(ドイツ海軍資料)
1942年1月-６月
1942年1月-６月
日本の技術
1938年桑原の表（最初の音速表）Kuwahara’s Table
戦艦大和の聴音機
実は米海軍が使用していた
水中聴音機は魚雷回避のための水中見張りが主目的バルバスバウ型の直径4mの球内に30個の捕音器を2重に配列したもの46cm主砲の弾丸が40km先に着弾する音が聞こえた(昭和16年12月7日)
久山先生
東西(ソ連と冷戦アクティブソーナーからパッシブソーナーへ
1950年代 攻撃型原子力潜水船（ＳＳＮ）の発達先に音を出した方が負け
1960年代後半 ディジタル信号処理の導入コンピュータの船舶搭載， SOSUSの設置
1980年代以降潜水艦の放射雑音(スクリュー音）の低減技術の進歩工作技術 東芝機械事件（1987年） ココム規制強化
実は無関係
第2次世界大戦後(1954年～）
船体雑音の探知が困難アクティブソーナーの復権(フォークランド紛争，湾岸戦争など)
現代の軍事用潜水艦パッシブ・ソーナー
潜水艦の雑音
潜水艦の雑音
雑音が小さくなりすぎて1000yd（約900m）で探知できない冗談のようなことが起きる
軍事応用
対潜システム
民生品（非軍事）の発達
軍事技術と平行進歩1910年代 深度測定1920年代 魚群探知機
1960年代 サイドスキャンソーナーの発明1970年代 マルチビームソーナーの応用
マルチナロービーム測深器測深技術の革命線から面へ (Sea Beamなど）流速測定ドプラーソーナー測位システムトランスポンダ航法
1980年代 測深器とサイドスキャンソーナーの合体（Sea Mark２）海洋環境計測海洋音響トモグラフィ技術
1990年代 信号処理とコンピュータ技術ディジタル音響高速通信
アクティブ・ソーナー パッシブ・ソーナー
主に軍事目的（スクリュー音の探知）
主に科学・商用目的
バイオ・ソーナー
生物（鯨やイルカ）
潜水調査船のソーナーの開発・音響測位装置・マルチナロービーム測深器・サイドスキャンソーナー・サブボトムプロファイラ・前方障害物探知ソーナー・水中通話機・音響画像伝送装置・海中音響ディジタル通信装置
海中データ通信
画像伝送・データ通信等の速度、信頼性の向上のため、通信装置・データ補正処理等の研究を行っている。
距離4,000mにおいて32kbits／秒を達成(AUV「うらしま」の通信に採用）
距離500m程度において64kbits／秒を達成
AUVから伝送された映像 高速通信の適用例
音響レンズの組み合わせ
音響ビームの生成
垂直面12°、水平面0.3°
音波ビームを96本送受信
水中音響ビデオカメラ（光の替わりに音を使う）
ダイバーの監視映像
輪にフックを掛ける映像
水中音響ビデオカメラ
ワイヤを降ろして海の深さを測る
----測深点の計測----
1521年 フェルナンド マゼラン 太平洋で750mまで測深
ワイヤを降ろすが届かなかったため「底なし」と言明
1840年 ジェームズ C ロス 麻紐と重錘の利用
南大西洋でワイヤによる測深 4365mと算出
1854年 ジョン M ブルック 海底堆積物検出装置
1854年 マシュー F モーリー ２隻の調査船により
52Nから10Sまでの等深線図作成
大西洋中央海嶺の発見
1866年 大西洋海底横断ケーブルの完成
1872-1876年 チャレンジャー号の調査航海
12万km中364カ所の測深
マリアナ海溝チャレンジャー海淵の発見
1904年 モナコのアルバート1世 「大洋水深総図」完成
音波利用の計測 音響測深器-------点から線へ・線から面への革新------
水深＝伝搬時間×音速2
1912年 TAITANIC沈没により氷山の検出の必要性からSONARの考案
1914年 レジナルト A フェッセンデン 水晶震動子による発信器氷山の検出に成功
1915年 ポール ランジュバン 潜水艦の探知に成功1922年 スチュワート号 フェッセンデンの発信器により
大西洋横断 無停泊で約９００点の測深に成功1925-1927年 ドイツの「メテオール号」大西洋遠征により
33000点の測深値が得られた第二次大戦後
ウッズホール海洋研究所とラモントドハティー地質調査所測深断面図を連続的に描くことに成功
点から面への革新1960年代 米海軍マルチナロービーム測深器の完成1980年代 Sea Beamの商品化と普及
線から面への革新1985-1990年 ジオサット計画（海面高度計測）による全海洋測深図
全球への革新
Sounding（測深する）to probe（探査する）からの派生語 to sound（測深する）----音とは直接関係なかった----
マルチナロービーム測深器Multi Narrow Beam Echo Sounder
(Sea Bam 2112.004)
Sea Beam（マルチ・ナロー・ビーム測深機）
琉球海溝の海底地形
数多くのビームによる測深→線から面への革新
マリアナ海溝 チャレンジャー海淵10920m
Sea Beam（マルチ・ナロー・ビーム測深機）世界最深部も簡単に計測
魚群探知機
ドップラ流速計（ＡＤＣＰ）
ダイバー用水中通話器
サイドスキャンソーナー
その他のソーナー
1912年4月12日氷山と衝突し沈没乗員1500人中救助された者657人
×
水深約3800m
海底探索のためのソーナー技術
・フランスチームのソーナーによる捜索は惜しいところで失敗⇨ソーナーシステムに対する過信は禁物⇨探査計画立案が重要
・ウッズホール海洋研究所のバラード博士の執念・TVカメラによる地道な捜索が功を奏した
⇨ 運も見方に 映画会社を創るNational Geographic Video
一連の「沈没船捜索物」の成功（マリアナ海戦，戦艦ビスマルクなど）
「TAITANIC」発見
バラード博士曳航式TVカメラ「ANGUS」
海底探査の航跡最初のフランスの調査ではかすっていた。
米国の調査も逆からやっていれば直ぐに見つかっていた
「TAITANIC」発見（ALVINの映像）
学童疎開船「対馬丸」の船体調査 JAMSTECの成果
無人探査機「ドルフィン3ｋ」
撮影された「対馬丸」船名
「対馬丸」の船体合成写真
シロナガスクジラ(Blue Whale) ナガスクジラ (Fin Whale) ミンククジラ (Mink Whale) ザトウクジラ (Humpback Whale)
？？ヒゲクジラは，広大な海洋で回遊するため相互に数千kmもの通信を行っている？？
ニタリクジラ（Ｂｒｙｄｅ‘ｓ Ｗｈａｌｅ） コククジラ（Gray Whale）
深海サウンドチャンネルが鍵海底と海面に音が当たらないため弱くならないで遠くまで届く
光ファイバと同じ原理
光ファイバの原理
カリフォルニア州Point Arena局で受波明神礁が爆発したときの爆発音
超長距離伝搬実験の始まり
明神礁の爆発の検出 ⇨ 遭難の証拠
1952年9月
1960年3月Perth ⇨ Bermuda
、
ブラジル
オーストラリア喜望峰
超長距離伝搬の挑戦
バミューダ
通過海域音速プロファイル
19810 kmTNT火薬 200ポンド
爆発点
通過海域の深度
バミューダで受波した波形 TNT 200lb, 3時間42分後
ハード島（インド洋）からカリフォルニア長距離音波伝搬実験
伝搬経路インド洋から米西海岸へ
伝搬経路の海底地形
音の強度分布見事に地球を半周
---音波は地球を半周しても伝わることがわかった---
Heard Island Feasibility Test HIFT
実験の目的信号処理の方法屈折の影響
水塊からのモード散乱
インド洋
太平洋大西洋
ハード島
参加国米国,カナダ,フランス,日本(×)
ソ連、インド、オーストラリアニュージーランド、南アフリカ
音源油圧源（HLF-4）
57Hz
3.3kW
×
1991年1月 ハード島伝搬実験 とにかくやってみよう！
試験に使用した信号送波Penta-Line信号と
Ascension島で受波した信号
Heard Island Feasibility Test
JAMSTECが開発した海洋音響トモグラフィシステム
メゾスケール（1000km × 1000km）Observation
2
Hydrophonearry
Float
Acoustictransponder
Eigen ray
3,000～
9,000m
GPS satellite
INMARSAT C satellite
～1,000km
Sound sourceReceiver
Satellitestation
Researchvessel
Japan MarineScience & Technology
Center
海洋音響トモグラフィ観測(OAT）システム
黒潮続流域における海洋音響トモグラフィ観測
黒潮続流域
観測結果例
水中音波(ソーナー)による探知まとめ
• ソーナーには３つの要素が必要–音源
–媒質(水、海水)
–検出 (受信)
原理は簡単
音源から媒質中に音を出して、反射(直接）音を検出するだけ
媒質（水温、塩分）
流れ
送信波
目標物
反射波1 反射波2反射波3 反射波4
受信波（反射）
直接受信波（通信、トモグラフィ）
海底
海底下（地層）
移動
水中音波が検出する情報
・目標物情報（大きさ / 距離 / 速度）
・海底（距離 / 底質 / 地形）・海底下（地層 / ガス/ 石油）・水塊情報
（水温 / 塩分/ 流向・流速）
水中音響の歴史（JAMSTEC ）