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“民用地震测报器”的发明与研究（1）甘肃省西北师范大学附属中学 陈成 邮编：730070摘要：在地震波的三种传播方式中，纵波比横波、面波提前约10s到达震区，依据这一规律，结合有关物理知识原理，设计出了一台“民用地震测报器”。这台仪器分为纵波（P-波）报警系统和横波、面波（S L-波）报警系统两部分，两个系统各自独立报警，能发出提示及报警信号，让用户马上作出反应，在大震到前1020s躲到较安全的地方，减少人身伤害。本文介绍了“民用地震报警器”设计的目标、用途、构造、原理以及部分实验结果，通过深度开发研究，会对人类的抗震防灾发挥积极作用。关键词： 地震波 设计 报警器2008年5月12日发生的汶川8.0级大地震，69227人遇难、17923人失踪，霎时间，无数个家庭家破人亡，残不忍睹。事后，好多幸存者说，地震发生时他们被摇倒几次，还不知道是什么原因，直到房子倒塌后才明白是地震了。这不是人糊涂，地震几十年发生一次，人没有防备意识，不以为怪。能不能发明一种震前报警的系统，提示人们逃生呢？“民用地震测报器”就是这样一种能够在震前报警的仪器。1. 地震波传播的规律：地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，在地壳中的传播速度为5.57kms，最先到达震区，又称之为P-波，它使地面产生上下震动，破坏性弱。横波是剪切波，在地壳中的传播速度为3.24.2 kms，第二个到达震区，又称S-波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波是混合波，由纵波与横波在地表相遇后激发、叠加产生的复杂波，其波长大，振幅强，只在地面上传播，传播速度为3 kms，又称为L-波，是造成建筑物破坏的主要因素1。P-波从震源到震区直线传播，介质是岩石，比S-波先到达510 s，如果能在P-波到达后马上测出其振动，并报警，提示人们去逃生，是完全可以减少人员伤亡的。震动产生的P-波对人的行走影响不大，震动产生的S-波，人也是可以有效逃生的，但当L-波到后，人就基本上无法行走了。1976年唐山大地震，一位住在楼上的干部感到地震波上下颠簸时，便迅速钻到桌子下，10 s后房顶塌落，后来，他被人发现救出，身体毫发未损，这就是P-波中成功逃生的一个案例2。2.发明“民用地震测报器”的意义地震测报是一项世界性的难题，科学家做了大量的工作，但其研究成果还是不能完全地用到现实生活中去。地震具有社会属性，科研人员就是测出了在某个时间段会发生地震，也不能贸然向社会公布，因为公布后会造成社会秩序混乱，其损失可能会超过地震发生后的损失。“民用地震测报器”的报警只针对用户，不会造成社会混乱，可安装在宿舍、办公室、教室等的墙体内，只测报较大的地震，可以与其它仪器一起构成建筑物的安全反馈机制。“民用地震测报器” 采用两种测波方式，各自独立报警，也提高了测报的准确性。能在地震刚发生时做出反应，提醒人们去逃生，当大震L-波到达时，人完全可以逃到较安全的地方。如果再加入先进的光电系统、智能芯片，还可记载振动的幅度，其开发研究前景十分广阔。3. 结构图：“民用地震测报器”分P-波测定系统、SL-波测定系统、电源及报警系统三部分，装进同一个盒子内。3.1 P-波测定系统3.1.1结构（见图1）：由弹簧、圆柱形垂子、杠杆、触动片、导线、声光报警系统等组成。 图1. P-波测定系统3.1.2 P-波测定系统的工作原理 当地震发生时，报警器的外框受P-波的推动做上下运动，而挂在弹簧上的圆柱形铁垂子由于惯性原理，保持静止不动，于是，两个物体之间就发生相对运动。当铁垂子做相对运动时，牵动相连的竖直杠杆向上或向下运动，稍一动，横向杠杆就在橡皮筋（弹簧）的拉动下做定向运动，其前端的“工”字形正极触片与U形负极触片接触，并固定下来，使电源导通报警。3.1.3 影响灵敏度的因素通过多次实验证明（实验结果见附表1.表2.表3.）：（1）铁垂子的质量越大，反应越灵敏。因为m越大惯性也越大。外框受到的力通过弹簧传导给铁垂子，有个时间差t，根据牛顿第二定律，铁垂子产生的加速度aFm，F为弹簧向上的拉力， m大时，铁垂子基本不动。（2）弹簧越长，反应越灵敏。长的弹簧能延长力传递给铁垂子的时间，使外框与铁垂子的相对运动加强。（3）弹簧的劲度系数越小，反应越灵敏。根据胡克定律Fkx，k越小，F也越小，铁垂子就越稳定。（4）横向杠杆中的橡皮筋（弹簧）弹性系数也是一个影响因素，要刚好合适。其中垂子的质量、弹簧的长度、弹簧的劲度系数三者的量也是矛盾的统一体，要找一个最佳的变化幅度才行。3.2 SL-波测定系统3.2.1 结构（见图）：由固定柱、短摆线、倒圆锥形垂子、铜质导线棒、筒形触片、磁铁、导线、声光报警系统等组成。由于摆线易断，可用右边的两种替代装置来代替摆线的作用。 图2. SL-波测定系统3.2.2 SL-波测定系统的工作原理地震时，报警器外框受到SL-波的作用，这种力通过摆线牵动倒圆锥形的摆垂运动，摆垂正下方连接一铜质导线棒放大摆幅效果，使铜质导线棒（正极触片）与下面的筒形铜触片（负极触片）相接触，电源会导通报警。3.2.3 影响灵敏度的因素： 通过多次实验证明（实验结果见附表4.表5.表6.）： （1）单摆线越细、越短越灵敏。根据单摆公式可知，l越小，T越小，摆动速度也就越快。l越短，力传递给摆垂的时间差也越小。（2）用向上或向下的针来替代摆线，它应该比细线更灵敏，而且不易断（本人没条件用实验证明其可行性）。（3）摆垂的形状为倒锥形的反应最灵敏；圆薄片形、圆柱形，球形反应都迟钝；圆柱形，球形持续时间长；圆薄片形既迟钝，又持续时间短。这与重心点的分布有关。（4）垂尖的延长导线越细、越长越灵敏，越长放大的效果越大。过长将会加大了垂子下端的重量，导线的质量当然越轻越好。（5）在筒形铜触片的四周放置磁铁，可以提高灵敏度，也可使导线触片接触后吸附而固定下来。（6）筒形铜触片的口径减小也可增加灵敏度，但过小容易把一点生活中的小振动也当成是地震而报警。3.3 电源及其报警系统3.3.1电路图（见图3）：电路由电源、开关、延时开启电路、声音报警器、闪光报警器等组成。 图3 报警系统电路图3.3.2 工用原理：电源采用连接照明电源的蓄电池，断电后电池供电，平时用照明电，可以50年不更新。电源导通后，采用延时开启电路组成的声音报警器和闪光报警器。 简易报警系统的工作原理：（1）P-波报警 当铁垂子向上或向下运动时，牵动与之相连的竖直杠杆向上或向下运动，稍一动，横杠杆就在橡皮筋（弹簧）的拉动下做定向运动，与上端或下端的触片接触，并固定下来，电流导通而报警。（2）SL-波报警 当倒圆锥形垂子在地震力的作用下运动时，带动摆下面的金属长直导线运动，与筒形铜触片接触，电流导通报警。两套报警器采用各自的线路，独立报警。 较精密的报警系统的工作原理：（1）P-波报警 在水平杠杆的前端不设触片，而是与可变电阻器相连，将振动信号变为电信号，再通过喇叭把电信号转变为各种报警声音。（2）SL-波报警 倒圆锥形垂子下面的延长导线最下端不连触片，而是连接一个细线，再通过正下端一个固定的小孔，再连接在一个可变电阻器上，当垂子摆动时，导线带动细线运动，细线将通过小孔而拉动可变电阻器，机械振动信号就转变为电信号，再通过喇叭把电信号转变为各种报警声音或提示。这种报警方式还可以测出生活中的一些地质或楼房震动，与其它测报仪器一起构成评估建筑物安全性能的反馈机制。在地震中形成的P-波，不同于实验室中的纵波，是一种以垂直上下振动为主，倾斜振动为辅的复杂振动，因此也有横波振动的效果；SL-波不同于实验室中的横波，是以水平振动为主，倾斜振动为辅的复杂振动，因此也有纵波振动的效果。振动强时，SL-波测报系统也能测出P-波而报警，P-波测定系统也能测出SL-波而报警。两套系统独立报警能增加其准确度。4. 商业开发前景4.1 产品外观 制作出的原理产品外形是长方形，长高厚3040163。SL-波测定系统内部的圆锥形垂子为直径5、高7 ，圆锥形垂子下的导线长度为26，圆筒形的铜触片口径的2.5，高3。P-波测定系统内部的圆柱形垂子为直径3.8 、高为5.6，弹簧拉长后的长度为24。商业产品如果材料好，灵敏度高，外形还可以小到这个参数的一半。正前面用玻璃活动门，固定在墙体内，上面覆盖装饰品增加美感。（见原始资料照片）4.2 产品价格 根据消费者的能力，可开发出50200元不等的产品。如果在开发后性能稳定，可以当成一个房屋建筑必备的组成部分。参考文献：1 宇津德治 地震学 日本 地震出版社 1981年5月1日 2562582 网络资料 震源、震中和地震波 新浪科技 2006年07月17日17:18 “民用地震测报器”的发明与研究（2）甘肃省西北师范大学附属中学 陈成 邮编：730070这是另外一种设计思路，可以是对第一种的补充，它构造简单，成本低，也很有效。1. 结构图：由弹簧、水平槽形金属片、镀铜的金属球、纵向触片、水平触片、转动轴、导线、声光报警系统等组成。方法是将镀铜的金属球放在水平槽形铜质金属片上，距离纵向触片适当的位置，紧靠小挡板（作用是防止钢珠向右跑），为防止金属球在大震中掉落，可在其上加一个塑料网套住。再连通报警电路即可。图1. 民用地震测报器构造图（2）2. 工作原理：当地震的纵波到后，金属球会在惯性的作用下拉伸弹簧，使水平方向槽形金属片向下倾斜，金属球向右滚动与水平负极触片相接触，电路导通，发出报警。当水平振动的横波到来时，金属球也能向右滚动，与纵向负极触片接触，电路导通，发出报警。3.特点：抗干扰性强，但只有一个系统，准确度不高。附表：表1.不同形状摆垂对灵敏度的影响 摆垂的形状圆盘形倒圆锥形球形圆柱形用振幅为0.5cms振荡下尖摆幅1.5 cm下尖摆幅3.0 cm颤动稍动用振幅为1.0cms振荡下尖摆幅3.2 cm下尖摆幅5.0cm稍动、持续时间长稍动、持续时间长表2.不同摆线长度对灵敏度的影响摆线长度（振幅为1.0cms振荡）0.52.01030反应的间隔时间同时同时0.5s后摆动0.8s后摆动反应的效果下尖摆幅5下尖摆幅4下尖摆幅3下尖摆幅1.5表3.筒状下触片口径适宜的大小试验口径（）1.02.02.53.0用振幅为0.5cms振荡接触接触刚好接触上没有接触用振幅为1.0cms振荡接触接触接触接触表4.不同劲度系数的弹簧对灵敏度的影响劲度系数（k）61 Nm120 Nm用振幅为0.5cms的纵波振荡振荡1个周期接触振荡2个周期接触用