(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
堆積層データを計測するために海底面にパルス状の衝撃を加えて振動を発生させる振動発生装置と、
その振動を受振するために前記振動発生装置から所要の距離離れた海底に設置される受振装置と、
前記振動発生装置および前記受振装置の制御を行う制御部と
を備え、
前記振動発生装置は、
振動発生の駆動力に電磁誘導による反発力を用いるための共振回路を備え、
当該共振回路は、インダクタンスＬsを
【数１】
0004189898.tif 000008
|Ｘ|≦１００，|Ｙ|≦１００，|Ｚ|≦５とし、
【数２】
0004189898.tif 000009
を満足するように、固有周波数ｆが決められる
ことを特徴とする海底振動計測装置。
【請求項２】
前記振動発生装置及び前記受振装置は、ケーブルを介してシリーズに接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の海底振動計測装置。
【請求項３】
前記ケーブルと前記振動発生装置とをＬ字型の金具によって接続する
ことを特徴とする請求項２に記載の海底振動計測装置。
【請求項４】
前記振動発生装置は、
上部蓋を開放すると、前記共振回路に用いているコンデンサが放電する機構および放電回路を内蔵する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の海底振動計測装置。
【請求項５】
前記振動発生装置は、
内部を３層構造とし、上段に電源トランス、中段にコンデンサ、下段にコイルおよび振動板を配置した
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の海底振動計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海底における堆積層調査方法や鉱物資源探索方法に関し、特に、電磁誘導による反発力を利用した海底振動計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海底堆積層の構造を調査するための主要な計測方法としては、音波探査あるいは地震探査と称される方法が広く利用されてきている。この方法は、海底面に加えられたエネルギーが海底面下で反射あるいは屈折してきたものを計測して海底堆積層の構造を調べるものである。
【０００３】
このような方法において、海底を伝搬するエネルギーを発生させるためのエネルギー源として、これまで主として用いられてきたものには、火薬、エアガン、ウォーターガン、重錘、電磁誘導による反発力等がある。これらについては、例えば、R.D.Stoll 他3名 : Field experiments to study seafloor seismoacoustic response［IEEE J.A.S.A.,89(5)2232〜2240.,(1991)］、木村、他１名 : 地盤表面におけるレーリー波の速度分散特性［日本音響学会講演論文集、Mar.,1163-1164(1996)］、本岡、奥島 : 地下埋設物探査用電磁誘導型送波器［日本音響学会誌、２９巻 ７号(1973)］（以下、文献１という）、W.Eisenmenger : ELEKTROMAGNETISCHE ERZEUGUNG VON EBENEN DRUCKSTOSSEN IN FLUSSIGKEITEN ［Acoustica、Vol.12(1962)］（以下、文献２という）等に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献に記載された技術は、いずれも海底に振動を発生させるために直接あるいは海水を介してエネルギーを加えるものである。
【０００５】
その中で、海底振動の発生に関して、爆発型あるいは爆縮型の起振源を用いているものは、原理的に高水圧の海底下では使用できなかったり、海底に接触した状態での起振ができないものがある他、総じて再現性が低いなど、海底に安定した振動を発生させることが困難であるという欠点を有している。また、火薬の出力の振動周波数特性は、海底堆積層構造に最も依存度が高いとされる振動周波数５〜５０Ｈｚの周波数帯域に比べて高い。
【０００６】
同様に、コンデンサに充電した高電圧電荷の放電電流を渦巻状のコイルに流し、コイルと対置した金属板が電磁誘導で発生する反発力を起振源に適用する電磁誘導型も、従来は、出力周波数４００〜３．５ｋＨｚでの実用化であり、海底堆積層の構造の調査には適しない。
【０００７】
一方、必要な周波数特性を得やすい重錘においては、計測する振動波形のＳ／Ｎを向上させるために起振エネルギーを増大させる場合、そのまま重錘の大型化につながる。
【０００８】
また、従来の方法では、計測時の機器の運用形態は、船上から起振源と受振センサ部が各々別の吊下げ形態をとっている。このため、風、潮流のある海上で一隻の観測船から２本のケーブル及び器材を吊り下げることは利便性が悪く、危険も伴うため、一般には、複数の観測船が用いられる。この場合、起振源操作部と受振モニタ部が別々の観測船に分かれることになり、受振状況を確認し、それに応じた起振エネルギーの選択が容易に行えない。さらに、観測船運用の安全性確保のために、両船の距離を保つ必要が生じ、これによって起振源に必要とされる出力エネルギーを増加させる必要が生じる場合もある。
【０００９】
本発明の目的は、一隻の観測船上で海底調査に適した海底振動の発生および受振をすることが可能な海底振動計測装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る海底振動計測装置は、堆積層データを計測するために海底面にパルス状の衝撃を加えて振動を発生させる振動発生装置と、その振動を受振するために前記振動発生装置から所要の距離離れた海底に設置される受振装置と、前記振動発生装置および前記受振装置の制御を行う制御部とを備える。
【００１１】
そして、前記振動発生装置は、振動発生の駆動力に電磁誘導による反発力を用いるための共振回路を備え、この共振回路は、インダクタンスＬsを後述の式（７）のようにし、後述の式（９）を満足するように、固有周波数ｆが決められることを特徴とする。
【００１２】
この場合において、前記振動発生装置及び前記受振装置をケーブルを介してシリーズに接続するようにしてもよい。更に、前記ケーブルと前記振動発生装置とをＬ字型の金具によって接続するようにしてもよい。また、複数の受振装置の各々を、分離した信号ケーブルとテンション保持用ワイヤとで接続するようにしてもよい。
【００１３】
また、前記振動発生装置は、底部を振動面とし、その周囲に着地安定フレームを備え、振動発生装置の高さに対する底面直径の比率を大きくして振動発生装置の重心を低くするようにしてもよい。
【００１４】
また、前記振動発生装置は、上部蓋を開放すると共振回路に用いているコンデンサが放電する機構および放電回路を内蔵するようにしてもよい。
【００１５】
また、前記振動発生装置は、海底設置時に振動発生装置の姿勢をモニタするための傾斜センサを内蔵し、振動発生装置と受振装置とは、それぞれ、振動発生装置と受振装置間を音響的に測距可能とする送波器と受波器とを備えるようにしてもよい。
【００１６】
また、前記振動発生装置は、内部を３層構造とし、上段に電源トランス、中段にコンデンサ、下段にコイルおよび振動板を配置するようにしてもよい。この場合、海底設置時の衝撃から内部強電回路を保護するための緩衝材を備えるようにしてもよい。
【００１７】
また、前記受振装置は、円筒形の耐圧容器の端面に正方形の回転防止板を備えるようにしてよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明による海底振動計測装置の適用例を示す図である。
【００２０】
同図に示すように、海上の観測船と振動発生装置１０とがケーブル３０によって接続され、振動発生装置１０と複数の受振装置２０とが、ケーブル４０と接続器５０を介して、接続されている。ここでは、計測を精度高く行うため、複数の受振装置２０を使っている。
【００２１】
計測のための設置方法は、１隻の観測船から、複数の受振装置２０と振動発生装置１０とからなる１本の配列を順次海中に投入する。計測後の撤収は、逆の順序で実施する。このように、本海底振動計測装置は、振動発生装置１０及び複数の受振装置２０がケーブル３０，４０を介して、シリーズに接続されているので、海上の１隻の観測船からの敷設、計測及び揚収が可能となる。
【００２２】
振動発生装置１０は、着底面に振動板を配置するもので、同図に示すように、海底面へ設置される。なお、高水圧下での使用に対しては、耐水圧性容器が用いられる。
【００２３】
また、振動発生装置１０は、出力の周波数特性の低周波化をはかった電磁誘導型振動発生装置である。駆動力に電磁誘導を利用していることから、充電電圧を可変にすることによって、出力エネルギの調整が容易となる。また、電気的特性により良好な再現性が得られるので、受振信号を累加処理することによって波形のＳ／Ｎの向上が可能である。出力の低周波数化については、後述する共振回路のインダクタンス計算法を利用することで達成される。
【００２４】
電磁誘導型振動発生装置の設計において留意すべきことは、計測する底質において必要な海底振動伝搬距離を得るために必要な最大出力の見積もり、高出力が必要となる場合の高電圧に対する安全確保、及び、使用する深度で振動板が外圧によって拘束されないための内外圧のバランス確保である。
【００２５】
振動を発生させる方法は、観測船上で所要の充電電圧を設定し、振動発生装置１０内蔵のコンデンサに供給した電荷を船上のトリガで放電し、振動板を駆動する。
【００２６】
本装置では、海底に安定設置されて、海底面に向けて十分なエネルギーを放出することができ、地質音響的Ｓ／Ｎが低い地点においても良好な受振信号のＳ／Ｎを確保可能で、低周波出力を得られる電磁誘導型の振動発生装置１０を用いているので、高効率、かつ高精度の海底振動計測が実施できる。
【００２７】
なお、本装置で計測しようとする地点の水深が大きい場合、振動発生装置１０に電力を供給するケーブル３０も当然長くなる。この場合、船上あるいは陸上から振動発生装置１０に電力を供給する際に、供給電圧を段階的に昇圧することにより、供給電圧のケーブル中におけるロス低減および操作上の安全性の確保が可能となる。
【００２８】
また、図１は、海上の観測船から海底に計測器材を設置し、船上で計測、記録等をするものであるが、本発明による振動発生装置の駆動原理は、陸上で計測、記録等をする場合にも適用可能なものである。
【００２９】
図２は、本発明による海底振動計測装置のブロック図を示す図である。
【００３０】
同図に示すように、本装置は、船上制御部６０と、振動発生装置（起振器）１０と、受振装置（受振器）２０とを備える。同図は、受振装置２０が２台の場合を示している。
【００３１】
振動発生装置１０は、海底振動を計測するために、海底面にパルス状の衝撃を加えて振動を発生させるものである。振動発生装置１０は、その内部に、送波器１２０と、傾斜センサ１１０と、共振回路１００とを備える。
【００３２】
受振装置２０は、振動発生装置２０が発生した振動を受振するために振動発生装置１０から所要の距離離れた海底に設置されるものである。受振装置２０は、その内部に、受波器２２０と、受振センサ２１０とを備える。
【００３３】
船上制御部６０は、振動発生装置１０および受振装置２０の制御ならびにデータの処理・記録を行うものである。船上制御部６０は、制御・処理部６００と、表示部６１０と、記録部６２０とを備える。表示部６１０には、例えば、受振装置２０が受振した振動波形が表示される。
【００３４】
本装置では、振動発生装置２０への電力供給および作動制御、並びに、受振センサ２１０の受振信号の処理等を行う船上制御部６０を観測船上に設置しているので、受振状態に応じた起振エネルギーの効率的な選択が可能となる。
【００３５】
次に、振動発生装置１０の駆動原理について説明する。振動発生装置１０は、駆動力に電磁誘導による反発力を利用する。このため、同一地点にて任意回数の計測が可能となる。
【００３６】
図３は、電磁誘導による反発力の原理を説明するための図である。
【００３７】
同図に示すように、振動発生装置１０の共振回路１００は、電源トランス１０１と、コンデンサ１０２と、サイリスタ１０３と、渦巻きコイル１０４と、整流ダイオード１０５とから構成される。
【００３８】
また、渦巻きコイル１０４の上部には、絶縁体が置かれる。なお、図示してはいないが、コイル１０４と振動板１１との間にも、絶縁シートが置かれる。
【００３９】
図３に示すような構成において、コンデンサ１０２に貯えた電荷を、サイリスタ１０３を閉じることにより、コイル１０４に流すと磁界が発生する。その時、振動板１１には、その磁界を打ち消すためにうず電流が発生する。うず電流による磁界の方向は、コイル１０４により発生した磁界と反対であるため、コイル１０４と振動板１１との間には反発力が発生し、その力により振動板１１が駆動される。
【００４０】
このような方式については、前述した文献１、文献２に、その基本的原理が述べられている。文献１では、振動板に加わる駆動力をＦｐとすると、Ｆｐは、以下の式で求められるとしている。
【００４１】
【数３】
0004189898.tif 000002
【００４２】
Ｆｐ：振動板駆動力[N]
Ｃ：コンデンサ容量[F]
Ｖ：充電電圧[V]
μ0：真空透磁率＝4π・10-7[H/m]
ｎ：コイル巻き数
Ｌs：インダクタンス[H]
Ｒ：抵抗
ｈ：コイルと振動板の電流間距離
電磁誘導による反発の特性として、同一の駆動エネルギーを供給した場合、式（１）により導かれる通り、実際の金属板に働く駆動力の特性の一致度が極めて高いことから良好な振動波形の再現性が得られる。よって、受振装置２０による同一地点での複数回の計測波形を累加処理することによって、波形のＳ／Ｎの向上が可能である。したがって、地質音響的Ｓ／Ｎが低い地点においても良好な受振信号のＳ／Ｎが確保可能となる。
【００４３】
しかしながら、前述の文献２は、１０ｋＨｚ以上の周波数領域での取り扱いであり、また、従来の他の電磁誘導適用例においても、周波数は、４００〜３．５ｋＨｚ程度である。これらは、海底堆積層構造に最も依存度が高いとされる５〜５０Ｈｚ付近の周波数には不適である。
【００４４】
本発明者は、５〜５０Ｈｚ付近の周波数を得るために、コイル１０４のインダクタンスＬsを求める方法を、以下のとおり見出した。
【００４５】
図４は、コイル１０４と振動板１１の部分を拡大して示した図である。
【００４６】
前述の文献２では、式（４）において、高周波であることを理由に、ｈをコイルと振動板の間隔ｃとして扱っている。しかし、本装置においては、周波数が小さいので、ｈ＝ｄ＋ｌとして扱わなくてはならない。ここで、ｄは、コイルの中心線と振動板１１上面との距離であり、ｌは、振動板１１の中に流れる渦電流の距離である。従来は、このｌが明確化されていなかったため、インダクタンスの設計ができなかった。
【００４７】
本発明者は、実験考察の結果、ｌは、スキンデプスδ、コイル高さｗ、コイル位置ｄとして、下記の関数により、近似値を求めることができることを見出した。
【００４８】
【数４】
0004189898.tif 000003
【００４９】
ここで、式（５）のＸ，Ｙ，Ｚは、全体構成により変化する定数であり、また、式（６）のｆは、周波数で、σは、振動板の導電率である。
【００５０】
式（５）、式（６）を式（４）に代入することにより、インダクタンスＬsは、次にように求まる。
【００５１】
【数５】
0004189898.tif 000004
【００５２】
なお、ＭＫＳ単位系では、定数Ｘ，Ｙ，Ｚは、|Ｘ|≦１００，|Ｙ|≦１００，|Ｚ|≦５の範囲内に求めることが可能である。
【００５３】
実験を重ねた結果から、例えば、Ｘ＝−５７，Ｙ＝−４４，Ｚ＝１．４となる。
【００５４】
この値を使った式（７）のインダクタンス計算値とインダクタンス実測値とのグラフを図５に示す。
【００５５】
図５に示すように、インダクタンス計算値とインダクタンス実測値とは、よく一致している。この結果、インダクタンスＬsの近似式として、式（７）が採用できることが判明した。
【００５６】
ここで、減衰定数αが十分小さい場合は、振動角周波数ωは、
【００５７】
【数６】
0004189898.tif 000005
【００５８】
とおける。
【００５９】
しかし、αが大きい場合には
【００６０】
【数７】
0004189898.tif 000006
【００６１】
を採用する必要がある。ここで、ωnは、固有角周波数である。
【００６２】
式（９）を採用した場合、式（１）は、
【００６３】
【数８】
0004189898.tif 000007
【００６４】
となる。
【００６５】
式（７）及び式（９）を採用することによって、振動周波数を１００Ｈｚ程度まで低くした電磁誘導の反発力が得られる共振回路を設計することが可能となる。
【００６６】
次に、振動発生装置１０の構造について説明する。
【００６７】
図６は、振動発生装置１０の外形を示す図である。
【００６８】
同図に示すように、振動発生装置１０は、上部蓋１５の上部において、ケーブル３０，４０と振動発生装置１０とを２枚のＬ字型金具１１，１２によって接続している。ケーブル３０，４０は、同図の矢印の方向に可動である。
【００６９】
このような形態で接続された受振装置２０及び振動発生装置１０を、この順で、図１に示したような形態で海底に敷設することにより、振動発生装置１０吊下時に、ケーブル３０に発生する回転モーメントに対して、ケーブル４０および受振装置２０の重量および海底面との摩擦力を抗力とすることができ、ケーブル３０の捻れおよびそれに伴って発生するケーブル４０の捻れ、それらによる振動発生装置１０の回転を防止することができる。
【００７０】
また、振動発生装置１０は、その底部振動面周囲に、着地安定フレーム１３０を備え、振動発生装置１０の高さに対する底面直径を大きくしているので、吊下時に振動発生装置１０が転倒せずに安定した設置が可能となる。
【００７１】
また、前述したように、振動発生装置１０は、その内部に、傾斜センサ１１０を備える。傾斜センサ１１０は、海底設置時の海中での振動発生装置１０の姿勢をモニタするためのもので、その出力を船上制御部６０に表示することにより、海中吊下げ時および海底設置時の振動発生装置１０の姿勢を船上にて監視することが可能となる。
【００７２】
また、前述したように、振動発生装置１０と受振装置２０は、それぞれ、送波器１２０と受波器２２０を備えているので、両者の距離も船上で計測でき、船上から、海底での設置状態が確認可能となる。
【００７３】
図７は、振動発生装置１０の内部構造を示す図である。
【００７４】
同図に示すように、振動発生装置１０は、その内部に、強電回路部１３と、緩衝材１７と、マウント部１６と、コイル１０４とを備える。
【００７５】
強電回路部１３は、コイル１０４を除く共振回路１００を構成する。
【００７６】
振動発生装置１０は、強電回路部１３底面とマウント部１６との間に、粘性材料による緩衝材１７を備えているので、海底着地時の衝撃を吸収して、強電回路部１３を保護することができる。
【００７７】
また、共振回路部を３層構造にし、上段に電源トランス１０１、中段にコンデンサ１０２およびサイリスタ１０３、下段にコイル１０４を配置することによって、コンデンサ１０２とコイル１０４の間の線材をできるだけ短くし、この線材に流れる大電流による他の共振回路部への悪影響を抑えている。
【００７８】
なお、図示してはいないが、振動発生装置１０は、上部蓋１５を開放すると、それまで上部蓋１５によって圧着されていたアーム部が開放されるリミットスイッチ、並びに、リミットスイッチのアーム部が開放されたときに、内部コンデンサの放電を行う放電回路及び供給電源を切断するスイッチを備える。これにより、強電回路部１３のメンテナンス等で耐圧容器を開放する際のコンデンサ及び供給電源による高電圧危険性を排除できる。
【００７９】
次に、受振装置２０の接続形態について説明する。
【００８０】
図８は、接続器５０と受振装置２０との間の接続の様子を示す図である。
【００８１】
同図に示すように、受振装置２０は、テンション保持用ロープ２１および信号ケーブル２２によって接続器５０と接続されている。なお、受振装置２０同士も同様な形態で接続される。
【００８２】
ケーブル４０は、信号線とテンションメンバが一体となっており、接続器５０との接続部は、大掛かりな端末処置を必要とする。
【００８３】
本装置では、接続器５０以降の各々の受振装置２０の接続において、接続手段を信号ケーブル２２とテンション保持用ロープ２１に分離する。これによって、ケーブル端末径の大型化を防ぎ、各受振装置２０の動きに自由度を持たせることができる。
【００８４】
次に、受振装置２０の外形について説明する。
【００８５】
図９は、受振装置２０の外形を示す図である。同図に示すように、受振装置２０は、円筒形の本体の両端面に、正方形の回転防止板２１が取り付けられている。
【００８６】
受振装置２０の耐圧容器は、水圧に対して必要とされる強度特性から円筒形の形状をとっているが、そのままでは、海底設置後に海水の流れおよび観測船の意図せぬ動き等の外力によって姿勢が不安定になる可能性がある。
【００８７】
しかしながら、受振装置２０には、回転防止板２１が取り付けられているので、計測中の姿勢が保たれる。従って、計測中の受振装置２０が海底面上で安定するので、不要な振動が発生せず、海底振動以外のノイズを感知しないですむ。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、地質学的音響条件のＳ／Ｎが低い海底であっても、振動が伝達する海底面であれば、１隻の観測船で安全に、任意のエネルギーを海底に加え、任意回数の起振を行うだけで、海底振動計測を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による海底振動計測装置の適用例を示す図である。
【図２】  本発明による海底振動計測装置のブロック図を示す図である。
【図３】  電磁誘導による反発力の原理を説明するための図である。
【図４】  コイル１０４と振動板１１の部分を拡大して示した図である。
【図５】  インダクタンスの計算値と実測値とを示すグラフである。
【図６】  振動発生装置１０の外形を示す図である。
【図７】  振動発生装置１０の内部構造を示す図である。
【図８】  接続器５０と受振装置２０との間の接続の様子を示す図である。
【図９】  受振装置２０の外形を示す図である。
【符号の説明】
１０  振動発生装置
２０  受振装置
３０，４０  ケーブル
５０  接続器
【図１】
0004189898.tif 000010
【図２】
0004189898.tif 000011
【図３】
0004189898.tif 000012
【図４】
0004189898.tif 000013
【図５】
0004189898.tif 000014
【図６】
0004189898.tif 000015
【図７】
0004189898.tif 000016
【図８】
0004189898.tif 000017
【図９】
0004189898.tif 000018