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波の芸術

 

大松重雄
 
 
大松重雄 SHIGEO OMATSU 
専門研究員
浮体の波浪中動揺問題、メガフロートに働く自然環境荷重、弾性応答に関する研究など
海技研にある深海水槽は、波で文字や模様を自在に描くことができます。円形の深海水槽は、128機の造波装置を全周に設置しており、造波機を使って、碁盤の目のような波、海技研のロゴマーク、噴水のように上がる波(集中波)、渦のように回る波などを作ることができます。

 

「波を自在にコントロールする」造波技術は、様々な実験に必要不可欠です。本技術を応用して様々な波、文字、模様を作りました。動画で紹介します。
 
波でどうして文字や模様が描かれるのでしょうか。それは、周期の短い波は遅く、周期の長い波は速く進む性質を利用しているのです。 
水槽実験では、一定周期の規則波や与えられたスペクトルをもつ不規則波がよく使われますが、例えば海難事故調査等には、これらに加え、任意の与えられた時系列を持つ波、あるいは三角波(一発大波)が必要になってきます。波で文字や模様を描くことは直接実験に役立つわけではありませんが、「波を自在にコントロールする」造波技術の開発・デモに使われるでしょう。

 
海技研ロゴマーク
海技研ロゴマーク
「海技研のロゴマーク」「集中波」「メッシュ波(碁盤目の波)」「回転波」「規則波」が連続して現われます。
ハートマーク
ハートマーク

「けん」「よしこ」「ハートのマーク」「タカ」「&」「スシ」「ライオンのマーク」「星のマーク」が連続します。(TBSテレビの「となりのマエストロ」で同じ模様を撮影しました)

 
NMRIの文字
NMRI

海上技術安全研究所の英文略称「NMRI」を1文字ずつ描きます。

 
 
 
深海水槽
 
 図1 深海水槽
 
深海水槽
海技研には、曳航水槽、平面水槽、氷海水槽など各種の試験水槽があり、それ ぞれの特色を生かした水槽実験が行われています。その中で色々な波を造ること のできる深海水槽を例に造波技術を紹介します。
深海水槽は、図1に示すように直径13.6mの円形の水槽で、周囲に128台もの造波機を有しています。各造波機は幅約33cmのフラップ式造波機で、それぞれ単独に、与えた信号どおりに動かすことができます。
今回、この水槽において128台の造波機を駆使し、水面に文字や模様を描くことを試みましたので紹介いたします。
 
波高グラフ
 図2 造波板に衝撃的な変位を与えたときの波高の時系列(R=10mの例)
 
造波信号グラフ
 図3 時間逆転による造波信号
 
造波板からの集中派の発生
 図4 造波板から距離Roの円弧線上に集中波が発生
 
波の空間分布グラフ

図5 集中時刻における波の空間分布(図4のA-A´線上の波高)

一点集中波の発生法
図6 一点集中波の発生法
 
一点集中波の空間分布図
図7 一点集中波の空間分布(集中時刻)  
 
波を集中させる
水面に文字や模様を描くには、まず「思いどおりの点の水面を盛り上げる」ことができなければなりません。そのために波の持つ一つの特性を利用します。それは、周期のゆっくりした長い波長の波ほど速く進む、短い波ほど遅いという性質です。みなさんが、例えば公園の池に小石をポチャンと投げると、まず周りに長い波がさーっと広がっていき、そのあとを追いかけるようにさざ波が広がるのが見えると思います。

図2は、それと同じようなことですが、1枚の造波板に衝撃的な動きをさせたとき、その造波板からある距離(Ro)の点で測った波高の時間変化を示しています。これを見ても、はじめに周期の長い波が到達し、後になるほどくしゃくしゃした短い波が来ることが分かります。
 
さて、この性質をどのように利用するか。はじめに短い波(=スピードの遅い波)を起こしておいて、後から長い波(スピードの速い波)を起こすと、ある点で長い波が短い波に追い付いて合体し、大きな波高になるのではないだろうか。さらに、短い波を起こしてから、長い波を起こすまでの時間差を短くするとすぐに追いつくので造波機から近いところで合体し、時間差を長くすると遠方で合体する。このようにして、合体する場所もコントロールすることができるのではないだろうか。
 
 
これは基本的なアイデアです。短波長から長波長までの波を合体させてできた大きな波高のことを「集中波」といいます。
具体的な集中波の発生法は以下のとおりです。
図2は前に述べたように、造波板に衝撃的な動きをさせたとき、その造波板からある距離(Ro)の点で測った波高の時間変化ですが、これを図3のように時間逆転させ、それを造波板の動きとして与えます。
 
 図3を見ると、初めに周期の短い波を起こし、後になるほど長い波を起こすことがわかるかと思います。こうすると、ちょうど距離Roのところで集中が起こるのです。この方法は1981年に著者が2次元水路の場合について見出した1)のですが、今回はそれを3次元の場合について適用しました。その結果の例を図4、図5に示します。
 
Rの造波
写真1 文字「R」の造波
海技研ロゴマークの造波
写真2 海技研のロゴマークの造波
 
波で文字や模様を描く
以上のようにして、意図したとおりの文様を造波できることが確かめられました。もちろん、あまり細かい描写はできません。分解能は造波板1枚の幅や造波できる波長の範囲で決まりますが、深海水槽の場合は約30cm程度です。
造波信号の作成はすべて理論計算に基づいて行うわけですが、この理論に従えば、集中時刻だけでなく、各点の各時刻の波高を予測することができます。図8は「R」という文字を描いたときの水槽中央点における波高の時系列を予測し、実測値と比較したものですが、両方良く一致していることが分かります。 
Rを描いた時の波高の時系列グラフ
図8 「R」を描いたときの波高の時系列
二次元集中波
写真3 2次元集中波
図9 呼吸なしと吸収ありの場合の差(「R」を描いたときの波高の時系列)
 
今後の応用
以上のようにして、意図したとおりの文様を造波できることが確かめられました。もちろん、あまり細かい描写はできません。分解能は造波板1枚の幅や造波できる波長の範囲で決まりますが、深海水槽の場合は約30cm程度です。
造波信号の作成はすべて理論計算に基づいて行うわけですが、この理論に従えば、集中時刻だけでなく、各点の各時刻の波高を予測することができます。図8は「R」という文字を描いたときの水槽中央点における波高の時系列を予測し、実測値と比較したものですが、両方良く一致していることが分かります。 
 
終わりに
当所では、2010年に実海域再現水槽が建設されました。この水槽は長方形で、 周囲に382台の造波機が設置されます。ここで述べた造波法はこの水槽において も有効に利用されています。そしてまた、新たなニーズに応じた造波法を開発し ていく所存です。
 
 
 
参考文献
1)S.Ohmatsu:Une Methode Simple pour Generer une Houle Arbitraire dans un Basin d Essais,Papers of Ship Research Institute No.65(1981.)
2)大松重雄:時間領域における Transient Wave の造波・吸収法について、海技研研究報告第9巻第2号(2009)

 

 
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