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運用高中物理,你也能做出美國設計的AS-1 地震儀

  • 文/林欽仁 (中央研究院地球科學研究所 研究助技師)

地震儀是地震學家了解地震波傳遞過程所仰賴的工具,而地震儀的發明也帶動了地震科學的發展。

為推廣地震科學教育,讓大眾了解地震儀器的原理,美國地震學研究聯合會 (Incorporated Research Institutions for Seismology, IRIS) 提出 AS-1 地震儀的機構設計,並撰寫地震資料軟體 Amaseis,期許大眾透過 DIY 實作了解地震儀器的運作,筆者的工作環境再加上身為 TEC 的一員,認為此地震儀相當符合教育推廣的需求,遂與同仁打造出中央研究院地球科學研究所版本的 AS-1,提供給高中及大學作為地科課程的教材。

質量塊、彈簧,再加點阻尼,於是地震儀就誕生了

首先來談談「如何觀測地震」,如果要測量地震造成的震動,我們需要一個作為相對於地面的參考點觀測,最理想的方式便是從空中來觀測地面的起伏變化。然而實務上此想法不容易達成,於是科學家想到另一個方法:利用質量塊、彈簧阻尼製作出地震儀,這也是組成地震儀的三要素。

這裡直接以 AS-1 地震儀的結構設計為例,詳述地震儀的運作原理。

地震儀利用彈簧拉起質量塊(也就是圖中的磁鐵),當地面震動的頻率大於彈簧頻率時,透過彈簧所懸吊的磁鐵會近似於靜止不動,這是利用牛頓運動定律中的「慣性」。因此地面的震動,也就是圖中的線圈,便與磁鐵有了相對運動,如此一來線圈的兩端產生了與地面震動速度成正比的電壓,運用的便是法拉第感應電壓原理

到此為止地震儀已經有了觀測地面震動的能力,但其系統響應[註1]並非理想,因為當地面以低於或接近於彈簧頻率來震動時,懸掛於彈簧上的磁鐵便也跟著地面晃動,在缺乏阻尼(可想像成是如摩擦力的阻力)的作用下,彈簧本身將產生自然振盪,也就是當地震的搖晃減小時,彈簧仍不住的搖晃,而這些非地震本身的運動,仍會反映於磁鐵線圈所產生的電壓變化,其紀錄的振幅甚至大於實際地面的震動訊號,影響了我們對地表震動的觀測。儘管彈簧造成的振動訊號可以透過儀器響應修正的方式來移除,卻也對分析地震資料的人來說造成不必要的困擾,為了克服此問題,地震儀需要加入阻尼的機制[註2]。

中央研究院地球科學研究所AS-1地震儀。圖/臺灣地震科學中心提供

有點晃又不能太晃,合適的阻尼如何設計?

AS-1 阻尼系統是由銅片及磁鐵組成,銅是良好的導電材料,但銅本身卻不會被磁鐵直接吸引。因此當銅片進、出磁鐵的磁場時,磁通量的變化會在銅片上產生感應電流,感應電流產生感應磁場,與磁鐵的磁場相互作用下可減緩銅片的運動速度,也就增加了地震儀的阻尼,這便是應用冷次定律來實現阻尼的結構。

地震儀在質量塊(磁鐵)、彈簧及阻尼三個元件的協調作用下,可達成觀測地面震動的工作。其實地震儀的運作原理與我們平常搭乘車子的懸吊系統類似,避震器之彈簧的功能在於避免路面的坑洞產生的不適,而避震器之阻尼在於減緩彈簧的自然振動,避免過多的振動影響汽車的操縱性。

其實地震儀的運作原理與車子的避震器有些相似。圖/pixabay

目前的 AS-1 地震儀僅能觀測地面垂直向的運動,水平向的觀測需仰賴不同的懸吊設計,但原理大致接近。此外,由於磁鐵質量塊的擺動為圓周運動,當擺動較大時其擺角將不可視為與地面垂直運動維持線性關係(d=l*sin(θ)≠l*θ; d為磁鐵圓周運動位移軌跡,l為旋轉半徑,θ為擺角),此時地震儀的系統方程式將會略加複雜。

為了解決這些問題,現代化的地震儀使用迴授控制技術[註3],控制質量塊之位置使其與地面震動無相對位移,此時控制的力量即與地面震動加速度成正比,此方式可以增加地震儀的頻寬,卻不增加其體積(譬如不需更大的質量塊),又可保持地震動觀測之線性度[註4],此技術已成為現代地震儀之基石。

設置於地球所大廳之AS-1地震儀所觀測之2017.11.11南投地震

最後,筆者希望透過組裝及運用 AS-1 地震儀的經驗,讓更多有興趣的人瞭解地震觀測儀器的原理,進而成立討論社群。期許 AS-1 地震儀的推廣教育,也能對地震的防救災有所貢獻!

備註

  • [註1]:簡單來說,系統響應是指地震儀器相對於真實地震情況的感應和記錄的能力,包括地震波的振幅與相位與頻率的關係。
  • [註2]:在沒有阻尼的機制下,便無法阻止地震後彈簧和質量塊多餘的晃動,這些紀錄便干擾了地震波紀錄。
  • [註3]:迴授控制:相對於 AS-1 地震儀其磁鐵與彈簧懸吊可自由運動我們稱其為開迴路系統 (open-loop system),另外一種地震儀的設計透過感測器來監控磁鐵與線圈的相對位移,並提供額外電流於線圈,所產生的電磁場可以改變磁鐵的位置,最終目的在於讓磁鐵與線圈無相對位移,稱為閉迴路系統 (close-loop system),而此控制技術稱為迴授控制。
  • [註4]:數學上來說線性關係為輸入與輸出可用一階線性方程式來描述,簡單來說為地震儀觀測之輸入(地動)與輸出(電壓)維持常數倍率之關係。

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《地震儀自己動手作:AS-1地震儀介紹》,也歡迎追蹤粉絲頁震識:那些你想知道的震事了解更多地震事。

關於作者

震 識:那些你想知道的震事

《震識:那些你想知道的震事》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文字,讓地震知識走入日常生活中,同時也會藉由分享各種地震的歷史或生活故事,讓地震知識也充滿人文的溫度。部落格、粉絲專頁將於每星期二刊登新文章,歡迎各方好友來聽故事、學知識!

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