地震学chap6.ppt

第六章 地震仪器工作原理6.1 概述 地震仪是用来测量地震引起的地表质点的运动情况，并将它记录下来的仪器，它由拾震器（传感器）、记录器两大部分构成。检测地震波运动的装置叫做地震计，包括记录设备在内的整个仪器叫做地震仪。 地面振动幅度的大小在很大一个量级范围内变化。强震在震中附近产生的振动可以较背景性地面振动大9个数量级。根据不同的需求，设计用于记录长周期、短周期、中长周期及宽频带等具有不同频率响应特性的地震仪。 1 工作原理 拾震器是接收地面运动的一种传感器，当地面运动时和地面固结的一切物体将随地面运动。 如图，当地面向上运动△Z时，记录滚筒上及底座也向上运动△Z，由摆的惯性，在开始的一刹那，它保持不动，由于弹簧被拉长，同时在滚筒上向下划出△Z。此后由于弹簧的回复力使摆在平衡位置附近作自由振荡，而这时地面的运动早已停止，故称这种振荡是一种畸变。 2 拾震器的特性 （1）如果摆的固有周期比地面运动的周期大很多时，此摆足够正确地反映出地面运动。 （2）若摆的固有周期相对于地面运动的周期很小时，则摆随地面运动，记录几乎保持一条零线。 （3）当摆的固有周期与地面运动的周期接近时，将发生共振现象，此时仪器最灵敏，但记录的振幅比实际的地面运动大很多。 3 记录地面的水平运动 以上用滚筒上划出的△Z来测量地面的垂直运动，对于地表的水平运动，可以用摆离开简平衡位置的角度θ来测量。 4 地震计的改进 为了消除这一畸变，重锤由弹簧悬挂起来，并与杆连结在一起，使它只能在垂直方向运动。用一个“减震器”来防止杆在系统的共振频率附近极度的摆动。另外，使用线圈切割磁力线产生的电流，将摆的运动换为电流的大小。 6.2 摆的固有运动 z(t)是重锤相对于地面运动的位移(相对于它的静止位置),弹簧作用在重锤上的力与重锤位移的方向相反，为： 这里k是弹簧常数，阻尼力与重锤运动的速度成比例，为： 这里D是阻尼常数,根据F=ma，即有： 其中 是无阻尼系统（D=0）的共振频率。定义阻尼常数： 对于（6.1）有两个特解及通解： 当 只有当z1和z2两个特解为线性无关的，才可能构成通解。由于是复数，为了得到实根，所以利用下列组合得到线性无关的另外两个特解： 则方程（6.1）的通解可写为： 上式可写为 这里 两个任意常数分别为 此时摆的运动是有阻尼的衰减振动，其周期： 此时摆的运动不再是简谐函数，它是一个无周期的运动，阻尼越大回复到平衡位置的时间越长。 3 当 时， 此解是一衰减函数，没有简谐成分。 6.3 摆的受迫运动 若地面突然发生了运动，令u(t)是地面运动的垂直位移，z(t)是重锤相对于地面运动的位移，重锤的绝对位移为u(t)+z(t)之和。则运动方程可写为： 这里m是重锤的质量。重新整理后，写成： 相应齐次方程的通解上一节已解出，这里求它的一个特解。假定地面谐波位移为 为了处理方便记为： 地震计重锤的位移响应可表为： 于是有 代入方程有 记为 分别称之为仪器的振幅响应和相位响应，它随频率的变化关系见上图所示。取实部则得到方程的特解： 于是有方程的通解为： 从上式可看出，摆锤的运动由固有运动和受迫运动两部分构成，当时间足够长时，主要取决于受迫运。然而，与地面运动相比，其振幅增大了Qs倍，相位增加了Ψ，这是一种畸变，为了得到真实地面位移，必须予以消除。 阻尼强度可以用 来描述，这里h是阻尼常数。 当h=1时，可以说这系统处于临界阻尼状态,此时，重锤将以最小时间返回到它的静止位置。地震计一般在阻尼接近于临界值时，处于最佳工作状态。 6.4 现代地震仪 地震仪的动态范围是精确记录的最小和最大的振幅之差。仪器最好是使得可记录最小的有感地震，同时有记录最大地震的刻度。在宽的频率范围里具备有效灵敏度的地震仪叫做宽频带地震仪。 6.5 地面噪声 灵敏的地震仪可以记录甚至在没有地震时的地面运动。这些运动称之为脉动，它是由风、城市的高频噪声、海洋波和周期长些的天气过程效应产生的地震波所造成的。地震学家一般把脉动看为噪声，这是因为脉动妨碍小地震或远距离地震的观测。 6.6 仪器响应的消除 将（6.3）式两边作Laplace变换，并考虑拾震器的初始条件 这里用Z(s)表示z(t)的Laplace变换 则有地面运动的Laplace变换为 若输入的地面加速度 则有 即 上式称为地震仪的系统函数，在频率域中，地震记录的频谱表示成地面运动和系统函数的乘积； 一般把系统函数记为 图6.8 在地震的时间间隔里，按平均噪声计算的全球100个台站（垂直分量） * 在上图中，支架定于地表，沙袋悬挂于支架上，当地表