海洋の音速構造と音速の算出式　--解説--

このサイトで計算される海水中の音速は、海洋音響の最も基本的で重要なパラメータであり、海中で最も基本的な重要な距離計測のために音速値が用いられる。

図1のように海底に向かって発射された音波パルスが海底で反射されて海面に戻ってくる時間を正確に計測し、その時間に平均音速を乗じて２で割れば水深（海面から海底までの距離）を求めることができる。しかし、ストップウオッチから始まった時間計測技術は、技術の進歩によりどんどん正確になっていくが、肝心の音速が正確に求められなければ、水深を正確に求めることができない。

海中の音速cは、体積弾性率Kと密度rと関係として次のように表わせられる。

………(1)

式1でKとrは、水深（圧力）による海水のわずかな圧縮の変化と水温と塩分による密度の変化によりそれぞれが変動するため簡単な式では表せない。

過去において(1)式を水温T(℃)と塩分S（‰）水深D（m）または圧力P（atm）の関数として表すために様々な研究者により、様々な、の実験式（現場式）が提唱されてきた。古くは、1938年の日本の桑原の音速テーブル[1]から始まり、電卓の普及とともにWilson(1960)[2],Medwin(1975)の実験式などが知られていた。

近年よく使われる主な算出式としては、簡易式としてMackenzie(1981)[3]、Coppens(1981),[4]、厳密式として、Del Grosso(1974)[5]、Chen & Millero(1977)[6]らの式があり、いずれも米国音響学会誌に発表されたものである。

現在一般に広く用いられている音速式は、Chen & Milleroの厳密式を基にしてUNESCOで制定[7]されたものである。この式の有効範囲は、T=0～40℃、S=0～40psu,P=0～100MPaとほぼ海洋全域の環境を網羅している。

しかし、Meinen [8]、Dushaw[9]、Leroy[10]らは、UNESCOの式の差異を最新の計測値を基に修正する提案を行っている。

このサイトにおける音速計算における圧力Pは、重力の影響を考慮し、[11]によって緯度45°の標準重力に換算してある。水温スケールは、1990年国際温度目盛りITS-90[12]を使用している。

さて、音速が水温と塩分と圧力の関数であることから、海水中での音速は、おもしろい性質を示す。通常の深海域では、図2のように塩分と水温と圧力の寄与により深度方向の音速プロファイルが形成される。水温と圧力の寄与が大きく、塩分の寄与は、あまり大きくない。

形成された音速プロファイルには、図3のような名前が付けられている。この図のように水深1000m付近に形成されるサウンドチャンネル軸を中心にを伝搬する音波が数千kmまで到達することができるようになる。

また、地球上様々な海域において、水温や塩分の違いから図4のようないろいろなプロファイルのパターンが形成される。

図4でA、Bのパターンが一太平洋の中緯度海域での一般的なパターンである。Cの地中海では、日射量が多く全体が暖められるため、水温がほとんど変化しないため水深（圧力）の変化だけで音速が大きくなっていく。また、Fの北極では、水面付近で氷が形されるため、水温が低く、ある程度深いところでは、水温が変化しないため、水深の変化だけで音速が大きくなっていく。

文   献

[1]    S.Kuwahara,"Velocity
of sound in sea-water and calculation of the velocity for use in sonic
sounding", Hydrographic Rev. 16,123-140,1938

[2]
W.D.Wilson, "Equation for the speed
sound in sea water",J.Acoust.Soc.Am.Vol.32,1357( L ) ,1960

[3]
K.V.
Mackenzie, Nine-term equation for the sound speed in the oceans.J. Acoust. Soc.
Am. 70(3), pp 807-812,1981

[4]
A.B.
Coppens, Simple equations for the speed of sound in Neptunian waters ,J.
Acoust. Soc. Am. 69(3), pp 862-863, 1981

[5]
V.A. Del
Grosso, New equation for the speed of sound in natural waters (with comparisons
to other equations), J. Acoust. Soc. Am 56(4) pp 1084-1091, 1974

[6]
C-T. Chen
and F.J. Millero, Speed of sound in seawater at high pressures ,J. Acoust. Soc.
Am. 62(5) pp 1129-1135, 1977

[7]
N.P.
Fofonoff and R.C. Millard Jr. Algorithms for computation of fundamental
properties of seawater, UNESCO technical papers in marine science. No. 44,
Division of Marine Sciences. UNESCO, Place de Fontenoy, 75700 Paris. 1983

[8]    C.S. Meinen and D.R. Watts, Further evidence that
the sound-speed algorithm of Del Grosso is more accurate than that of Chen and
Millero , J. Acoust. Soc. Am. 102(4) pp 2058-2062,1997

[9]    B.D. Dushaw, P.F. Worcester, B.D. Cornuelle and
B.M. Howe, On equations for the speed of sound in sea water  J. Acoust. Soc. Am. 93(1) pp 255-275 ,
1993

[10] C.C.Leroy, S.P.Robinson, M.J.Goldsmith, A new
equation for the accurate calculation of sound speed all ocean,J. Acoust. Scc.
Am. 124(5), pp2774-27782, 2008

[11] C. C. Leroy and F Parthiot, Depth-pressure
relationship in the oceans and seas , J. Acoust. Soc. Am. 103(3) pp 1346-1352,
1998

[12]    G.S.K.Wong and Zu, Speed of sound in seawater as afunction of
salinity,temperature and pressure, J. Acoust.
Scc. Am..,97,1732-1736,1995