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2017年12月4日 星期一

地震儀自己動手作:AS-1地震儀介紹


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。為了推廣地震科學教育,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。


地震儀的基本原理
 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,這也組成地震儀的三要素。
接著我們直接以AS-1地震儀的結構設計為例,詳述地震儀的運作原理。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(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(2)
 
中央研究院地球科學研究所AS-1地震儀。臺灣地震科學中心(TEC)提供

如避震器一般的阻尼
AS-1的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。

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(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(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!

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。
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。
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。
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。