魚の遊泳速度測定用テレメトリー装置

誌名誌名 東海大学紀要. 海洋学部

ISSNISSN 13487620

著者著者 中村, 朗

巻/号巻/号 28号

掲載ページ掲載ページ p. 147-155

発行年月発行年月 1989年1月

農林水産省 農林水産技術会議事務局筑波産学連携支援センターTsukuba Business-Academia Cooperation Support Center, Agriculture, Forestry and Fisheries Research CouncilSecretariat

東海大学紀要海洋学部第28号 147ー 155頁 (1989)

魚の遊泳速度測定用テレメトリー装置*

中村朗*

A New Telemetric Device

for Measurement of Swimming Speed of Fish

Akira NAKAMURA

Abstract

For the purpose of estimating a swimming speed of五sh，as a method， a drag

force acting on a丑atsmall plate which is installed in a pinger cupsule and towed

behind the五shwas measured with a strain gauge. Resistance change of strain gauge

changed pulse interval of acoustic transmitter which is driven by a PUT oscillator.

The conversion of the received acoustic signal to the swimming speed of五shwas made

by the empirical relationship previously obtained through a calibration in water tank. The

average period of acoustic was selected in 300 ms. The transducer was designed to cover

a speed range of 0-500 m/s. Another method of transducer， in which a cylinder was

used instead of the flat small plate， was also tested. In this type， the swimming speed

of fish was detected by measurement of a pressure change generated behind the cylinder.

It has become clear that this type of transducer has a better sensitivity but can be

used only in a range of speed lower than 2 m/s. By attaching drag type of transducer

to yellowtail(Seriolti quinqueradiata)， a experiment was made successfully in a cylindrical

water tank(10 m in diameter， 6 m in height) at the aquarium of the Tokai University.

はじめに

中村ら(1977)が，開発したバイオテレメトリー用測深超音波送信機(以下測深ピンガーという〉

を使用して魚の行動生態に関する情報が連続かっ，直接的に得られるようになった.特に，魚の回

遊における移動経路や移動速度については，従来から行なわれて来た標識放流による方法では得ら

れなかった新知見を多く得ている(市原ら， 1972，町中， 1980，村山， 1977).

測深ピンガーを用いて魚の追跡を行なう場合，調査船を，対象魚に装着したピンガーから発せら

れる情報信号が受信記録できる距離(約 1km)以内に置き，船位を対象魚の位置とし，魚の移動路

を得る方法が取られている.このとき，魚の垂直移動速度は，深度情報から算出されるが，水平移

動速度は船位を基準とするため対地速度として求まり対水速度は不明となる.

魚の移動速度をテレメーターによって直接測定する試みは， FERREL ら(1973) が Pacific

angel shark (Squata californic，ゆなどの大型の魚類を対象にした例を含め極めて少ないが，こ

* 東海大〆学海洋学部業績A第393号.受理1988年10月13日

148 中村朗

の中で、使われたピンガーは，直径 30凹，長さ 150凹であり，また速度用センサーの構造上小型化

は困難であると思われる. 一方， 間接的に魚の遊泳速度を測定する方法として黒木ら(1971)，

WALKERら(1978)によるトランスポンダーを利用した例が挙げられるがこれらは測深ピンガーを

利用する方法と比較して，調査船と対象魚との相対位置が高精度で得られるものの，船位を基準と

する点では基本的には従来の方法と同一で対水速度は，不明である.

そこで小型魚に装着可能な遊泳速度測定用ピンガーの開発を行なった.すなわち魚にピンガーを

曳航させ，魚の遊泳に伴ってピンガーが水から受ける力を検出して， これを超音波ノミルス信号のノξ

ルス間隔に置換して直接魚の遊泳速度を知る方法について検討した. ここでは，カノレマン渦流の検

出，圧力の検出の 2種類の遊泳速度測定用ピンガーを試作し，その得失ならびに性能を調べた.こ

れらのうち，カルマン渦流検出型のものは，測定範囲が200cm/sに限定されること，取扱が難しい

ことから実際の実験には供さなかった.しかし，圧力検出型については東海大学海洋科学博物館の

海洋水槽においてブリに装着し，自由遊泳の状態で遊泳速度を遠隔測定し，同時に行なった目視観

察との聞に良い一致が見られた.これらの結果について報告する.

材料および方法

1. 力ルマン渦流の検出とピンガー

静止している液体中で円柱のような物体を移動させるかもしくは，水流の中に置いたとき，物体

の後方に Fig.1に示すような 2例のカルマン渦列が生じる.渦列は，円柱の直径の約1.2倍の幅で

左右交互に生じ，単位時間内に渦が左右に交代する回数は，流速に比例する.ここで，円柱の中心

を通り渦列に平行な面内に渦を乱さないように微小な面積をもっ小片を置けば，小片が渦の発生に

伴う流れと直角な方向の圧力差によって運動するから，この運動をセンサーを用いて検出すれば，

流体の流速を測定できる.

ーー川iD --e:> Eddy f

園 町田

--.DーよFlow

Fig. 1. A schematic presentation of the von karman s voltex street behind

a cylinder in a laminar flow.

一方，カノレマン渦の左右 l回の交代を渦 l組とすれば，単位時間内に発生する渦の組数 f.流速

U との聞には，円柱の場合 α を円柱の直径として，Uが2m/s以下では次式が成り立つ.

_ 0.202 f一一三子!::..U

渦の組数の検出は，応力によって抵抗値の変化するセンサー，シリコンバルク応力素子によって

行なう.試作したピンガーの外観を Fig.2Vこ示す Fig.2.aは，円柱の後方に生じるカルマン渦

列を徴小な平板小片の運動に置換する形を示し Fig.2.b は，円柱部分を自由端としてカルマン渦

列に円柱自体が追従して運動する形のピンガーを示す.

ピンガーの回路構成を Fig.3fこ示す. ピンガーが曳航されるとき，センサ- R，の抵抗値は，

カルマン渦によって正弦的に変化し， R，の両端にはこれと比例した電圧変化が得られる.Ql， Q2

魚の遊泳速度測定用テレメトリー装置

a

b

capsule

Fig.2. Two type (a， b) of transducer are shown a transmitter with a cylinder type

transducer.

Fig.3. Diagram of a transmitter circuit for cylinder type transducer.

149

は，増幅器を示し増幅および整流を行ない，正の半サイクルを次段の波形整形回路に伝える.波形

整形回路では， C1・Rlによって定まる一定ノミノレス幅のパルスを得る.波形整形された出力電圧は，

C2・R2 によって決る発振周波数をもった搬送波発振器を制御し， センサーによって検出したカル

マン渦の左右の交代に同期した搬送波出力を与える. この搬送波出力は，電力増幅器を介して振動

子 V を駆動し，超音波として出力される.結果としてカルマン渦 l組あたり l個の超音波ノミルス

が得られることになる

2. 圧力の検出とピンガー

流体中に流れと垂直に断面積 Aの物体を置くと，物体が流れから受ける力 Fは，流速を V，流

体の粘性抵抗を K として次式で与えられる.

1干=K・A切 2

そこで， F の検出によって流速を知る Fig.4に示す検出機構を製作した.これに使用したセ

ンサーは，カノレマン渦検出に使用したものと同ーのものである. この機構では.板状の小片がピン

ガーの曳航によって圧力を受けて板パネが湾曲すると，センサーは，一軸性の圧縮応力を受けて抵

抗値が減少する.

センサーの応力に対する抵抗値の変化を弛張発振器の発振周期決定要素としたピンガーの回路を

Fig.5に示す.回路中の Qoは PUTCProgramable Unijunction Transistor)で構成されるセ

ンサーの抵抗値 Rs の変化に比例して発振周期が変化する発振器を示す Qlは，増幅器であっ

150 中村朗

I EE∞F

ヒヰSmall plastic

plate

Fig.4. A schematic presentation of drag type transducer.

て Qoでの出力電圧を増幅して次段の波形整形回路に伝える.これを受けて 1C，11，んで構成さ

れる波形整形回路は C1・R1 で決る一定ノξノレス幅のパノレス波を作り，次段の 1C，13， 14で構成

される搬送波発振器を制御して，パルス波と同期した一定ノ勺レス幅の搬送波出力を与える.搬送波

発振器の発振周波数は， C2・R2 によって決定される.結果として，振動子 Vからセンサーの抵

抗値に比例した一定ノ勺レス幅でかつ，パルス間隔変調された超音波出力が得られる.試作したピン

ガーの外観を Fig.6 に示す. ピンガーは，魚に装着するとき，もしくは装着後遊泳中に障害物へ

の衝突などによってセンサ一部分が損傷する恐れがあるので，ガードピンを設けてある.

ー. Fig.5. Diagram of a transmitter circuit for drag type transducer.

魚の遊泳速度測定周テレメトリー装置

llufli t;Ji 1.0|;;;l.1 ノ*

土台目以pla

Fig.6. A transmitter with drag typ巴 transducer.

151

3. ピンガーの性能試験および装着実験

ピンガーの性能試験は， ピンガーのより戻し金具部分にテグスを取り付け，これを竿釣り用のリ

ールを用いて巻き取り， 25mプーノレ内を走行させ， ピンガーが一定区聞を通過する時間を計測する

と同時に超音波パノレスを受信機で記録し両者を対比する方法で行なった.

カルマン渦検出型ピンガーは，渦発生用の円柱の直径を 4阻から10凹のものまで 2皿毎に 4種類

用意し， Fig. 3. a， 3. bの双方について測定した.受信信号は，受信機からの検波出力として取り

出し，自作したデ、ィジタノレカウンターによって 1秒間当りのパルス数として計数記録した.圧力検

30

手)

〉

O C O コσ ω よ10

0

o 0.5 1.0 1.5 2.0 Pinger towing speed (~)

Fig.7. Calibration curve for cylinder type transmitter.

朗

出型ピンガーは，受信機付属のマルチペンレコーダーにノ勺レス間隔として記録した.

東海大学海洋科学博物館の海洋水槽C10xlOx6m)において尾叉長56.5cm，体重3.0kgのブリを使

用して遠隔測定による遊泳速度の測定を実施した. ピンガーは，圧力検出型のものを用意し，ブリ

の啓鰭基部前方の啓鰭担鰭骨聞の筋肉にテグスを貫通させて結び輸を作り，これにピンガーのより

戻し金具を通して装着した. 魚からピンガーの距離は， テグスによって約 5cmとした. ブリは，

MS 222 (0.02%)で麻酔してから， ピンガー装着手術を施し，ただちにキャンパス製タンクに収

容し流水状態に保って覚醒させた.これを海洋水槽に運んでタンクを水中に没し，試魚が自然に泳

ぎ出るのを待った.試魚が自発的に泳ぎ始めてから 1時間程度，魚、の遊泳状態ならびにピンガーの

曳航状態を観察した.

ブリの遊泳速度の情報受信記録は，マルチベン記録器によって行なうと同時に試験水槽の周りに

観察者を配置して，試魚が一定区聞を通過する所要時聞を計測した.

中村152

果

ピンガーの水中走行中の姿勢は， よい水平を保ち横揺れや縦揺れなどの乱れは認められなかった.

カルマン渦検出型ピンガーの一例として円柱の直径がlOmmの場合の曳航速度とパルス数との関係を

結

0.5

τ0.4 、J

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句

〉』

@ ... .= 0.3

5

Pi吋 ertowi n9 speed (火)4 3 2 1 。

Calibration curve for drag type transmitter. Fig.8.

魚の遊泳速度測定用テレメトリー装置 153

Fig.7に示す. ピンガーの曳航速度が， 50cm/sでは， a型， b型ともに大差ないが，速度が増加

するにしたがって a型の方が早く飽和する傾向が見られ，曳航速度が200cm/sでは両型ともにパル

ス数が計算値の約半分の値を示した.圧力検出型ピンガーの曳航速度とパルス間隔変化との関係を

Fig.8に示す.このピンガーは，設計にあたりパルス間隔を平均で、 350msとし，低速から高速に

なるにしたがってパルス間隔が短くなるようにすることによって，魚、の遊泳速度が急速に変化して

も追従できるようにした.ここで、パルス間隔が 0.2秒すなわち曳航速度 500cm/sまでしか測定でき

ていないのは使用した受信機の情報処理能力によるものである.

魚の遊泳速度を平均100cm/sとしたとき，カルマン渦検出型ピンガーの送信寿命は，パルス幅5

ms，音響出力 60dBCOdB re l，ubar) としたとき32時間，ならびに圧力検出型ピンガーの場合ノ勺レ

ス幅10ms， 音響出力 60dB で、平均速度100cm/sに対し送信寿命は， 107時間と計算された.なお，

電源用電池には，端子電圧 6V，容量 150mAh の酸化銀電池を用いた.

圧力検出型ピンガーを装着した試魚は，放流直後急速に下降した後，緩やかな上下行動を繰り返

したが，放流後20分程度で水槽中のブリの群の中に混入して遊泳し始め，その後は群中の他のブリ

に比較しでも特異な行動は認められなかった.一方， ピンガーは試魚の動きによく追従し，かつ安

定な水平を保った.

ピンガーによる試魚、の遊泳速度の測定結果を Fig.9に示す.情報信号は，試魚の遊泳速度が超

音波パノレスのパルス間隔の形で伝送されるため，図示されるように記録紙上では，基準線からの長

さ tで表わされる.図中の速度は， Fig.8の結果と照合して換算したものである.この結果から，

試魚は，毎秒80cm/s，1. 42尾叉長/sのほぼ一定の速度を保って遊泳していることがわかる.一方，

目視観察による結果では，平均1.22尾叉長/sを示した.しかし，水槽内には，約10cm/sの魚と逆

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@ωaωOF--EE一量的 。

Fig.9. A record of experiment of yellowtai! which swims in a water tank freely.

Mark a， b， c and d in the五gureindicate the burst action of五shwhen

stimulated by the splash on the water surface of the tank.

154 中村朗

方向の流れがあったから，遠隔測定によって得た遊泳速度は，対水速度を正しく測定したとみるこ

とができる.

測定の途中，水槽の水面にバケツで散水して刺激を与えたところ， Fig.9の aから dに示し

たように散水直後潜水行動を示して遊泳速度を急上昇させた.特に bで、は，最大1.81m/s， 3.2尾

叉長/s の速度に達し， 20秒程で元の速度に戻る行動を示した.

考察

カルマン渦検出型ピンガーは，渦発生のための円柱がピンガ一本体からの突起となるので，魚が

ピンガーを曳航するとき大きな負荷となることが予想される.また測定範囲も200cm/s以下に限定

されること，さらに200cm/sで、はパルス数が毎秒20近くとなり送信寿命を著しく縮めることになる

ので実用的でない.これに対し圧力検出型ピンガーは，圧力を受けるための板状小片の面積や板バ

ネの弾性係数の選択によって測定範囲を自在に決定でき，これを対象魚によって変えることができ

る.また，取扱が容易である.

YUEN(l966)， BLAxTER(l967)らは，高速遊泳を行なう魚種について，摂餌のときの突進速度を測

定したが，これらによれば，魚の遊泳速度の範囲は，最大でも 10BLls程度と考えられる.本研究

でピンガーを装着した試魚と自然状態の同種の他の魚との聞に遊泳状態の差が認められなかったこ

と，ならびにブリに刺激を与えたときの逃避速度が，圧力検出型ピンガーを用いて測定できたこと

からみて他の魚種でも充分使用可能と考える.室内実験の場合，これまで種々の魚種について，そ

の遊泳能力の測定が行なわれてきた (BRETT1963， BAINBRIDGE 1960). しかし，これらは，技術的

な問題からか三次元速度成分のうち水平速度成分を扱ったものである.また一方， ELLIS (1966)は

河川を遡上するギンザヶ Oncorhynchuskisutchとベニザケ Oncorhynchusnerkaについて遊泳

能力を測定したが室内実験で得た遊泳速度が野外での場合の 2倍近い値を示したと報告している.

したがって海上においても遊泳行動の詳細な測定が必要であろう.測深ピンガーを用いたバイオテ

レメトリー手法によるマダイ Pagrusmajor，ブリ Seriolaquinqueradiata の外洋での追跡結果

(町中1980，土井ら1977，上野山1977，柿元ら1977)をみると全てに共通して頻繁な垂直行動が報

告されている.これらをみても海洋とし、ぅ三次元空間での水温，塩分，照度などの各種環境要因，

流れと魚類の行動との関係を検討する場合には魚、の遊泳速度，特に対水速度の測定が不可欠である.

今回試作した遊泳速度測定用ピンガーは，測深ピンガーとの 2チャンネル化を行なうことができ

るから，野外における魚の三次元的行動を三方向速度成分を含めて解析する有効な手段として期待

で『きる.

謝辞

本研究を実施するにあたり，快く実験に協力頂きました鈴木克美，西源二郎両氏はじめ東海大学

海洋科学博物館の職員の皆様に深く感謝致します.

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魚の遊泳速度7llJJ定用テレメトリー装置 155

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