研 究 論 文 l ‖‖ ‖‖‖‖‖ = ‖ ‖ ‖ 川

研 究 論 文 l ‖‖ ‖‖‖‖‖ = ‖ ‖ ‖ 川

フッ素系高分子を利用 した水中衝撃波測定用圧力セ ンサーによる バブルパルスの測定

村 田健 司● ,高橋勝彦● ,加藤幸夫● ,村井幸 一● 暮

フッ素系高分子を使用 した圧力センサーを用いて,エマル ション燦兆の水中爆発により生 じたバブ ルパルスの測定を実施 し.バブルパルスの政人圧力と力積の解析方法の検討を行 うと典に.距離減衰 式の導出を行った｡

実験の結果.ェマルション爆薬の水中爆発により生 じたバブルパルスの最大圧力は衝撃波の最大圧 力の数分の

程度であるが,バブルパルスの力積の方が衝撃波の力積よりも大きいことが判明 した｡

これは,バブルパルスの持続時間が数 ミリ秒稔度 と,水中衝撃波の持続時間に比べ

桁軽度長 く.圧 力が長時間維持 される為であった｡

1 .緒 言

多 くの研究者によって,各柏の爆典を用いた水中 爆発実験が実施され,水中衝撃波の測定波形から衝撃 波の最大圧力

. ") ,特性時間(0).衝撃波エネル ギー

.

,衝撃波の力積 ( I E u , )の解析 と,換井距離

爆薬 とセンサーの距離

;爆薬菰 量)の関数 として表 した距麿減衰式

が求められて いる｡また.′( 1ルについては,バブル周期 く れ ) ,バ ブルエネルギー( Eb )とバブルの最大膨娘半径仏山 ) の 解析や高速度カメラによる投影一 I 或いは奄気的測定

によるバブルの脈動現象の解析.バー /ルの浮上運軌に 対する訳験池の影響の研究6 ) など幅広い研究報告が行 われている｡

従来の水中爆発実験においては,一般に衝撃波 とバ ブルパルスの圧力を測定するために. トルマ リンセン サーが使用されてきたり ｡

ところが, トルマ リンセンサーは感圧部分に トルマ リン( 砲気石)を使用 しているため.衝撃波のピー ク圧 力が

粗度が繰 り返 し測定可能な上限であ る｡そのため,火薬学会規 格 ( Ⅳ )( 感度紙敦法) の撤) )

1997

年

月

日受付

月

日受理

'日本油脂 ( 樵) 愛知事業所武豊工場 研究開発部

〒

愛知県知多耶武投町字北小松谷

番地の

FAXo569‑7317376

E･mailkenjLmurat

a

' ' 秋 田大学 工学姿蘇学部 鉱繋仰物餅

〒

秋t t l 県秋 田市手形学園町

号

FAXO188‑89‑2465

試験 ( 水中法)でも,爆薬

に対 し

謄 した位 t 削こトルマ リンセンサーを設置する( 換算距離 ;

ことが望ま しいとされている7 ㌧

更に, トルマ リンセンサーには.ピーク圧力が1

20MPa

以上の祈撃波を測定すると.衝撃波の測定直 後からベースラインが静水圧よりも低圧側‑ ドリフ ト するとい う間増点が有る｡ このベースラインの ドリフ

トは,同

一文験条件であって も実験拓に異なる｡ま た. トルマ リンセンサーの個体差,使用届歴による蓋 も大きい｡n‑ に

. , I , . が

よりも大きい場合 には,絶対圧力で0気圧 よりも負圧側まで ドリフ ト

し,数百 m 8 以上も継続 し,徐々に静水圧まで回復す る｡水中爆発の煉理から,衝撃波の通過直後から数百 m 8まで負圧が継続するとは考えられない｡ また, ベースラインの負圧側‑の大きな ドリフ トを生 じた ト ルマ リンセンサーを.実験後に再校正すると,その感 度が低下 している場合が多いことから.衝撃波による トルマ リン結晶の部分破蟻等による射 ヒが生 じ,それ が原因でベースラインの ドリフ トが生 じている可能性 がある｡

このため.ベースラインの ドリフ トを生 じない,煤 鯨より十分離れた位冊におけるバブルパルスの最大圧 九 力積の測定は可能であっても,ベースラインの ド

リフ トを生 じる撤源近傍の場合は,バブルパルスの実 際の圧力 と力積 を小 さく評価 して しま う可能性があ る｡そのため. トルマ リンセンサーによる爆庶近傍商 域の′く プルパルスの測定と圧力及び力租の計執 ま困井 であると考えられ る｡

J i電性 のイr 機 フ ッ素系高分 子の

つであるフ ッ

化 ビニ リデ ンと トリフルオ ロエチ レンの共重合体 (

, 以下 VDF‑ TFE 共重合体)を感庄部分に使用 した圧力 センサー( 以下. VDF‑ TFE 圧力センサー)は,従来使 用されている トルマ リンセンサーと同様に,衝撃波の 測定結兆からはP. E , a

.バブルパルスの測 定結果からf

,Eb ,Au の計罪が可能であることを 参考文献 ( 8) に報告 した｡

VDF‑ TFE 圧力センサーは トルマ リンセンサーと異 な り

^{, , , A X} が1

を越えるような爆蘇近傍の領域 であっても衝撃波の測定が可能なだけでなく,衝撃波 測定後のベースラインの負圧側‑の ドリフ トが無い特 徴を有 している｡そのため,爆甑近傍の額域において

ち,バブルパルスの測定が可能である｡

また,バブルパルスの圧力の持続時間は衝撃波に比 べて長いため,有限の大きさの水中爆発実験地を用い た水中爆発実験では.水面及び底面からの反射波が合 成 した形で測定されるl I D爆淋近傍の測定の場合は, パブルルパルスの圧力が減衰 した後に,反射波が圧力 センサーに到達する位置に配置すると,反射波の影響 が少ない条件でのバブルパルスの波形を測定できる可 能性がある｡

木研究では.第

バブルパルス( 以下バブルパルス と略記する)は衝撃波に比べ圧力は′ トさいが.その持 続時間が長く.水中爆発現象に対する構造体の応答挙 動や,地盤振動の発生挙動に大きな影響を与える可能 性があると考え. VDF‑ TFE 圧力センサーを用いて, バブルパルスの測定方u三 ,最大圧力及び力積の計井方 法の検討を行 うこととし,エマルション爆薬の水中爆 発により生 じる爆源近傍のバブルパルスの最大圧力 ( P . 山 ) ,′ く ‑ /ルパルスの力積 ( Ⅰ 叫血) の駐謄減衰式の導 山を行ったので報告する｡

2.

水中熔発英験

試料爆薬 として,酸化剤水溶液95wt

泡保持材 を1.1wt

,爆曲速度3

8] ( 直径2

の続筒,砂 上)であるエマル ション爆薬を用いた｡

Tablel

に各実験毎の爆燕畳(

と爆薬 とセ ンサー の距離 ( R) 及び換昇距離 ( R･ W

°

の関係を示す｡水 深 ( D) は2mと4mに変化させた｡

Fig.1

に圧力センサー と爆薬の位把関係及び実験に 使用 した水中爆発試験池の形状を示す｡水面の直径は

Table1Experimentalcondition8 case Ch且rgedepth Ch rgeweight

D(m) W (kg)

1 2.0 0.1

2 2.0 0.2

3 2.0 0.1

4 2,0 0.I

5 2.0 0.1

6 4.0 ^0.1

7 4.0 0.1

8 4.0 0.1 二言 ̲…̲三 IL‑:三 日 4.0 0.5 12 4.0 0.5

13 4.0 0.3

1ノ1 4.0 0.3

15 4.0 0.2

16 4.0 0.2

17 4.0 0.

1

18 4.0 0

. 2

19 4.0

0 . 2

20 4.0

0. 2

2 1 4.0

0 . 2

stand｡

L r1

R(m) R･W‑]/3(m･k

g

1.0 2.15 2.0 3.42 2.0 Jl.31 3.0 6.46 JL0 8.61 0.20 0.43 0.30 0.65 0.50 1.08 1.0

1.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 3.0 3.0 4.0 JI.0

229922033445tL)99d一･431188222233d.5lL'66

火薬学会誌

G

E

(a)ExperimentalaTTangementS

1 36m †

ト

(b )Underwaterexplosiontes thgtank

Fi

te8tingtank(A)Charge,(B)SenBOr8,氏 ; Standoqdi8tanCe

36m

, 最深部の直径は

. 最深部までの水深は

8m

である ｡ 爆薬は球状に成形し ,ロー プにて池中央の所

定の水深に吊り下げ _, ⁶ 号塩気雷管の先端を中心部分 まで挿入し起爆した 所定の 距離の位冊こ吊り下げ , tlt力を記録時間分解能の炎な ｡

圧力センサーは.爆薬と同水深で

る

台のデジタルオシロスコ‑プに接続し.術紫波と バブルパルスに分けて記録した｡衝撃波の記鍬こは,

ニコレ杜魁モデル 4 6 0デジ

タルオシロスコープ( 周波数 僻域

MHz,分解

能

s,記録点数

波形記録時の時間分解

能

m8 .記録点数

を使 用 し.バブルパルス

の記録にはニコレ社製

周 波数帯域

E,分解

能

t 8,記奴点数

,波形記録時の時糊分解能

,記録点数

を使

用 した｡圧力センサーの感圧部分は一辺が

の正方

形で厚みが

のシー ト状であ り,油圧パ ルスによっ

て校正 した繊度係数は

I で ある

VDF‑

｡

圧力センサー.校正方法及び計測システ ム,計測方法に関 しては.文献

に詳 しく報告 した のでここでは省略する｡

33

.民放結果及び考察

衝撃波の溺定結果及び衝撃波エネルギー

r l i .

i50^{100 200 300}

400 500 Tirne (JJ

S) Fig.2Excharamplgeweieof8hockwaverpro丘le

TabJe2Experimentalre8ult8 Shockwave

ca月e Pm 8 i Eb

l m p･ W

a

8･ k

l / 3

1 1

7 .1 0.81 3280

2

3.1 0. 85 3 7.

9. 3 0.7 6 J 1 5

1

7.2 0. 77 5 3.63

J I . 3i

78 7 1

0.I

8

^{7. 8}

9

5.0 1 0

1 .0 1 1

4. 8 1 2

⁴

⁴

3 4 5 6 7 8 9 0 1 1 11 1 1 1 1 2

21

1^{2 . 1} 1²

. J l

1

0.5

0 0 0 9 2 6 2 2 8 6 1 8 1 1 1

3

8. 0

76 1 2220

5

0.5 0.7 9 8950

7

0. 3 0. 80

7

8. 6 0.7 9 1

0. 3 0. 80 1

6.

0.80

9

ノ 1 .5 0. 82

8

8. 9 0. 82

8

3. 2 0. 82

1

0.0

5

4 0.77 7. 66

2. 0 0. 77 6. 47

7.

76 6･7 0t

7･ 2

79 4. 84

0.1 0.77

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 1 3 0 6 2 1 1 0 2 3 3 6 LL> 3 4 0 0 8 8 LL} 2 2 9 6 3 2 2 2 2 1 1 ‑ 1 1

4. 83

78 950

B

u b

l e

8e

(志 士謡 い(

p I

p

B ' .

1

7.9

0.1 8

j3. 66

1

4.1 0.330 I . 89 1

6. 0;0.1 70 1 .75

誓

? i三 ･誓 ! ･ 崇 0.1 7

0.

0. 20

1 0. 6 0.203 7 .42 1

8. 4 0.

04 4. 68 1

6.6 0. J I O8 3. 31 1

3･8 0･ 995 2･ 26 1

3.8 o. 99

j2. 4

1

5.6 1

5. 8

0.603L2.1

0. 606 2. 03 1

6.1】0.

1 . 60 1

6.1 0. 40J l 1 .7 8 1

8. 410.

4 1 . 57 1

5.9

1

5.8 1

6.2 1

5.9

0. 402 1 . 22

0. 90

E8;Shockener

g

8

･

o d

g y ,

P^zmZb;Maximum lらtbubblepul8epre88ure, Impb

. W

Table3Simihtudeequationofemul8ionexplosive CharBedepthD (m) 2 4

Equationhctor I K‑一‑† α pmAI (MPa)辛 43 ‑1.1 Pb.M (MPa) 6･7 ‑0･92i

K

4三.

:†

‑

‑0.91 T叩･W･… (Pa

･

･

‑

‑

Similitudeequationform Y;p…,p maxb,Imp･W l/3･

O

の ピーク圧力が衝撃波であ り

付近にお けるピーク圧力が第

バブルパルスであるo トルマ リ ンセンサーの測定波形は,比較 して表記するためベー スラインを10MPa マイナス側にオフセ ッ トした｡

VDF

‑ TFE圧力センサーの測定波形には衝撃波を測定

7 880

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 2 7 0 0 5 1 9 3 6 2 8 6 0 9 2 9 3 2 ‑I 3 2 1 1 7 4 3 8 5 5

2 1

【

461 0 4590 42 90 J l 090 3 53 0 2 680 2 6L l 0

1 83 0

1 840

;Y=K(RIW‑I/3)a lmpb･W‑)/3

したあとのベースラインのマイナス圧力側への ドリフ トは認められないが, トルマ リンセンサーの測定波形 は衝撃波を測定 した後ベー スライ ンがマイナス14

になっている｡すなわち,4MPa 程度のマイナ

ス側‑の ドリフ トが生 じているo このため. トルマ リ

1300‑

^{火薬学会誌}

(I?

M

0

50Time(100ms)150 200 (a)Exampleof

bubblepu(seprofilesmeasuerd bytnsor(dJTl)○JnSSOLJ4321ourma伽esensorand00102030405 06CTime(JTlJ) VDF一丁FEse

(b)Mag

n

measuerdbyVDF‑TFEsensorFig.3 ExampleofbubblepulBepro血eChargewei gh t;200(ど),StandoEr;I

(m)

ンセンサーによるバブル周期の測定は可能であるが,

バブルパルスのピーク圧力を読み取っても負圧となっ てしまうことがわかる ｡

に

圧力センサーにより測定した 第

圧

は 衝撃波と第

バブルパルスの時間間隔であるバブル 周期を示す . 式

の右辺の係数は

を (MJ) ,

バブルパルスの拡大 図を示す 測定結果から , バブルエネルギーを 式

を用いて計井した ｡ ｡ バブルパルスの

･

3(M)

ここで .

は爆薬の水深における静水 _を

ルスの最大

圧力と力積の計井方法の 検討

次に.バブルパル

スの最大圧 力 と力積 を求める ため,バブルパルスの測定波形 と

計算方法の検討を 行った｡ トルマ リンセンサーと

VDF‑TFE

圧力センサーの測 定結果の比較を行 う

と

に示 したように ト ルマ リンセンサー

の出力は明らかに衝撃波の測定直後 から大きく負圧側

‑ ドリフ トを生 じ.絶対圧で0気圧 以下となっている｡他方

,

圧力センサーに よる測定結果にはベース

ラインの ドリフ トがない｡ こ れは

圧力

センサーの感庄部分である

TF

l i : 共重合体はフッ素系高分子であるため, トルマ リ ンのような脆性材料 と異なり,満分子特有の粘弾性 と いう

性質を有 し,衝撃波による応力に耐え,部分的な 破壊 も生 じにくい為

と考えられる● 0 ㌧ 次に,

圧力セ

ンサーによって測定 したバ ブルパルスの波形は

ig.3(b)

に示 したように

税度の持続

時間を有 し,衝撃波 と異な り圧力の立ち上 が りが緩や

かな三角波形状である｡そのピーク圧力部 分の波形に

は.衝撃波のピ‑ク圧力部分のように,計 測系の過渡応答

特性により発生するリンキングなどの ノイズ成分は見

られない｡ これは,本実験に使用 した 測定系の周波数帯域の下限は数

,上限は

以 上であり,バブルパルスの周波数帯域よりも測定系の 周波数滞域が十分広いためと考えられ る｡ バブルパ

ルスのピーク圧力以降の波形には.試験地 が有限の大

きさであるため,就験池の水面からの膨張 波と,試験

地の底面と側面からの反射波の影響が含ま れていると

考えられる｡本実験に使用 した試験池の形 妖では,水

深

における実験の場合には.水面から の膨張波と

底面からの反射波は同時にセンサーの位置 に到達 し

,水深が

における実験の場合には,水面 からの膨張波

の方が底面からの反射波よりも早く到達 す ると考えられ る

｡ この膨張波 と反射波の内で最 も 早く到達する波の時刻は

,その速度が水の音速

りと同 じと仮定すると

,水深

の場合は爆薬 と センサーの距離が

の位置でバブルパ

ルスの ピー ク圧力の到達後

後であ り.距離が

0.5 m, 2m,3m,4m

の場合は各々

7

,

3.3m

8 後である｡水深

の場合は臣離が

に対 し,各々

.

.

,

.

.

り,池側部か らの反射波はバブルパルスの ピーク圧力 の観測後日.3m8以降にセ ンサーに到達す る｡池の底 部及び側部は粘土質の土砂でできているため.衝撃波 の反射率が小 さくなると考えられ る｡更に,池の側部 は傾斜 しているために,側部か らのセンサー方向‑の 反射率は,極めて小 さい と考え られ る｡

以上の ことか ら,本実験 におけるバブルパル スの ピー ク圧力までの測定値には,反射波の影響は含 まれ ていない と考えられ るが,バブルパルスの ピー ク圧力 以降の波形には,反射波の影響が含まれている可能性 がある｡

しか し,爆薬 とセンサーの距離が小 さくバブルパル スの ピーク圧力が大きい試験条件ほど,バブルパルス が十分に減衰 した後に反射波が到達す るため,その影 響 も小 さい と考 え られ る｡

全実験条件におけるバブルパルスの測定波形にも.

圧 力が負圧 にな るな どの頗 著 な反射 波 は認 め られ ない｡

以上のことか ら,バブルパル スの最大圧力を求める 場合 には,衝撃波の軌定波形のような最小二乗法によ る近似曲線の解析 と外

は不要 と考えられ る｡そ こ で.バブルパル スの最大圧力

b a X b は,軌定波形の最 大圧力の点 と定義 して計算 を行った｡

次に,力積の計罪方法の検討を行 う,衝撃波エネル ギー或いは衝撃波の力積の計昇の際には,積分範囲を 時間ゼ ロか ら 50 倍まで としている｡ これは ,50 税度 にお ける圧力は, もはや最大圧力の数%以 下 と小 さ く, これ以上積分区間を長 くしても計芽上積分値は増 加す るが, この増加分には測定上のノイズの誤差 も含 まれ ることか ら決定 されている乃 ｡バブルパルスの力 横の計算の際にも同様な検討を行い積分範囲を定める 必要がある｡

代表的な実験 について,積分区間の しきい値 ( P) ) を 変化 させた場合のバブルパルスの力積 ( I E

の変化に ついて検討 した｡ ここで ,Ⅰ 叫 は以 下の よ うに定義 す る｡

T:

Imph= T

Ip( t w t

p(t)

は時間いこおけるバブルパルスの庄九 T . はバ ブルパルスの圧力が次第に大きくな り圧力 P ) に適 した 時刻 ( 積分開始時刻).屯は逆にバブルパルスが減哀 し 圧力 P l に遷 した時刻 ( 磯分終 了時刻)である｡ このた め ,P l が大 きいほど積分 区間は短 くな り,逆に P ■ を 小 さくす ると積分区間は長 くなる｡最 も I

ゆ が大きい 場合 として P l を P

B . l b の 0 ･ 5% にとり I .

w ( P

w b = 0 . 5 %) をもとめ,次に P l を P . 血 の 0 . 5 % か ら 5 0% まで

(%)(%SZqXe∈dJrd)

xeuJqdultJqd∈l

0 10

0.1 1 10 100

R･ W1/

3

( m

P

istance

( C

,

.

! p l

n

o

S e

･ 100

00

0.1 1 10

100

R･W 1/3(m･kg‑I/3

R

l a

)

dimp

u l

Bh

caleddistance

5にP

. mIと換井距離の関係 を

^{に換昇力積} (

1

と換界距離の関係を示す｡同様にバブ

ル パルスの計昇結果から

にP n 血 と換芽距離

の関 係を

に換昇力積 ( I

･ W‑

' ' ' ' )と換昇距離の関 係を示す｡

と

より

,水深を

と

に変化させ ても衝撃波の

A l と換

芥力槽は同一の距離減衰傾向, ほぼ同一の値を示 し

. n 山は水深が

の方が同じ換 舞距離では

小さく , 換第力積は水深

の方が

%小さかった｡

,

]

∈

‑3S Id∈!

p

S

D

1 10 100

RIWl1/3

( m

F i

distance

oo

∞ 10 0100100000.

1 R･W 1/3(m･kg1/ 10

F i

pulBeand8CAleddist

ance

衰傾向を示 し

I

は水深が

の方が同 じ換芽取離 でも2 2%小

さく.換昇力確は水深が

の方が同 じ換 算距鹿でも

小

さかった｡ これは,爆薬の爆趣によ り発生する 衝 撃波は,水深が異なるこ

とによる静水圧 の影響を受けにくいのに対 し,バブルの嘩鍬 ま静

水圧

の影響を大きく受けるためだ と考えられ る｡ 次に.衝撃波とバブルパルスの計算結果を比較

Cole

の研究では. トルマ リンセンサーを用いた.

TNT の水中爆発におけるバブルパルスと衝撃波の測 ' j E波形から計罫 した力棚は,同経度の俵であると本研 究とは異なった結論を報告日している.実験条件が災 なるため単純な比故はできないが,

の2･ 験では ト ルマ リンセンサーを使用 しているため.ベースライン の負圧側への ドリフ トを生 じ,バブルパルスのF I : 力と 圧力の時間積分値である力横を過小評価 している可能 椎 もあり,今後の検討疎雌 としたい｡それを検証する ためには,衝撃波とバブルパルスの両方に対す る構造 体の応答を歪ゲージ等を用いて測定 し,圧力センサー により測定 した衝撃波 ･バブルパルスの力相 と雨を盤 理する必要 もあると考えられ る｡

4.

結 喜 島

本研究によって以下の結果が得 られた｡

( 1 )ェマルション爆藤の爆我によって発生 した,輝線 近傍のバブルパルスの最大圧力 と力積を,換罪距 離の関数とした距離減衰特性式により数値化する ことができた｡

(2)

ェマルション輝炎のバブルパルスの最大値は,節 撃波の最大値に比べ小さいが,バブルパルスは圧

力の持続時間が長いため,バブルパルスの力積は 衝撃波の力機に比べ大きい｡

文 献

1

,

8

2)田中克己.吉田正9

8,米田

乱 水島容二郎.工 業火薬協会誌

1 ).

3)疋田強.工業火薬協会 r

火薬ハ ン ドブ ック｣,

,共立出版株式会社.

4)

中山良乳 生沼仙=,田中一三,工業火東協会 誌

5)

田中一 一 ･ 三,工業火薬協会藷

l l

田中一三,工業火薬協会誌

火炎学会規格 ( Ⅳ) ,( 感度試験法)

学会弘

9) 村 川健札 高橋勝彦,加藤幸夫,工業火薬協会 漉

10)

村t f l 健札 高橋勝彦,加藤幸夫.村井幸一,火炎 学会… 軌

Precisemeasurementofbubblepulsebypressuresensorusingfluoropolymer

KeqjiMUR

m

T

8

0

Preci8emea8urement80fpeakpre88ureandinpulBeOfthebubblepulse,a8Weu88theunderwater

ゃh

8h

(

C

酢I n,

0MINERALIND USTRYMUSEUM,FacultyofEngineeringandRe80urCeScien

c e , A

A

t y , A

‑304‑

火薬学会漣