海洋音響 - 深海のリズム

制作：中国科学普及協会

著者: 郭正 (中国科学院音響研究所東シナ海研究ステーション)

プロデューサー: 中国科学博覧会

「聞いてください、海の泣き声が…」

その美しい深い青の下にはどんな音が隠されているのか考えたことがありますか?

科学的研究においては、「何を、なぜ、どのように」が一般的かつ効果的な思考パターンです。この考え方で海洋音響研究を分解すると、どのような結論を導き出せるでしょうか?

海洋音響とは何ですか?

海洋音響学は現代音響学の重要な分野であり、主に海洋における音波の発生、伝播、受信を研究する総合的な最先端の技術科学です。

この文章をどう理解しますか？

シャオ A とシャオ B という 2 人の人物がいると仮定します。シャオ A は手を叩き、シャオ B はシャオ A が手を叩く音を聞きます。このシナリオでは、私たちの研究結果は次のとおりです。

音波の発生：リトルAは手を叩きました。

音波の伝播: 小さな A の手から小さな B の耳まで、空気 (伝播媒体と呼びます) を通過します。

音波の受信：音波の乱れがリトルBの耳に伝わり、鼓膜が振動します。振動は内耳に伝わると生体電気信号に変換され、聴覚神経系で処理されてリトルBの脳で受信されます。

図1 耳の構造の模式図

(画像出典: Nipic.com https://www.nipic.com/show/22042820.html)

このように、海洋音響の研究と同様に、上記と同じ形式で次の列挙を行うことができます。

海中での音波の発生: 音は物体の振動によって発生することが知られています。そして、船舶の航行、その他の人間の活動、海洋生物の鳴き声、海底地殻の動き、火山の噴火など、海洋におけるあらゆる振動が、海中に音波を発生させます。

図 2 海洋の音波 (画像提供: Veer Gallery)

海中での音波の伝播: 音波の伝播には媒体が必要であり、真空中では音は伝わらないことはわかっています。海では、音波は通常海水を介して伝播し、時には海底に沿って伝播します。

海で音波を受信する: 日常生活では、歌声など特定の音信号を受信する必要があるときに、マイクを使用します。海では、海中の音波を簡単に受信できるように、特殊な水中「マイク」（ハイドロフォンと呼びます）を使用します。

海中での音波の発生、伝播、受信を研究する科学は海洋音響学と呼ばれます。

図3 ハイドロフォン

(画像出典: Teledyne Marine http://www.teledynemarine.com/reson-tc-4032)

なぜ海洋音響を研究するのでしょうか?

音響学は学際的な分野として、私たちの生活のあらゆる側面と密接に結びついています。たとえば、ヘッドフォンやスピーカーは電気音響学の​​研究分野に属します。建築音響学は、劇場や講堂でより良い聴覚効果を生み出す方法を研究します。私たちが日常生活で使っているスマートスピーカーも音声音響などを利用しています。

では、音響と海洋が出会うとどのような「衝突」が起こるのでしょうか?

地球の表面の約 70.8% は水で覆われており、その大部分は海であることがわかっています。海の重要性が増すにつれ、人類は海についてさらに深く理解する必要があります。海洋音響学は、海における音波の発生、伝播、受信の法則を研究することで、海洋を探索する際の人間の「目と耳」としての役割を果たし、人間が海をより深く理解するのに役立ちます。

例えば、コウモリやイルカなどの動物のエコー検出を模倣した一連の機器が開発され、エコー検出を利用して魚を見つけたり海底地形を検出したりもしてきました。軍事分野では、ソナー装置は水中の潜水艦の位置を見つけるためにも広く使用されています。

図4 魚群探知機 - 魚群の検出に使用

(画像出典: Matsutec http://www.matsutec.cn/products_info.php?id=234)

図5 サイドスキャンソナー - 海底地形の検出に使用

(写真出典:北京海卓 https://www.sohu.com/a/349110652_743632)

海洋音響の研究方法

先ほども述べたように、海洋音響は人間が海を探索する際の「目と耳」として、人間が海を理解し認識するための重要な手段です。では、海洋音響の研究はどのように行うのでしょうか?

光学、電気、力などの物理学の他の分野と同様に、音響学も物理学に属しており、当然のことながら、物理学の他の分野と同様に、実験を重視する科学です。現代の科学研究は、実験の前に理論的な導出とコンピューターシミュレーションという 2 つの段階を経ますが、海洋音響も例外ではありません。海洋音響学も音響学の一分野として実験を重視しています。

海洋音響実験では、通常、前述のハイドロフォンを使用して水中の音を記録するなど、音波自体の測定に重点が置かれます。また、音の伝播に影響を与える温度や塩分濃度などの物理量も測定します。通常、CTD（温度・塩分深度計）やXBT（使い捨て温度・深度計）などの機器を使用して、さまざまな深度での音波伝播速度を取得します。最後に、海洋音響に関連するこの情報は、海洋環境に対する理解を深めます。

図6 XBT（異なる深さでの音波伝播速度を測定するために使用）

（写真提供：中国科学院音響研究所東海ステーション）

人類は未知を探求する決意と勇気を決して欠いたことはありません。 「海の声」から、私たちは海をよりよく認識し理解することができ、この美しい深い青の中に人類の努力の足跡を残すことができます。

編集者：孫晨宇

参考文献:

[1] 王徳昭、尚爾昌。水中音響学[M]北京：サイエンスプレス、1981年。

[2] 劉伯勝、雷嘉宇。水中音響の原理（第2版）[M]ハルビン：ハルビン工程大学出版局、2009年。

[3]ロスD.水中騒音のメカニズム。オックスフォード：ペルガモン、1976年。