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研 究 論 文

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水中圧力波による魚類の損傷 (第

4

内部器官 の力学 的応 答

小)JI野栄事,福山都生●,伊藤一郎●●

水中煤破苛に伴な う水中圧力波を受けた魚窮に生ずる銃傷について魚体の力学的応答の放点 か ら検討した｡模型魚を用いて腹腔内圧力波ならびに内儀部に生ずるひずみの性状を鍔ペると ともに兵魚を用いて収監内圧力波を測定 して,魚体内の力学的応答と魚の内部韓官に生ずる損 傷の密度との舛係について考察 した｡魚体内に作用する水中圧力波のエネルギー密度,腹腔内 圧力汲の ど‑ク圧お よび内腰部に生ずるひずみの大 きさの3 着の問には相関性があること,普 た魚の内洗浄官の航儲種皮がそのひずみの大きさに依存すると考えれば.共魚を用いた実数の 解析結果 と模型魚突放の測定結果はきわめてよく対応することが確認された｡

1. 緒 言

式中悠破等による水中圧力波を受けてへい死 した魚 紘,心慮,肝ぬ.野鼠, うきぷ くろ苛の内戚詮官に著 しい的傷を受けている l ) ･ 8 〉 ･ 8 I ｡ 魚の内茄誇官が水中圧 力波によって受ける出場の粒度はその波形や内部器官 の筋道によって大きく左右され る 1 ) ･ 8) ｡ この現象は水 中圧力波を受けた魚の

濫内部の力学的応答に深い関 係があるものと考え られ る｡

そ こで,木研究では高分子材料で作った模型魚およ び東急を用いて腹虚内の圧力や内部鰭官に生ずるひず み等を謝蓋 し.水中圧力波の性状 と魚体内に生ずる力 学的応答 との閑尉 こついて考察 した｡さらに,この研 究により得た結果をもとに して水中圧力波を受ける魚 の内部器官にどのよ うな }カニズムによって損傷が生 ず るかについて検討した｡

2. 窮境装置および方法 2 . 1 噂型魚

模型魚 は ポ t )エチ L /ソおよび 槻化 ビ. =ルを原料 と 1 . , .力学的性質が乗魚 とできるだけ鞘似した材料を使 って製作した.今回使用 した材料の主な特性は Ta bl e lに示す とお りである｡その形を兵魚に近いものにす るために, 体長 2 5 0 mm の‑マテから双および背骨, 身ならびに内戚 B Sの型をとり,椀型魚の各部分を製作

した｡内戚 掛 王野良に相当する

部と肝臓.消化器等 腎威以外の腰掛 こ相当する B 詔の 2 奄 丑茄 を 製 作 した

恥 年

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●◆孟春大字 工学

苗:

が .A 執 こついては突魚から塾をとることが困蟹であ ったため,塾を作 らか ､ で製作した ｡Fi g. 1にはその 投型魚を示 した｡

2 . 2 央敏方法 2. 2, 1 壌型魚典故

実験水槽 ( 縦 3 mx約 5 mx 深さ 3 . 5 z n ) 内に爆G.

模型魚お よび圧力計を設足し.水中圧力波による模型 魚

艦内の圧力応答お よびひずみ応答を甜定 した｡

水中圧) J 故お よび収艦内圧力波の測定は,それぞれ 許 1報l )お よび 筋3 線包 )の方法によって行 った｡鹿艦 内センサーは擁塾魚の内

部の側面と内部に攻 りつ けた8ひずみゲージは. Fi g. 2 に示す ように,内 層A 茄の下面 と内 周 B港の何両に貼 りつけた｡内戚 A茂は 背骨 とうきぶ くろに挟まれた位足にある野良に対する 野等を検討するためのものであるので,そのひずみを 詞定する場合は内項B部を凝 り放き, うきぷ くろの代 用 として ゴム見紛を押入 した｡一方,内

布のひず みを測定する場合は内臓 A 缶を凝 り除いた状感で行っ た｡ひずみゲージ S lお よび Ss は 1軸 ゲージ ( 共和 奄策社製 KFC‑2 ‑C‑ ll )で. S2 , S a , S . お よび S8 , S7 ,S aは 3 軸ゲージ ( 共和電業社製 R F C ^{‑2 l}

^{‑1 7}

‑l l )である｡ひずみゲージよりの俗骨は新典通倍社 製 Ds6 / MTY 蜘ひずみ計を適 して Ampe xFR‑1 3 0 0 データレコーダに妃丘 した｡こられの謝定結果は NO VA‑ 4 1 ミエコソピュークにより包埋 した｡

爆漁には 6号電気雷管ならびに コ‑ /ク] )‑ ト破砕昏 ( CCR 旭 2 号. 薬丘 3 軸)を使用 した｡ 後者は直径 1 2 . 5 c m,厚 さ 31 c m のモルタルブルックに埋め込み,

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1. 03 Ⅹ1 02 Not el) F ro q t L e nC yOfAt

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その点火には点火管もしくは 6 号旬気笛管を用いた｡

乱2. 2 央魚典故

上述の模型魚の場合と同様の方掛 こより兵魚の瓜鮭 内の圧力応答を封定 した｡妖科には体長 4 9 . 5 m の‑

マチで,肝由の丙何両と胃虞の下面に圧カセ' /サーを 帝 りつけた｡

3 . 竜果および句集

3 . 1 曲曲内圧力汝

喝免雷管の羽合の央魚腹腔内圧力波形は前組8 )に示 したが,それ と投迎魚の

屋内圧力汝 は 穀似 して い る｡魚体に作用 した水中圧力波 と庇艦内圧力波の最初 のJ { ルスの塙を TA bl C2 に示す

l /クl )‑ ト破砕岸 と電克雷管 とで圧力波の′( ルス塙を比故すると,永中 圧力汝では前者が扱者の 8‑4 0 掛 こなっているにもか かわらず,庇腔内圧力波では大きな盛がないことが示 されている｡これは魚休の滋野効果に よるものと考え られる｡また,只魚の細見から庇艦内での圧力計の位

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匠に上る故形の違いはあま り大きくないことが明らか とな った｡良段内の圧力波形は乗魚 と投配魚 とで穀似 してお り.模型魚を使って魚体内の力学的応答を検討 してもほぼ妥当な着果が得られ るものと考え られる｡

Fi g. 3に乗魚 ( ハマチ)の野凪の下面および肝

両の圧力波のピーク伍 と魚体に作用 した水中圧力鼓の ど‑ク値 との掬係を.Fi g. 4に模型血の駁荘内圧力波 の ピーク値 とそれに作用 した水中圧力政のピーク値 と の関係を示す｡Fi g. 3 以下に示す凹では コl /クL )‑ I 破砕捗を使った結果を ｢ CCRJ と表現した｡Fi g. 3 お 1ぴ Fi g. 4に は, 水中圧力波の ピーク圧 と収監内圧 力波の ピ

伍 との関係が水中圧力波の泣形に上り異 なることを示す｡一方.第 1報いにおいて,魚の内苗 酔官の銃傷の程度は水中圧力波の. Lネルギー密度 と長 い相関朗係を有することを明らかにした｡そ こで,求 中圧力波のエネルギー好皮 と腹腔内圧力汝の諮特性値 との関係について検肘する｡圧力波の防特性値 として

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ピーク圧,イt /パルスお よびエネルギー密度を とり.

これ らの倍と作用 した水中圧力波のエネルギー密度 と のB g係 ( 模型魚)を示 した｡内戚諸器官の帝政 と音速 ほ不明のため.腹腔内圧力波のエネルギー密度は償宜 上 水の密度 と音速を使って計算した｡ したがって,こ の倍は比故のための相対値である ｡ Fi g. 5 ‑Fi g. 7 よ り,腹腔内圧力汝の特性値と水中圧力波のエネルギ' ‑ 辛 皮との閑尉 鳩 源別に豊理すると良い相関性がある が,異なる壕涼のものに対しては相関性が憩いことが わかる｡ しかし ,Fi g. 5 のみは燥源別に豊理 した丙老

一一･･一一一一一･0 2nS

の直線が非常に接近 している

これは,作用する水中 圧力波のエネルギー密度が同一であれば.その汲形が 興っていても腹腔内圧力波の ピーク圧はほぼ同じ大 き さであることを示す｡‑九 只魚について測定 した腹 腔内圧力故の渚特性 と水中圧力波のエネルギー密度 と の関係についても, ここに述べた模型魚の場合 と同様 の頼向が認められた｡

3 . 2 腺虚内に生するひずみ 3 . 2 . 1 ひずみ汲形

模型魚の庖艦内内罷邦のひずみの波形の‑捌定例を

∴ : ･ I t. . ! ･

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mo d e lf i s handma gni t l J d eofs t r ai no

Fi g1 8 に示T ｡SL 〜S S のいずれ も Fi g. 8に示す よう な振動波形であ り.また爆涼が電気留管, コソク1 )‑

ト鼓酔歩のいずれであつてもよく似た波形を得た｡こ のことより,模型魚に入射する水中圧力波の波形の違 いは内戚部に生ずるひずみの政形にほ とんど彪撃を与 えないことがわかる｡

3 . 2 . 2 ひずみの大きさ

前項までの検肘結果より,水中圧力波により魚現に 生ずる約倍の密度ならびにその腹腔内圧力波のt i ' ‑ク 圧は水中圧力波のエネルギー帝庇 との問に良い相関性 があることが明らかになった｡ したがって,水中圧力 滋による魚新の損静 ま腹腔内圧力汝のピーク圧 と相関 性があるものと考え られ る｡そこで,模型魚の鹿庭内 ひずみ と腹庭内圧力波の t = ' ‑ク正 との関係について考 賓する｡今回の兵敦では,模型魚の腹腔内に圧力計 と ひずみゲージを同時に攻 りつけることは田無であった ので

力とひずみを別々に脚定 した結果を使って両 者 の関係を求めた ｡Fi g. 5 の関係を収小自乗法で並理 す ると,次式に示す関係 となる○

仇

=0 . 7 0 8 E ′0 1 仰( 爆源 :電気留管)

仇 =｡ . 5 5 8 E ,.. ̀ 恥僻 : コ ソ,. ,̲ r破砕8 ,

ここで

P. .:腹腔内圧力波のピー

圧 Odc m ^{2 )}

E

′: 水中圧力波のエネルギー密度 ( I / m皇 ) 政庄内ひずみ甜定時の水中圧力波のエネルギー密度伍 を( 1 ) 式に代入することに 上り腹虐内圧力波の ピーク圧 を求め.その債 とひずみの大きさ C P e a kt oPe a k ) と の関係を Fi g. 9 お よび Fi g･ 1 0 に示 した oFi g･ 9 には 内 臓A 部の盤面に聴 りつけた 3 軸 〆‑･ )の測定結果か ら平面ひずみ解析によって求めた主ひずみについて.

また Fi g. 1 0 には内

帯の内部に生 じたひずみにつ いての関係を示した｡ これ らのB] において模型魚が水 中圧力波を受けた方向を Ve nt r a l ( 腹部) ,La t e r a l( 腹 側部) ,He a d ( 顔部) .Ca u d a l ( 尾瓢)として示 したo Fi g. 9 ,Fi g, L Oは,腹腔内圧力政の ピーク圧 と内 戚A 部のひずみ とに相関性があることな らびにこの関係は 模型魚に作用する圧力波の波形の彫轡を受けないこと が示されている｡また,回には示さなか. >たが,内戚 J i部のひずみについても同様な結果が得られた｡ひず み の振輔の庇大値 8( F A S t r a i n) と腹腔内圧力政の ピー ク 圧 FP

O( g / c m B )との関係を別 ､ 自乗法によって虫 盟すると次式が得 られる｡

内戚A 部の内称におけるひずみ :

6=1 3 9 十1 1 3I nF

内

部の表面における主ひずみ :

8=1 1 4 0+1 2 0 01 nFP

内臓古郡の内部におけるひずみ :

占=4 6. 5+2 6 . 21 nFP. .

V

O

t l o . 2 . 1 m

(2)

内 戚B 部の表面における主ひずみ :

&=1 0 0 0 +2 2 1l nFP

(2)

式より,腹艦内に生 じた圧力の対数倍の増分に対 するひずみの擬餌 の 増加率 de I d( 1 n F L L)の 値は.

内 戯B 市より内 戚A 布の方が大きいことがわかる｡一 方. 水中圧力波のエネルギー否定が 2

9を越え ると重層魚が多 く出現す が ' ･ 8) ｡ そ こで,確免田管を 瑞軒 とした場合について J Lネルギー密度

Bの 水中圧力波による模型魚内臓壬 Wのずみを( , 1 ) 式および' ( 2 ) 式によって求め Ta b l e3 に示す｡ これ より,内府内 卦 こ比べて表面の方がはるかに大きなひずみが生ずる ことがわかる｡

Th bl e3 Ma gJ ) i bd eo fs t r a i no nt h e vi s c e r a o fmo d e lF i s h br o t l g htl l r l d e r wa t e r pr e s s ur ewa v e( En e r w f l u xd e ns i t y

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3. 3 . 3 内部者管損傷と力学的応答との開店の考察 水中圧力波により粥偏を受けた内部投官の組織の顕 微鏡写其の一例を Fi g. 1 1に示す｡この回は.磯村内 部の組級には異常がな く,表面の粗放が封倣 している ことを示している｡一枚に.水中圧力波を受けた魚の 威掛 ま内部の鼠掛 こ比べて表面の損傷がはるかに大き い｡一方,模型魚乗験では.内戚部のひずみは内部よ

り袈面の方がはるかに大 きいことを示 している｡

Fi g. l

前 報 叫 さ ) で述べたように,宍魚を対象とした実験で 紘,水中圧力波の故さの増分に対する内韻貯官の択偽 程度の増加き 糾L 野鼠での値上りも肝範での値の方が 大きいとい う結果が得られたが,模型魚突放では.腹 腔内圧力対数倍の増分に対する内戚部のひずみの増加 率が,肝腰や消化綜 く 内臓 B蔀)に比べて野鼠(A部) の方が大 きいことを示 している｡

･ また

紳 1 粗いでは,襲魚の内部器官の朗倒桁数は 魚に作用する水中圧力波のエネルギー密度と良い相餌 B g係にあるえとを示 したが,挟塾魚実敦では.水中圧 力波のエネルギー密度.腹腔内圧力波のピーク圧なら びに内崩詔のひずみの 3 着の問に比較的良い相的性が 見 られた｡

以上のよ うに,只魚内部器官の約傷解析結果 と模型 魚内戚部の力学的応答ml J 定格柴を比較すると.内部 持

管の損傷程度がそのひずみの大 きさに依存す ると考え れば,両者の結果はきわめてよく琉似 している｡

4 . 竜 宮

力学的性円が魚件と頗似している挺型魚を作 り,こ れを用いて水中圧力波を受けた魚の体内を伝播する

力汲ならびに的腰部に生ずるひずみの性状を銅ペ,英 魚を用いて腹虚内圧力波を謝定 し,水中圧力波を受け た際の魚体内の力学的応答を検討した｡そして,魚体 内の力学的応答 と魚の内缶等官択塔 との関係について 考察 した｡

その結果.魚体に作用する水中圧力波のエネルギー 密度,腹腔内圧力汝の ピーク圧お よび内臓部のひずみ の大きさの 3 着の間には相関性があることが明らかに なった｡また.内部皆管の銃傷程度がそのひずみの大 きさに依存すると考えれば,実魚を用いた典故の解析 結果 と模型魚突放の軸定結果はきわめてよく対応 して いることがわかった｡

最後に,本研究を行 うにあた り多大の御助力を1 酌 ､ た水産庁南西海区水産研究所阪 口砕次博士,淡水区水 産研究所藤谷淘博士ならびに未州四国過給橋公団の的 係者各位に感謝する｡

参考文政

1 )小

,福山.伊藤 :エ業火秦,3 7 ,p. 291( 1 9 7 6 ) 2 )

,福山.阪 口 :工業火薬,3 8,p. 3 4 9( 1 9 7 7 ) 3 )小J J l ,禰山.阪 口 :工芸火薬,3 9 ,p. 1 9S( 1 97 8 )

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1 n j ur yt of i s hduet ounde r wa t e rpr e s s ur ewa ve i sdi s c u s s e d b a s e d o n t he dyna m icr e s p o ns eo ff i s hb o dy. Pr e s s ur ewa vei nt h eabdo m ina lc avi t yo fa c t ua l a ndmo de lf i s ha nds t r a inwa vei nvi s c e r ao fmo de lf i s hwe r eme a s ur e d. Ma gni ‑ t t l deo Es t r a ino fvi s c e r ade pe ndso np e a kva l ueo fpr e s s ur ewa vei nt heabdo m ina l c a vi t y,whi c hne ar l yde pe ndso nt hee ne r gyf l uxde n s i t yo funde r wat e rpr e s s ur e wa ve . Anda ni n j ur yde gr e eo fi nt e r na lo r ga nso ff i s hi st l 1 0 u g血tde pe nde nto n t hema gni t udeo fs t r a ino fvi s c e r ai nt hef i s h.

( + Fa c ul t y o fEn gi ne e r i n g,Yo k oha maNat i o na l Uni ve r s i t y,2 ‑3 ‑ ll ,Oo ka,

Mi na mi ‑ ku,Yo krha ma ,J a pa n.

+ + Fa c ul t y o fEn g iJ l e e r in g

. Ky o t oUni ver s i t y ,Yo s hi da ‑ ho nma c hi

y o‑ ku ,

Ⅹyo t o,J ap a n )

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‑ エ菜火薬協会蕗