無線音響測距

無線音響測距（Radio Acoustic Ranging 、略してRARとも表記される）は、船舶の海上での正確な位置を判定する方法である。船舶付近の水中で爆薬を爆発させ、水中の音波の到達を遠隔地で検知し、遠隔地のステーションへの音波の到達時間を船舶に無線で送信することで、船舶の乗組員が真距離マルチラテレーションを使用して船舶の位置を判定できるようにする。 1923年と1924年に米国沿岸測地測量局によって開発されたこの方法は、水路測量作業中に測量船の位置を正確に固定するために使用され、デッドレコニング以外の人類史上初の航海技術であり、ランドマーク、マーカー、光、または天体の目視を必要としない航海技術であり、正確な位置を提供する最初の非視覚的手段であった。無線音響測距は 1924 年に初めて実用化され、第二次世界大戦中に開発された新しい無線航法技術によって時代遅れとなった 1944 年まで使用され続けました。

無線音響測距法で位置を特定するために、船の乗組員はまず船の近くの海水の温度と塩分濃度を確かめ、水中の音の正確な速度を判定した。次に乗組員は船尾から小型のTNT爆弾を投げた。爆弾は水深約 100 フィート (30 メートル) で爆発し、船に搭載されたクロノグラフが船で爆発音が聞こえた時刻を自動的に記録した。爆発音は爆発から外側に伝わり、最終的には船から離れた既知の場所 (陸上ステーション、停泊中のステーション船、係留ブイ) にある水中聴音器に到達した。各水中聴音器は無線送信機に接続されており、水中聴音器が音を検出した時刻を示す信号を自動的に送信した。関係する距離 (通常は 200 海里 (370 km) 未満) では、これらの無線信号はそれぞれ、遠隔地の各水中聴音器が爆発音を検出したのとほぼ同じ瞬間に船に到達した。船のクロノグラフは、各無線信号が船に到着した時間を自動的に記録した。無線信号受信時間から爆発時間を差し引くことで、船の乗組員は爆発地点から各遠隔ハイドロフォンまでの音波の移動時間を決定することができ、周囲の海水中の音速がわかっているため、音の移動時間に海水中の音速を掛けて、爆発とハイドロフォンの間の距離を決定することができた。既知の場所にある少なくとも2つの遠隔ハイドロフォンまでの距離を決定することで、船の乗組員は真距離マルチラテレーションを使用して船の位置を特定できた。^{[1] [2]}

アメリカ西海岸の太平洋のような深い海域では、音が海岸まで届くため、沿岸測地測量局は海岸局に頼って無線音響測距を行うことができた。一方、浅い海域の多いアメリカ東海岸では、音が海岸まで届くのが難しく、沿岸測地測量局は停泊した測量局の船舶、後には係留ブイに大きく依存して無線音響測距を行った。^[1]

クロノグラフは100分の1秒まで時間を記録し、無線音響測距を使用する船の乗組員は、遠く離れた水中聴音局から船までの距離を50フィート（15メートル）以内で測定することができ、その時間における船の位置を非常に正確にプロットすることができた。爆発点から遠くの水中聴音局までの音波の速度は毎秒約0.8海里（1.5km/s）であるため、船舶は時折、船舶と水中聴音局間の距離が200海里（370キロメートル）を超える場合に無線音響測距を使用し、75～100海里（139～185キロメートル）の距離が一般的であった。^[2]

無線音響測距は、20世紀初頭の数十年間に深まった水中音響とその実用化に端を発し、エコー測深と並行して発展した。最初のステップは1900年代初頭に、潜水艦信号会社が潜水艦ベル信号装置と、ベルが発する水中音を受信するハイドロフォンを発明したときに行われた。受信用ハイドロフォンを装備した船の乗組員は、潜水艦ベル機構から船までの距離をプロットし、2つ以上のベルの交差線をプロットして船の位置を決定することができた。ベルは灯台、灯台船、北米とヨーロッパの海岸沿いのブイに設置され、受信用ハイドロフォンは数百隻の船に搭載された。これは海洋環境での音響の実用化の歴史上初の事例であった。^[1]

1912年に氷山との衝突によりタイタニック号 が沈没したことをきっかけに、カナダの発明家レジナルド・フェッセンデン（1866年 - 1932年）は、船の進路上の危険を検知できる長距離水中音波送受信システムの開発に着手した。これがフェッセンデン発振器の発明につながった。これは電気音響変換器で、1914年までにマサチューセッツ湾を31海里（57km）離れた場所で音を送受信できること、また、音を跳ね返らせてそのエコーを検出することで船の前方2海里（3.7km）離れた氷山を検出できることが実証されていた。また、時折、海底での音の反射も検出できることが実証されていた。水中音響の実用化に向けたさらなる推進力となったのは第一次世界大戦で、イギリス海軍、アメリカ海軍、アメリカ陸軍沿岸砲兵隊は、水中に潜る潜水艦を探知する手段として音響の実験を行った。戦後の実験では、沿岸砲兵隊の水中音響測距課がマサチューセッツ州沖のヴィンヤード湾の浅瀬で実験を行い、水中で確立した基線の端で爆薬を爆発させ、基線の他端にある水中聴音機に音が到達するまでの時間を測定することで、水中の音速を非常に正確に測定することができた。^[1]そして1923年、潜水艦信号会社は水中信号装置を改良し、無線送信機を装備しました。この送信機は、特定の装置を識別する信号と、無線信号を送信してから特定の時間間隔で音響信号を生成することを接近する船舶に通知する信号を送信しました。これにより、船舶は接近している特定の航行援助装置を識別し、乗組員が航行援助装置からの方向と距離を判断できる一方向測距機能を利用できるようになりました。^[3]

当時米国沿岸測量局長だったアーネスト・レスター・ジョーンズ（1876年 - 1929年）は、水路測量と航海、特に霧のために船舶の位置を正確に測ることがしばしば妨げられる米国西海岸での航海への音響の応用の可能性を認識し、米国沿岸測量局の士官と協議して、深度測定と航海の両方における音響の利用を調査することを決めた。沿岸測量局士官のニコラス・H・ヘック（1882年 - 1953年）は、1917年から1919年まで米国海軍予備隊に配属され、第一次世界大戦中に対潜水艦戦における水中音響の利用を研究していた。彼がこの新たな取り組みを率いるのに当然の選択だった。^[4]

1923年1月までに、沿岸測地局は、ヘイズ音波距離計（初期のエコーサウンダー）を調査船USC&GSガイドに搭載することを決定し、同年後半に同船を艦隊に就役させる予定であった。音波距離計を正常に動作させるには、水中の音速を正確に把握する必要があった。ヘックがアメリカ陸軍沿岸砲兵隊の EA スティーブンソンに連絡を取り、この計画を伝え、ヴィンヤード海峡の実験についてさらに質問したところ、スティーブンソンは、水中爆発の音を検知するハイドロフォンのシステムによって沿岸測地局の船舶が調査中に位置を特定できるのではないかと提案した。ヘックは同意したが、既存の航行補助装置では、位置特定を即時かつ正確に行うという点で沿岸測地局のニーズを満たせないと考えていた。^[4]彼は、潜水艦信号会社の水中ノイズ発生器と付属の無線送信機のシステム、^[3]やその他の以前のコンセプトを改良して、後に無線音響測距法として知られるようになるものを考案しました。エコーサウンディングと同様に、この方法では水中の音速を正確に計算する必要がありました。^{[4] [5]}

ヘックはワシントン D.C.の沿岸測地測量本部でテストを監督し、爆発時刻の船上記録が彼の構想が機能するのに十分な精度で実行できることを実証した。^[4]彼は物理学者のEA・エックハート博士、国立標準局の電気技師M・カイザーと協力して、水中爆発の音を検知すると自動的に無線信号を送信できる水中聴音システムを開発しました。^[4]沿岸測地測量局が1923年にガイドを就役させたとき、ヘックはガイドをコネチカット州ニューロンドンに拠点を置きました。彼の指揮の下、ガイドは新しいエコーサウンダーの正確な深度測定能力をテストし、米国陸軍沿岸砲兵隊と協力して無線音響距離測定の実験を実施しました。多くの困難があったにもかかわらず、エコーサウンディングと無線音響距離測定の両方のテストは1923年11月に成功裏に終了しました。^[4]

1923年11月下旬、ヘックを乗せたガイドは、ニューロンドンからプエルトリコ、パナマ運河を経由してカリフォルニア州サンディエゴへ航海を開始した。ガイドはその後、サンディエゴを拠点とし、エコーサウンダのテストを継続できるよう、さまざまな深度の海域を通過する航路が計画されていた。^[4]ガイドは航海中に歴史を作り、コース沿いの地点でエコーサウンダを使用して海水深を測定・記録した初の沿岸測地測量船となった。また、カリフォルニア州ラホヤのスクリップス生物学研究所（現在のスクリップス海洋研究所）が塩分濃度を測定できるように、水温を測定し、水のサンプルを採取した。^[4]また、エコーサウンダの測深結果を鉛索による測深結果と比較し、エコーサウンダの実験で以前に行われていたように水中の音速を単一にすると、音響による深度測定結果が鉛索による深度と一致しないことを発見した。^[4] 1923年12月にサンディエゴに到着するまでに、この船は水中での音波の動きや、塩分濃度、密度、温度などのさまざまな条件下での音波速度の測定に関する研究に役立つ多くのデータを蓄積していた。これらの情報は、深度測定と無線音響測距の両方に不可欠であった。^[4]

カリフォルニアに到着すると、ヘックとガイドのスタッフはスクリップス研究所と協議して、浅瀬を除くすべての水域で正確なエコー測深を可能にする公式を開発し、カリフォルニア州ラホヤとオーシャンサイドに水中聴音機を設置して、無線音響測距の実験を行った。^[4]ヘックの指示の下、ガイドは1924年の初めにカリフォルニア沖で実験を行い、新しい公式を使用して正確なエコー測深が可能であることを証明した。無線音響測距の実験では、当初の困難にもかかわらず、この方法が実用的であることが証明されたが、爆薬の一部を爆発させることが困難だったため、実験プログラムの一部が妨げられた。^[4] 1924年4月、沿岸測地測量局は、エコー測深と無線音響測距はどちらも基本的に健全であり、解決すべき根本的な問題はなく、必要なことは両方の技術を運用しながら継続的に開発および改良することだけであると結論付けた。ヘックはエコー測深と無線音響測距の継続的開発をガイドの指揮官ロバート・ルース中佐に引き継ぎ、ワシントンD.C.での任務に戻った^[4]

1924年にオレゴン沖の太平洋で作戦中だったガイドは、無線音響測距を運用した最初の船となった。同年、オレゴン沖でガイドは、測距爆発からその音を検知した遠隔水中聴音機までの距離206海里（382キロメートル）でこの技術を成功裏に使用し、その過程で、後に音響定位測距（SOFAR）チャネルまたは深層音響チャネル（DSC）と呼ばれることになる海洋音層の観測を初めて達成した。^{[1] [3] 1928年、フランスの調査員らはこの距離を広げ、}フランス領アルジェリアのアルジェとフランスのトゥーロンの間の地中海で30キログラム（66ポンド）の爆薬を爆発させ、400海里（740キロメートル）の範囲で音を検知した。^[3]

当初、ヘックと無線音響測距の開発に携わった他の人々は、この技術は太平洋岸北西部の海岸沿いでは最も効果が低いと考えていた。海岸沿いの波の音と、海岸局やケーブルの設置の難しさが、無線音響測距の成功率を低下させると想定していたのである。対照的に、米国東海岸の状況は問題にならないだろうと彼らは考えていた。実際には、その逆が真実であることが証明された。他の問題の中でも、米国東海岸沿いの比較的浅い水は測距爆発の音を弱め、浅瀬がしばしば音が海岸にまったく届かないことを妨げた。これらの困難を克服するために、沿岸測地測量局は米国東海岸沿いの沖合に船を停泊させ、水中聴音局として機能させた。^[1] 1931年、沿岸測地測量局は有人局船を「無線ソノブイ」に置き換えることを提案し、1936年7月に無線ソノブイの運用を開始した。重さ700ポンド（317.5kg）のブイには、水中マイク、バッテリー、および水中マイクが爆発音を感知すると自動的に無線信号を送信する無線送信機が装備されており、沿岸測量船や測地測量船によって5分で設置または回収することができた。^{[1] [5] [6]}ブイは、設置と運用が陸上ステーションよりも安価だったため、米国西海岸にも普及した。^[5]

無線音響測距には限界と欠点があった。水柱における音波の伝播の局所的特殊性により精度が低下する可能性があり、水中聴音局の維持に問題があり、爆発物の取り扱いは人員と船舶にかなりの危険をもたらした。^[7]あるとき、測量船USC&GSハイドログラファー号に乗船していた沿岸測地測量隊の少尉がサメの口に無線音響測距爆弾を挿入して放したが、サメが船に戻ってきてハイドログラファー号の船体の横で爆発するのを恐怖とともに見守った。爆発で船が揺れた。^{[8] 1927 年にガイド}号に乗船していたとき、爆弾を扱っていた下士官が導火線に火をつけ、船が揺れたために落下するという悲劇が起こりそうになった。下士官は爆弾を落とし、溝に転がった。下士官は再び落下したが、ようやく爆弾にたどり着き、間一髪で爆弾を海に投げ捨てた。爆弾は水面に落ちたちょうどその瞬間に船の横で爆発した。脳震盪のせいで乗組員の半数が何が起こったのか調べるために船底から駆け上がった。^[9]

1942年になっても、無線音響測距は沿岸測地測量局にとって非常に重要であり、水路マニュアルの100ページ強をこれに充てていた。しかし、その時点で3年間激化していた第二次世界大戦は、暗闇や悪天候の中で爆撃機が目標を見つけるのを支援するために、純粋に無線ベースのナビゲーション システムが急速に開発されるきっかけとなった。このような無線ナビゲーションシステムは、水中聴音局よりも保守が容易で、爆発物の取り扱いも必要なかった^[7]。新しいシステムが成熟するにつれて、沿岸測地測量局はそれを海上ナビゲーションに適用し始めた。無線音響測距は1944年以降使用されなくなったようで^{[1] 、1946年までに沿岸測地測量局の船舶は位置の確定に新しい}SHORAN電子ナビゲーション テクノロジーに切り替えた^[7]。

人類史上初の非視覚的精密航法であり、昼夜を問わず、また天候を問わず使用できる初の方法である無線音響測距は、現代の航法システムの開発における大きな前進であった。ニコラス・ヘックは、船舶の位置を確定するために無線電子測距を使用することで海洋調査に革命を起こし、海洋学への大きな貢献の1つとなった。^[3]この技術に関する彼の研究は、エコー測深法を使用して最大5マイル（8.0 km）の「真の深さ」を確定できる水中音速表の開発にも貢献した。^[10]

無線音響測距は、現代の電子航法システム、海洋遠隔測定システム、海洋地震探査の開発への道における初期のステップでした。この技術は、船舶の前方と側方を観測できるソナーの開発の基礎も築きました。 ^[11]

沿岸測地測量局の無線音響測距を支援するために開発された無線ソノブイは、今日の対潜水艦戦や水中音響研究で船舶や航空機によって使用されているソノブイの祖先である。 ^[6]

• エコーサウンディング – 水中に音波を送信し、戻ってくる時間を計測して水深を測定する
• 水路測量 – 海上活動に影響を与える特徴の測定と記述の科学
• ニコラス・H・ヘック – アメリカの USCGSC 士官 (1882–1953)
• 米国沿岸測地測量局 – 旧米国政府科学機関

• NOAA の歴史: 海岸測地測量における音響調査の始まり
• NOAA の歴史: 職業上のツール: 無線音響測距
• NOAA 200 周年: 水路調査技術: 音響調査方法: 無線音響測距
• NOAA 沿岸調査: 記念碑的な歴史
• ハイドロインターナショナル「固定点のないシステム」
• ソノブイの進化.pdf ホラー、ロジャー A.、「第二次世界大戦から冷戦までのソノブイの進化」、米国海軍水中音響学ジャーナル、2014 年 1 月^{[永久リンク切れ‍ ]}