音響ホーミング

音響ホーミングとは、システムがターゲットまたは目的地の音または音響信号を使用して、移動する物体を誘導するプロセスです。音響ホーミングには、パッシブ音響ホーミングとアクティブ音響ホーミングの 2 種類があります。パッシブ音響ホーミングを使用する物体は、ターゲットが発する音響放射を検出します。逆に、アクティブ音響ホーミングを使用する物体は、ソナーを使用して信号を発し、ターゲットからの反射を検出します。検出された信号はシステムによって処理され、物体に対する適切な応答が決定されます。音響ホーミングは、他の形式のナビゲーションや追跡が効果的でないアプリケーションに役立ちます。水中など、無線またはGPS 信号を検出できない環境でよく使用されます。

歴史

音をナビゲーションや帰巣に利用するというアイデアは何世紀も前に遡り、長い時間をかけて発展してきたため、音響帰巣という概念は特定の個体に帰属させることはできません。

特定の動物は、生き残るために常に音によるナビゲーションを使用してきました。コウモリとイルカはどちらもエコーロケーションを使用して獲物を探します。これらの動物は、ナビゲーションと狩りの目的で音信号を発し、その反響を聞きます。

水中航行に音を利用した人類の最も古い記録の一つは、測深鉛の使用である。^[1]船乗りたちは、先端に鉛の重りを付けた重り付きロープを下ろした。それが海底に当たったときの音を聞くことで、水深や海底の性質を推定することができた。

18世紀には、霧による視界不良の状況で船舶の航行を助けるために霧笛^[2]が開発されました。霧笛は大きな低周波音を発し、遠くまで届きました。その音は船舶が灯台やその他の場所を識別し、危険を回避するのに役立ちました。

19世紀初頭、チャールズ・バベッジ^[3]やサミュエル・モールス^{[4]などの科学者や発明家が水中信号システムの実験を行いました。これらの実験では、ベルやその他の音声信号を使用して水中の物体と通信しました。これらの努力を通じて、現代の}水中音響とソナー技術の基礎が築かれました。

20世紀初頭、カナダの発明家レジナルド・フェッセンデン^[5]は、水中で音波を使ってメッセージを送信するという、世界初の実用的な水中音響通信システムを開発しました。

第二次世界大戦では、アメリカ海軍とドイツ海軍の両国が敵の潜水艦に対抗するための音響魚雷^[6]の開発に音響ホーミングを採用しました。初期のバージョンでは、水中聴音機を使用して魚雷を検知し、潜水艦の騒音に合わせて誘導していました。

20世紀半ばには、対潜水艦戦用にソノブイ ^[7]が開発されました。ソノブイは航空機から投下される小型の浮遊装置で、水中の音を感知し、その情報を送信元に送信します。

方法

物体には、スピーカーやマイクロフォンとして機能する2 つ以上の音響トランスデューサーを装備できます。トランスデューサーが他のトランスデューサーよりも大きな音を受信すると、物体はトランスデューサーの方向に向きを変えます。物体が 3 次元空間で移動する場合は、3 つ以上のトランスデューサーが必要です。通常は 3 つ以上のトランスデューサーが使用され、100 を超えるアレイも珍しくありません。トランスデューサーの数が多いほど、より正確な操縦が可能になります。

原則

以下は、音響ホーミングのプロセスの簡略化された方法です。

音源：ビーコン^[8]や送信機などの音響信号を発する物体は音波を発生させます。音波は空気や水などの周囲の媒体を介して伝播します。
受信機: デバイスまたはシステムには、環境内の音響信号を検出するように設計されたマイクやハイドロフォンなどの音響受信機が装備されています。
検出: 音響受信機は音源を拾い、または音源に「狙いを定めます」。音響信号は処理のために電気信号に変換されます。
信号処理：^[9]信号処理技術は、変換された電気信号を分析するために使用されます。これには以下が含まれます。
1. 時間遅延解析: ソースに対する方向と角度を計算するために使用されます。
2. 信号強度分析: ソースの近さを定義するために使用されます。信号が強いほど距離が近いことを示し、信号が弱いほど距離が遠いことを示します。
3. 周波数分析: ソースを識別するために使用されます。
4. 方向分析: 時間遅延分析と音声信号のその他の特性に基づいて、システムは音源の方向を決定します。
制御機構: 音響ホーミングシステムを使用するデバイスには、音源に近づいたり遠ざかったりするための制御機構が装備されていることがよくあります。
ナビゲーション: システムは適切な応答を決定し、デバイスを音源に近づけたり遠ざけたりします。

アクティブ音響ホーミングとパッシブ音響ホーミング

アクティブ音響ホーミング

定義: アクティブ音響ホーミングは、システムが独自の音響信号を発信し、返ってきたエコーを受信して、指定されたターゲットの位置を特定し追跡する誘導方法です。システムは音波をアクティブに送信し、ターゲットからのエコーを受信して処理します。

感知方法: アクティブ音響ホーミングシステムでは、音響送信機と受信機の両方の機能を持つトランスデューサーまたはハイドロフォンを使用します。トランスデューサー/ハイドロフォンは音波を発し、トランスデューサー/ハイドロフォン内のセンサーがターゲットからのエコーを検出します。

長所: アクティブ音響ホーミングは、ターゲットがアクティブ音響信号に反応したときに、ターゲットを識別して追跡するのに効果的です。ターゲットの追跡と位置特定に精度をもたらします。

制限事項: アクティブな音響信号はターゲットに検知され、ホーミングシステムの位置が明らかになる可能性があります。また、ノイズメーカーやデコイなどの対抗手段の影響を受けやすいです。

用途: アクティブ音響ホーミングは、対潜水艦戦でよく使用され、音響信号を送信して潜水艦の位置を特定し、交戦するために使用されます。

パッシブ音響ホーミング

定義: パッシブ音響ホーミングは、音響信号を積極的に発するのではなく、ターゲットの音響放出を検出する誘導方法です。ターゲットによって自然に生成される音響音を聞き取ります。

感知方法: パッシブ音響ホーミングシステムは、水中マイクまたはマイクロフォンを使用して、ターゲットから発せられる音を検出し、分析します。特定の種類の音だけを聞き取り、他の音は聞き取らないように設計されている場合もあります。

長所: パッシブ音響ホーミングは独自の信号を発しないため、ターゲットに検知されにくくなります。騒音環境でも音を出す音響ターゲットを追跡するのに効果的です。

制限事項: パッシブ音響ホーミングでは、音のないターゲットや音響放出を抑えるステルス技術を使用しているターゲットを検出することが困難な場合があります。また、困難な状況では精度が低下する可能性があります。

用途: パッシブ音響ホーミングは、水中監視や海洋研究でよく使用されます。

アプリケーション

音響ホーミングは次のような場合に使用できます。

ソナーシステム: 音響ホーミングは、潜水艦、船舶、魚群探知機などの多くの水中ソナーシステムで使用されています。これらのシステムは、音波を使用して水中の物体を検出するほか、物体までの距離を測定し、物体の相対的な位置を決定します。

誘導ミサイル：音響魚雷などの一部の誘導ミサイルは、航空機のエンジンや船舶のプロペラなどの特定のターゲットから発生する音を検出して誘導するために音響ホーミングを使用します。^[10]

捜索救助：音響ホーミングは、遭難信号の位置を特定するために捜索救助活動で使用されることがある^[11]。これらの例としては、

遭難信号には、緊急ビーコンや、海上や遠隔地に取り残された人々が携帯する装置が含まれます。

車両ナビゲーション：^[12]多くの自律型水中車両（AUV）と水中ドローンは、音響ホーミングを使用してナビゲーションを行うだけでなく、水中の特徴やウェイポイントの位置を特定します。自律型水上車両（ASV）も音響ホーミングを使用してナビゲーションを行うことができます。

野生動物の追跡: 科学者は音響ホーミングを利用して、自然の生息地に生息する野生動物を監視および研究します。これは、動物に音響送信機を取り付け、受信機を使用してその動きや行動を監視することによって行われます。

地雷探知：^[13]音響ホーミングは戦争中に埋設された対戦車地雷を探知し回避するために使用することができます。

機雷: 一部の水中機雷は音響誘導も利用しており、通過する船舶や潜水艦を検知すると機雷が起動して爆発します。

参照

参考文献

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