复原张衡候风地动仪的制作方法

本发明属于科学复原技术领域。尤其涉及一种复原的张衡候风地动仪。

背景技术：

中国古代科学技术和机械制造长期处于世界领先地位，《候风地动仪》是我国伟大科学家张衡在公元132年发明制造，超时代的产物。昙花一现，物换星移，世殊时异，而今原本踪迹面貌，亦稳亦深。为真知我们祖先，在抗灾，防御应付自然能力，及社会制度，文化艺术，发明创造等，对世界影响与贡献。波及民族荣誉，国内开掘研究滚滚浪潮此起彼伏。国外有识之士也十分关注。

现代复原“候风地动仪”主要有以下两个公知方案：

1、王振铎的“直立杆原理”复原方案。

1951年，我国考古学家王振铎采用“直立杆原理”复原并制作了一个木质的“张衡地动仪”展览模型，收在中国历史博物馆，遂广为流传。但该方案存在一些问题，例如不能区别地震的震动与非地震的震动，对震动不够敏感，以及对震动方向的指示时有不符合实际的情况。

2、冯锐的“悬锤原理”复原方案。

2005年，中国科学院研究生院教授冯锐采用“悬锤原理”复原具有测量地震功能的地动仪。悬挂在中央的粗大沉重的都柱，只对水平运动有反应，不怕垂直运动的干扰，能够区别地震引起的震动与非地震引起的震动。地震时，“都柱旁行”，关铜球得以脱落，撞击龙机，实现测震，并呈现“一龙发机。而七首不动”的现象。但该方案的都柱是悬挂着的，与古代中国传统都柱概念不一致。

本发明提供了一种不依附于近现代技术条件按照汉代技术能力条件下，进行的科学的复原，符合张衡地动仪科学技术原理，不受外界非地震因素的干扰；灵敏性高，复原操作很简单，可以实现自动复位，方向性强的张衡候风地动仪。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种不依附于近现代技术条件按照汉代技术能力条件下，进行的科学的复原，符合张衡地动仪科学技术原理，不受外界非地震因素的干扰；灵敏性高，复原操作很简单，可以实现自动复位，方向性强的张衡候风地动仪。

本发明是这样实现的，一种复原张衡候风地动仪，包括尊座、尊体、合盖、受波机构、安装在尊体上呈均匀分布的八条龙体，所述龙体的龙头下颌和上颌内嵌有活动的铜丸，对应每个龙头位置安装在地基上的用于接收铜丸的蟾蜍；其特征在于，所述尊座为中空结构回转体，所述尊座的下部设有底脚，所述尊座的上部设有用于安装尊体的止口；

所述尊体为回转体结构；所述尊体的中心设有都柱，所述都柱伸出尊体的上表面，并且在堵柱的上端部设有锐角顶尖；

在尊体的内表面上下位置均设有八个与尊体和都柱为一体结构的上横梁和下横梁；八个上横梁和八个下横梁均沿圆周方向分布；每个上横梁的下表面沿垂直方向设有立柱，每个下横梁上设有地听安装槽；在上横梁和下横梁之间所述都柱中部靠上位置沿圆周方向均布设有八个支撑梁，所述支撑梁的长度不超过尊体半径的1/3；

所述受波机构包括八个结构相同且呈圆周分布，并做平行向心运动的地听构成，每个地听包括一体结构的主受波体和次受波体以及受波臂，所述次受波体位于主受波体的下端并且向内倾斜；所述受波臂位于主受波体的上部中间位置，并且向内心方向圆弧过渡，在受波臂的端部设有平衡砣挂装环；在受波臂的上表面设有拨爪；上述八个地听的受波臂分别通过第一铰轴安装在下横梁的地听安装槽内；每个地听受波臂端部的平衡砣挂装环上挂装有平衡砣；

所述每个地听均通过施发机关连接龙头下颌，所述施发机关包括动力接收杆、动力传导杆以及执行杆，所述动力接收杆采用l型结构，动力接收杆通过第二铰轴铰接安装在尊体的支撑梁的端部，所述动力接收杆的竖直杆与受波臂上表面的拨爪的外侧面贴合；所述动力接收杆的水平杆延伸至动力传导杆的一端，并且位于动力传导杆的下表面，所述动力传导杆通过第三铰轴安装在上横梁下表面的立柱上，所述动力传导杆的另一端延伸至执行杆的上方，并且与执行杆的上表面贴合，所述执行杆通过第四铰轴铰接在龙头内，执行杆的外端部连接龙头下颌；

所述合盖为球状结构，合盖的下表面设有震响沿，所述震响沿的内壁与尊体外壁留有间隙1-3mm；所述合盖内顶部设有突出部，所述突出部的下表面设有钝角锥槽；堵柱上端部的锐角顶尖插装在钝角锥槽内依点接触方式将合盖顶起。

优选的，平衡砣为中空式结构，其内可增减配重物体。

优选的，所述的都柱对应受波臂的平衡砣挂装环外端端部设有防止受波臂向外运动的限位凸起。

本发明具有的优点和技术效果：本发明按文献的原则，运用科学试验考古的手段，科学复原张衡候风地动仪，证明了科圣张衡在约一千九百年以前发现并成功的认识波的存在，不但能证实张衡候风地动仪真实存在以慰国人，而且还证实伟大的中国人在1700年前就认知地震所产生“波”，比西方国家认知震波约早1500年之久。对“波“的认知，其贡哉，何其伟；其智慧何其丰，今人当骄傲，而惭愧矣！由张衡候风地动仪文献考证研究，绝非“都柱“晃动、摆动的工作形式。而是，震波接受为核心原理的地震记录仪，即：候风地动仪。

本发明复原张衡候风地动仪，符合张衡地动仪科学技术原理，不受外界非地震因素的干扰；灵敏性高，复原操作很简单，可以实现自动复位，方向性强，其它地听不会干扰；在一个方向震波的作用下，对面的地听不会工作，同时相邻的两个地听，因主受波方向地听的向心摆动的特性，一旦受波摆动就限制了相邻的两个地听向心的运动，进而保证具有明确的方向性和地听接受地震波的唯一性，因此每个地听均具有向着堵柱方向单项运动的特点；

接受震波后合盖先震的特点，符合了古代文献中记载的“尊则震”的原理，合盖的受波面积较大，而且是顶点支撑，顶点支撑是一个极其不稳定的状态，在合盖的任意方向受力，均可以使合盖发送震动，进而与尊体发生碰撞发出报警，因此合盖的顶点支撑结构具有极强的灵敏性，同时此结构设计也符合文献记载；

本发明不依附于近现代技术条件按照汉代技术能力条件下，进行的科学的复原，因此本发明具有还原汉代对于地震技术的研究，揭示了汗代科学技术的重要意义。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明去掉龙体结构局部剖视图；

图3是图1中i部放大图；

图4是尊体内部结构示意图；

图5和图6是尊体立体结构示意图；

图7是受波机构结构示意图；

图8是施发机关动作原理图。

图中、1、尊座；1-1、底脚；1-2、止口；2、尊体；2-1、都柱；2-10、限位凸起；2-2、锐角顶尖；2-3、上横梁；2-4、下横梁；2-5、立柱；2-6、地听安装槽；2-7、支撑梁；3、合盖；3-1、震响沿；3-2、突出部；3-3、钝角锥槽；4、受波机构；4-1、地听；4-10、主受波体；4-11、次受波体；4-12、受波臂；4-13、平衡砣挂装环；4-14、拨爪；4-15、第一铰轴；4-2、平衡砣；5、龙体；5-1、龙头下颌；6、铜丸；7、蟾蜍；8、施发机关；8-1、动力接收杆；8-10、竖直杆；8-11、水平杆；8-2、动力传导杆；8-3、执行杆；8-4、第二铰轴；8-5、第三铰轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图8，一种复原张衡候风地动仪，包括尊座1、尊体2、合盖3、受波机构4、安装在尊体上呈均匀分布的八条龙体5，所述龙体的龙头下颌和上颌内嵌有活动的铜丸6，对应每个龙头位置安装在地基上的用于接收铜丸的蟾蜍7；所述尊座为中空结构回转体，所述尊座的下部设有底脚1-1，所述尊座的上部设有用于安装尊体的止口1-2，此止口设计保证了尊座和尊体的安装精度；在实际安装时首先设置基坑，将尊座通过底脚固定在基坑的上部，这样基坑内就形成了一个地震波传导空间；

所述尊体2为回转体结构；所述尊体的中心设有都柱2-1，所述都柱伸出尊体的上表面，并且在堵柱的上端部设有锐角顶尖2-2；

在尊体的内表面上下位置均设有八个与尊体和都柱为一体结构的上横梁2-3和下横梁2-4；八个上横梁和八个下横梁均沿圆周方向分布；每个上横梁的下表面沿垂直方向设有立柱2-5，每个下横梁上设有地听安装槽2-6；在上横梁和下横梁之间所述都柱中部靠上位置沿圆周方向均布设有八个支撑梁2-7，所述支撑梁的长度不超过尊体半径的1/3；

所述受波机构4包括八个结构相同且呈圆周分布，并做平行向心运动的地听4-1构成，每个地听包括一体结构的主受波体4-10和次受波体4-11以及受波臂4-12，主受波体4-10用于接收水平方向传来的地震波，在没有地震的情况下地听处于垂直状态；所述次受波体位于主受波体的下端并且向内倾斜，用于接收倾斜方向上地震波；在一个方向震波的作用下，对面的地听不会工作；同时相邻的两个地听，因主受波方向地听的向心摆动的特性，一旦受波摆动就限制了相邻的两个地听向心的运动，进而保证具有明确的方向性和地听接受地震波的唯一性，因此每个地听均具有向着堵柱方向单项运动的特点；所述受波臂4-12位于主受波体4-10的上部中间位置，并且向内心方向圆弧过渡，在受波臂的端部设有平衡砣挂装环4-13；在受波臂的上表面设有拨爪4-14；上述八个地听的受波臂分别通过第一铰轴4-15安装在下横梁2-4的地听安装槽2-6内；每个地听受波臂端部的平衡砣挂装环上挂装有平衡砣4-2；

所述每个地听均通过施发机关8连接可活动的龙头下颌5-1；所述施发机关8包括动力接收杆8-1、动力传导杆8-2以及执行杆8-3，动力接收杆8-1、动力传导杆8-2以及执行杆8-3利用杠杆原理将力传递至龙头下颌，并使龙头下颌张开，实现铜丸的释放动作；所述动力接收杆8-1采用l型结构，动力接收杆通过第二铰轴8-4铰接安装在尊体的支撑梁2-7的端部，所述动力接收杆8-1的竖直杆8-10与受波臂4-12上表面的拨爪4-14的外侧面贴合；所述动力接收杆8-1的水平杆8-11延伸至动力传导杆8-2的一端，并且位于动力传导杆8-2的下表面，所述动力传导杆8-2通过第三铰轴8-5安装在上横梁2-3下表面的立柱2-5上，所述动力传导杆8-2的另一端延伸至执行杆8-3的上方，并且与执行杆的上表面贴合，所述执行杆通过第四铰轴8-6铰接在龙头内，执行杆的外端部连接龙头下颌5-1；

所述合盖3为球状结构，合盖的下表面设有震响沿3-1，所述震响沿的内壁与尊体外壁留有间隙1-3mm；所述合盖内顶部设有突出部3-2，所述突出部的下表面设有钝角锥槽3-3；堵柱2-1上端部的锐角顶尖2-2插装在钝角锥槽3-3内依点接触方式将合盖顶起。

优选的，平衡砣为中空式结构，其内可增减配重物体。这样可以调整平衡砣的配重。

优选的，所述的都柱对应受波臂的平衡砣挂装环外端端部设有防止受波臂向外运动的限位凸起2-10。采用此结构进一步限制地听向外运动，使得地听只能接收一个方向的地震波，进一步提高本发明具有较强的方向性。

工作原理部分：当地震发生后，地震波传递至基坑内，沿地震波方向的地听接收，合盖就先振动起来，发出振荡激扬的声音，守护者就知道了有地震发生；地听受波后将做绕第一铰轴做向心运动，其它地听不会干扰；此时受波臂将上扬，在拨爪的作用下拨动动力接收杆8-1绕第二铰轴8-4转动，动力接收杆8-1的水平杆将力传递给动力传导杆8-2；动力传导杆8-2将力传递至执行杆8-3，执行杆将带动龙头下颌打开，嵌装在龙头内的铜丸在自重的作用下从龙头内下落至与其对应的蟾蜍口中，而其余的七龙安稳不动，看一看是哪个方向的龙，就知道了地震的方向了。进而验证在一个方向震波的作用下，对面的地听不会工作；同时相邻的两个地听，因主受波方向地听的向心摆动的特性，一旦受波摆动就限制了相邻的两个地听向心的运动，进而保证具有明确的方向性和地听接受地震波的唯一性，因此每个地听均具有向着堵柱方向单项运动的特点；

为进一步了解张衡候风地动仪，下面先对古文献记载的张衡候风地动仪理解和分析进行说明。

张衡候风地动仪，全文《后汉书·张衡传》虽然仅仅196个字，为阐述方便将其分为四个段落，汇报如下:

第一：地动仪发生的时间地点外形特征。

阳嘉元年复造候风地动仪，以精铜铸成。直经八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰似篆文山龟鸟兽之形。

译：在阳嘉的第一年又重新制造了候风地动仪，如何理解“候风”二字是研究地动仪的关键。候：侦测；风：是地震波。文章开宗明义直述了地动仪原理的核心秘密。”候”，解为守望、侦测之意。

第二：讲述了地动仪构造特点：

中有都柱，傍行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐尊中，覆盖周密无际。

译：中间一个粗状的柱子竖立中央，即为都柱；都：都统之意。依傍在柱子周围有八道竖行的机构，对应其外设八条龙，龙首含着铜丸，下面有对应的八只蟾蜍，张着嘴，承接落下来的铜丸，拨牙机关，制做巧妙，可是都隐藏在尊体中，同时，隆起的合盖一点也看不到间隙。此段中有”都柱”的柱，以区别于棍棒之纤细之物。是稳定而粗状之意。都，都统管理与支撑着傍行的八道机关。这些机构都在尊之中，从外看不见。

第三：工作的程序与功能

如有地震，尊则振，龙机发吐丸、而蟾蜍衔之。振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机而七首不动，寻其方面，乃知震之所在，验之以事，合契若神。

译：如果有了地震，尊就先振起来，稍后龙机发动，吐丸落在蟾蜍口中，音声悠扬，工作的伺者就知道了。虽然一方向龙机工作了，其余的不动，是这架仪器的神秘所在。因此，就可以知道地震方向了，曾经验证过与设想的一致。文中“如地动，尊则振”是告诉我们一但地震发生合盖先振动，随后才是龙机发的工作程序。虽然一龙发机吐丸，而且七首不动的特点，印证了地动仪的根本功能，是乃知振之所在。

第四：结果及验证

自书典所记，未之有也，赏一龙发机而地不觉动，京师学者咸怪其无征。后数日驿至果地震陇西，于是皆复其妙。

译：这是有文字记载以来不曾有过的事情。曾经有一次一条龙工作了，吐丸了，而并未觉出地震，大家都指责它不准。然而，几天以后驿站的消息到了，果然在陇西这个地方地震了。于是乎，人们佩服它神妙。

重点语句共三十八个字：

复造，候风，合盖隆起，中有都柱，傍行八道，尊则振，覆盖周密无际，一龙发机而七首不动，震之所在。

复造：再一次制作。候：等侯，侦测；风：震波。

合盖隆起：上面有盖子中间隆起。像倒扣的一口锅；中有都柱：中间有都统着机关的立柱。

覆盖周密无际:指合盖与尊体的结合是一点缝隙都没有。尊则振：尊先振，尊与合盖是两件分体合一的组合件。

一龙发机而七首不动：它有很强的定向性，所以一龙吐丸而其它七首是静止不动的。

文献的解读及分析

说在阳嘉第一年，重新制造了侦测地震波功能的地震记录仪。用很好的青铜铸成的，它的圆径按当时的尺寸为八尺。看上去上面的合盖呀隆起来的，整个形状就像一只酒尊，通身装饰着有篆字，山龟，鸟和兽的图案。

尊体的中间设有一棵粗大稳固的柱子，八道机关傍附其上，准备着实施机关发动的功能，对应的外面设有八条竖龙，龙首的咀里含着铜丸，对应的下面又设有八只蟾蜍。一旦铜丸落下，正好承接。内部的拨牙机关设计的巧妙，制作的精绝，这些都安置在尊体内部，外面一点也看不见，很严密。所以，地动仪的特点是中间是不动的都柱。

一但地震发生，合盖就先振动起来，尊体是稳定不动的，所听到震声是合盖与尊体相互震擅所发出的声音，直观上是尊在震。紧随着机关发动，龙咀张开吐出铜丸，下面的蟾蜍正好承接衔住，发出振荡激扬的声音，守护者就知道了。尤其是一龙发动工作吐丸，而其余的七龙安稳不动，看一看是哪个方向的龙，就知道了地震的方向了，用事实检验设计的科学合理。

张衡候风地动仪理论与原则

第一是以捕获地震波，波能触发的工作原理。进一步探究其文献题目一一候风地动仪。首先，强调了“候风”二字。“风”为何物，是看不见的流动的能量。每当地震发生，井水翻滚，河水升降，井口轰鸣，大地倾动，房摇屋晃，张衡完全可以认定:地下有风，与地面上北风呼啸，风雨雷电，自然会产生联想，认知为“地风”是一切破坏力量的主因。虽然古代没有揭示地震波的手段，但已经强烈的认识这种客观存在的威力。所以，以“风”代“波”，异字相代在古文献上也有先例的。有地风，自然有地听；地听：振波接收器。

第二，文献中如有地动尊则振，随即龙机发吐丸。由此，推断张衡地动仪是两级工作原理：当纵波来临之时，p波在先涌入尊中(自下而上)使隆起的合盖产生振动，形成地震的一次报警，随后而至的横波，s波通过地下涌入尊中，直接冲击正面波源方向的那个“地听”。因为其受力面积大，随即产生振动，而触发关机打开龙口，造成吐丸，而其余的地听接触迎角最大仅为45°。对面的地听全部被遮档屏闭。实现了一龙吐丸而七首不动的指向性功能。

第三，“中有都柱，傍行八道施关发机”，清楚的告诉我们中间这棵柱子只起都统作用，傍附其上的八道机关更不允许都柱晃动。如都柱有动，其八道机关就不能将一龙拨发，而其它七龙不动之原理。由此，推断张衡地动仪是“波动”地动仪的基本原理。

那么地震波能否有效的推动上述的隆起的合盖和下设的受波机构呢？

1.文献在第一段地动仪外形描述中首先强调了“合盖隆起”。然后，又在第二段地动仪构造中记载“覆盖周密无际”两次强调了“盖”字，应解读为器物的盖子，具有遮盖功能的，和尊体是分别两个构造。而中间的都柱，顶端呈锐角，而盖的顶窝呈钝角形成点接触，造成合盖处于不稳定状态。同时，合盖的周边(外径)与尊体的口沿作成“子口”关系(见图)。使合盖被都柱顶浮于上，又虚浮在尊口沿上。这样，为合盖受波产生了振动的相互作用，产生震击发出声音。因此，实现”如有地动，尊则振”，符合人体感知。

直径约1.5m的合盖采用薄壁铸造方法，即使在微振的情况下同样能产生较大振声，符合文献的记载，实现了“如有地动，尊则振”的文献记载。

2.龙机发吐丸的动力，源于地动仪尊内都柱下部所附设的八件地听。我们知道震波的特点，紧随p波的s波因传导速度较慢约3～4公里/秒。所以，与发动合盖振动p波有时间间隔。但是，s波速度稍慢，s波的到来触了地听，而且是只能触发一件。为什么？这与八件地听按置的方位有关；如果地听呈八角形似对应其八道机关，正对的地听受波面为百分之百，而其余的地听最大受波面积仅为45％，与主受波面相对应的地听，完全被覆盖和遮档无法受波；完全实现了”一龙吐丸，而七首不动”。

第四，这一段的关键词是“偿一龙发机而地不觉动”，是描述地动仪的灵敏波，因此，推断对三级以下地震能够接受这应当是张衡地动仪神妙所在。

因此我们认为张衡候风地动仪显著的实际功能：1.人未觉尊则振；2.一龙发机而七首不动；3.尊则振，龙机发；而这些功能的实现是地震波接受装置决定的。

地震波的特性:地震波是次声波，而次声波人类是听不到，动物有其特殊功能。如果说地震波是混合全频粒子波在传输过程中，大部分衰减消失。只有底频波具有极大的穿透性，而无声(听不到)。才能实现文献所述的“尝一龙机发，而地不觉动”，这是地动仪的科学内函。

本发明复原张衡候风地动仪，符合张衡地动仪科学技术原理，不受外界非地震因素的干扰；灵敏性高，复原操作很简单，可以实现自动复位，方向性强，其它地听不会干扰；在一个方向震波的作用下，对面的地听不会工作，同时相邻的两个地听，因主受波方向地听的向心摆动的特性，一旦受波摆动就限制了相邻的两个地听向心的运动，进而保证具有明确的方向性和地听接受地震波的唯一性，因此每个地听均具有向着堵柱方向单项运动的特点；

接受震波后合盖先震的特点，符合了古代文献中记载的“尊则震”的原理，合盖的受波面积较大，而且是顶点支撑，顶点支撑是一个极其不稳定的状态，在合盖的任意方向受力，均可以使合盖发送震动，进而与尊体发生碰撞发出报警，因此合盖的顶点支撑结构具有极强的灵敏性，同时此结构设计也符合文献记载；

本发明不依附于近现代技术条件按照汉代技术能力条件下，进行的科学的复原，因此本发明具有还原汉代对于地震技术的研究，揭示了汗代科学技术的重要意义。

在本申请文件中部分部件名称采用古文献记载，属于本领域技术人员公认。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。