自己动手制作地震仪

如果要测量地震造成的震动,我们需要一个作为相对于地面的参考点观测,最理想的方式便是从空中来观测地面的起伏变化

文/林钦仁( 中央研究院地球科学研究所研究助技师)

地震仪是地震学家了解地震波传递过程所仰赖的工具,而地震仪的发明也带动了地震科学的发展。为了推广地震科学教育,让大众了解地震仪器的原理,美国地震学研究联合会(Incorporated Research Institutions for Seismology, IRIS) 提出AS-1 地震仪的机构设计,并撰写地震资料软体Amaseis ,期许大众透过DIY 实作了解地震仪器的运作,笔者的工作环境再加上身为TEC 的一员,认为此地震仪相当符合教育推广的需求,遂与同仁打造出中央研究院地球科学研究所版本的AS-1 ,提供给高中及大学作为地科课程的教材。

地震仪的基本原理

首先来谈谈「如何观测地震」,如果要测量地震造成的震动,我们需要一个作为相对于地面的参考点观测,最理想的方式便是从空中来观测地面的起伏变化。然而实务上此想法不容易达成,于是科学家想到另一个方法:利用质量块弹簧与阻尼制作出地震仪,这也组成地震仪的三要素。

自己动手制作地震仪

中央研究院地球科学研究所AS-1地震仪。台湾地震科学中心(TEC)提供

接着我们直接以AS-1 地震仪的结构设计为例,详述地震仪的运作原理。利用弹簧拉起质量块(也就是图中的磁铁),当地面震动的频率大于弹簧频率时,透过弹簧所悬吊的磁铁会近似于静止不动,这是利用牛顿运动定律中的「惯性」。因此地面的震动,也就是图中的线圈,便与磁铁有了相对运动,如此一来线圈的两端产生了与地面震动速度成正比的电压,运用的便是法拉第感应电压原理。

到此为止地震仪已经有了观测地面震动的能力,但其系统响应( 注1) 并非理想,因为当地面以低于或接近于弹簧频率来震动时,悬挂于弹簧上的磁铁便也跟着地面晃动,在缺乏阻尼(可想像成是如摩擦力的阻力)的作用下,弹簧本身将产生自然振荡,也就是当地震的摇晃减小时,弹簧仍不住的摇晃,而这些非地震本身的运动,仍会反映于磁铁线圈所产生的电压变化,其纪录的振幅甚至大于实际地面的震动讯号,影响了我们对地表震动的观测。尽管弹簧造成的振动讯号可以透过仪器响应修正的方式来移除,却也对分析地震资料的人来说造成不必要的困扰,为了克服此问题,地震仪需要加入阻尼的机制( 注2) 。

如避震器一般的阻尼

AS-1 的阻尼系统是由铜片及磁铁组成,铜是良好的导电材料,但铜本身却不会被磁铁直接吸引。因此当铜片进、出磁铁的磁场时,磁通量的变化会在铜片上产生感应电流,感应电流产生感应磁场,与磁铁的磁场相互作用下可减缓铜片的运动速度,也就增加了地震仪的阻尼,这便是应用冷次定律来实现阻尼的结构。地震仪在质量块(磁铁)、弹簧及阻尼三个元件的协调作用下,可达成观测地面震动的工作。其实地震仪的运作原理与我们平常搭乘车子的悬吊系统类似,避震器之弹簧的功能在于避免路面的坑洞产生的不适,而避震器之阻尼在于减缓弹簧的自然振动避免过多的振动影响汽车的操纵性。

目前的AS-1 地震仪仅能观测地面垂直向的运动,水平向的观测需仰赖不同的悬吊设计,但原理大致接近。此外,由于磁铁质量块的摆动为圆周运动,当摆动较大时其摆角将不可视为与地面垂直运动维持线性关系(d=l*sin( θ ) ≠ l* θ ; d 为磁铁圆周运动位移轨迹,l 为旋转半径,θ为摆角) ,此时地震仪的系统方程式将会略加复杂。为了解决这些问题,现代化的地震仪使用回授控制技术( 注3) ,控制质量块之位置使其与地面震动无相对位移,此时控制的力量即与地面震动加速度成正比,此方式可以增加地震仪的频宽,却不增加其体积( 譬如不需更大的质量块) ,又可保持地震动观测之线性度( 注4) ,此技术已成为现代地震仪之基石。

自己动手制作地震仪

设置于中央研究院地球所大厅之AS-1 地震仪所观测之2017/11/11 南投地震

最后,笔者希望透过组装及运用AS-1 地震仪的经验,让更多有兴趣的人了解地震观测仪器的原理,进而成立讨论社群。期许AS-1 地震仪的推广教育,也能对地震的防救灾有所贡献!


注1 :简单来说,系统响应是指地震仪器相对于真实地震情况的感应和记录的能力,包括地震波的振幅与相位与频率的关系。
注2 :在没有阻尼的机制下,便无法阻止地震后弹簧和质量块多余的晃动,这些纪录便干扰了地震波纪录。
注3 :回授控制:相对于AS-1 地震仪其磁铁与弹簧悬吊可自由运动我们称其为开回路系统(open-loop system) ,另外一种地震仪的设计透过感测器来监控磁铁与线圈的相对位移,并提供额外电流于线圈,所产生的电磁场可以改变磁铁的位置,最终目的在于让磁铁与线圈无相对位移,称为闭回路系统(close-loop system) ,而此控制技术称为回授控制。
注4 :数学上来说线性关系为输入与输出可用一阶线性方程式来描述,简单来说为地震仪观测之输入( 地动) 与输出( 电压) 维持常数倍率之关系。
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「震識」是由中央大學馬國鳳教授與科普作家潘昌志(阿樹)共同成立的地震知識部落格,我們希望透過淺顯易懂的分享方式,讓地震知識走入日常生活中。Facebook 页面,Blog 主页

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