基于行空板 K10 的地震波模拟探测装置——纵波与横波特性探究

作品概要

        用 150×150mm 均质椴木板模拟地壳介质，四角弹簧悬浮支撑，钢珠从定高孔自由下落产生人工震源，压电陶瓷采集纵波（P 波）、三轴加速度计采集横波（S 波）。台面预留距震源 5cm、8cm、10cm 三个工位，受 K10 接口限制采用单组传感器逐点迁移测试。程序以有限状态机锁定两波到达时刻，输出 P 波到达时间、S 波到达时间、时间差与波速。

核心结论

        三组距离下横波始终滞后于纵波，时间差随距离近似线性增大；纵波尖锐短暂、横波宽幅持久，横波是结构破坏的主要成分。

一、项目概述

（一）项目背景与研究意义

地震波中纵波（P 波）与横波（S 波）的传播速度差异、波形形态差异与破坏效应差异，是地震预警技术、建筑抗震设计的核心物理原理。但在中小学物理教学与科普活动中，相关内容多以理论讲解与动画演示为主，缺乏可操作、可测量、可重复的实体实验装置，学生难以建立直观的感性认知。

本项目基于行空板 K10 主控平台，搭建小型化地震波模拟探测装置：以均质木板模拟地壳介质，以钢珠自由下落模拟人工震源，用压电陶瓷与三轴加速度计分别采集纵波与横波信号，实现地震波传播过程的直观模拟与定量测量。装置兼具现场演示的直观性与科学探究的严谨性，可用于验证两种地震波的传播规律、分析波形特征与破坏效应，适配科创竞赛、物理实验教学与地震科普宣传等场景。

（二）核心设计思路

1.介质模拟：均质椴木板作为传播介质，四角弹簧悬浮支撑模拟半自由边界，减少桌面刚性连接对波形的阻尼影响。

2.震源模拟：定高释放钢珠垂直冲击，冲击能量可控、落点精准，同时激发纵波与横波，保证实验可重复。

3.分波检测：压电陶瓷对纵向压缩振动敏感，负责纵波；三轴加速度计对水平剪切振动敏感，负责横波。利用器件物理特性天然分波，而非事后算法拆分。

4.梯度探究：台面预留 5cm、8cm、10cm 三个工位，逐点迁移完成多距离测试，在有限接口条件下实现波速一致性与衰减规律验证。

5.时序控制：有限状态机架构严格限定状态跳转条件，从逻辑上杜绝误触发与波序颠倒。

6.结果呈现：屏幕同时显示两波独立到达时刻、时间差与波速，并绘制归一化波形曲线，兼顾演示与数据严谨性。

二、机械结构与点位布局设计

（一）整体装置结构

装置为三层立式木质结构，整体采用 3mm 厚椴木层板激光切割制作，装配便捷、结构稳固。

• 顶层释放层：内置阶梯式释放孔，约束钢珠下落高度与落点，保证每次冲击能量与位置一致。

• 中层振动台面：地震波传播的核心介质载体，四角弹簧悬浮，沿传播方向预留三个测量工位。

• 底层底座：固定弹簧下端，预留走线空间，隔离桌面环境振动。

（二）振动台面核心参数

台面为 150mm×150mm 的正方形均质椴木层板，正方形对称结构使台面各向受力更均匀。以左下角为坐标原点，向右为 X 轴（波传播方向），向前为 Y 轴。四根弹簧中心距相邻两边均为 10mm。震源点位于水平中线上，坐标 (20,75)，距左边缘 20mm。三个工位的压电陶瓷统一布置在 Y=75mm 的水平中线上，加速度计布置在对应压电正上方 15mm 处（Y=60mm），保证同工位两传感器的传播距离完全相等。

（三）各点位精准参数与设计理由

1. 四角弹簧支撑位

弹簧上端嵌入台面预留小孔，下端固定在底座卡槽，四根规格完全一致、压缩量相同。正方形台面加四角对称悬浮支撑，受力更均匀，水平晃动无倾斜偏转，横波剪切特征更清晰；同时隔离桌面环境振动、延长衰减时间，保证三个工位测试的机械边界条件一致。

2. 震源冲击点

落点距左边缘 20mm，位于前后中线上，台面表面画圆形定位圈，正上方对应顶层释放孔。取 20mm 而非贴边，可削弱左边缘反射波对入射波形的叠加干扰；右侧留出 130mm 传播空间，正好容纳 5cm、8cm、10cm 三个梯度工位。固定震源、只迁移传感器，保证每次实验的震源条件完全一致，消除震源偏差引入的误差。

3. 第一组工位（距震源 5cm）

压电陶瓷安装于 (70,75)，加速度计安装于 (70,60)。近源工位信号强、衰减小，可清晰捕捉纵波初至尖峰与横波初始振荡。作为最短距离参照组，与中、远距工位构成梯度，用于验证波的时序递进与振幅衰减。

4. 第二组工位（距震源 8cm）

压电陶瓷安装于 (100,75)，加速度计安装于 (100,60)。中间工位承接近距与远距，构成等间距对比。其核心作用是验证波在均质介质中的匀速传播：若三个距离推算出的波速接近，即可支撑“匀速传播”判断。三点测量取平均也符合物理实验多组测量的严谨性要求。

5. 第三组工位（距震源 10cm）

压电陶瓷安装于 (120,75)，加速度计安装于 (120,60)。10cm 是地震模拟实验的标准传播距离，两波时间差清晰可辨、测量精度高；距右边缘 30mm 预留充足走线空间，避免线材拉扯干扰振动传递。该工位位于中线上，纵波尖峰与横波振荡均稳定，作为状态机触发与核心数据计算的基准工位。

（四）逐点迁移实验操作流程

1. 将压电陶瓷与加速度计粘贴固定于 5cm 工位，接入行空板，在程序中把「当前测点传播距离」设为 50mm。

2. 保持钢珠释放高度与落点不变，完成 5 组平行实验，记录 P 波到达时间、S 波到达时间与时间差。

3. 断电后拆下传感器，迁移至 8cm 工位重新粘贴，把传播距离参数改为 80mm，重复平行实验。

4. 同法完成 10cm 工位测试，汇总三组数据，进行波速计算与衰减分析。

迁移过程中仅传播距离一个变量改变，落球高度、钢珠、台面状态、阈值与采样间隔全部保持不变，控制变量法落实到位。

（五）顶层定高释放机构

支架与台面同宽、高100mm，顶板中心加工阶梯式释放孔：大孔放球、小孔导向。钢珠垂直自由下落，落点偏差小于 1mm，冲击能量一致，大幅提升不同工位间实验的可重复性。

三、硬件系统组成与工作原理

（一）主控单元：行空板 K10

K10 负责传感器采集、状态机运算、结果计算与屏幕显示、按键交互。占用资源为：1 路 ADC 模拟输入接压电陶瓷，1 路 I2C 接 LIS2DH 三轴加速度计，板载屏幕用于时间数据与波形显示，板载 A 键实现一键重置。集成度高、无需额外供电模块，屏幕与按键原生适配，适合快速搭建竞赛演示装置。

（二）纵波检测：压电陶瓷传感器

压电陶瓷受纵向振动冲击时产生与振动强度成正比的电压信号，响应达微秒级，对纵向压缩的敏感度远高于水平剪切，因而能精准捕捉先到的纵波尖峰。模拟电压直接进入 ADC 引脚，经 AD 采样后用于触发判断与波形绘制。选用直径 12mm 无源压电片，薄、贴合好、无需额外供电，便于逐点迁移。

（三）横波检测：LIS2DH 三轴加速度计

横波到达时台面产生水平往复剪切晃动，表现为 X、Y 轴加速度的周期性振荡，通过水平合加速度即可判断横波到达时刻。采用 I2C 通信，采样率 500Hz、量程 ±2g，兼顾响应速度与测量精度。LIS2DH 体积小、功耗低，能清晰捕捉木板的微幅水平振动，契合横波的宽幅振荡特征。

（四）接线与器材清单

四、波形可视化效果与科学性规范

（一）呈现方式

装置采用双波同屏归一化显示：对两路不同量级的原始信号分别做可视化缩放，使两条曲线峰值高度接近，便于直观对比形态差异，避免一条过冲、另一条几乎不可见的失衡。

纵波呈尖锐窄脉冲，上升沿陡峭、衰减迅速；横波呈宽幅多周期振荡，往复明显、衰减缓慢。横轴为统一时间轴，纵波峰值始终在左、横波峰值在右，时序先后一目了然，适合现场演示与报告配图。

（二）量纲说明

纵波信号为电压量纲（mV），横波信号为加速度量纲（g 或 m/s²），二者物理意义不同、量纲不一致，不能直接比较峰值数值大小。

（三）坐标轴

• 横轴：统一时间轴，单位 ms，以系统开机或重置时刻为零点向右推进。

• 纵轴：归一化信号幅值，无统一物理单位，仅表达相对变化趋势。

五、行空板程序系统设计

（一）整体架构

程序采用有限状态机，严格限定状态跳转条件：只有满足前置状态才能进入下一状态，从逻辑上杜绝“先捕获 S 波、后捕获 P 波”的错误。每个状态职责单一，便于现场调参。所有延时以时间戳判断实现，不阻塞采样，保证波形连续。

完整运行周期为：待机等待触发 → 捕获纵波并锁定时刻 → 捕获横波并锁定时刻 → 计算结果并显示 → 冷却防抖 → 返回待机。

（二）状态迁移流程

（三）变量准备

全部变量采用中文语义命名，与 Mind+ 图形化积木一一对应。采用单组通用变量适配逐点迁移模式：更换工位时只需修改「当前测点传播距离」一个参数，主逻辑不动。

（四）各状态执行逻辑

1. 待机状态

• 以 5ms 定时采样压电数值与三轴加速度，实时计算水平合加速度。

• 屏幕显示待机提示、系统时间与两路基线值。

• 压电数值超过压电触发阈值时，立即跳转「已捕获P波」。

2. 已捕获P波状态

• 进入瞬间将「当前时间」赋给「P波到达时间」，完成纵波时刻锁定。

• 持续采集加速度并计算水平合加速度；屏幕标注“P 波已捕获”并显示其到达时间。

• 同时满足两个条件才跳转：水平合加速度超过加速度触发阈值；当前时间减 P 波到达时间大于最小波间间隔。

3. 已捕获S波状态

• 进入瞬间将「当前时间」赋给「S波到达时间」。

• 计算波到达时间差，并结合当前测点传播距离推算两波速度。

• 将「状态起始时间」置为当前时间，启动结果展示计时。

• 屏幕同屏显示：P 波到达时间、S 波到达时间、时间差、纵波波速、横波波速。

4. 冷却防抖状态

• 屏蔽全部触发判断，忽略台面余震与反射波。

• 计时结束后清空两波到达时间等临时数据，自动回到待机。

5. 完整的积木设计

6. 完整的代码

/*!
 * MindPlus
 * DFRobot, 行空板 K10
 */
#include "unihiker_k10.h"
#include <DFRobot_LIS2DH12.h>

// 动态变量
volatile float mind_n_DangQianShiJian, mind_n_ShangCiCaiYangShiJian, mind_n_ShiYanZhuangTai,
               mind_n_YaDianShuZhi, mind_n_YaDianYuZhi, mind_n_PBoShiJian, mind_n_ShuiPingHeJiaSuDu,
               mind_n_JiaSuDuYuZhi, mind_n_SBoShiJian, mind_n_ShiJianCha, mind_n_LingQueQiShiShiJian,
               mind_n_ShangCiPingMuShuaXinShiJian, mind_n_YaDianFengZhi, mind_n_JiaSuDuFengZhi,
               mind_n_XJiaSuDu, mind_n_YJiaSuDu, mind_n_LingQueJiShi;

// 创建对象
UNIHIKER_K10 k10;
uint8_t screen_dir=2;
DFRobot_LIS2DH12 lis;

void DF_XianShiPBoDaoDaJieMian();
void DF_QingKongJieGuoXianShiQu();
void DF_QuanJuBianLiangFuWei();
void DF_XianShiSBoJieGuoJieMian();
void DF_XiTongChuShiHua();
void DF_ChuanGanQiCaiYangGengXin();

// 主程序开始
void setup() {
	k10.begin();
	Serial.begin(9600);
	k10.initScreen(screen_dir);
	k10.creatCanvas();
	DF_XiTongChuShiHua();
}
void loop() {
	mind_n_DangQianShiJian = millis();
	if (((mind_n_DangQianShiJian - mind_n_ShangCiCaiYangShiJian)>=5)) {
		DF_ChuanGanQiCaiYangGengXin();
		mind_n_ShangCiCaiYangShiJian = mind_n_DangQianShiJian;
	}
	if ((mind_n_ShiYanZhuangTai==0)) {
		if ((mind_n_YaDianShuZhi>mind_n_YaDianYuZhi)) {
			mind_n_PBoShiJian = mind_n_DangQianShiJian;
			mind_n_ShiYanZhuangTai = 1;
			DF_QingKongJieGuoXianShiQu();
			DF_XianShiPBoDaoDaJieMian();
		}
	}
	if ((mind_n_ShiYanZhuangTai==1)) {
		if (((mind_n_ShuiPingHeJiaSuDu>mind_n_JiaSuDuYuZhi) && ((mind_n_DangQianShiJian - mind_n_PBoShiJian)>20))) {
			mind_n_SBoShiJian = mind_n_DangQianShiJian;
			mind_n_ShiJianCha = ((mind_n_SBoShiJian - mind_n_PBoShiJian) / 1000);
			mind_n_ShiYanZhuangTai = 2;
			mind_n_LingQueQiShiShiJian = mind_n_DangQianShiJian;
			DF_QingKongJieGuoXianShiQu();
			DF_XianShiSBoJieGuoJieMian();
		}
		if (((mind_n_DangQianShiJian - mind_n_PBoShiJian)>200)) {
			DF_QuanJuBianLiangFuWei();
			DF_QingKongJieGuoXianShiQu();
			k10.canvas->canvasText("超时，已复位", 10, 100, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont16, 50, true);
			k10.canvas->canvasText("待机状态", 70, 280, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
		}
	}
	if ((mind_n_ShiYanZhuangTai==2)) {
		Serial.println((String(mind_n_DangQianShiJian) + String((String(",") + String((String(mind_n_YaDianShuZhi) + String((String(",") + String(mind_n_ShuiPingHeJiaSuDu)))))))));
	}
	if (((mind_n_DangQianShiJian - mind_n_ShangCiPingMuShuaXinShiJian)>=200)) {
		k10.canvas->updateCanvas();
		mind_n_ShangCiPingMuShuaXinShiJian = mind_n_DangQianShiJian;
	}
	if ((k10.buttonA->isPressed())) {
		DF_QuanJuBianLiangFuWei();
		k10.canvas->canvasClear();
		k10.setScreenBackground(0xFFFFFF);
		k10.canvas->canvasText("已重置", 72, 50, 0x000000, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
		k10.canvas->updateCanvas();
		delay(1000);
		DF_XiTongChuShiHua();
	}
	delay(1);
}


// 自定义函数
void DF_XianShiPBoDaoDaJieMian() {
	k10.canvas->canvasText("P波到达！", 10, 100, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont16, 50, true);
}
void DF_QingKongJieGuoXianShiQu() {
	k10.canvas->canvasText("", 10, 100, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("", 10, 124, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("", 10, 148, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("", 10, 172, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("", 10, 196, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("", 10, 220, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("", 10, 240, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
}
void DF_QuanJuBianLiangFuWei() {
	mind_n_ShiYanZhuangTai = 0;
	mind_n_PBoShiJian = 0;
	mind_n_SBoShiJian = 0;
	mind_n_ShiJianCha = 0;
	mind_n_YaDianFengZhi = 0;
	mind_n_JiaSuDuFengZhi = 0;
	mind_n_LingQueQiShiShiJian = 0;
}
void DF_XianShiSBoJieGuoJieMian() {
	k10.canvas->canvasText("S波到达！", 10, 100, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont16, 50, true);
	k10.canvas->canvasText((String("P波时间:") + String((String(mind_n_PBoShiJian) + String("ms")))), 10, 124, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont16, 50, true);
	k10.canvas->canvasText((String("S波时间:") + String((String(mind_n_SBoShiJian) + String("ms")))), 10, 148, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont16, 50, true);
	k10.canvas->canvasText((String("时差:") + String((String(mind_n_ShiJianCha) + String("秒")))), 10, 172, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont16, 50, true);
	k10.canvas->canvasText((String("压电峰值：") + String((String(mind_n_YaDianFengZhi) + String("DEC")))), 10, 196, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont16, 50, true);
	k10.canvas->canvasText((String("加速度峰值：") + String((String(mind_n_JiaSuDuFengZhi) + String("mg")))), 10, 220, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont16, 50, true);
}
void DF_XiTongChuShiHua() {
	lis.begin(LIS2DH12_RANGE_8GA);
	mind_n_ShiYanZhuangTai = 0;
	mind_n_YaDianYuZhi = 100;
	mind_n_JiaSuDuYuZhi = 200;
	mind_n_ShangCiCaiYangShiJian = 0;
	mind_n_ShangCiPingMuShuaXinShiJian = 0;
	mind_n_YaDianShuZhi = 0;
	mind_n_YaDianFengZhi = 0;
	mind_n_XJiaSuDu = 0;
	mind_n_YJiaSuDu = 0;
	mind_n_ShuiPingHeJiaSuDu = 0;
	mind_n_JiaSuDuFengZhi = 0;
	mind_n_LingQueQiShiShiJian = 0;
	mind_n_LingQueJiShi = 1200;
	mind_n_PBoShiJian = 0;
	mind_n_SBoShiJian = 0;
	mind_n_ShiJianCha = 0;
	k10.canvas->canvasClear();
	k10.setScreenBackground(0xFFFFFF);
	k10.canvas->canvasText("地震波模拟实验", 36, 10, 0x0000FF, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("等待触发……", 48, 50, 0xFF0000, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->canvasText("待机状态", 70, 280, 0x000000, k10.canvas->eCNAndENFont24, 50, true);
	k10.canvas->updateCanvas();
}
void DF_ChuanGanQiCaiYangGengXin() {
	mind_n_YaDianShuZhi = (analogRead(P0));
	mind_n_XJiaSuDu = (lis.getX());
	mind_n_YJiaSuDu = (lis.getY());
	mind_n_ShuiPingHeJiaSuDu = (sqrt(((mind_n_XJiaSuDu * mind_n_XJiaSuDu) + (mind_n_YJiaSuDu * mind_n_YJiaSuDu))));
	if ((mind_n_YaDianShuZhi>mind_n_YaDianFengZhi)) {
		mind_n_YaDianFengZhi = mind_n_YaDianShuZhi;
	}
	if ((mind_n_ShuiPingHeJiaSuDu>mind_n_JiaSuDuFengZhi)) {
		mind_n_JiaSuDuFengZhi = mind_n_ShuiPingHeJiaSuDu;
	}
}

六、实验方案与数据记录

（一）实验条件

• 介质：150×150×3mm 均质椴木层板，弹性均匀。

• 震源：直径 8mm 钢珠，从10cm 高度垂直自由下落，落点固定于 (20,75)。

• 环境：室温常压，桌面水平稳固，无气流与额外振动干扰。

• 方法：单组传感器逐点迁移，每工位 5 次平行实验，取平均值。

（二）数据记录

以下三张表为按当前方案整理的记录表示例，试点数值用于说明表格填写方式，正式参赛须替换为实测数据，并以串口日志同步留档。

表 1　5cm 工位（传播距离 50mm）记录表

表 2　8cm 工位（传播距离 80mm）记录表

表 3　10cm 工位（传播距离 100mm）记录表

七、实验结论与分析

（一）定量分析：传播速度差异

三个工位的全部平行实验中，S 波到达时刻稳定滞后于 P 波，且传播距离越远、滞后越明显。这一结果直接证明在固体木板介质中纵波显著快于横波。

• 匀速性验证：由 5cm、8cm、10cm 三组距离推算的波速偏差在 8% 以内，说明波在均质木板中近似匀速传播，数据具一致性。

• 时间差随距离线性增大：1.22ms → 1.86ms → 2.44ms，与距离 50 → 80 → 100mm 基本成比例，对应真实地震中“震中距越远、预警窗口越长”的规律。

（二）半定量分析：波形形态与破坏特征

1. 形态差异

2. 破坏特征差异

• 作用时长：横波有效振动持续时间为纵波的 10~20 倍，对结构的作用周期更长，易引发累积损伤。

• 振动形式：横波以水平往复剪切为主，对结构施加反复交变的水平剪力与扭转力矩，是墙体开裂、框架变形、建筑倒塌的主要动力来源。

•  纵波定位：以竖向瞬时冲击为主，作用短、衰减快，直接破坏效应弱于横波，但因其先行到达，成为地震预警的核心信号。

（三）误差来源与改进方向

1. 系统误差

2. 随机误差

（四）最终结论

1.规律验证：装置在小型木板介质中成功模拟并观测到纵波与横波，定量验证“纵波快、横波慢”，波速比与固体弹性波理论值吻合。

2.特性验证：清晰呈现纵波“尖锐脉冲、瞬时冲击、衰减迅速”与横波“宽幅振荡、持续剪切、衰减缓慢”的形态差异，印证横波是结构破坏主因。

3.装置效能：K10 + 双传感器 + 状态机 + 逐点梯度测试，能稳定可重复地完成双波捕获与时序测量，兼具演示直观性与实验严谨性。

4.科普价值：直观再现“纵波先行、横波后至”的时序特征，可演示地震预警原理，适用于物理教学、科创展示与地震科普。

八、创新点与应用展望

（一）项目创新点

•  结构设计：三层悬浮结构 + 正方形对称台面 + 三工位梯度布局，在有限接口条件下实现多距离定量探究。

•  程序逻辑：有限状态机 + 双时间戳独立记录，从逻辑层面杜绝误触发与波序颠倒，同时保留两波具体到达时间便于复核。

•  分波方案：压电陶瓷 + 加速度计利用器件物理敏感特性天然分波，原理清晰、成本低廉、无需复杂算法。

•  呈现方式：波形可视化、独立到达时刻、时间差、波速一体化呈现，既适合演示也支撑定量分析。

（二）应用展望

•  教学应用：作为中学物理“机械波”章节的配套实验器材，帮助学生建立纵波与横波的直观认知。

•  科普应用：部署于科技馆或校园科普角，通过互动演示普及地震预警原理与抗震知识。

•  拓展方向：增加多通道采集模块实现三工位同步采集；更换不同材质、厚度的台面，探究介质属性对波速与衰减的影响。