預警式文物防震保護裝置的設計與實現

摘? 要：地震是極具破壞性的自然現象，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報，但可以利用預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，提前幾秒或數十秒預告破壞力更大的S波的到來，從而采取積極的應對措施。根據地震預警的思路，設計了一套技術路線并實際制作文物保護裝置。該裝置能夠實現平時文物照常展示，而一旦發生地震，則能實現對文物進行預警式的防震保護。

關鍵詞：文物保護;預警式防護;地震預警;防震減災;綜合減災

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，同時也是地震多發的國度。曾經發生過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地博物館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，博物館內收藏文物防震對策的研究則較少。現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。或者將文物的底部粘在展臺上、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作用也可能造成文物的破壞。如果真的發生地震，陶瓷瓶就會與支架發生碰撞，其上部較細的“頸部”就有可能受到損傷而出現裂紋，甚至發生斷裂。此外，還有可能發生其他不利的情況，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件被震壞飛濺砸到展示文物，也會造成文物破壞。

1 地震預警的原理

“地震預警”并非“地震預報”，兩者不屬同一概念。地震預報是對尚未發生、但有可能發生的地震事件事先發出通告;而“地震預警”是指大震已發生、搶在嚴重災害尚未形成之前發出警告并采取措施的行動，也稱作“震時預警”。地震的成因是由于地下幾公里至數十公里的巖體發生突然破裂和錯動。

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。地震發生時，首先出現的是上下震動的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。地震預警就是利用地震發生后，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，預警時間約為2.3秒。如果在距離震中50公里內的地區，會在S波到來前5.7秒收到預警信息;100公里內的地區，能提前至少11.5秒收到預警信息。如果布設了許多地震臺站，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，又能節約不少時間，更早地發出地震預警。地震預警還是有用的。例如，在地震多發的日本，一些大地震來臨時，及時發出預警使高鐵停駛或者降低速度，避免更大的損失等等。

2 設計思路和技術途徑

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，同時內部用松軟的保護層，當地震S波到來時，文物已經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

為了實現預警式防護，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，必須經過放大才能發揮作用。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。放大電路的本質是能量的控制和轉換。運算放大器（簡稱“運放”）是具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網絡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、積分等數學運算的結果。由于早期應用于模擬計算機中，用以實現數學運算，故得名“運算放大器”。隨著半導體技術的發展，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，并能驅動電動升降桿實現在接收到地震P波時能快速下降，同時還要考慮升降桿能夠復位。

4 安裝調試與測算

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，預警時間約為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，地震專業部門能夠直接提供預警信號，即布設許多地震儀器，儀器接收到P波之后，就利用無線電波傳遞信息，又能節約不少時間，達到更好地預警效果。

5 討論與總結

提出了用預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，觸發電動升降桿自動下降;設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。