Первый сейсмограф придумали еще в 132 году в Китае. Его изобрел астроном Чжан Хен для китайского императора. Простейший сейсмограф успешно использовали в предсказании землетрясений. Прибор представлял собой двухметровую чашу с медным куполом. По кругу чаши находились головы драконов, а внутри подвешивали маятник. В открытые пасти каждого дракона вкладывали бронзовый шарик.
Вокруг чаши сидели бронзовые жабы с открытыми ртами. При малейших сейсмических колебаниях маятник начинал раскачиваться и выбивал шарик из пасти драконов в рты жабам. Оповещением служил громкий звук, образующийся от удара металла. Место падения помогало определить, где находится эпицентр землетрясения. Историки утверждают, что древний инструмент мог улавливать толчки на расстоянии 600 км от места установки.
Сделать сейсмограф своими руками проще, чем кажется. Возьмите металлический груз с заостренным концом и подвесьте его над горизонтальной поверхностью. Присыпьте поверхность мукой или другим порошком и опустите гирю так, чтобы наконечник слегка касался плоскости.
Во время колебаний груз начнет двигаться, а линии, начерченные острым концом, укажут направление и позволят определить силу сейсмических волн.
Вот еще интересные варианты:
Полноценные сейсмографы появились только в конце прошлого века. Сегодня это электронные устройства, умеющие определять малейшие колебания и предсказывать стихию.
Но современное оборудование, используемое профессионалами, работает по тем же принципам. Приборы состоят из сейсмоприемника или сейсмометра и регистрирующего (записывающего) устройства.
Сейсмограф
(от др.-греч. σεισμός - землетрясение и др.-греч. γράφω - записывать) или сейсмометр
- измерительный прибор, который используется в сейсмологии для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн. Прибор для определения силы и направления землетрясения
.
Первая известная попытка изготовить прибор, предсказывающий землетрясения, принадлежит китайскому философу и астроному ЧжанХэну.
ЧжанХэн изобрел устройство, которому дал имя Хоуфэн «» и которое могло фиксировать колебания земной поверхности и направление их распространения.
Хоуфэн и стал первым в мире сейсмографом. Прибор состоял из большого бронзового сосуда диаметром 2 м, на стенках которого располагались восемь голов дракона. Челюсти у драконов раскрывались, и у каждого в пасти был шар.
Внутри сосуда находился маятник с тягами, прикрепленными к головам. В результате подземного толчка маятник приходил в движение, действовал на головы, и шар выпадал из пасти дракона в открытый рот одной из восьми жаб, восседавших у основания сосуда. Прибор улавливал подземные толчки на расстоянии 600 км от него.
1.2. Современные сейсмографы
Первый сейсмограф современной конструкции изобрел русский ученый, князь Б. Голицын , который использовал преобразование механической энергии колебаний в электрический ток.
Конструкция довольно проста: грузик подвешивается на вертикально или горизонтально расположенной пружине, а к другому концу груза крепится перо самописца.
Вращающаяся бумажная лента служит для записи колебаний груза. Чем сильнее толчок, тем дальше отклоняется перо и дольше колеблется пружина.
Вертикальный груз позволяет регистрировать горизонтально направленные толчки, и наоборот, горизонтальный самописец записывает толчки в вертикальной плоскости.
Как правило, горизонтальная запись ведется в двух направлениях: север–юг и запад-восток.
В сейсмологии в зависимости от решаемых задач используются различные виды сейсмографов: механический, оптический или электрический с различными видами усилений и методами обработки сигнала. Механический сейсмограф включает чувствительный элемент (обычно маятник и демпфер) и самописец.
Основание сейсмографа жёстко связано с исследуемым объектом, при колебаниях которого возникает движение груза относительно основания. Записывается сигнал в аналоговой форме на самописцах с механической записью.
1.3. Создание сейсмографа
Материалы:
Картонная коробка; шило; лента; пластилин; карандаш; фломастер; бечевка или крепкая нитка; кусок тонкого картона.
Рамой для сейсмографа послужит картонная коробка. Нужно, чтобы она была сделана из достаточно жесткого материала. Открытая ее сторона будет лицевой частью прибора.
Надо проделать шилом отверстие в верхней крышке будущего сейсмографа. Если жесткости для «рамы
» не хватает, надо обклеить скотчем углы и ребра коробки, укрепив ее, как показано на фотографии.
Скатать шарик из пластилина и проделать в нем отверстие карандашом. Протолкнуть фломастер в отверстие таким образом, чтобы кончик его ненамного высовывался с противоположной стороны пластилинового шарика.
Это указатель сейсмографа, предназначенный для того, чтобы вычерчивать линии земных вибраций.
Пропустить конец нити через дырочку в верхней части коробки. Установить коробку на нижнюю сторону и подтянуть нить таким образом, чтобы фломастер был свободно подвешен.
Привяжите верхний конец нити к карандашу и вращайте карандаш вокруг оси, пока не выберете слабину нити. Когда фломастер повиснет на нужной высоте (то есть будет лишь слегка касаться дна коробки), зафиксируйте карандаш на месте с помощью скотча.
Подсунуть лист картона под кончик фломастера на дно коробки. Отрегулировать все так, чтобы кончик фломастера легко касался картона и мог оставлять линии.
Сейсмограф готов к работе. Он использует тот же принцип действия, что и настоящее оборудование. Утяжеленный подвес, или маятник, будет более инерционным по отношению к тряске, чем рамка.
Чтобы проверить устройство на деле, незачем дожидаться землетрясения. Просто надо встряхнуть рамку. Подвес останется на месте, но начнет чертить линии на картонке, как самый настоящий.
Анимация
Описание
Сейсмографы (СФ) используют для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн. Принцип действия современных СФ основан на свойстве инерции. Любой СФ состоит из сейсмоприемника или сейсмометра и регистрирующего (записывающего) устройства. Главной частью СФ является инерционное тело - груз, подвешенный на пружине к кронштейну, который жестко крепится к корпусу (рис. 1).
Общий вид простейшего сейсмографа для регистрации вертикальных колебаний
Рис. 1
Корпус СФ закреплен в твердой горной породе и поэтому приходит в движение при землетрясении, причем в силу свойства инерции груз-маятник отстает от движения грунта. Для получения записи сейсмических колебаний (сейсмограммы) служит вращающийся с постоянной скоростью барабан самописца с бумажной лентой, прикрепленный к корпусу СФ, и перо, связанное с маятником (см. рис. 1). Вектор перемещения земной поверхности определяется горизонтальными и вертикальной компонентами; соответственно любая система для сейсмических наблюдений состоит из горизонтальных (для регистрации смещений по осям X , Y ) и вертикального (для регистрации смещений по оси Z ) сейсмометров.
Для сейсмометров чаще всего применяют маятники, центр качаний которых сохраняет относительный покой или отстает от движения колеблющейся земной поверхности и связанной с ней осью подвеса. Степень покоя центра качаний сейсмоприемника характеризует его работу и определяется отношением периода T п колебаний почвы к периоду Т собственных колебаний маятника сейсмоприемника. Если T п ¤ T мало, то центр качаний практически неподвижен и колебания почвы воспроизводятся без искажений. При T п ¤ T близком к 1 возможны искажения из-за резонанса. При больших значениях T п ¤ T , когда движения почвы очень медленны, свойства инерции не проявляются, центр качаний движется практически как единое целое с почвой и сейсмоприемник перестает фиксировать колебания почвы. При регистрации колебаний в сейсмической разведке период собственных колебаний составляет несколько сотых или десятых долей секунды. При регистрации колебаний от местных землетрясений период может быть ~ 1 сек, а при удаленных на тыс. км землетрясениях должен иметь порядок 10 сек.
Принцип действия СФ может быть пояснен следующими уравнениями Пусть тело массы М подвешено на пружине, другой конец которой и шкала скреплены с почвой. При перемещении почвы вверх на величину Z вдоль оси Z (переносное движение) масса М из-за инерции отстает и смещается по оси Z вниз на величину z (относительное движение), что порождает силу растяжения в пружине - cz (c - жесткость пружины). Эта сила при движении должна уравновешиваться силой инерции абсолютного движения:
M d 2 z¤ dt 2 = - cz,
где z = Z - z.
Отсюда вытекает уравнение:
d 2 z ¤ dt 2 + cz ¤ M = d 2 Z ¤ dt 2 ,
решение которого связывает истинное смещение почвы Z с наблюдаемым z .
Временные характеристики
Время инициации (log to от -3 до -1);
Время существования (log tc от -1 до 3);
Время деградации (log td от -3 до -1);
Время оптимального проявления (log tk от -1 до 1).
Диаграмма:
Технические реализации эффекта
Горизонтальный сейсмометр типа СКГД
Общий вид горизонтального сейсмометра типа СКГД показан на рис. 2.
Схема горизонтального сейсмометра СКГД
Рис. 2
Обозначения:
2 - магнитная система;
3 - катушка преобразователя;
4 - струбцина подвеса;
5 - подвесная пружина.
Прибор состоит из маятника 1 , подвешенного на струбцине 4 к стойке, укрепленной на основании прибора. Общий вес маятника около 2 кг; приведенная длина около 50см. Пластинчатая пружина напряжена. В укрепленной на маятнике рамке находится плоская индукционная катушка 3 , имеющая три обмотки из медного изолированного провода. Одна обмотка служит для регистрации движения маятника, и к ней подключена цепь гальванометра. Вторая обмотка служит для регулировки затухания сейсмометра, и к ней подключается демпфирующее сопротивление. Кроме того, имеется третья обмотка для подачи контрольного импульса (то же и у вертикальных сейсмометров). На основании прибора укреплен постоянный магнит 2 , в воздушном зазоре которого находятся средние части обмоток. Магнитная система снабжена магнитным шунтом, представляющим собой две пластины из мягкого железа, перемещение которых вызывает изменение силы магнитного поля в воздушном зазоре магнита и, следовательно, изменение постоянной затухания.
На конце маятника укреплена плоская стрелка, под которой расположена шкала с миллиметровыми делениями и увеличительная линза, через которую рассматривают шкалу и стрелку. Положение стрелки можно отсчитать по шкале с точностью до 0,1мм. Основание маятника снабжено тремя установочными винтами. Два боковых служат для установки маятника в нулевое положение. Передний установочный винт служит для регулировки периода собственных колебаний маятника. Для защиты маятника от различных помех прибор помещен в защитный металлический футляр.
Применение эффекта
СФ, используемые для регистрации колебаний почвы при землетрясениях или взрывах, входят в состав как постоянно действующих, так и мобильных сейсмических станций. Существование глобальной сети сейсмических станций позволяет с высокой точностью определять параметры практически любых землетрясений, происходящих в разных регионах Земного шара, а также исследовать по характеристикам распространения сейсмических волн различных типов внутреннее строение Земли. К основным параметрам землетрясения прежде всего относятся: координаты эпицентра, глубина очага, интенсивность, магнитуда (энергетическая характеристика). В частности, для расчета координат сейсмического события необходимы данные о временах прихода сейсмических волн как минимум на три сейсмостанции, находящиеся на достаточном расстоянии друг от друга.
132 год н.э. китайцем был изобретён первый прибор. В конце 18 века был изобретён третий прибор измерения землетрясений – сейсмограф. Сейсмограф – прибор, который измеряет изменение смещений во времени; запись прибора – сейсмограмма. Можно определить: время землетрясения, амплитуду, период. Сейсмограммы используются для определения места положения гипоцентра землетрясения и магнитуды землетрясения.
Наибольший интерес для проектировщиков представляет ускорение, т.к. S=a·m.
Акселерограф – прибор записывающий изменение ускорения во времени, запись называется акселерограмма.
Шкалы землетрясений
Шкала Рихтера (шкала магнитуд)
Магнитуда – это энергетическая характеристика очага землетрясений. Величина является логарифмической (энергия между одной целой магнитудой отличается в 10 раз). Магнитуда от латинского – величина.
Шкала интенсивности
Интенсивность – степень ущерба в определённом месте. EMS-98 – европейская макросейсмическая шкала; двенадцати бальная шкала. ДСТУ 5 В.1.1-28:2010
Уязвимость – способность объекта получать необратимый убыток, измеряемый потерей его качеств или свойств по сравнению с состоянием до землетрясения (относительная повреждённость объекта). Классы уязвимости объекта: A (A 1 , A 2), B, C, D, F (F 1 , F 2) – характеризуют способность сооружений оказывать сопротивление сейсмическим воздействиям, в зависимости от материала конструкции, проектного уровня сейсмостойкости, проектного решения и качества строения.
A 1 – здания из камня соманного камня, из известняка, уложенного без перевязки, из ракушечняка.
F 2 – здания с системами сейсмо-изоляции и гасителями колебаний
I балл – неощутимое;
II бала – едва ощутимое, ощущается некоторыми людьми на верхних этажа зданий;
III балла – слабое землетрясение, лёгкое раскачивание висячих предметов;
IV балла – заметное сотрясание, ощущается внутри здания;
V баллов – сильное землетрясение, пробуждение, ощущается как внутри здания так и на открытых участках;
VI – лёгкие повреждения;
VII – повреждения;
VIII – значительные повреждения;
IX – разрушительное землетрясение;
X баллов – всеобщее разрушение зданий;
XI баллов – опустошительное разрушение;
XII баллов – изменение рельефа местности, полное разрушение.
Классификация объектов
«альфа» – восприятие человека;
«бетта» – предметы быта;
«гамма» – строение;
«эпсилон» – объекты природной среды.
Землетрясение, которое было на Гаити – семь магнитуд, в Одессе – семь баллов.
Лекция 5 - 01.11.12
В соответствии с этой шкалой 6-ти баллам будет соответствовать:
«альфа» - ощущаются большинством людей внутри и снаружи, некоторые люди теряют равновесие, выходят на улицу;
«бетта» - мелкие предметы с обычным уровнем устойчивости могут упасть, в некоторых случаях мебель может разрушиться, разбиться посуда или стекло;
«гамма1» - повреждение первой степени во многих зданиях, класса уязвимости А и Б, в некоторых – второй степень;
«эпсилон1» - возможно изменение дебита (соотношение воды) в родниках, колебание воды в колодцах, в горных районах возможны обвалы малых и средних объёмов.
Соотношение между интенсивностью землетрясения и магнитудой,
в зависимости от глубины очага
|
Глубина, м |
Магнитуда |
|||
Для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн .
Конструкция приборов
В большинстве случаев сейсмограф имеет установленный на пружинной подвеске груз, который при землетрясении остаётся неподвижным, тогда как остальная часть прибора (корпус, опора) приходит в движение и смещается относительно груза. Одни сейсмографы чувствительны к горизонтальным движениям, другие - к вертикальным. Волны регистрируются вибрирующим пером на движущейся бумажной ленте. Существуют и электронные сейсмографы (без бумажной ленты).
До недавнего времени в качестве чувствительных элементов сейсмографов в основном использовались механические или электромеханические устройства. Вполне естественно, что стоимость таких инструментов, содержащих элементы точной механики, является настолько высокой, что они практически недоступны для рядового исследователя, а сложность механической системы и, соответственно, требования к качеству её исполнения фактически означают невозможность изготовления подобных приборов в промышленных масштабах.
Бурное развитие микроэлектроники и квантовой оптики в настоящее время привело к появлению серьёзных конкурентов традиционным механическим сейсмографам в средне- и высокочастотной области спектра. Однако, такие устройства на основе микромашинной технологии, волоконной оптики или лазерной физики, обладают весьма неудовлетворительными характеристиками в области инфранизких частот (до нескольких десятков Гц), что является проблемой для сейсмологии (в частности, организации телесейсмических сетей).
Существует и принципиально иной подход к построению механической системы сейсмографа - замена твёрдой инерционной массы жидким электролитом. В таких устройствах внешний сейсмический сигнал вызывает поток рабочей жидкости, который, в свою очередь, преобразуется в электрический ток с помощью системы электродов. Чувствительные элементы подобного типа получили название молекулярно-электронных. Преимуществами сейсмографов с жидкой инерционной массой является низкая стоимость, продолжительный, порядка 15 лет, срок службы и отсутствие элементов точной механики, что резко упрощает их изготовление и эксплуатацию.
Компьютеризированные сейсмоизмерительные системы
С появлением компьютеров и аналого-цифровых преобразователей функциональность сейсмоизмерительного оборудования резко повысилась. Появилась возможность одновременно фиксировать и анализировать в реальном времени сигналы с нескольких сейсмодатчиков, учитывать спектры сигналов. Это обеспечило принципиальный скачок в информативности сейсмоизмерений.
Напишите отзыв о статье "Сейсмограф"
Ссылки
Примеры сейсмографов:
- .
- . .
Примечания
Отрывок, характеризующий Сейсмограф
11 го июля, в субботу, был получен манифест, но еще не напечатан; и Пьер, бывший у Ростовых, обещал на другой день, в воскресенье, приехать обедать и привезти манифест и воззвание, которые он достанет у графа Растопчина.В это воскресенье Ростовы, по обыкновению, поехали к обедне в домовую церковь Разумовских. Был жаркий июльский день. Уже в десять часов, когда Ростовы выходили из кареты перед церковью, в жарком воздухе, в криках разносчиков, в ярких и светлых летних платьях толпы, в запыленных листьях дерев бульвара, в звуках музыки и белых панталонах прошедшего на развод батальона, в громе мостовой и ярком блеске жаркого солнца было то летнее томление, довольство и недовольство настоящим, которое особенно резко чувствуется в ясный жаркий день в городе. В церкви Разумовских была вся знать московская, все знакомые Ростовых (в этот год, как бы ожидая чего то, очень много богатых семей, обыкновенно разъезжающихся по деревням, остались в городе). Проходя позади ливрейного лакея, раздвигавшего толпу подле матери, Наташа услыхала голос молодого человека, слишком громким шепотом говорившего о ней:
– Это Ростова, та самая…
– Как похудела, а все таки хороша!
Она слышала, или ей показалось, что были упомянуты имена Курагина и Болконского. Впрочем, ей всегда это казалось. Ей всегда казалось, что все, глядя на нее, только и думают о том, что с ней случилось. Страдая и замирая в душе, как всегда в толпе, Наташа шла в своем лиловом шелковом с черными кружевами платье так, как умеют ходить женщины, – тем спокойнее и величавее, чем больнее и стыднее у ней было на душе. Она знала и не ошибалась, что она хороша, но это теперь не радовало ее, как прежде. Напротив, это мучило ее больше всего в последнее время и в особенности в этот яркий, жаркий летний день в городе. «Еще воскресенье, еще неделя, – говорила она себе, вспоминая, как она была тут в то воскресенье, – и все та же жизнь без жизни, и все те же условия, в которых так легко бывало жить прежде. Хороша, молода, и я знаю, что теперь добра, прежде я была дурная, а теперь я добра, я знаю, – думала она, – а так даром, ни для кого, проходят лучшие годы». Она стала подле матери и перекинулась с близко стоявшими знакомыми. Наташа по привычке рассмотрела туалеты дам, осудила tenue [манеру держаться] и неприличный способ креститься рукой на малом пространстве одной близко стоявшей дамы, опять с досадой подумала о том, что про нее судят, что и она судит, и вдруг, услыхав звуки службы, ужаснулась своей мерзости, ужаснулась тому, что прежняя чистота опять потеряна ею.
Благообразный, тихий старичок служил с той кроткой торжественностью, которая так величаво, успокоительно действует на души молящихся. Царские двери затворились, медленно задернулась завеса; таинственный тихий голос произнес что то оттуда. Непонятные для нее самой слезы стояли в груди Наташи, и радостное и томительное чувство волновало ее.
«Научи меня, что мне делать, как мне исправиться навсегда, навсегда, как мне быть с моей жизнью… – думала она.