预警式文物防震保护装置的设计与实现

摘  要：地震是极具破坏性的自然现象，会带来各种破坏，其中对文物的损坏就是很大的问题。虽然目前还无法对地震进行预报，但可以利用预警的方式来保护文物。其基本原理就是利用地震的P波和S波之间的时间差，提前几秒或数十秒预告破坏力更大的S波的到来，从而采取积极的应对措施。根据地震预警的思路，设计了一套技术路线并实际制作文物保护装置。该装置能够实现平时文物照常展示，而一旦发生地震，则能实现对文物进行预警式的防震保护。

关键词：文物保护;预警式防护;地震预警;防震减灾;综合减灾

中图分类号：TU352.1;TU242.5        文献标识码：A       文章编号：1671-2064（2019）24-0000-00

0 引言

我国历史悠久、文物众多，同时也是地震多发的国度。曾经发生过2008年汶川8级大地震，除了造成了房屋破坏和人员伤亡，还造成了大量文物的损毁。国际上也不乏这样的情况，例如1994年美国洛杉矶的6.6级地震、1995年日本阪神7.2级地震等等，这些地震都造成了当地博物馆及其文物的严重破坏，因而引起了世界各地文物部门的高度重视。

我国的文物防震保护研究，过去多是针对古建筑的抗震性能和抗震加固等方面，博物馆内收藏文物防震对策的研究则较少。现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，具体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。或者将文物的底部粘在展台上、或者采用捆、卡的办法将文物固定在展台上。这些常用的方法存在这样或那样的问题，例如对文物捆扎可能影响展示的美观，而且防震效果未必好。将文物的底部固定或者将文物捆绑住，文物遇到地震时，将是以一种“硬扛”的方式来应对强烈晃动，文物自身的强度将受到很大的作用力，支架与文物之间相关作用也可能造成文物的破坏。如果真的发生地震，陶瓷瓶就会与支架发生碰撞，其上部较细的“颈部”就有可能受到损伤而出现裂纹，甚至发生断裂。此外，还有可能发生其他不利的情况，例如日本阪神大地震时，陈列柜的玻璃破碎也造成了柜内文物的损坏。此外天花板、吊灯、照明灯具，甚至是建筑物的门窗等构件被震坏飞溅砸到展示文物，也会造成文物破坏。

1 地震预警的原理

“地震预警”并非“地震预报”，两者不属同一概念。地震预报是对尚未发生、但有可能发生的地震事件事先发出通告;而“地震预警”是指大震已发生、抢在严重灾害尚未形成之前发出警告并采取措施的行动，也称作“震时预警”。地震的成因是由于地下几公里至数十公里的岩体发生突然破裂和错动。

而这些破裂和错动释放的能量又以地震波的形式向四周辐射出去。地震波是一种机械波，又可分为P波和S波。地震发生时，首先出现的是上下震动的P波，其传播速度快，但震动幅度较小，因而造成的破坏也较小。振幅更大、破坏力更强的是S波，但其传播速度慢。地震预警就是利用地震发生后，P波与S波之间的时间差。具体相差多长时间，还要看你所在的地点与震中的距离。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波与S波的速度差就是2.7公里/每秒。再考虑大地震的震源一般在地面之下10～30公里的地方，按平均20公里的震源深度计算，从震源到震中地区，预警时间约为2.3秒。如果在距离震中50公里内的地区，会在S波到来前5.7秒收到预警信息;100公里内的地区，能提前至少11.5秒收到预警信息。如果布设了许多地震台站，安装了地震仪器，仪器接收到P波之后，就利用无线电波传递信息，又能节约不少时间，更早地发出地震预警。地震预警还是有用的。例如，在地震多发的日本，一些大地震来临时，及时发出预警使高铁停驶或者降低速度，避免更大的损失等等。

2 设计思路和技术途径

在博物馆等文物保管和展示场所，文物向公众开放时一般都是放在展示柜中，而展示柜下部的空间是闲置的，如图1。本文的设计思路就是巧妙利用文物展示柜的下部闲置的空间，将其分为两个部分：上部设置保护装置，比如保护桶;而下部用于放置升降装置，比如电动升降杆。文物则安放在升降杆的顶板上，平时展览的时候，升降杆升起。一旦发生地震，当P波到达时，快速将升降杆缩回，文物则安全回到保护桶中，如图2。保护桶很牢固，同时内部用松软的保护层，当地震S波到来时，文物已经处于保护桶的保护之中，这样就很安全。

3 地震波的检测与放大

为了实现预警式防护，就需要首先检测到地震P波，就必须要用到地震检测器。当检波器接收到P波之后，必须经过放大才能发挥作用。放大电路亦称为放大器，所谓放大，就是将输入的微弱信号（简称信号，指变化的电压、电流等）放大到所需要的幅度值，并且与原输入信号变化规律一致的信号，即进行不失真的放大。只有在不失真的情况下放大才有意义。放大电路的本质是能量的控制和转换。运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。将检波器的输出信号放大，并能驱动电动升降杆实现在接收到地震P波时能快速下降，同时还要考虑升降杆能够复位。

4 安装调试与测算

将地震波检波器及其放大电路与文物支架安装在一起，并进行调试。所采用的电动升降杆其升降速度是8厘米/秒，目前所模拟的文物是12厘米。而采用电动升降杆的最大升降距离是15厘米，把文物安全的降到保护桶中用时不到2秒钟。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公里的震源深度计算，从震源到震中地区，预警时间约为2.3秒。我们的用时不到两秒，时间是够的。但是如果考虑最为极端的情况，就是地震震源只有10公里，那么预警时间就只有1.15秒，时间就略显不足了。好在这只是极端情况，如果震源不在博物馆的正下方，还有一段距离，那么预警时间还会更多些。如果文物的尺寸再大些，升降的距离也要随之加大，那就需要寻找升降速度更快的电动升降杆，或者采用更加快捷安全的机器。当然，如果有一天，地震专业部门能够直接提供预警信号，即布设许多地震仪器，仪器接收到P波之后，就利用无线电波传递信息，又能节约不少时间，达到更好地预警效果。

5 讨论与总结

提出了用预警的方式来保护文物，这样在时间上就会有一个提前量，可以更加从容地把展示的文物保护起来，而不是采用捆扎等方法固定文物;用地震检波器识别地震P波的到来，一旦检测到信号，触发电动升降杆自动下降;设计制作了文物保护桶，把文物降下来之后，直接进入保护桶，这样既能快速而又安全地实现保护文物的目的。

如果有条件的话，还可以在保护桶上加装一个盖子，一旦文物进入保护桶，盖子马上就自动盖上，并且锁紧。在博物馆的门窗等处，加装探头，在博物馆休息的时间，一旦有人非法进入，文物就自动进入保护桶并锁紧，这样就可以防盗。如果在保护桶内加装防火保护层，这样如果博物馆万一着火了，文物进入保护桶中也可以确保安全。

参考文献

[1]吴来明，王忠良，高华平，李蓉蓉.博物馆文物的防震保护研究-传统抗震措施与现代隔震技術[J].文物保护与考古科学，2001，13（2）：46-53.

[2]周乾.故宫博物院在陈文物防震方法研究[J].故宫博物院院刊，2016（4）：152-163.

[3]巩梦婷，韦荃，冯萍莉，张孜江，杨娟.汶川地震中四川可移动文物及其建筑受损情况调查[J].文物保护与考古科学，2016，28（2）：40-47.

[4]嵇少丞.谈谈地震预警[J].矿物岩石地球化学通报，2017，36（06）：1074-1075.

收稿日期：2019-11-15

作者简介：王舒，女，安徽宿州人。