砲撃音の測距

音響測距システムの科学的手法には、以下の機器が必要です。

• 数キロメートルにわたって広がる4～6個のマイクロホンアレイ
• マイクロホン間の音波到達時間の差を測定できるシステム。
• 音源の位置を算出するために、時間差を分析する手段。

基本的な方法は、マイクロホンをペアにして、ペア内の各マイクロホンへの音波の到達時間の差を測定することです（内側のマイクロホンは2つのペアの内側のマイクロホンです）。この差から、2つのマイクロホンの中間点から音源の方位を求めることができます。少なくとも3つの方位が交わる点が音源の位置となります。

図1は基本システムを示している。

これらの制約は砲兵陣地の計算を簡略化するために課されるものであり、一般的なアプローチの特徴ではない。

マイクは、銃の発砲音だけを拾うように設計されている場合もある。マイクが拾うことができる音には、3種類ある。

• 銃の発射（目的の信号）
• 砲弾が空気中を移動する音
• 砲弾の衝撃

第一次世界大戦中、銃の発射音は低いゴロゴロという音を発し、低周波に敏感で高周波を遮断するマイクロホンで拾うのが最適であることが発見された。^{[ 1 ]}

図2は、砲兵位置特定問題の例を示しています。3つのマイクロホンを以下の相対位置に配置するとします（すべての測定値はマイクロホン3を基準としています）。

• マイク1からマイク3までの距離：${\displaystyle r_{5}=1267.9}$メートル
• マイク2からマイク3までの距離：${\displaystyle r_{4}=499.1}$メートル
• マイク3から測定したマイク1とマイク2の間の角度：16.177 ^°

これらの値は、マイクロフォンの配置に関する初期調査の際に決定される。

図2：砲兵配置問題の例。

2つの時間遅延が測定されたと仮定します（音速を仮定します）${\displaystyle \approx }$毎秒330メートル）。

• マイク1からマイク2への時間遅延：0.455秒${\displaystyle \Rightarrow }$$\displaystyle r_{2}=150}$メートル
• マイク1からマイク3への時間遅延：0.606秒${\displaystyle \Rightarrow }$$\displaystyle r_{3}=200}$メートル

砲の射程を決定する方法はいくつかあります。1つの方法は、余弦定理を2回適用することです。^{[ 2 ]}

${\displaystyle \left(r_{1}+r_{2}\right)^{2}=\left(r_{1}+r_{3}\right)^{2}+r_{4}^{2}-2\cdot \left(r_{1}+r_{3}\right)\cdot r_{4}\cos \theta }$（${\displaystyle \triangle }$マイク3、マイク2、銃）

${\displaystyle r_{1}^{2}=\left(r_{1}+r_{3}\right)^{2}+r_{5}^{2}-2\cdot \left(r_{1}+r_{3}\right)\cdot r_{5}\cos(\theta -\phi )}$（${\displaystyle \triangle }$マイク1、マイク3、銃）

これは未知数が 2 つある 2 つの方程式のシステムです (${\displaystyle \theta }$、${\displaystyle r_{1}}$この方程式系は非線形ですが、数値解法を用いて解くと、r ₁の解として 1621 メートルが得られます。この方法は今日ではコンピュータで利用可能ですが、第一次世界大戦と第二次世界大戦では問題でした。これらの紛争中、解法は次のいずれかの方法を用いて開発されました。

• 紙に描いた双曲線を用いてグラフィカルに表現する（この手順の詳しい説明については、このLORANの例を参照）。^{[ 3 ]}
• 砲兵が遠く離れていると仮定し、双曲線の漸近線（直線）を使用して砲兵のおおよその位置を見つけます。^{[ 4 ]}その後、曲率補正を適用して、より正確な方位を得ることができます。^{[ 5 ]}
• 半径がわずかに異なる金属円盤のセットを使用することで、近似解を生成できます。問題となっている状況を近似する3つの円盤を選択することで、近似解を生成できます。^{[ 4 ]}

音響測距は、他の方法に比べて多くの利点がある。

• 音響測距は受動的な方法であり、音響測距装置に起因する放射は一切発生しない。これは、送信機に起因するエネルギーを放射するレーダーとは異なる。
• 音響測距装置は小型であることが多く、大型アンテナや大容量の電力を必要としない。

音波測距にはいくつかの欠点もある。

• 音速は温度によって変化する。風も誤差の原因となる。これらの要因を補正する方法がある。^{[ 4 ]}
• 遠くから聞こえる銃声は、鋭い破裂音ではなく、むしろゴロゴロとした音に聞こえる（そのため、異なるセンサーにおける音波面の正確な到達時間を正確に測定することは難しい）。
• 銃は発砲されるまで位置を特定できない
• 友軍の砲撃によっても発動される可能性がある
• 大砲はしばしば大量に発射されるため、どの砲弾の波面がどの砲によるものかを特定するのは困難である。
• すべてのマイクロフォンは、その座標が正確に分かっている状態で配置されなければならない。
• 各マイクロホンは録音装置との通信チャネルを備えている必要がある。効果的な無線通信が登場する以前は、これはフィールドケーブルを意味しており、ケーブルを敷設し、さまざまな原因による断線を修理するために維持管理する必要があった。

軍隊はこれらの問題を軽減するために様々な方法を見出してきたが、それでもなお、それらは追加の作業を生み出し、方法の精度と展開速度を低下させる。

第一次世界大戦は、科学的な音響測距の誕生を告げる出来事だった。音響測距に必要なセンサー、計測技術、分析能力が結集し、効果的な音響測距が可能になった。多くの技術概念と同様に、音を使って敵の大砲の位置を特定するというアイデアは、ほぼ同時期に多くの人々の間で生まれた。

• ロシア人は第一次世界大戦以前に音響測距を使用していたと主張している。^{[ 6 ]}
• ドイツ軍将校レオ・レーヴェンシュタイン大尉は1913年にこの方法を特許取得した^{[ 7 ]。}
• フランス人は最初の運用機器を開発した^{[ 8 ]}
• アメリカは第一次世界大戦初期に計画を提案した^{[ 9 ]}

第一次世界大戦は、音響測距技術の開発にとって理想的な環境を提供した。その理由は以下の通りである。

• 電話や録音技術の発展により、音声の電気処理技術は成熟期を迎えつつあった。
• 音声を録音する技術が利用可能だった（これにより、時間差の測定を100分の1秒単位で正確に行うことが可能になった）。
• 対砲兵射撃の必要性が強力な技術推進力となった。

砲兵の音響測距を最初に試みたのはイギリスではなかったが、第一次世界大戦中に実際に最初の効果的な運用システムを実戦投入したのはイギリスであった。その戦争中のイギリスの音響測距は、音と閃光の両方の検出を使用する部隊から始まった。音響測距担当者は人間の聴覚を増強する装置を使用した。閃光を使用して、閃光部隊はセオドライトまたはトランシットを使用して砲の方位を決定した。音検出部隊は、砲の閃光と砲の音の時間差を測定し、それを使用して砲の射程を決定した。これにより、対砲兵射撃に必要な射程と方位のデータが提供された。これらの方法はあまり成功しなかった。^{[ 10 ]}

1915年半ば、イギリスは科学者でノーベル賞受賞者のウィリアム・ローレンス・ブラッグ卿にこの問題を任せた。^{[ 11 ]}ブラッグはイギリス陸軍の王立騎馬砲兵隊の地方将校だった。ブラッグが現場に赴いた当時、音響測距は遅く、信頼性が低く、不正確だった。彼の最初の任務は、利用可能な技術を調査することであり、特にフランスの取り組みを調べた。

フランス軍は重要な技術開発を行った。弦検流計を改良し、マイクロホンからの信号を写真フィルムに記録できるようにしたのだ。この研究は、ルシアン・ブルと シャルル・ノルドマン（パリ天文台の天文学者）によって行われた。フィルムの現像には数分かかったが、砲兵隊は頻繁に移動しないため、これは大きな問題ではなかった。しかし、フィルムの消費量が多いため、この装置は連続運転できなかった。つまり、敵の砲撃があったときに装置を作動させる必要があり、そのためにはマイクロホンの前に前線観測所（AP）を配置し、そこから野戦ケーブルを介して遠隔で記録装置を作動させる必要があった。これらの前線観測所は中央に設置されたフラッシュボードに接続されており、この装置によって観測者は全員が同じ砲口閃光を観測していることを確認できた。確認が取れたら、記録装置を作動させることができた。

ブラッグはまた、銃声の性質が十分に理解されておらず、砲弾のソニックブームと実際の発射音を分離する必要があることを発見した。この問題は1916年半ば、ブラッグの部隊の一員で、元ロンドン大学物理学科のウィリアム・サンソム・タッカー伍長が低周波マイクロホンを発明したことで解決した。これは、砲弾のソニックブームから砲の発射によって発生する低周波音を分離するもので、加熱された白金線を砲の発射音波で冷却する仕組みだった。

その後、1916年にタッカーはイギリスで実験的な音響測距部門を設立し、翌年には気象条件を補正するために音響データを補正する技術が開発されました。その他にも、「音響測距ベース」（マイクロホンアレイ）の最適な配置や位置など、さまざまな事項が研究されました。その結果、緩やかなカーブで比較的短いベースが最適であることがわかりました。これらの改良により、通常の状況下では敵の砲兵を25～50メートル以内の精度で正確に特定できるようになりました。^{[ 8 ]}

このプログラムは第一次世界大戦終結までに非常に高度に発展した。実際、この方法は砲の位置、口径、および目標を特定するように拡張された。イギリスは西部戦線に多数の音響測距部隊を配備し、イタリア、バルカン半島、パレスチナでも部隊が活動した。1917年にアメリカが参戦すると、イギリスの装備を採用した。^{[ 1 ]}

中央同盟国はドイツ式の聴覚法を採用した。これは、早期警戒聴音所（LP）と中央の主LP、そしてその両側に500～1000メートル後方に2つの副LPを配置した方法である。音が主LPに到達した時点でストップウォッチを作動させ、副LPの到達時間を（音速を介して）距離に変換し、円を描いた。次に、これら2つの円と主LPに接する別の円を描き、この円の中心が音源となる。音速に影響を与える条件については補正を行った。しかし、戦争末期にはドイツは「客観的装置」である方向性検流計、オシログラフ、改良型地震計を導入し、結果を直接紙や写真フィルムに転写した。^{[ 12 ]}

イギリスでは、他の国々と同様に、戦間期にも研究が続けられた。イギリスでは、この研究によって、写真フィルムの代わりに感熱紙を用いた、より高性能なマイクロホンと録音装置が開発されたようだ。無線リンクも開発されたが、これはマイクロホンと録音装置を接続するだけで、APが録音機をオンにすることはできなかった。1930年代後半のもう一つの革新は、1階微分方程式を計算する機械式計算機であるコンパレータの開発だった。これは、音波測距で特定された弾着点の座標と標的の座標を迅速に比較し、それによって弾着点の補正値を導き出す手段を提供した。

第二次世界大戦中、音響測距は成熟した技術であり、特にイギリス軍（軍団レベルの砲兵測量連隊）とドイツ軍（観測部隊）によって広く使用されていた。開発は継続され、特に迫撃砲の位置特定に優れた機器が導入された。終戦時には、イギリス軍は多重化も導入し、マイクロホンが録音装置への共通のフィールドケーブルを共有できるようになった。1944年には、レーダーは迫撃砲の位置特定には使用できるが、砲やロケット弾の位置特定には使用できないことが判明した。レーダーは砲弾を「見る」ことはできたが、その楕円軌道を解読することはできなかった。

アメリカ海兵隊は、防護大隊の標準装備として音響測距部隊を組み入れた。^{[ 13 ]}これらの音響測距部隊は、第二次世界大戦前と戦中を通して海兵隊で活躍した。アメリカ陸軍も音響測距装置を使用した。^{[ 14 ]}アメリカ陸軍の音響測距部隊は、1942年11月以降に陸軍が参加したほぼすべての戦闘に参加した。終戦までに、13,000人の兵士を擁する25の観測大隊が存在した。^{[ 15 ]}沖縄戦の間、アメリカ陸軍は音響測距装置を使用して効果的な対砲兵射撃を行った。^{[ 16 ]}日本軍は、この効果的な対砲兵射撃に対抗するために「撃って逃げる」戦術を試みた。これは、少数の砲弾を発射し、対砲兵射撃が到着する前に射撃位置を離れることを意味する。対砲兵射撃に対する効果的な戦術ではあるが、このアプローチは砲撃の効果を低下させる傾向がある。

第二次世界大戦中、イギリス軍は音響測距を広く利用した。砲兵観測における音響測距の使用について述べた優れた回顧録がウェブ上に多数あり、「第4ダラム測量連隊：敵のような音」や「砲兵位置特定のための通信」などが挙げられる。^{[ 17 ]}「砲兵位置特定のための通信」の記事では、これらの作戦に使用された電子機器について説明している。^{[ 18 ]} イギリスの音響測距部隊とその配置に関する非常に包括的な記述としては、マッシモ・マンジリ＝クリムプソンの2007年の記述がある。^{[ 19 ]}

朝鮮戦争では砲兵の音響測距が行われていたが、主に迫撃砲対策レーダーと航空機搭載の砲兵観測員に取って代わられた。当時、対レーダー対策は限られており、国連軍は戦争を通して制空権を握っていたため、これらの方法はより単純で正確であった。^{[ 20 ]}

ベトナムでの対砲兵活動のほとんどは、レーダーや航空機を使用した砲兵観測で行われた。オーストラリアは1967年から1970年にかけてベトナムに音響測距部隊を派遣し、全方位観測を行うためにクロスベースを運用した。^{[ 21 ]}

また、この期間中、イギリス軍は音響測距レーダーと迫撃砲位置特定レーダーを備えた臨時の「クラッカー」砲台をボルネオ島とオマーンに配備した。

1970年代初頭、効果的なVHF無線リンクが導入され、AP（アクセスポイント）が記録装置を起動できるようになった。その後まもなく、電子工学の進歩により、方位の手動プロットやその他の計算の一部が電子計算機に置き換えられた。

1970年代後半以降、効果的な砲位置特定レーダーが迫撃砲迎撃レーダーを補完するようになったものの、音響測距は欠点があるにもかかわらず一部の軍隊が引き続き使用していることから、再び注目を集めている。また、レーダーの自動前進拠点（AP）として機能する可能性を認識している軍隊もあるようだ。