預(yù)警式文物防震保護裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

摘? 要：地震是極具破壞性的自然現(xiàn)象，會帶來各種破壞，其中對文物的損壞就是很大的問題。雖然目前還無法對地震進行預(yù)報，但可以利用預(yù)警的方式來保護文物。其基本原理就是利用地震的P波和S波之間的時間差，提前幾秒或數(shù)十秒預(yù)告破壞力更大的S波的到來，從而采取積極的應(yīng)對措施。根據(jù)地震預(yù)警的思路，設(shè)計了一套技術(shù)路線并實際制作文物保護裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)平時文物照常展示，而一旦發(fā)生地震，則能實現(xiàn)對文物進行預(yù)警式的防震保護。

關(guān)鍵詞：文物保護;預(yù)警式防護;地震預(yù)警;防震減災(zāi);綜合減災(zāi)

中圖分類號：TU352.1;TU242.5? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

0 引言

我國歷史悠久、文物眾多，同時也是地震多發(fā)的國度。曾經(jīng)發(fā)生過2008年汶川8級大地震，除了造成了房屋破壞和人員傷亡，還造成了大量文物的損毀。國際上也不乏這樣的情況，例如1994年美國洛杉磯的6.6級地震、1995年日本阪神7.2級地震等等，這些地震都造成了當?shù)夭┪镳^及其文物的嚴重破壞，因而引起了世界各地文物部門的高度重視。

我國的文物防震保護研究，過去多是針對古建筑的抗震性能和抗震加固等方面，博物館內(nèi)收藏文物防震對策的研究則較少?，F(xiàn)有常用于展示文物的防震措施多采用降低中心、固定安置等方法，具體做法不外乎在一些陶瓷瓶和罐子中放一些沙土等，以降低中心，不容易翻到?；蛘邔⑽奈锏牡撞空吃谡古_上、或者采用捆、卡的辦法將文物固定在展臺上。這些常用的方法存在這樣或那樣的問題，例如對文物捆扎可能影響展示的美觀，而且防震效果未必好。將文物的底部固定或者將文物捆綁住，文物遇到地震時，將是以一種“硬扛”的方式來應(yīng)對強烈晃動，文物自身的強度將受到很大的作用力，支架與文物之間相關(guān)作用也可能造成文物的破壞。如果真的發(fā)生地震，陶瓷瓶就會與支架發(fā)生碰撞，其上部較細的“頸部”就有可能受到損傷而出現(xiàn)裂紋，甚至發(fā)生斷裂。此外，還有可能發(fā)生其他不利的情況，例如日本阪神大地震時，陳列柜的玻璃破碎也造成了柜內(nèi)文物的損壞。此外天花板、吊燈、照明燈具，甚至是建筑物的門窗等構(gòu)件被震壞飛濺砸到展示文物，也會造成文物破壞。

1 地震預(yù)警的原理

“地震預(yù)警”并非“地震預(yù)報”，兩者不屬同一概念。地震預(yù)報是對尚未發(fā)生、但有可能發(fā)生的地震事件事先發(fā)出通告;而“地震預(yù)警”是指大震已發(fā)生、搶在嚴重災(zāi)害尚未形成之前發(fā)出警告并采取措施的行動，也稱作“震時預(yù)警”。地震的成因是由于地下幾公里至數(shù)十公里的巖體發(fā)生突然破裂和錯動。

而這些破裂和錯動釋放的能量又以地震波的形式向四周輻射出去。地震波是一種機械波，又可分為P波和S波。地震發(fā)生時，首先出現(xiàn)的是上下震動的P波，其傳播速度快，但震動幅度較小，因而造成的破壞也較小。振幅更大、破壞力更強的是S波，但其傳播速度慢。地震預(yù)警就是利用地震發(fā)生后，P波與S波之間的時間差。具體相差多長時間，還要看你所在的地點與震中的距離。如果P波速度按平均6.3公里/每秒，S波速度按平均3.6公里/每秒，那么P波與S波的速度差就是2.7公里/每秒。再考慮大地震的震源一般在地面之下10～30公里的地方，按平均20公里的震源深度計算，從震源到震中地區(qū)，預(yù)警時間約為2.3秒。如果在距離震中50公里內(nèi)的地區(qū)，會在S波到來前5.7秒收到預(yù)警信息;100公里內(nèi)的地區(qū)，能提前至少11.5秒收到預(yù)警信息。如果布設(shè)了許多地震臺站，安裝了地震儀器，儀器接收到P波之后，就利用無線電波傳遞信息，又能節(jié)約不少時間，更早地發(fā)出地震預(yù)警。地震預(yù)警還是有用的。例如，在地震多發(fā)的日本，一些大地震來臨時，及時發(fā)出預(yù)警使高鐵停駛或者降低速度，避免更大的損失等等。

2 設(shè)計思路和技術(shù)途徑

在博物館等文物保管和展示場所，文物向公眾開放時一般都是放在展示柜中，而展示柜下部的空間是閑置的，如圖1。本文的設(shè)計思路就是巧妙利用文物展示柜的下部閑置的空間，將其分為兩個部分：上部設(shè)置保護裝置，比如保護桶;而下部用于放置升降裝置，比如電動升降桿。文物則安放在升降桿的頂板上，平時展覽的時候，升降桿升起。一旦發(fā)生地震，當P波到達時，快速將升降桿縮回，文物則安全回到保護桶中，如圖2。保護桶很牢固，同時內(nèi)部用松軟的保護層，當?shù)卣餝波到來時，文物已經(jīng)處于保護桶的保護之中，這樣就很安全。

3 地震波的檢測與放大

為了實現(xiàn)預(yù)警式防護，就需要首先檢測到地震P波，就必須要用到地震檢測器。當檢波器接收到P波之后，必須經(jīng)過放大才能發(fā)揮作用。放大電路亦稱為放大器，所謂放大，就是將輸入的微弱信號（簡稱信號，指變化的電壓、電流等）放大到所需要的幅度值，并且與原輸入信號變化規(guī)律一致的信號，即進行不失真的放大。只有在不失真的情況下放大才有意義。放大電路的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換。運算放大器（簡稱“運放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運算的結(jié)果。由于早期應(yīng)用于模擬計算機中，用以實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算，故得名“運算放大器”。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運放是以單芯片的形式存在。將檢波器的輸出信號放大，并能驅(qū)動電動升降桿實現(xiàn)在接收到地震P波時能快速下降，同時還要考慮升降桿能夠復(fù)位。

4 安裝調(diào)試與測算

將地震波檢波器及其放大電路與文物支架安裝在一起，并進行調(diào)試。所采用的電動升降桿其升降速度是8厘米/秒，目前所模擬的文物是12厘米。而采用電動升降桿的最大升降距離是15厘米，把文物安全的降到保護桶中用時不到2秒鐘。如果P波速度按平均6.3公里/每秒，S波速度按平均3.6公里/每秒，按平均20公里的震源深度計算，從震源到震中地區(qū)，預(yù)警時間約為2.3秒。我們的用時不到兩秒，時間是夠的。但是如果考慮最為極端的情況，就是地震震源只有10公里，那么預(yù)警時間就只有1.15秒，時間就略顯不足了。好在這只是極端情況，如果震源不在博物館的正下方，還有一段距離，那么預(yù)警時間還會更多些。如果文物的尺寸再大些，升降的距離也要隨之加大，那就需要尋找升降速度更快的電動升降桿，或者采用更加快捷安全的機器。當然，如果有一天，地震專業(yè)部門能夠直接提供預(yù)警信號，即布設(shè)許多地震儀器，儀器接收到P波之后，就利用無線電波傳遞信息，又能節(jié)約不少時間，達到更好地預(yù)警效果。

5 討論與總結(jié)

提出了用預(yù)警的方式來保護文物，這樣在時間上就會有一個提前量，可以更加從容地把展示的文物保護起來，而不是采用捆扎等方法固定文物;用地震檢波器識別地震P波的到來，一旦檢測到信號，觸發(fā)電動升降桿自動下降;設(shè)計制作了文物保護桶，把文物降下來之后，直接進入保護桶，這樣既能快速而又安全地實現(xiàn)保護文物的目的。

如果有條件的話，還可以在保護桶上加裝一個蓋子，一旦文物進入保護桶，蓋子馬上就自動蓋上，并且鎖緊。在博物館的門窗等處，加裝探頭，在博物館休息的時間，一旦有人非法進入，文物就自動進入保護桶并鎖緊，這樣就可以防盜。如果在保護桶內(nèi)加裝防火保護層，這樣如果博物館萬一著火了，文物進入保護桶中也可以確保安全。

參考文獻

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收稿日期：2019-11-15

作者簡介：王舒，女，安徽宿州人。