伝搬損失と SNR — 信号が届き、雑音から見分けられる条件

片道の伝搬損失（TL）は、拡散と吸収で決まる

音は水中を進むにつれて弱くなります。主な理由は、音のエネルギーが広い範囲へ分かれる拡散と、エネルギーの一部が熱などへ変わる吸収です。この章では、ある区間を片道で進む間に生じる損失を、片道の伝搬損失（TL）として扱います。

入門的な近似では、球面拡散を 20 log10(R)、円筒拡散を 10 log10(R) で表し、さらに吸収による損失を加えて TL を見積もります。一般に周波数が高いほど吸収が増えやすいため、高周波は細かな違いを捉えやすい一方、遠距離へ届きにくいという関係があります。

音の広がり方に合った拡散モデルを選ぶ

球面拡散と円筒拡散は、音が実際にどのような空間へ広がるかを単純化したモデルです。

• 球面拡散（20 log10 R）: 音が音源から三次元的に広がると考えるモデルです。深い海や、水面・海底の影響をまだ強く受けない範囲の近似に向いています。
• 円筒拡散（10 log10 R）: 浅い海で、水深に比べて水平方向へ長く伝わる場合の近似です。音が水面と海底の間に制限され、主に水平方向へ広がる様子を表します。

水深を H、水平距離を R とすると、R ≪ H では球面拡散に近く、R ≫ H で水面と海底の反射を繰り返す長距離伝搬では円筒拡散に近づく、と考えられます。中間的な状況を 15 log10 R で近似することもあります。第 6 章のシミュレータでは、この係数を切り替えて違いを確かめられます。

受動ソナーの SNR を組み立てる

受動ソナーでは、対象が放射する音が受信機まで片道で届きます。対象の放射音源レベルを SL、片道の伝搬損失を TL とすると、受信した信号レベルは SL − TL です。一方、雑音レベルを NL、受信アレイの指向性指数を DI とすると、注目する方向での有効雑音レベルを NL − DI と簡略化できます。信号レベルから有効雑音レベルを引いた値が、信号対雑音比（SNR）です。

SNR_passive = SL − TL − (NL − DI)

dB で表した各量は、この式では足し引きできます。TL が大きいほど受信信号は弱くなり、DI が大きいほど注目方向以外の雑音を抑えやすくなります。

能動ソナーの SNR を組み立てる

能動ソナーでは、送信音が対象まで進み、反射音（エコー）が受信機まで戻ります。送信音は往路で片道の伝搬損失 TL を受け、対象ではターゲットストレングス TS に応じて反射し、復路でもう一度 TL を受けます。その順序を式にすると、次のようになります。

SNR_active = SL − TL − TL + TS − (NL − DI)
           = SL − 2TL + TS − (NL − DI)

受動ソナーの式との違いは、片道の −TL が往復の −2TL になり、対象の反射しやすさを表す TS が加わることです。距離が伸びるほど往復の損失が大きくなるため、能動ソナーでは遠距離になると SNR が低下しやすいことも、この式から読み取れます。

演習で使う SL の大きさをつかむ

音源レベル（SL）は、対象や送信装置によって大きく異なります。演習の数値をイメージしやすくするため、代表的な範囲を次に示します。

• 受動側の SL（対象の放射音源レベル）: 小型船舶では 140〜160 dB re 1 µPa @ 1 m、商船や大型艦艇では 170〜190 dB re 1 µPa @ 1 m 程度です。受動の演習では、代表例として SL = 165 dB を使います。
• 能動側の SL（送信音源レベル）: 携帯型の測深機では 180〜200 dB re 1 µPa @ 1 m、大型艦船ソナーや低周波 ASW ソナーでは 220 dB re 1 µPa @ 1 m を超える例もあります。能動の演習では、中〜大型ソナーの例として SL = 210 dB を使います。

ここに示した音源レベルの基準は、すべて re 1 µPa @ 1 m（基準音圧 1 µPa、基準距離 1 m）です。

TS は、対象が音を返しやすいかを表す

ターゲットストレングス（TS）は、対象が入射音をどれだけソナー側へ後方散乱するかを表します。たとえば大きく平らな金属面と、細く柔らかな構造では、反射音の強さが異なります。まずは「TS が大きいほど反射音（エコー）を受信しやすい」と理解すれば十分です。

実際の海では、多重経路、残響、屈折、水面や海底での散乱も影響します。この章ではそれらをいったん省き、簡略式を使って dB の足し引きと SNR の基本を身につけます。

この章で持ち帰ること

• 片道の伝搬損失（TL）は、拡散による損失と吸収による損失を合わせて見積もる。
• 一般に周波数が高いほど吸収が増え、遠距離では信号が弱くなりやすい。
• 受動ソナーと能動ソナーの SNR は、SL、TL、NL、DI、TS を dB で足し引きして求められる。