Sismomètre

Les sismomètres de que (dans les seismos grecs de = metero de tremblement de terre et de = mesure) sont des instruments qui mesurent et enregistrent des mouvements de la terre, y compris ceux des ondes sismiques produites par les explosions nucléaires des tremblements de terre , et d'autres disques séismiques des sources des ondes sismiques permettent des sismologistes de à de tracer l'intérieur de la terre, et localisent et mesurent la taille de ces différentes sources.

Le sismographe est un autre terme utilisé pour le sismomètre, bien qu'il s'applique au des instruments plus anciens en lesquels la mesure et l'enregistrement du mouvement de terrain ont été combinés que aux systèmes modernes, dans lesquels ces fonctions sont séparées. Les deux types fournissent un disque continu de mouvement de terrain ; ceci les distingue des seismoscopes , qui indiquent simplement cela le mouvement s'est produit, peut-être avec une certaine mesure simple d'à quel point grand il était.

Principes de base

Les sismomètres à inertie ont :
La masse du

A, habituellement appelée le la masse à inertie , qui peut se déplacer relativement à l'armature d'instrument, mais est attachée à elle par un système (tel qu'un ressort) qui le jugera fixe relativement à l'armature s'il n'y a aucun mouvement, et amortir également tous les mouvements une fois que le mouvement de l'armature s'arrête.
Les moyens d'enregistrer le mouvement de la masse relativement à l'armature, ou la force ont dû la garder du déplacement.

N'importe quel mouvement de la terre déplace l'armature. La masse tend à ne pas se déplacer en raison de son inertie, et en mesurant le mouvement entre l'armature et la masse le mouvement de la terre peut être déterminé, quoique la masse se déplace.

Les sismomètres tôt ont employé les leviers optiques ou les tringleries pour amplifier les petits mouvements impliqué, enregistrant sur le papier de papier ou photographique suie-couvert.

L'électronique moderne d'utilisation d'instruments. Dans quelques systèmes, la masse est jugée presque immobile relativement à l'armature par une boucle de contre-réaction négative de électronique . Le mouvement de la masse relativement à l'armature est mesuré, et la boucle de contre-réaction applique une force magnétique ou électrostatique pour maintenir la masse presque immobile. La tension requise pour produire cette force est le rendement de le sismomètre, qui est enregistré digitalement. D'autres systèmes on permet à la la masse de se déplacer, et son mouvement produit une tension dans un enroulement attaché à la masse et au déplacement par le champ magnétique d'un aimant attaché à l'armature. Cette conception est employée souvent dans les géophones utilisés dans des aperçus séismiques pour le pétrole et le gaz.

Les observatoires séismiques professionnels ont habituellement des instruments mesurer trois haches : au nord-sud, est-ouest, et up-down. Si seulement un axe peut être mesuré, c'est habituellement la verticale parce qu'il est moins bruyant et donne de meilleurs disques de quelques ondes sismiques.

La base d'une station séismique est critique. Une station professionnelle est parfois montée sur la roche en place. Les meilleurs supports peuvent être dans les forages profonds, qui évitent des effets thermiques, le bruit au sol et l'inclinaison du temps et des marées. L'amateur, ou les instruments moins exotiques sont souvent montés dans des clôtures isolées sur de petits piliers enterrés de béton non renforcé. Le renforcement des tiges et des agrégats tordrait le pilier comme changements de température. Un emplacement devrait toujours être examiné pour le bruit au sol avec une installation provisoire avant de verser le pilier et étendre le conduit.

Sismomètre de Zhang Heng

Dans le 132 , le Zhang Heng de la dynastie de Han du de la Chine a inventé le premier sismomètre, appelé Houfeng Didong Yi (instrument de Lit. pour mesurer les vents saisonniers et les mouvements de la terre). Au moyen d'une réaction en chaîne mécanique provoquée par la vibration lourde de la terre pendant un tremblement de terre, un mécanisme du pendule dans le sismomètre cuivre-encadré et urne-shaped balancerait et activerait une série de leviers. Ceci à leur tour laisserait tomber finalement une boule en laiton sphérique d'une dragon-bouche artificielle du dessus de l'urne dans une crapaud-bouche artificielle ci-dessous, signifiant la direction cardinale du tremblement de terre. L'utilisation de ce dispositif a été enregistrée dans le texte historique du livre de de plus défunt Han .

Un exemple tôt

Le principe peut être montré par un sismomètre tôt de but spécial. Ceci s'est composé d'un grand pendule stationnaire , avec une aiguille sur le fond. Pendant que la terre commence à se déplacer, la masse lourde du pendule a l'inertie à rester toujours dans la vue de de la non-terre de la référence . Le résultat est que l'aiguille raye un modèle correspondant au mouvement de terrain. Ce type de sismomètre fort de mouvement enregistré sur un verre fumé (verre avec suie de carbone). Tandis qu'assez non sensible pour détecter des tremblements de terre éloignés, cet instrument a pu indiquer la direction des vagues initiales de pression et aider ainsi à trouver l'épicentre d'un &mdash local de tremblement de terre ; de tels instruments étaient utiles dans l'analyse du tremblement de terre 1906 de San Francisco . Davantage d'analyse a été effectuée dans les années 80 using ces enregistrements tôt, permettant une détermination plus précise de l'endroit initial de coupure de défaut dans le comté de Marin de et sa progression suivante, la plupart du temps aux sud.

Premières conceptions

Après 1880, la plupart des sismomètres ont été descendus de ceux développés par l'équipe de John Milne , de James Alfred Ewing et de Thomas gris, qui a fonctionné ensemble dans le Japon de 1880-1895. Ces sismomètres ont utilisé les pendules horizontaux atténués. Plus tard, après la deuxième guerre mondiale, ceux-ci ont été adaptés dans l'employé couramment Pressent-Ewing le sismomètre.

Plus tard, les suites professionnelles des instruments pour le réseau sismographique standard mondial ont eu un ensemble d'instruments accordés pour osciller à quinze secondes, et l'autre à quatre-vingt-dix secondes, chaque ensemble mesurant dans trois directions. Les amateurs ou les observatoires avec des moyens limités ont accordé leurs plus petits, moins sensibles instruments à dix secondes.

Le sismomètre horizontal atténué de base de pendule balance comme la porte d'une barrière. Un poids lourd est monté sur le point d'une longue (de 10 cm à plusieurs mètres) triangle, articulée à son bord vertical. Pendant que la terre se déplace, le poids reste unmoving, balançant le " ; gate" ; sur la charnière.

L'avantage d'un pendule horizontal est qu'il réalise des fréquences de l'oscillation dans un instrument compact. Le " ; gate" ; est légèrement incliné, ainsi le poids tend à retourner lentement à une position centrale. Le pendule est ajusté (avant que l'atténuation est installée) pour osciller une fois par seconde trois, ou une fois par seconde trente. Les instruments d'usage universel de petits stations ou amateurs oscillent habituellement une fois par seconde dix. Une casserole d'huile est placée sous le bras, et une petite feuille de métal montée sur le dessous du bras traîne dans l'huile pour atténuer des oscillations. Le niveau de l'huile, position sur le bras, et angle et taille de feuille est ajusté jusqu'à ce que l'atténuation soit " ; critique, " ; c'est-à-dire, presque ayant l'oscillation. La charnière est frottement très bas, souvent fils de torsion, ainsi le seul frottement est le frottement interne du fil. De petits sismographes avec les basses masses de preuve sont placés dans un vide pour réduire des perturbations des courants d'air.

Zollner a décrit les pendules horizontaux torsionally-suspendus dès 1869, mais développé leur pour la gravimétrie plutôt que seismometry.

Les sismomètres tôt ont eu un arrangement des leviers sur les paliers montés sur pièces précieuses, pour rayer le verre fumé ou le papier. Plus tard, les miroirs ont reflété un faisceau lumineux à un plat de diriger-enregistrement ou à un rouleau de papier photographique. Brièvement, quelques conceptions sont revenues aux mouvements mécaniques à l'argent de sauvegarde. En systèmes de mi-vingtième-siècle, la lumière a été réfléchie à une paire de photodétecteurs électroniques différentiels appelés un photomultiplicateur. La tension produite dans le photomultiplicateur a été employée pour conduire les galvanomètres qui ont eu un petit miroir monté sur l'axe. Le faisceau lumineux reflété en mouvement heurterait la surface du tambour de rotation, qui a été couvert de papier photosensible. Les dépenses du papier sensible se développant de photo ont fait commuter beaucoup d'observatoires séismiques à l'encre ou au papier thermique-sensible.

Instruments modernes

Sondes électroniques d'utilisation moderne d'instruments, amplificateurs, et instruments enregistreurs. Les la plupart sont à bande large, couvrant un éventail de fréquences : quelques sismomètres peuvent mesurer des mouvements avec des fréquences de 30 hertz (0.03 seconde par cycle) à 1/850 hertz (850 secondes par cycle). La suspension mécanique pour les instruments horizontaux demeure la jardin-porte décrite ci-dessus. Les instruments verticaux emploient un certain genre de suspension de constant-force, telle que la suspension de LaCoste qui emploie a ressort de zéro-longueur de pour fournir une longue période (sensibilité élevée).

Les sismomètres présentent inévitablement une certaine déformation dans les signaux qu'ils mesurent, mais les systèmes professionnel-conçus soigneux-ont caractérisé la fréquence transforme.

Les sensibilités modernes viennent dans trois larges gammes : Géophones 50 à 750 V /m de ; sismographes géologiques locaux, environ 1.500 V/m ; et les teleseismographs, utilisés pour l'enquête du monde, environ 20.000 instruments de V/m. viennent dans trois variétés principales : période courte, longue période et bande large. La vitesse de mesure de période courte et longue et sont très sensible, toutefois elles « coupent » ou disparaissent hors échelle pour le mouvement de terrain qui est assez fort pour être senti par des personnes. Des 24 canaux analogique-numérique de conversion de bit sont banaux. Les dispositifs pratiques sont linéaires rudement à une partie par million.

Les seismogmeters livrés viennent avec deux modèles de rendement : analogue et numérique. Les sismographes analogues exigent les appareils de contrôle de contrôle analogues, probablement comprenant un convertisseur analogique-numérique. Les sismographes de Digitals branchent simplement aux ordinateurs. Ils présentent les données sous les formes numériques standard (souvent " ; SE2" ; au-dessus de l'Ethernet ).

Teleseismometers

Le sismographe à bande large moderne peut enregistrer une gamme très large des fréquences . Il se compose d'une petite « masse de preuve », confinée par les forces électriques, conduites par l'électronique sophistiquée . Comme la terre se déplace, la tentative de l'électronique de juger la masse régulière par un circuit de la rétroaction . La force nécessaire pour réaliser ceci est alors enregistrée.

Dans la plupart des conceptions l'électronique juge une masse immobile relativement à l'armature. Ce dispositif s'appelle un " ; Équilibre Accelerometer" de force ;. Il mesure l'accélération au lieu de la vitesse du mouvement au sol. Fondamentalement, la distance entre la masse et une certaine partie de l'armature est mesurée très avec précision, par un transformateur différentiel variable linéaire . Quelques instruments utilisent un condensateur différentiel variable linéaire ).

Que la mesure est alors amplifiée par les amplificateurs électroniques a attaché aux parties d'une boucle de contre-réaction négative de électronique . Un des courants amplifiés de la boucle de contre-réaction négative conduit un enroulement très comme un haut-parleur , sauf que l'enroulement est attaché à la masse, et l'aimant est monté sur l'armature.

Le résultat est que la masse reste presque immobile.

La plupart des instruments mesurent directement le mouvement de terrain using la sonde de distance.

La tension a produit dans une certaine mesure de l'enroulement sur la masse par l'aimant mesure directement la vitesse instantanée de la terre.

Le courant à l'enroulement d'entraînement fournit un sensible, mesure précise de la force entre la masse et armature, de ce fait directement mesurant l'accélération de la terre (using F=MA de physique de base ).

Un des problèmes continus avec les sismographes verticaux sensibles est la flottabilité de leurs masses. Les changements inégaux de la pression provoquée par le vent soufflant sur une fenêtre ouverte peuvent facilement changer la densité d'air dans une chambre assez de faire montrer un sismographe vertical de faux signaux. Par conséquent, la plupart des sismographes professionnels sont scellés dans des clôtures étanches au gaz rigides. Par exemple, c'est pourquoi un modèle de Streckheisen de terrain communal a une base en verre épaisse qui doit être collée à son pilier sans bulles dans la colle.

Il pourrait sembler logique de faire l'aimant lourd servir de masse, mais cela soumet le sismographe aux erreurs quand le champ magnétique de la terre se déplace. C'est également pourquoi les pièces mobiles du sismographe sont construites d'un matériel qui agit l'un sur l'autre d'une façon minimum avec des champs magnétiques.

Un sismographe est également sensible aux changements de la température, et beaucoup d'instruments sont construits de bas matériaux d'expansion tels que l'Invar non magnétique .

Les charnières sur un sismographe sont habituellement brevetées, et avant que le brevet ait expiré, l'art s'est amélioré. Les conceptions de public domain les plus réussies utilisent les charnières minces de clinquant dans une bride.

L'autre sujet est que la fonction de transfert d'un sismographe doit être exactement caractérisée, de sorte que sa réponse en fr3quence soit connue. C'est souvent la différence cruciale entre les instruments professionnels et d'amateur. La plupart des instruments sont caractérisés sur une fréquence variable secouant la table.

sismomètres de Fort-mouvement

Un autre type de sismomètre est un sismomètre numérique de fort-mouvement, ou l'accélérographe . Ces données sont essentielles pour comprendre comment un tremblement de terre affecte les structures humaines.

Un sismomètre de fort-mouvement mesure l'accélération. Ceci peut être mathématiquement intégré par plus tard pour donner la vitesse et la position. les sismomètres de Fort-mouvement ne sont pas aussi sensibles aux mouvements de terrain que les instruments teleseismic mais ils restent sur l'échelle pendant la secousse séismique la plus forte.

D'autres formes

Les accélérographes et les géophones sont souvent les aimants cylindrique lourds avec un enroulement ressort-monté à l'intérieur. Pendant que le cas se déplace, l'enroulement tend à rester stationnaire, ainsi le champ magnétique coupe les fils, induisant le courant dans les fils de rendement. Ils reçoivent des fréquences de plusieurs centaines d'hertz vers le bas à 4.5 hertz (de bon marché) aussi à bas que 1 hertz (assez de cher). Certains ont l'atténuation électronique, une manière de bas-budget d'obtenir une partie de l'exécution des sismographes géologiques à large bande en circuit fermé.

les accéléromètres de Contrainte-faisceau construits comme circuits intégrés sont trop peu sensibles pour les sismographes géologiques (2002), mais sont employés couramment dans des géophones.

Quelques autres conceptions sensibles mesurent le courant produit par l'écoulement d'un fluide ionique non-corrosif par une éponge d'Electret ou d'un fluide conducteur par un champ magnétique .

Enregistrement moderne

Aujourd'hui, l'enregistreur le plus commun est un ordinateur avec un convertisseur analogique-numérique, une unité de disques et une connexion internet. Beaucoup d'observatoires utilisent maintenant des ordinateurs. Pour des amateurs, un PC avec une carte saine et le logiciel est proportionné, et épargne beaucoup de papier.

Un algorithme employé souvent pour éliminer des observations insignifiantes emploie une moyenne moyenne et à long terme à court terme. Quand la moyenne à court terme est statistiquement significative comparée à la moyenne à long terme, l'événement vaut l'enregistrement.

Sismomètres reliés ensemble

Des sismomètres espacés dans une rangée peuvent également être utilisés pour identifier avec précision, dans trois dimensions, la source de tremblement de terre, using le temps où il prend pour les ondes sismiques à la propagation à partir de l'hypocentre , le point de lancement de rupture du défaut (voir également l'endroit de tremblement de terre de ). Des sismomètres reliés ensemble sont également utilisés pour détecter des explosions nucléaires d'essai du souterrain .

En séismologie de réflexion de , un choix de dispositifs de sous-surface d'images de sismomètres. Les données sont réduites aux images using des algorithmes semblables à la tomographie . Les méthodes de réduction de données ressemblent à ceux des machines de rayon X médicales tomographiques assistées par ordinateur de formation image (Chat-balaye), ou aux sonars de formation image

Une rangée mondiale de sismomètres mettent en boîte réellement l'image l'intérieur de la terre dans l'onduler-vitesse et la transmissivité spécifique. Ce type de système emploie des événements tels que des tremblements de terre, des événements d'impact de ou des explosions nucléaires comme sources de vague. Les premiers efforts à cette méthode ont employé la réduction de données manuelle des diagrammes de papier de sismographe. Des disques numériques modernes de sismographe mieux sont adaptés à l'utilisation directe d'ordinateur. Avec des conceptions de sismomètre et l'accès d'Internet peu coûteux, les amateurs et les petits établissements ont même formé un " ; seimograph public network." ;

Les systèmes sismographiques utilisés pour le pétrole ou toute autre exploration minérale ont historiquement employé un explosif et un câble des géophones déroulés derrière un camion. Maintenant la plupart des systèmes à courte portée emploient le " ; thumpers" ; ce coup la terre, et quelques petits systèmes commerciaux ont un tel bon traitement numérique du signal que quelques grèves de marteau de forgeron fournissent assez de signal pour des enquêtes réfringentes de court-distance. La croix exotique ou les tableaux à deux dimensions des géophones sont parfois employés pour exécuter la formation image r3fléchissante tridimensionnelle des dispositifs à fleur de terre. Le logiciel geomapping réfringent linéaire de base (une fois qu'un art noir) est disponible immédiatement disponible, fonctionnement sur des ordinateurs portables, using des cordes aussi petites que trois géophones. Quelques systèmes viennent maintenant dans un 18" ; (0.5 m) cas en plastique de champ avec un ordinateur, un affichage et un imprimeur dans la couverture !

Les petits systèmes séismiques de formation image sont maintenant suffisamment peu coûteux d'être employés par les ingénieurs civils pour examiner des emplacements de base, pour localiser la roche en place, et pour trouver l'eau de subsurface.

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