海洋科学技術センター試験研究報告 JAMSTECTR 7 (1981) 四種類 の波 高計 の比 較 高 橋 賢一＊1 甲 斐 源 太 郎＊1 益 田善 雄 ＊l ４種類の波高計，ウェーブ ライダー，ブ イ式波高計，超音波式波高計お よび 船舶式波高計の基本的な性能 を比較した。比較に用いたデータは， 山形県由良 沖で行った波力発電装置， “海明”の海域実験で取得されたものである。デー タ処理は，平均 波法とスペ クト ル分析法を用いた。この報告は， ４種類の波高 計の原理，構造と仕様，係留システムお よび解析結果に対する考察から構成さ れている。 Comparison of Four DifferentTypes of Wave Gauges Kenichi Takahashi*2, Gentaro Kai*2, Yoshio Masuda*2, This paper deals with comparison of fundamental characteristics of four different types of wave gauges: a wave-rider, a buoy-type wave gauge, an ultrasonic wave gauge and a ship-borne wave gauge. The comparison whose purpose is based on the data obtained in an open sea trial was not directly to carry out the comparison test the wave power generating system called the "KAIMEI". comparison, the averaging method but to For this and the spectral analysis method were employed. This paper contains a description of the four different operat- ing principles, the structure and the mooring specifications of the wave system of each wave gauge and some gauges, considerations on the results of the data analysis. 最 も簡単な方法は 海岸 または航行中の船舶上か １． はじめに 近年， 海洋調査をはじめ とし， 漁業やエ ネル ギ ら目視 で観 測す る方法がある。この方法は， 特別 ー資源の 開 発など，各種の海洋開 発が急速に進め な観測機 器が必要でない が，せいぜい0.5m 単位で られるよ うになってきた。 しか，測定することができない。 こ れらの研究開 発をすすめる際，最初に必要な 海洋上 で， 波にゆられている船舶， または 浮遊 こ とは海の状態，すな わち，波浪の状態であ る。 構造上物で も， 波が測定 できるもの として，船舶 波 の状態は，古 くから，い ろいろな方 法で観測 式波高計（ タッカー式波高計 ）が開発さ れ， 海洋 し評価されてい る。 波の 測定に有力な手段 が提供 されるようになった。 ＊I 海 洋 利用 技術 部 ＊２ Marine Ｅxploitatin Techno] ogg Department. 41 また，船舶などの大きな浮体 を使用するこ とな (1) ブ イ方式 く， 波の状態をでき るだけ正確に知ろうとする試 この タイプは加速度検出方式である。すな みから， 小形のブ イ式 波高計が開発され，世 界的 わち， 波面 の上下運動に敏 速に追従するブ イ に信頼性が評価されて きた。 の垂直変位 成分 だけ を取出し て波高を測定 す これ以 外に も， 波高計には 幾種類かの方式 があ る。観測対 象となる波の 周期よりも十 分に 短 る。いずれ も， それ ぞれ使用目的，使用可能な環 い 固有周期 を持つブ イの上下方向の加速度α 境等が， 少し ずつ， 異な る場 合が多いぽか りでな を測定し，この信号を２回積 分し，垂直変位 く， 計測器とし ての特徴 も相違す る。したがって， 恥)を算出す る。 海洋 とは言うものの，相 異なる場 所で， 少し ずつ 特性 の異なる波高計で計測されるデー タを比較す る際には， あらかじめ 計測器の基本特性を十 分知 ウェーブ ライダーとブ イ式波高計とは，と もに，このタイプに属する。 ってお く必要 がある。 実際の海洋 環境の諸作業の常 として， かな りの （2） 定置方式 経 費と労力が必要であるため，一 般には 幾種 類か この タイプ の装置は， 海底に超音波 送受波 の波高計を用いる長期的な海洋実験は容易に実施 器が設置されている。こ の装置か ら鉛直方向 できるこ とではない。 し かし， われわれは幸に波 に 発射し た超音波パルス の鋭いビ ームが， 大 力 発電に関す る海域 実験 を実施す る機会に 恵まれ 気 と海面との境 界層で反射 され， 海底の受波 たので， 原理の 異なる波高計の基本特性 の比較 を 器で受信 さ れる。その間に要 する経過時間が 試み た。 測定 されると， 送波器から海面 までの 距離Ｌ こ の海域 実験は実海域におけ る総合実験である から， 測定目的に応じ た各種の波高計が 利用され が伝 播時間ｔと超音波の 海中伝 播速度 Ｃとか ら， 次式によって算出される。 た。し たがって，本 来， 波高計の比較 を目的 とし てないため， 各種波高計の設置位置などが必ずし こ の式 で， Ｃを一定 とし てｔを測定し，こ も比較目的に合致してい るとは限らないので， 十 のｔを時間に 比例し た電圧に変換すれば， こ 分に理 想的な実 験であったとは言えない。 また， の電圧がＬ に比例する。 比較に利用した波高計はほとんど開発が終 わって い るもの， または， 開発中の もの などであ り，開 こ れらの操作が短い時 間間隔で連続的に繰 返 さ れ， 水位の時間的変化が求めら れる。 発段階に相違があるため，特性 を詳細に比較し， 固定概 念を形成するには公平 さを欠くこ とに留 意 し なけ れば ならない。 なお， こ の実海域実験は， 昭和54年 ９月から昭 和55年 ３月までの９ 箇｡ 月間に わたり， 山形県鶴岡 (3) 水圧方式 このタイプ では，一 般に海底に置かれ た水 圧計で，水位変動に伴う微小圧力変化が検出 され， 水位変動に変 換される． 市由良 沖で実施した波力 発電装 置， “海明”の海 船舶式波高計では，船側 に取 付けられた水 域実験で使用し た４種類の波高計の比較結果に関 圧 計で， 水位変動Ｒ,)が計測され,さらに船体 するもの である。 の垂直変位 でこれが補正 される.,すなわち． また， 本報告 をまとめ るにあ たり， 日頃ご助力， ご 討議 いただいた当セ ンター海 洋利用技術部の 各 ただし，α＊は船体 の垂 直加 速度 であ る。 位に心 から謝意 を表す。 2｡2 波高計 の主な仕 様お よび構造 ２． 比較に用いた波高計 各種波高計の名称 を表１に示 す。 2.1 波 高計の動作原理 2.2.1 仕 様 今 回使用した波高計の 原理 を大別する と，表１ 表２は各種波高計の仕 様を示 す、 こ の表には周波数特性を周期 または 周波数 で示 に示すような３種類のタ イプに 分類できる。 42 JAMSTECTR 7 (1981) 表１ 各種 波高計の原理 Mechanisms of various wave gauges 方 form ブ 式 原 名 称 お よ び 記 号 name & symbol ウェ ーブ ラ イダー(WR) wave-rider ブ イ式 波 高計 （BT イ 式 buoy type 理 mechanism 球 型ブ ィ の上 下運 動 の加 速 度 を２ 回積 分し て 波 高 を 算出する ） buoy type wave gauge 安 置 fixed type 式 水 式 超 音 波式 波高計 （US 海 底 で 発射 し た超音 波 が， 海 面 で反射 さ れ戻 っ て く る までの時 間 を測 定し， 水 位変動 から 波 高 を算 出す る ） ultrasonic wave gauge 圧 船 舶式 波高計 （ タッ カー 式） pressure type （ ＳＢ ） 船 底 の水圧 を水位変 動に変 換し， その 値 を船 の 上下 方向 変 位 で補正 し て波 高 を算 出す る Ship-borne wave gauge 表２ 各種波高計の仕 様 Specificationsof various wave gauges ウ ェ ー ブ ラ イダ ー wave-rider 測 定 範 囲 determination range 波 高, wave height 10m 周期, wave period 1.5 ∼28sec ブ イ 式 波 高 計 buoy type wave gauge 超 音 波 式 波 高 計 ultrasonic wave gauge 船 舶 式 波 高 計 Ship borne wave gauge 波 高, wave height 0.1 ∼10m 波 高, wave height 10m 周期, wave preiod 2 ∼30sec 周 期, wave preiod − 波 高, wave he ight 0.2 ∼15m 周 期,wave preiod 2∼15sec ±10 ％ 精 度 accuracy 土１ ％ 万驚quency よ でごLperiod ） （周 波数, 周波 ） （ 0.065 ∼0.500 （ ー O ∼15sec (波 周期, wave period) ） 5sec 土20 ％ (波 周期, wave perid) ー セ ン サ ー 加 速 度 計 加 速 度 計 ( スト レ ン ゲー ジ) SenSOr accelerometer 外 観 お よび 寸 法 図 external show and dimension see Fig. 1 JAMSTECTR 7 (1981) １ 参 acce]erometer (strain gauge) 照 図 ２ 参 see Fig. 2 照 チ タン 酸 バ リ ウ ム 水 振 動 （200KHz vibrator of barium limnimeter 加 速 度 titanate accelerometer 図 ） ３ 参 see Fig. 3 照 圧 図 ４ 参 計 計 照 see Fig. 4 43 写 真 １ ウェ ー ブ ラ イダ ー 写 真 ２ ブ イ式 波 高 計 view of floating wave-rider view of buoy type wave-gaug し， 測定精度 をフルスケー ルに対 する誤差の百分 り， セ ンサーの取付け部は ２段目のフ ラン ジ 率で表わし た。 2.2.2 各種波高 計の構 造 面 を底面とする円 筒形の容 器になってい る。 ウェ ーブ ライダー, WR また，こ の容 器を取巻 くように， 浮力材とし 写真１はウェーブ ライダーの設計状況，図 １は内部構造を示す。 ＷＲのブ イの本体は, A て 発泡 ポリウレ タンが充剔 されてい る。 円 筒形容器の内部には， 底面から加速度計， I S I ３１６種 ステ 波高信号処理装置， タイマ ー， 送信 器お よび， ンレ ス鋼 製で， その厚 さは ２ｍｍであ るｏ 係留 こ れらの電源 として電 池が搭 載さ れてい る。 索具は電 気防食が施 され， すべてブ イ本体と 最上 部のフ ラン ジ上には夜間用の標識燈が 同種の材料が使用されて いる。 ブ イの吃 水線 付近は￨坊舷 材の ゴムフェンダ ーが取付け られ， さらにブ イの安定性 を考慮 し, A I S I ３１６種鋼 製の三 角形のフレ ーム が取付け られ てい る。ブイ 内部の底部にはプ 取付け られ，内部にはその電 池が搭 秡されて い る。 （3） 超音波式波高計, us 写真 ３お よび図３は 超音波式 波高 計の 外観 を示 す。 ラスチ ック製球型容 器に封 入された加速度計 波高計は円 筒型で， 海底に 設置されている。 が取 付けら れ，こ れを取巻 くように，電 池が 装置は，上部には油 とと もに,ゴ ムでモール 搭載 されている。 ドされた振動子が取 付け られ， 下部の ステン ブ イの上部には夜間標識用フラッシュ ライ レ ス鋼 製フ ランジ内にはプリアンプ と発振回 ト， その上部には測定デー タを送信するアン 路が収納されてい る。さらに， 装 置は海底で テ ナが取付け られている。 波浪お よび潮流に対し て安 定させ るため， 鉄 （2） ブ イ式波高計, BT 写真 ２は球 型ブ イ式波高計の外観，図 ２は その内部構造図を示す。 44 ＢＴの 外観は耐 食ア ルミニウム合金製であ 製アン グルとコン クリー トシン カー を組合せ た台座の 中央に ボルトで固定してあ る。 （4） 船舶式波高計, SB JAMSTECTR 7 (1981) ブ イの 寸 法, Size of the buov: 剛 直 径 0.70m diameter (フ ェ ンダー を含む 直径 0.78m incl ｕding fender l j （2） 高 さ （ ア ン テ ナ 台 座 を 含む ） Ｌ t10 ril height including antenna base Cア ンテ ナ を 含む 高 さ nclｕding antenna whip 3.10m （3） 重 量 106 ㎏ weight スプリングロード, spring ｒod １． アンテナ, antenna ５ ２. フ ラッシュライト, flash light ６ プラスチッ ク容器plastic receptacle 電池, battery 3. ゴムフェンダー, rubber fender ７ ４ 変 訓 回 路プ リン ト 板, modulator ８ 静止電極, stationary electrode 図１ ウェ ーブ ライダー（ ＷＲ ） Wave-rider JAMSTECTR 7 (1981) 45 ブ イ の寸 法, Size ｏ ｆ the bｕｏy: （1） 直 径 0.74m diameter （2） 高さ（ 標 識燈 を 含む ） 1.30 m height including light house （ アンテ ナの 高さ ａｎt ｅｎｎａ height （3） 重 量, weight 113kg （4） 浮 力, buoyancy 220kg １． ア ン テ ナ antenna ２. 標 識 燈, beacon l ight 3 ， 標 識 燈電 池, battery for ａ beacon light 4. 波 高 処理 装 置 用電 池, battery for measurement of wave height ５ タイマー, timer ６． 送信 機， transmitter ７． 波 高 処理 装 置, amplifier and transmitting circuit etc. 8. 加 速 度 計, accelerometer 図２ 球形ブ イ方式 波高計（ ＢＴ） Buoy type wave gauge 46 JAMSTECTR 7 (1981) （2） 海 底 部 台座 （1） センサー Sinker Transducer 写 真 ３ 超 音波 式 波高 計 Ultrasonic wave gauge （Ａ） 振 動 子, transduser （Ｂ） 防 水 グラン ド コ ネ ク ター， water proof graund connector 図３ ，超音波式波高計（US ） Ultrasonic wave gauge JAMSTECTR 7 (1981) 47 こ の波高計は，水圧計 と加 速度計からなり， それらの構造を図４に示す。 なお，ブ イ式波 高計 は電源容量の制約で， 計測は連続的には実行 されず，毎 ３時間 のう 波力 発電装置では，船側に取付けら れ，水 ち，１時間 だけ動 作す るよ うになってい る。 圧計は船体 を貫通し て海水に 接触し ているた 図６はブ イ式波 高計のブロ ッ クダイヤ グラ め， 発電 装置の 浮力室に海水が侵 入し ないよ ムを示す。 うに， 接続部には配慮が払 われてい る。 (3匚 超音 波式 波高 計 2｡3 各波高計の動作 （1） ウェーブ ライダー この波 高計に使 用されている加 速度計は， 超 音 波 発射制 御 用電 気信 号が， 波 力発電 装 置上 の装 置か ら海 底ケーブ ル を通じ，海 底に ， 設置 され た送受 波 器に 送ら れ，同 時 に 発振 一 端が 固定 されたスプ リングロットからでき 回路 か らの強 力電 気ノリレス が送波 器に 送ら れ， て おり， その自由端がブ イの垂直運動に従っ 鋭いビ ー ムの 超音 波パ ル スが 発射 さ れる。 発 て振動 するのを利 用し てい る。 射 され た超音 波パ ルスは， 海面 で反射し， 海 図１に示す球型プラ スチ ッ ク容器中には， 底に 戻 り， 再 び超音 波受 波 器で電 気信号に変 伝 導性の液体が封 入さ れ， その 中に，このロ 換 され， 海 底ケーブ ルを通っ て， 波力 発電 装 ッドが取付けられている。ブ イの垂直 成分以 置上 の 波高計に 送 られる。 外 の動きは，球型プ ラスチ ッ ク容器を支え て 波高計で は， 信 号 を発射し て から反射 信号 いるスタビライザー機構（ 原理的には シンパ が到 達す る までの時間 を電 気 的に 測定し， 直 ル と同じ）で防 止している 。 流電 圧 信号に 変 換 する。 また， 送受 波器 と海 加 速度計で生じ た電圧信号は，ブ イ本体内 面 との 間に 魚 類， 浮遊 物等が 介在す る場合 は， で増幅され，位相検波されたのち， ２ 回積分 波 面以 外の不 正 反射信 号の 影響 を取除 く， 回 し て，波 高の信号となる。なお，こ の信号は 路が 設け られ てい る。 送信 周波数26.622MHz のＦ Ｍ信号で， 約3km 離れた陸上め計測基地へ送信される。 図 ７は超音 波式 波高計のブロッ クダ イヤ グ ラム を示 す。 図５はウェーブ ライダーのブロ ックダ イヤ グラムを示す。 （2） ブ イ式波高計 この波高計に使用されている加速度計は， ウェ ーブ ラ イダ ーの もの とは 異なり，一 般に 広 く用いられている ズトレ ーングージ形であ る。 この 波高計は タッカー式波高計とも呼ば れ る。 船側に水圧計と加速度計を設置し，両 者の 信号 を加 算し， 波高信号 としている。 船体が完全に固定されて静 止し ているなら ブ イの垂直成分以 外の変位を除くため， 制 ば，船側 に取付けら れた水圧計だけ で波高を 動 油を満し たケー ス内にシンバル装 置が取付 測定 できる。しかし， 実際には船体動揺があ けられている。 る ため，加速度計を同位 置に装備し，船体の こ の加速度計の垂直加 速度に比例し た信号 は， 増幅器を 介し て重力加速度が減算さ れ， ２回積 分ののち， 垂直変 位信号に変 換され， 送信 周波数126 MHz のＦ Ｍ信号 で,波力発電 装 置へ 送信 される。波力 発電装 置上で受信 され たＦ Ｍ信号は，復調さ れて差動増幅器とゼロ 補償器を通して波高に 比例し た電圧 信号に変 換される。 48 （4） 船舶式波高計 垂直変位を検出し，水圧計で得られ た信号 を 補正し てい る。 水圧 計と加速度 計のいずれに もストレ ーン グージが使用されてい る。 図８は船舶式波高計のブロッ クダ イヤ グラ ムを示す 。 なお，ブ イ式 波高計，超音波式波高計お よ び船舶式波高計の出力信号は， 波力 発電装置 JAMSTECTR 7 (1981) １． ４芯コード, four-line cord １． ４芯コード, four-line cord 2. 防水ケース, water proof case 2. コネクター, connector 3. 水圧計, pressure gauge 3. ヶ− ス, oase 制動油充添, filled with damping oil 4. 取付板, fixing board 5. パッキング, packing 4. 加速度計, accelerometer 6. フランジ形玉弁。 5. シンバル, gimbals Ｈ ange type gl obular valve 6. ウェ イトweight (2) 加速度計， Accelerometer 剛 水 圧 計 Pressure gauge 図４ 船舶式波高計（SB ） Ship borne wave gauge 亅IAMSTECTR 7 (1981) 49 Ｊ ○ 加 速 度 計 accelerometer Ａ／ Ｄ 変 換器 と記 録 器へ to A/D converter and recorder 26.622MH2 位 相 検 波 phase modurator ２ 回 積 分 器 送 double integra- 信 器 transmitter ting circuit 受 信 器 緩 衝 増 幅 器 receiver buffer amplifier ｌ 海 上 部 陸 上 部 ヨ on the sea on the shore ヨ 図５ ウェーブ ライダーのブロッ クダ イヤ グラム り ら ト ー･ § 丶ノ Block diagram of wave-rider S ■ !E!l m 口 二刀 り ら ﾄｰa S 加 速 度 緩 衝 増 幅 器 計 buffer amplifier accelerometer to telemeter ﾄｰ ● ｗ 126.42MHz 演 算 増 幅 器 operational 差動 増幅器 differential amp] ifier amp] ifier ２ 回 積 分 器 送 double integrat- 信 transmitter ing circuit 海 上 器 受 信 同波数電圧変換器 F-V converter 波力発電装置の計測定 部 ｏ ｎ the KAIMEI 図６ ブイ式波高計のブロックダイヤグラム Block diagram of buoy type wave gauge ← 器 receiver on the sea 丶､ノ1 テレ メーター ヽ ノ･ 卜､ ） 振 動 高 圧 制 御 回路 子 high voltage transdusor 送 受 control circuit 切 換 switcbing 受信前置増幅回路 比 較 増幅回路 pre-amplifier amplifier 基 準 信 号 発 生 回路 送 信 川 路 standard signal transmitter 海 底 generat ingcircui t 部 on the KAIMEI i 21 m q コ ］ 丶 』 図７ 超音波式波高計のブロッ クダイヤグラム ら ﾄｰ 亀 Ｓ ﾄｰ1 丶ノ comparator ATL ピークホールド回 路 peak-hold circuit サンプリングホー ルド回路 sample-hold ci rcuit 波力発電装置土計測室 oｎ thc ｓｅab ａd S: 比 較 回 路 Block agram ｏ ｆ ultrasonic wave gauge テレ メーター to telemeter 上 甲板 の 接 続 箱 加 connection ｂｏx 算 器 adder on the deck 解 析 装 置 analyzer 加 速 度 計 accelerometer 水 圧 テレメーターへ 計 to telemeter pressure gauge 計 測 室 measurment 内 room 図８ 船舶式波高計のブロックダイヤグラム Block diagram of ship-borne wave gauge on the KAIMEI 上から陸上の計測基地へ, 450MHz の計測用テ レメーターシステムで伝送した。 ２． ４ 海域における各波高計の設置位置 された値である。しかし，ウェーブライダーおよ びブイ式波高計は係留ラインの余長による振回わ 図９は各波高計の大略位置を示す。 波力発電装置は，係留力を軽減する目的で，西 わり等のため，数回の測定では一定の値が得られ 北西方向を中心に，左右それぞれ約60 °振回われ るよう係留してある。したがって，各波高計の位 りがかなりあり，また，波力発電装置自体の振回 なかった。 2.4.1 ブイ式波高計の係留 一般に標識用ブイ等のようなロープまたは鎖だ 置はできるだけ発電装置の船首前方に配置し，さ らに船体からの反射波によって影響を受けないよ けの係留ラインは，海表面の吹送流や潮流によっ てブイが流され，係留ラインが延びきってしまう うに，かなりの距離をとった。 図中に示す波高計間の距離は，測距儀等で測定 ため，波の運動に十分に追従しなくなる。 JAMSTECTR 7 (1981) １。 ウェーブライダー， wave-rider (WR) 2. ブイ式波高計， buoy-type wave gauge ( B T ) 3. 超音波式波高計， ultrasonicwave gauge (U S) ４． 同 波高計ケーブル cable of US 5. 船舶式波高計 ship-bornewave gauge (SB) 図９ 各種波高計の配置 Arrangement of various wave gauges JAMSTECTR 7 (1981) そこで， ウェーブ ライダー の係留ラインには， こ れを防止す るため ，ゴムコードが使用さ れてい 冬期は 風速10m ／ｓｅｃ以上の北西風が卓越す るこ と がしばし ば あ る。 る。このゴムコードは，抗性 が小さいので， 流れ ま た， こ の海域 は風の吹 き始め てか ら 波の発達 に よって，あ る程度延 びるが， さらに十分な反発 す るまでの 時間 がき わめ て短 く， 風波 とう ね りの 力 を持っていて，ブ イは水の分子運動に よく従 い， 混在し て いる場合 がし ばし ば あっ た。 図14 は本 海域 の代表 的 な海況 の二例 を示 す。 波の運動に 追従できる。 図10 はウェ ーブ ライダーの 係留 ラインを示す。 設計条件は， 深度45m, 最大波高10m と仮定し 左側1979 年10 月19 日∼23 日， 右側1980 年 ３ 月10 日∼14 日の ものであ る。こ の二 例 はと もに19min た。ス イベ ル,ジャッグル, ター ミナル等はAISI 連続し て 測定し たデ ー タ を基にし た１／ ３有義 波 316種 ステンレ ス鋼 を使用し,破断力は1000kgf で 高，平均 風速お よび平均 風向 を３時 間ご とにプ ロ あ る。 ットし た もの であ る。 図11はブ イ式波高計の係留ラインを示す。 この図に示 すように，中間フ ロート方式がとら また， 後述の解析 に は， こ れらの期 間 のデ ー タ を使 用し た。 れている。 ５ｔのコン クリート シンカー と中間フ ロート とは24mmφ のワ イヤロープで係留 され， さー 4. らにフロ ート から14mmφ のワ イヤロ ープ で， 波高 ４種類の波高計で観測し た同時刻の水位変動は， 計を係留し ている。 解析および比較 水槽 で作られる規則波と異な り， 不規 則波であ る こ れは，ブ イ式 波高 計に振回わりの自由度を持 ため， 単な る水位変動の時系列 として見掛け上 で たせ るとともに， 係留ラインの重量 を軽減し，ブ 比較するこ とは 困難であ る。そこで，観測し た水 イが波に極力追従で きるように考慮し たもの であ 位変動 の時 系列 をゼロアップ クロ ス法と平均 波法 る。 で処理 を行 う とともに， さらにＦＦＴ 法 で， その パワー スペ クト ルを計算し た。 2.4.2 定置式および船舶高計 超音波式波高計の送受波器は約３ｔの台座に納 なお，以下の･比較は， すべ てウェーブ ライダー を基準 として進め た。 めて海底に設置し，波力発電装置上の波高計の制 御部と送受波器との間は約300 m の長さの信号伝 表３ 防食一重外装ケ−ブルの仕様 送用ケーブルで結合した。 海底部から波力発電装置上へのケーブルの立上 specifications of the corrosion-proof armored-cable, りは，図12に示すように，その形状にダンパー効 頂 果を持たせた。 これは前述のように，波力発電装置がある程度 目 ite m 仕 specifications 振回われるように係留し たためで，この形状がケ ーブルに余裕をもたせ，直接張力が掛からないよ 全 うになっている。 length 外 径 26.8mm diameter 鎧 莪 亜鉛 め っ き鋼 線 表３はこのときのケーブルの仕様を示す。 船舶式波高計のセンサーは，波力発電装置の船 首に近い，右舷船側のマンホール 内に設置したｏ センサー出力信号は波力発電装置上の計測室ヘ 長 armoring 概算 重 量: 様 400 m galvanised steel wire weight 空 気 中； 1.730kg/m ケーブルで導びかれる。図13はその取付け位置を in alr 水 中； 1.160kg/m 示す。 ln water 4.3 ト ン(ton) ケ一ブ ル最 小 破 断重 量 ３。 海象の概要 breaking force 、 実験海域 の海象は， 日本海特有の もの であ り， JAMSTECTR 7 (1981) ５５ ワ イヤターミナル wire terminal １． 鎖(20mm φ,0.64m, 5.5kg) chain ９。 ワイヤ ターミナル, wire terminal 2. スイペ ル, swivel 10. ナイロンロープ, Nylon rope 67 m 3. ボルト, bolt, M12 ×65 11， 塩化ビニルブ イ, polyvinyl chloride bouy 4. ナット, nut, M12 ( 径, dia. 0.2m, 浮力, buoyancy 3kg) 5. 割りピン, spl it pin 2mm φ×30mm 12. 鎖 chain 6. ジャッ グル, shackle 12mm φ， 13， 沈錘, sinker 300kg, 7. ゴムコード, rubber cord 15 m 8. ナイロン被覆ワイヤロープ。 Nylon covered steel wire rope 16ｍ 図10 ウェーブライダーの係留ライン Wave raider mooring line JAMSTECTR 7 (1981) １． 18mm φSB ジャッ グル, shackle 2. 14mm φ スイペ ルピース, swivel 3. 14mm φ ワイヤロープ, steel wire rope 40 m 4. 中間フロート，bｕｏy （重量, weight,350kg,浮力, buoyancy 1250kg) 5. 30mm φSB ジャッ グル, shackle 6. 24mm φ スイペ ルピース, swivel 7. 24mmφ ワイヤロープ, steel wire rope 33mm 8. 5t コン クリート沈錘, concrete sinker 図11 球形ブイ式波高計の保留システム Mooring system of globular buoy type wave gauge JAMSTECTR 7 (1981) Ａ．ガイド, guide B ｡ タイヤ, tire Ｃ ｡ケーブルチェーン, cable and chain,40 m D. ブイ, buoy ａ. 5m間隔で鎖に固縛, binded by the chain at interval of 5m b. 3m 間隔でプイを固縛, binded by bouys ａt interval of ｍ 3 図12 超音波式波高計ケーブルの敷設 Transmisson cable line of a ultrasonic gauge JAMSTECTR 7 (1981) Ａ･‥水圧計と加速度計 pressure and accelerationsensor 図13 船舶式波高計取付け位置（海明） Position of installingshipborne sensor (KAIMEI) ４． １ 観測した水位変動 図15の は1979年10月19日21時00分の波高計で 測定した水位変動を示す。 これらの時系列データは，風の吹き始めから約 ４時間後のものであり，波はほぼ発達した状態に あるものと考えられる。 図15の(2)は1980 年３ 月10 日15時40 分の水位変動 を示 す。 こ の図に よれば，球 形ブ イ式のウェーブ ライダ ーＷＲとブ イ式波高計ＢＴは， 船舶式 波高計S B に比べ， 高周波特性 を有しているこ とが明らか で あ るO 図から明解なように，ウェーブライダー ＷＲの 水位変動の時系列データでは， 見掛け上， 比較的 4.2 平均 波法による解析 高い周波数の波まで観測されている。 表４は平均波法で算出した各パラメーターを示す。 JAMSTECTR 7 (1981) 日程， date [昭和54年10月; Oct.1979] 日程， date [昭和55年３月; Mar. 1980] 図14 実験海域の波浪と風 Wave and wind on the experimental sea area JAMSTECTR 7 (1981) この表に よれば，波高の比較では船 舶式波高計 ＳＢが 他の波高計に比べ て若干低値， 周期はやや 形は，赤池ウィ ンドヴのＷ−１ を用い，10 回の平 滑化 を行っ た。 高値 となっ ている。 図16 はウェーブ ラ イダーの１／３有義波高(Ｈｘ −ＷＲ)と他の波高計との比較 を示す。図中の実線 は参考に引い たもので，破 線は 各波高計ごとの 回 4.3.1 1979 年10 月19 日の波浪スペ クト ル 図18 の(1)は18 時OO 分の もので， 風の吹 き始めの 状態 である。 そのときのウェーブ ライダーＷＲは， 表４によ 帰直線であ る。 図中の(1)のブ イ式波高 計の１／３有義波高(Ｈｇ −ＢＴ) では， 回帰式 の勾配は若干小 さ くなって いるか，ウェーブ ラ イダー(Hk-WR) とほぽ一 れば卜 有機波高 U'4 0.57 m ， 平均 周期Tz 2.36 ｓｅｃであ る。 スペ クト ル波形で，最 大スペ クトル密度 を現 わ し てい る部分を第一ピー ク， ２番目に大きい部分 致し た値 となっている。 このこ とは，両波高計ともに，球型ブ イ式であ 0.17Hz(5.9sec) る共 通性から も，容易に理解 できる。 (2)の超音波式波高計(Hjs-US) を第ニピー クとする。 では， 有義波 高2.0 m 付近 までは，ウェ ーブ ラ イダー(Ha - 付近の 第ニピ ー クは, WR, Ｕ Ｓお よび ＳＢの３種類の波高計と ｀もに，ほぼ集 中し， 船舶式波高計ＳＢのスペ クトル密度がやや ＷＲ) の値 とほぽ一 致する。これよりも高い とこ 大きくな っている。 ＳＢ では最大ピー クが，こ の ろ では若干 高値 となってい る。しかし，両者の値 第ニピー クの位 置とな ってい る。 第一 ピー クは 〔〕｡40Hz(2.5sec) 付近にある。 はきわめ て良 く一 致している。 B) では，有機波高 ＳＢのピー クがこの第一ピー クよりも低 周波側 2.0m 以下 はＨｓ 一ＷＲ よりも低値, それよ'}高い にずれ， スペ クト ル密度が 大幅に小 さい。超音波 とこ ろでは高値と なってい る。 各プロ ット点は全 式波 高計Ｕ Ｓの 第ニー ピー クの高周波側の スペ クト 般にばらつ きが大 きく， 回帰式の勾配は三者の う ル密度の 減少は，ウェ ーブ ライダー ＷＲに比べ， ち，最 も大 きい。 やや 急勾 配に なって いる。 (3)の船舶式波高計S 図17はウェ ーブラ イダーの平均 周期(Tz-WR) 図18の(2)は18 時40 分のもの であ る。 こ のときのウェーブ ラ イダー ＷＲは, H と他 の波高計との比較を示す。 図中の(1)のブ イ式波高計の平均 周期(Tz-BT) では，ウェーブラ イダー(Tz-WR) の値との間 'A1.41 m, Tz2.;95sec である。波高計 ３種類のスペ クト ルピー クは，ほぽOﾝ23Hz 付近に 集中している。ま で， きわめ て良い一致が見ら れ， 回帰線とプロ ッ た, 0.15Hz ト点との間に も， よ く現 われている。 度の減少は， 波高計３種類と もに，ほぼ同 等程度 (2)の超音波式波高計(tz-u 舶 式波 高計(Tz- s; お よび(3)の 船 S B) では, (Tz-WR) との間 付近から低 周波側へのスペ クトル密 であ る。 スペ クト ルのピ ー クから高周波側には， 船舶式波高計 ＳＢが他の二者に比べ， スペ クトル 密度が大幅に 減少し ている。 では大きな差が認められる。 平均 周期の比較 では，平均操 作によ る測定値 の 片寄りを生 ずるため， さらに詳細な周期間の関係 を見出すため， スペ クト ル分析 を行った。 (3)の 図は19 時40分 の もの である。 Ｈｈは2.79m, Tz は5.52sec である。 各波浪 ス ペ クト ルのピー クが， 集 中する周波数 は0.14Hz (7.14sec) 付近である。このピー クから低周波 ４． ３ 波浪 スペ クトル 分析による比較 側 では 波高計３種類と もに， きわめて良 く一 致し， 図18および図19は， 表４ で用いたデー タと同一 高周波側では若干の差 異が現 われてい る。 時間帯のものの一部を用い て計算した波 浪スペ ク すな わち，ウェ ーブ・ ライダー ＷＲのスペ クト ル ト ルであ り，波の 発達段階別に 分類し たものであ 密度が，ピー クの高 周波側の減 少過程 で，小 さな る。 凹凸が 数箇所現 われでい る。 また，超音波式波高 なお， 波浪 スペ クトル分析には, FFT Fourier T JAMSTECTR 7 法(Fast ransform) を用い た。 スペ クト ル 波 (1981) 計Ｕ Ｓおよ び船舶式波高計ＳＢに も， この凹凸が 僅かに現 われている。 61 経過時間, time (sec) （2） 昭和55年３月10日(10, Mar. 1980) 15 : 40 経過時間, time (sec) （1） 昭和54年10月19日(19, oct. 1979) 21 : 00 図15 各波高計で測定した水位変動 Wave height measured different-typewave gauges 表４ 平均波法による解析 Analysis for mean wave height 波 時刻 と波高計の種類 高 （ ｍ ） 周 期(sec) wave period wave height time of the day and wave gauges 18:00 WR 1.00 0.72 0.57 0.37 2.45 2.36 us 0.75 0.58 0.47 0.31 3.10 2.89 S B 0.55 0.44 0.34 0.22 4.90 4.98 18:40 WR 2.40 1.70 1.41 0.91 3.74 2.95 u s 2.50 1.84 1.44 0.91 4.08 3.37 S B 1.95 1.30 1.04 0.69 4.35 3.91 19 : 40 WR 4.30 3.54 2.79 1.75 5.52 4.18 us 5.10 3.93 3.05 1.81 ･5.73 4.51 S B 4.50 3.49 2.86 1.84 6.24 5.50 21 : 00 WR 9.80 7.21 5.61 3.46 8.29 7.41 u s 8.95 7.29 5.73 3.46 8,17 7.42 10.00 8.11 6.23 4.28 8.90 8､48 SB 64 JAMSTECTR 7 (1981) 1980年３月10日Mar. 時刻と波高計の種類 time of the dayarid wave gauges H max 1980 波 高（ ｍ） 周 期(sec) wave height wave period H^o H T mol Tz 03:40 WR 0.50 0.34 0.28 0.19 2.09 2.06 BT 0.55 0.36 0.27 0.18 2.83 2.31 S B 0.20 0.16 0.12 0.08 3.83 4.28 06:40 WR 2.40 1.93 1.57 1.02 3.93 3.87 B T 2.45 2.14 1.72 1.11 4.59 4.10 S B 2.20 1.69 1.32 0.82 4.55 4.45 09:40 WR 5.35 3.49 2.80 1.73 5.58 5.06 BT 5.15 3.54 2.79 1.71 6.65 5.40 S B 4.90 3.19 2.58 1.67 6.12 5.89 15 :40 WR 5.05 4.09 3.38 2'. 25 6.26 6.23 B T 6.05 4.27 3.42 2.18 6.91 6.17 S B 5.95 4.64 3.56 2.31 7.07 6.62 ―Uy3 SB = H^ WR -H^ SB = l.llHi$WR ―0.22 R = 0.984 （3） 船舶式波高計 Shipborne wave gauge ―H%. US = HK3 WR H % US 1.05Hj$ WR ―0.04 R = 0.995 （2） 超音波式波高計 Ultrasonic wave gauge ―H y3BT = HH WR -Hj$ BT -0.95H/3 WR + 0.06 R = 0.997 （1） ブイ式波高計 Buoy type wave gauge H ％ WR (m) 図１６ １／３有機波高に よるウェ ーブ ラ イダーと他の 波高計との比較 Comparison of between significant wave rider and others wave gauges JAMSTECTR 7 (1981) Tz SB ― Tz WR Tz SB 0.91 Tz+1.39 R = 0.934 （3） 船舶式波高計 pbome wave gauge ―Tz US -Tz US = Tz WR =0.83Tz WR+1.46 R = 0.915 （2） 超音波式波高計 Ultrasonic wave gauge ― TzBT = Tz WR -Tz BT ― 0.91TzWR+0.55 R=0.99 （1） ブ イ式波高計 Buoy type wave gauge 図17 平均 周期によるウェーブライダにと他の 波高計との 比較 Comparison of mean wave period (Tz) between wave-rider other wave gauges JAMSTECTR 7 (1981) C 丶 (Ｘ 〉 JＡ Ｍ ＳT ｍｃ Ｊ。 Ｒ ７ ︵ １ ９ ８ (3) 19 : 40 (4) 12 : 00 図18 波浪スペ クトル(1979 年10月19日; 19. Oct. 1979) oct. Wave spectral 周期, frequency, F (3) 15 : 40 (Hz) 図19 波浪スペ クトル(1980 年３月10日, 10, Mar. 1980) Wave Spectre (4)の 図 は21 時OO 分 の も の で あ る。 H y3fi5 .61 m， Ｔｚは7.41sec している。 で あ る 。こ の 時 間 なお， 比較した各波高計の波浪スペ クト ルは， 帯 の 波 は ， 風 波 が 十 分 に 発 達 し た 状 態 と考 え ら れ 高周波側の僅かな凹凸は，必 ずし も一致していな る 。 各 波 高 計 の スペ ク ト ル の ピ ー ク は, 0.10Hz い。 それは 各波高計間の位置の相違によって， 風 (lO.Osec) 速の分布が 異なるためと考えられる。 付 近 に 集 中 し, こ の 付 近 で， 船 舶 式 波 高 計 の スペ クト ル 密 度 が 若 干 大 き く な っ て い る 。 風 波 の ス ペ ク ト ルの ピ ー クが0.10H ｚ 付 近 に 卓 ５． むすび 越 し た と き， ウ ェ ー ブ ラ イ ダ ー ， 超 音 波 式 波 高 計 比較に用いた動作原理の異なる４種類の波高計 お よ び 船 舶 式 波 高 計 の ３ 種 類 の スペ クト ルが， き は, 1979 年 ９月中旬に設置し，超音波式波高計Ｍ わめ て よ く一 致 す る の が 見 ら れ た 。 ＵＳを除く，３種類のものは翌年３月末まで観測 に使用した。 4.3.2 1980 年 ３月10 日の波 浪スペ クト ル 観測期間中，ウェーブライダーＷＲと球型ブ イ 図19の(1)は06 時40 分の ものである。 式波高計ＢＴの係留索は，各１回，大波で切 断， １／ ３有機波高Ｈｓは1.57m, 平均 周期T ｚ は 浮体が流出した。切断の原因は，漂流時に係留索 3.87sec である。スペ クト ルのピ ー クは,ウェ ー ブ が流失したため，解明できなかった。これらは回 収後，再び設置し，観測に使用した。 ラ イダー ＷＲおよびプイ式波高計ＢＴ では0.21 Hz (4.76sec) 付近，船舶式波高計 ＳＢ では0.19Hz (5.26sec) 付近に現われている。これら の３種類 超音波式波高計ＵＳは, 1979 年11 月中旬に使用 できなくなった。その原因は，波力発電装置の振 のスペ クト ルは, 0.14 ∼0.20 H z できわめ てよく 回わりが予 想以上に大きく，波高計の信号伝送用 一 致し てい る。0.10H ｚ 以下の低周波側では，Ｂ 海底ケーブ ルと同装置の係留索との ゛ カラミ″が Ｔ とＳＢ とに 第２ピー クが現 われてい る。 生じ，ケーブルが断線したためと思われる。 この両者の共通性 を考えてみると，センサーに 船舶式波高計ＳＢは，計測信号伝送用テレ メー 同一型式 の加速度計を使用し てい るため，加 速度 ターの故障時を除き，全期間を通じて観測に使用 計 固有の性質があると考 えら れる。 できた6 第一 ピー クから高周波側には，小さな凹凸が現 われ， ＷＲとＢＴ とは ほ ぽ一致してい る。 図19 の(2)は09 時40 分の もの であ る。 Ｈ ｇ は2.8m ，Ｔｚ は5.06sec である。スペ クト ルのピ ー クが， ＷＲ とＢＴは0.15 Hz (6.67 sec) 付近に現 われ， ＳＢは若干低 周波側にずれている。 各波高計で得られたデー タの比較結果は， 設置 位置の相違から，一概には断定できないが，ウェ ーブ ライダーのデー タを基準にした結果を，次に 述べる。 （1） 球型ブ イ式波高計は, 1/3 有義波高およ 第一 ピー クから低 周波惻では 第ニピー クを除いて び平均周期ともに，ウェーブラ イダーのものと良 く一 致した。 よく一 致してい る。 ピー クの高周波側は僅か な凹 両者の波浪スペ クトルピーク， その低周波側お 凸があり， ＷＲ とＢＴは よく一致してい るか， Ｓ よび高周波側のスペ クトル密度の減衰領域は良く Ｂはスペ クト ル密度が低 くなってい る。 一致し，球型浮体方式による波高計の有用性が確 認できた。 (3)の図は15 時40 分のものであ る。 このときの風波は十 分に発達し たものと思われ 、 Ｔｚ は6.23sec である。WR, る。H % ii3.38m 低周波領域の第二のピークは，サーブビートが観 ＢＴお よび ＳＢの ３種類の波高計の波浪スペ クト 察されているように見受けられるが，本波高計の ルのピー クは, 0.11 Hz (9.09see) 付近に現われ 波周期測定範囲から外れているため，加速度計の ている。こ のピー クの低 周波 側は 第ニピー クを 性質から生じていると考えられる。これを除去す 除き， ほ ば１一致している。 また， 高周波側では船 舶式波高計ＳＢが，他の波高計に比べてスペ クト るには，高性能の帯域フィルターを用いる必要が ある。 ル密度が小 さいが， ３種類の波高計と もに，一 致 （2） 超音波式波高計は, 1/3 72 なお，球形ブ イ式のスペ クトル波形に現われる 有義波高がウェ JAMSTECTR 7 (1981) 一ブ ライダ一 に よる もの と良 く一 致す るが， 平均 各 波 高 計 で 観 測 し た 波 浪 は ， 必 ず し も同 一 の もの 周期 は 大き く なっ てい る。 で あ る と は 言 え な い。 両者の 波 浪スペ クト ルピ ー ク， その低 周波側お 特 に 船 舶 式 波 高 計 の セ ン サ ー は ， 発電 装 置 の 右 よび高 周波惻 の減衰領 域は， ほ ぼ一致し てい るか， 舷 側 に 設 置 し て い る ため ， 波 向 の変 化 で， 場 合 に 高 周波領域 の 小さ な凹 凸は若干 ゆるや かで あ る。 よ っ て は ， 計 測 値 は あ る 程 度 の 影 響 を受 け て い る こ れは， 本実験 の際， 水深40m の大 水深 であ る 可 能 性 が あ る こ とに 留 意 す る 必 要 が あ る もの と 思 こ とを考慮に 入れる と， 超 音波式 波高計の 振動 子 わ れ る。 の指向 角に よる測定 誤差 が増 大し たため と推察 さ 文 献 1) Verhager, れる。 （3） 船舶 式 波 高計 は, 1X3 有義波高が ウェ ー ブ ラ イダーに 比べ， 波高の 大 きい とこ ろ と小 さい C.M., Gerritzen, P.L., Brengel J.G.A. van, “Operation and service Manual for the waver ider 6,000 series ” Rademarkers, とこ ろで差 異が生じ てい る。 平均 周期 は,ウェ ー ブ P.J., "Some details on the accelrometer stabilization as used in the ライダーに 比べ て大 きく なっ てい る。 計 算し た波 浪 スペ クト ル と， ピー ク周波数 は 全 体的に 低 周波側 に移 項し て い る。 波浪の状 態が “sｗell（ うねり ） ”に近 い場 合 は， 他の 波 高計に よ wave rider ”(26th March 1971) 3） 高 橋 智 晴 ， 佐 々 木 弘 ， 菅 原 一 晃 ， ほ か, 1973 。 “ 超 音 波 式 波 高 計 につ い で, 港 湾 技 術 研 究 所 報 告 12(1), 59 るスペ クト ル と良 く一 致す る。 こ れは船 舶式 波高 計が取付け られて いる波力 発 4 ）“ ゼ ニ ラ イ ト 波 高 計VI-A 型 （海 明 用球 型ブ 電装 置の 浮体 が，船 型（ 全長80 m, 幅12m ）であ イ 式 波 高 計 ）,取 扱 い 説 明 書;’株 式 会 社 ゼ ニ ラ イト り， 低 周 波に は良 く追従 す るため と考 えられ る。 5）“ ゼ ニ ラ イ ト 波 高 計IV こ の 波高計 は 原理的 に は絶体 静水 面の変 化 を加 速 型（海明用船舶式波高 計 ）,構 造 ， 系 統 ， 回 路 図;’株 式 会 社 ゼ ニ ラ イ ト 度計 の信 号 で 補正し てい るか， 完 全に補正し き れ 6 ） 橋 本 宏 ， 山 口 修, 1979, ていない。し たがっ て， 使 用に 際して， 設置し た 浪 計 に つ い て" Ocean Age 浮体 の運動に 十分考慮 を払 う必 要があ ると考 えら 7) Crabb, れ る。 wave measurement （4） 本実験では波向 を特に考慮しなかっ たため， “海 中 ブ イ 式 波 (11),11 J.A. (10 Ｓ Taunton), ‘'Review of ａｎｄ analysis methods relevant to the energy programme ” 付 記 ウェ ーブ ライダー波高計（6,000 シリーズ）は， 当セン ターが初めて使用し た。 で製作し 超音波式波 高計は，運輸省港 湾技術研究所で開 たもので， センサーの安 定装置等に関して， い く 発さ れ，海上電機株式会社 で製作し ており， 国内 つかの特許が公告 されてい る。なお，本波高計は で広 く波浪観測に使用されてい る。 オラン ダのデー タウェ ル社(Datawell) 国外で， 波浪データを扱っている研究者の間で標 球型ブ イ式波 高計（ Ⅳ− Ａ型 ）と船舶式波高計 準波高計とし て，広く使用さ れている。 日本では （ Ⅳ型 ）は， 株式会社ゼニ ラ イトブ イで製作し た もの である。 JAMSTECTR 7 (1981) 73
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