預(yù)警式文物防震保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘? 要：地震是極具破壞性的自然現(xiàn)象，會(huì)帶來(lái)各種破壞，其中對(duì)文物的損壞就是很大的問(wèn)題。雖然目前還無(wú)法對(duì)地震進(jìn)行預(yù)報(bào)，但可以利用預(yù)警的方式來(lái)保護(hù)文物。其基本原理就是利用地震的P波和S波之間的時(shí)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(lái)，從而采取積極的應(yīng)對(duì)措施。根據(jù)地震預(yù)警的思路，設(shè)計(jì)了一套技術(shù)路線(xiàn)并實(shí)際制作文物保護(hù)裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)平時(shí)文物照常展示，而一旦發(fā)生地震，則能實(shí)現(xiàn)對(duì)文物進(jìn)行預(yù)警式的防震保護(hù)。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352.1;TU242.5? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1671-2064（2019）24-0000-00

0 引言

我國(guó)歷史悠久、文物眾多，同時(shí)也是地震多發(fā)的國(guó)度。曾經(jīng)發(fā)生過(guò)2008年汶川8級(jí)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(guó)際上也不乏這樣的情況，例如1994年美國(guó)洛杉磯的6.6級(jí)地震、1995年日本阪神7.2級(jí)地震等等，這些地震都造成了當(dāng)?shù)夭┪镳^及其文物的嚴(yán)重破壞，因而引起了世界各地文物部門(mén)的高度重視。

我國(guó)的文物防震保護(hù)研究，過(guò)去多是針對(duì)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(duì)策的研究則較少。現(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。或者將文物的底部粘在展臺(tái)上、或者采用捆、卡的辦法將文物固定在展臺(tái)上。這些常用的方法存在這樣或那樣的問(wèn)題，例如對(duì)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(shí)，將是以一種“硬扛”的方式來(lái)應(yīng)對(duì)強(qiáng)烈晃動(dòng)，文物自身的強(qiáng)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(huì)與支架發(fā)生碰撞，其上部較細(xì)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(shí)，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(mén)窗等構(gòu)件被震壞飛濺砸到展示文物，也會(huì)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(bào)”，兩者不屬同一概念。地震預(yù)報(bào)是對(duì)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(yán)重災(zāi)害尚未形成之前發(fā)出警告并采取措施的行動(dòng)，也稱(chēng)作“震時(shí)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(cuò)動(dòng)。

而這些破裂和錯(cuò)動(dòng)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(jī)械波，又可分為P波和S波。地震發(fā)生時(shí)，首先出現(xiàn)的是上下震動(dòng)的P波，其傳播速度快，但震動(dòng)幅度較小，因而造成的破壞也較小。振幅更大、破壞力更強(qiáng)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(shí)間差。具體相差多長(zhǎng)時(shí)間，還要看你所在的地點(diǎn)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(jì)算，從震源到震中地區(qū)，預(yù)警時(shí)間約為2.3秒。如果在距離震中50公里內(nèi)的地區(qū)，會(huì)在S波到來(lái)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(tái)站，安裝了地震儀器，儀器接收到P波之后，就利用無(wú)線(xiàn)電波傳遞信息，又能節(jié)約不少時(shí)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(lái)臨時(shí)，及時(shí)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(jì)思路和技術(shù)途徑

在博物館等文物保管和展示場(chǎng)所，文物向公眾開(kāi)放時(shí)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(jì)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(gè)部分：上部設(shè)置保護(hù)裝置，比如保護(hù)桶;而下部用于放置升降裝置，比如電動(dòng)升降桿。文物則安放在升降桿的頂板上，平時(shí)展覽的時(shí)候，升降桿升起。一旦發(fā)生地震，當(dāng)P波到達(dá)時(shí)，快速將升降桿縮回，文物則安全回到保護(hù)桶中，如圖2。保護(hù)桶很牢固，同時(shí)內(nèi)部用松軟的保護(hù)層，當(dāng)?shù)卣餝波到來(lái)時(shí)，文物已經(jīng)處于保護(hù)桶的保護(hù)之中，這樣就很安全。

3 地震波的檢測(cè)與放大

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)警式防護(hù)，就需要首先檢測(cè)到地震P波，就必須要用到地震檢測(cè)器。當(dāng)檢波器接收到P波之后，必須經(jīng)過(guò)放大才能發(fā)揮作用。放大電路亦稱(chēng)為放大器，所謂放大，就是將輸入的微弱信號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)信號(hào)，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(hào)變化規(guī)律一致的信號(hào)，即進(jìn)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(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)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(hào)可以是輸入信號(hào)加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。將檢波器的輸出信號(hào)放大，并能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)升降桿實(shí)現(xiàn)在接收到地震P波時(shí)能快速下降，同時(shí)還要考慮升降桿能夠復(fù)位。

4 安裝調(diào)試與測(cè)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(jìn)行調(diào)試。所采用的電動(dòng)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(dòng)升降桿的最大升降距離是15厘米，把文物安全的降到保護(hù)桶中用時(shí)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(jì)算，從震源到震中地區(qū)，預(yù)警時(shí)間約為2.3秒。我們的用時(shí)不到兩秒，時(shí)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(shí)間就只有1.15秒，時(shí)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(shí)間還會(huì)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(dòng)升降桿，或者采用更加快捷安全的機(jī)器。當(dāng)然，如果有一天，地震專(zhuān)業(yè)部門(mén)能夠直接提供預(yù)警信號(hào)，即布設(shè)許多地震儀器，儀器接收到P波之后，就利用無(wú)線(xiàn)電波傳遞信息，又能節(jié)約不少時(shí)間，達(dá)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(lái)保護(hù)文物，這樣在時(shí)間上就會(huì)有一個(gè)提前量，可以更加從容地把展示的文物保護(hù)起來(lái)，而不是采用捆扎等方法固定文物;用地震檢波器識(shí)別地震P波的到來(lái)，一旦檢測(cè)到信號(hào)，觸發(fā)電動(dòng)升降桿自動(dòng)下降;設(shè)計(jì)制作了文物保護(hù)桶，把文物降下來(lái)之后，直接進(jìn)入保護(hù)桶，這樣既能快速而又安全地實(shí)現(xiàn)保護(hù)文物的目的。

如果有條件的話(huà)，還可以在保護(hù)桶上加裝一個(gè)蓋子，一旦文物進(jìn)入保護(hù)桶，蓋子馬上就自動(dòng)蓋上，并且鎖緊。在博物館的門(mén)窗等處，加裝探頭，在博物館休息的時(shí)間，一旦有人非法進(jìn)入，文物就自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)桶并鎖緊，這樣就可以防盜。如果在保護(hù)桶內(nèi)加裝防火保護(hù)層，這樣如果博物館萬(wàn)一著火了，文物進(jìn)入保護(hù)桶中也可以確保安全。

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收稿日期：2019-11-15

作者簡(jiǎn)介：王舒，女，安徽宿州人。