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潜水艦のソナーとは
潜水艦で使用されるソナーは、水中を伝わる音波を利用して、周囲の船舶や潜水艦、海底、障害物などを探知する装置です。
「SONAR」という名称は「Sound Navigation And Ranging」に由来します。
海水中では、一般的な無線通信やレーダーで使用される電磁波が急速に減衰するため、水中で遠くの物体を探知する手段として音波が適しています。
潜水艦のソナーは、大きく「アクティブソナー」と「パッシブソナー」の2種類に分けられます。
アクティブソナーとパッシブソナーの違い
アクティブソナーは、潜水艦側から音波を発射し、対象物から戻ってきた反射音を利用する方式です。
一方、パッシブソナーは自分から探知用の音を出さず、周囲で発生している音を受信して分析します。
一般的な潜水艦映画などで表現される「ピーン」「ピン」という音は、主にアクティブソナーをイメージしたものです。
ただし、実際のソナーで使用される音響信号は、必ずしも映画のような単純な音とは限りません。
アクティブソナーは音を発射して物体を探す
発射した音の反射を利用する
アクティブソナーでは、潜水艦から水中へ音響信号を発射します。
発射された音波が別の潜水艦、水上艦、海底、岩礁などに当たると、その一部が反射して戻ってきます。
この反射して戻ってきた音を「エコー」と呼びます。
ソナーはエコーが戻ってくるまでの時間や方向などを解析することで、対象物の位置に関する情報を得ます。
音が戻ってくる時間から距離を計算する
海水中の音速は、おおむね秒速1,500メートル前後です。
そのため、音を発射してから反射音が戻ってくるまでの時間を計測すれば、対象物までのおおよその距離を求められます。
例えば、音を発射してから2秒後に反射音が戻ってきた場合を考えてみましょう。
音速を秒速1,500メートルとすると、音波が移動した往復距離は約3,000メートルです。
対象物までの距離はその半分なので、約1,500メートルとなります。
ただし、実際の海中では音速が一定ではありません。
水温、塩分、圧力などによって変化するため、精密な測定では海中の音速分布を考慮する必要があります。
ソナーの音は必ずしも「ピーン」ではない
実際にはさまざまな音響信号が使われる
映画やドラマでは、潜水艦のアクティブソナーが「ピーン」という澄んだ音として表現されることがあります。
しかし、実際のソナーでは、目的に応じてさまざまな種類の音響信号が利用されます。
単一周波数に近いパルスだけでなく、時間の経過とともに周波数を変化させる信号なども使用できます。
そのため、実際のソナー音が必ず人間の耳に「ピーン」と聞こえるわけではありません。
使用される周波数によっては、人間が聞き取りにくい、あるいは聞くことのできない音域になる場合もあります。
チャープ信号が利用されることもある
時間とともに周波数を変化させる音響信号は、一般に「チャープ信号」などと呼ばれます。
このような信号を利用すると、反射して戻ってきた音を信号処理によって検出しやすくできます。
したがって、現代のソナーは単純に「音を出して反射を聞く装置」ではありません。
送信する音響信号と、受信した反射音を解析する高度な信号処理技術を組み合わせたシステムです。
ソナーは周波数によって性質が変わる
低い周波数は比較的遠くまで届きやすい
音波は周波数によって海中での伝わり方が異なります。
一般に低周波の音は海水中での減衰が比較的小さく、長距離まで伝わりやすいという特徴があります。
そのため、遠距離の探知を目的とする音響システムでは、比較的低い周波数帯が利用されることがあります。
一方、低周波になるほど波長が長くなるため、細かな対象物を識別する性能との間には一定のトレードオフがあります。
高い周波数は細かな対象を捉えやすい
周波数が高くなると波長は短くなります。
適切な帯域幅やセンサー構成、信号処理と組み合わせることで、比較的小さな対象物や細かな構造を識別しやすくなります。
ただし、高周波の音は海中で減衰しやすくなるため、一般的に長距離探知には不利です。
なお、ソナーの分解能は周波数だけで決まるわけではありません。
パルス幅、帯域幅、送受波器の大きさ、信号処理方法など、さまざまな要素が関係します。
パッシブソナーは周囲の音を聞き取る
自分から探知用の音を出さない
パッシブソナーは、アクティブソナーとは異なり、自分から探知用の音響信号を発射しません。
水中に存在するさまざまな音を高感度の水中音響センサーで受信し、その特徴を分析します。
軍用潜水艦では、自分の存在や位置を相手に知られにくくすることが重要です。
そのため、自ら音響信号を発射しないパッシブソナーが重要な役割を果たします。
ただし、軍用潜水艦が常にパッシブソナーだけを使用するという意味ではありません。
状況や任務に応じて、異なる種類のソナーが使い分けられます。
パッシブソナーではどのような音を聞いているのか
海中にはさまざまな音が存在する
海の中は決して静かな環境ではありません。
自然現象や海洋生物、船舶などから、さまざまな音が発生しています。
パッシブソナーが受信する可能性のある音には、次のようなものがあります。
- 船舶や潜水艦の推進器が発生する音
- エンジンやモーターから生じる振動音
- ポンプや補助機器などの機械音
- キャビテーションによる音
- 波や海流などによる自然音
- 海洋生物が発する音
- 別の艦艇が発射したアクティブソナーの音
こうした多数の音の中から特徴的な成分を抽出し、対象物の存在や種類を推定するのがパッシブソナーの役割です。
プロペラや推進器の音は重要な手掛かりになる
回転によって周期的な音が発生する
船舶や潜水艦が航行すると、プロペラなどの推進器が水中で回転します。
その際には、水流や機械振動などによって音が発生します。
推進器の回転などに伴って周期的な音響成分が現れることがあり、これらを解析すると対象の運動状態や特徴を推定する手掛かりになります。
ただし、音を聞いただけで対象の仕様を単純かつ確実に特定できるわけではありません。
実際の識別には複数の音響情報や航行状況などが利用されます。
キャビテーションも大きな騒音源になる
プロペラなどの周辺で水圧が局所的に低下し、水の蒸気圧を下回ると、蒸気泡が発生することがあります。
その蒸気泡が圧力の高い場所へ移動して崩壊する現象が「キャビテーション」です。
キャビテーションが発生すると、水中に特徴的な騒音が放射されます。
この音は他のソナーに探知される要因になるだけでなく、自艦のソナーにとっても雑音となる可能性があります。
そのため、軍用潜水艦ではキャビテーションや推進騒音をできるだけ抑えることが重要です。
潜水艦内部の機械音も水中へ伝わる
モーターやポンプなども騒音源になる
潜水艦の内部には、推進用モーターのほか、ポンプ、冷却装置、発電設備など、さまざまな機器があります。
こうした機器が振動すると、その振動が船体を通じて水中へ伝わり、外部から観測できる音になる場合があります。
そのため、潜水艦では機器の防振支持や静粛性の高い機械の採用など、騒音を低減するための対策が重要になります。
軍用潜水艦における静粛性とは、単に乗員にとって静かな船を作るという意味ではありません。
外部へ放射する音を減らし、相手のパッシブソナーから探知されにくくする意味があります。
ソナーの音から対象の特徴を分析する
音響シグネチャーが識別の手掛かりになる
船舶や潜水艦から発生する音には、機械や推進器などに由来する特徴的な周波数成分が含まれる場合があります。
このような特徴は、一般的に「音響シグネチャー」と呼ばれます。
ソナーでは受信した音の周波数成分、周期性、方向、時間変化などを解析し、対象を分類するための情報として利用します。
ただし、軍用潜水艦の具体的な音響特性や識別手法については、軍事上の重要情報であるため公表されていない部分も少なくありません。
ドップラー効果から相対的な動きを推定できる
反射音の周波数は対象の動きで変化する
アクティブソナーでは、対象物が移動していると、発射した音と反射して戻ってきた音の周波数に違いが生じることがあります。
これは「ドップラー効果」と呼ばれる現象です。
対象物が近づいている場合と遠ざかっている場合では、観測される周波数の変化が異なります。
そのため、ドップラーシフトを解析することで、対象との相対的な速度などを推定できます。
海中の音は必ずしも直線に進まない
水温や塩分、圧力で音速が変化する
海中の音速は一定ではありません。
水温、塩分、圧力などによって音速が変化します。
特に深さによる水温や圧力の変化によって、海中には音速の異なる層が形成されます。
音波が音速の異なる領域を進むと屈折するため、海中では音が単純な直線を進むとは限りません。
その結果、同じ距離であっても音が届きやすい場所と届きにくい場所が生じることがあります。
音速プロファイルがソナー性能に影響する
深度ごとの音速の変化を表したものを「音速プロファイル」と呼びます。
潜水艦や水中音響システムでは、この音速プロファイルを考慮することが重要です。
音波がどの方向へ曲がるのかによって、探知できる範囲や受信される音の強さが変化するからです。
したがって、ソナー性能は装置そのものの性能だけでなく、そのときの海洋環境にも大きく左右されます。
海中には音が遠くまで伝わる層が存在する
SOFARチャネルとは
海洋には、条件によって低周波音が非常に遠くまで伝わりやすい領域が形成されることがあります。
代表的なものが「SOFARチャネル」と呼ばれる深海音響チャネルです。
一定の深さで音速が最小になると、その上下へ向かった音波が屈折し、音速が低い領域付近へ戻されることがあります。
その結果、音響エネルギーが広い範囲に拡散しにくくなり、低周波の音が非常に長い距離を伝わる場合があります。
このような深海音響チャネルを含め、海洋の音速構造を理解することは、水中での音の伝わり方を考えるうえで重要です。
海面や海底でもソナー音は反射する
浅い海では音響環境が複雑になりやすい
水中を進む音波は、潜水艦や船だけでなく、海面や海底でも反射します。
特に水深の浅い海では、海面と海底の間で音が何度も反射することがあり、受信される信号が複雑になります。
さらに、海底が砂、泥、岩などのどのような材質で構成されているかによっても、音の反射や吸収の程度が変わります。
このため、実際のソナーでは、単純に「音が聞こえたかどうか」だけで判断するわけではありません。
音が来た方向、周波数、時間差、強さ、海洋環境などを総合的に分析します。
アクティブソナーには自分の存在を知らせる可能性がある
音を出すこと自体が手掛かりになる
アクティブソナーは、対象物までの距離を比較的直接的に測定できるという利点があります。
しかし、自分から水中へ音響信号を発射するため、その信号を別の艦艇のパッシブソナーなどに受信される可能性があります。
つまり、相手を探知するためにアクティブソナーを使用すると、同時に自分の存在を相手に知らせる手掛かりにもなり得ます。
そのため、軍事用途では状況に応じてアクティブソナーとパッシブソナーを適切に使い分ける必要があります。
現代の潜水艦ソナーは耳だけで聞く装置ではない
コンピューターによる信号処理が重要
映画などでは、ソナー担当者がヘッドホンを装着して水中の音を聞いている場面があります。
実際のソナーでも人間による聴音は利用されますが、それだけで探知や識別を行っているわけではありません。
複数の水中音響センサーから受信した信号をコンピューターで処理し、音の方向や周波数などを分析します。
ビームフォーミングで特定方向の音を強調する
多数のセンサーを組み合わせることで、特定方向から到来する音を強調する「ビームフォーミング」と呼ばれる技術も利用されます。
これにより、多数の雑音が存在する海中でも、目的とする方向から来る信号を検出しやすくなります。
現代の潜水艦ソナーは、水中マイクだけで構成された単純な装置ではなく、多数のセンサーと高度な信号処理技術を組み合わせたシステムです。
潜水艦では静粛性が非常に重要
相手の音を聞くだけでなく自分の音を減らす必要がある
潜水艦では、周囲の艦艇を発見する能力だけでなく、自分自身が発見されにくいことも重要です。
どれほど高性能なパッシブソナーを搭載していても、自艦が大きな騒音を発生していれば、相手側から探知されやすくなってしまいます。
そのため、軍用潜水艦では、推進器の騒音低減、機械の防振、船体へ伝わる振動の抑制など、さまざまな静粛化対策が行われます。
潜水艦の水中戦では、単に「高性能なソナーを持っているか」だけでなく、相手の小さな音をどこまで正確に捉えられるか、そして自分がどこまで静かに行動できるかが重要になります。
潜水艦のソナー音について理解しておきたいポイント
潜水艦のソナーというと「ピーン」という音が有名ですが、実際の水中音響はそれほど単純ではありません。
アクティブソナーでは、自ら音響信号を発射し、対象物から返ってきた反射音を利用して距離や方向などを調べます。
一方、パッシブソナーでは自ら探知用の音を出さず、推進器、モーター、ポンプ、キャビテーションなどが生み出す周囲の音を受信して分析します。
さらに、ソナーの性能は使用する周波数だけでなく、水温、塩分、圧力、海底の性質、海面の状態などにも大きく左右されます。
そのため、現代の潜水艦ソナーは単なる「水中で音を聞く装置」ではありません。
多数の水中音響センサーと高度な信号処理技術を組み合わせ、複雑な海中環境から必要な情報を取り出す総合的な探知システムといえます。
以上、潜水艦で使用されるソナーの音についてでした。
最後までお読みいただき、ありがとうございました。
