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.2) Il geofono


dal sito http://www.geospacelp.com/

la figura visualizza l’andamento del grafico HZ / velocità

variando il shunt damping varia anche la sensibilità gel geofono e la linearità del segnale, ottima la curva B


I GEOFONI

DOMANDA : come sono fatti i geofoni e come funzionano  

Il geofono è il trasduttore che trasforma il movimento del terreno sollecitato dal terremoto o da azioni artificiali in variazioni di corrente convertite dall'AD converter del sismografo i dati digitali.

I geofoni possono misurare le tre componenti assiali di un evento sismico naturale (terremoto) o artificiale (sismica a rifrazione e rifessione).

a)I geofoni verticali sono i più diffusi e usati per la sismica a rifrazione e riflessione o per l'acquisizione delle componenti verticali di un terremoto.

B) I geofoni orizzontali servono per determinare alcuni parametri geofisici e/o meccanici del terreno e per determinare le componenti orizzontali di un terremoto.

I geofoni sono generalmente costituiti da un da una puntazza di materiale non magnetico e da un contenitore generalmente in plastica ove viene alloggiata la capsula geofonica.

La capssula del geofono anch'essa costituita di materiale non magentico (alluminio) ha il compito di schermare i campi elettrici provenienti dall'ambiente circostante e di alloggiare una bobina e un magnete.
Il magnete cilindrico è posizionato in maniera fissa nel baricento del cilindretto della capsula geofonica in maniera solidale alla medesima; la bobina è fissata ai due estremi superiore e inferiore della capsula tramite due molle a spirale che le permettono di farla oscillare lungo l'asse del cilindro medesimo.

Particolare cura viene data al collegamento della bobina ai puntali ove sarà collegato il cavo che che unità i trasduttori al sismografo utilizzando filamenti conduttivi a sezione infinitamente fine per non alterare le oscillazioni della bobina magnetica e quindi il segnale acquisito.

In presenza di eccitazione sismica il puntale, capsula geofonica e magnete si muovono rigidamente al terreno, la bobina sospesa alle molle e avvolgente il magnete viene ad oscillare producendo il segnale che sarà amplificato e poi digitalizzato dall'AD converter.

Per i geofoni orizzontali il ragionamento è simile ma va visto sugli assi x y orizzontali invece che sull'asse Z.

Esistono anche geofoni 3d dove nel medesimo contenitore vengono alloggiati tre geofoni di cui 1 verticale asse z e due orizzontali disposti secondo l'asse x e Y e muniti di una bolla per garantire



DOMANDA : la frequenza propria dei geofoni 1 -100 hz come incide sui dati acquisiti

I geofoni sono classificabili secondo le frequenze proprie che vanno da 1, 2.5, 4.5 , 8 , 12, 14, 16, 25, 50, 100 hz

In base all'uso che se ne vuol fare occorre scegliere l'uno o l'altro tipo.

1- 2.5 hz generlmente sono utilizzati nel campo sismico per la registrazione di terremoti, potrebbero servire anche per eseguire sondaggi che utilizzano i metodi dei microtremori indotti e naturali, purtroppo il loro costo è elevato quindi non se ne consiglia l'utilizzo.

Per stese molto lunghe o in terreni a bassa velocità sismica sono consigliati i geofoni da 4 hz, e su terreni argillosi, riporti artificiali per eseguire sondaggi sismici a rifrazione. Nel caso di acquisto di una strumentazione sismica a rifrazione si consiglia di richiedere questo tipo di geofono inquanto permette di eseguire sondaggi che sfruttano i microtremori  ( metodo masw  e remi), non sono molto adatti per sismiche poco profonde ma non ne pregiudicano l'utilizzo. Anche la rispota in ampiezza del segnale maggiore del doppio di quella di un 12 -16 bit a parità d'intensità della mazzata. 

I geofoni da  8 - 12 - 16 hz vanno bene per la sismica a rifrazione (anche se si consiglia i geofoni da 4,5 hz per evitare due set di geofoni) sono un compromesso tra un buon segnale e una frequenza propia che permette di acquisire segnali più mossi anche se ridotti in ampiezza, possono essere utilizzati per sismica a rifrazione poco profonda e riflessione riflessione  mediamente profonda, col l'aumentare della frequenza propria diminuisce l'ampiezza del segnle e quindi la profondita d'investigazione ( a parità di mazzata). Non sono molto adatti per eseguire sondaggi tipo MASW e a maggior ragione REMI in quanto la frequenza propria in parte va ad interferire con il segnale acquisito e rende poco attendibile i risultati ottenuti per profondita maggiori dei 15 - 20 metri.

I geofoni da 25 100 hz sono esclusivamente da utilizzare per sismica a riflessione poco profonda - mediamente profonda, meglio se collegati a stringhe di 6 - 12 unità ( nel caso si voglia scendere a profondità non indifferenti.

La vivacità del segnale permette di ricevere segnali meno lisciati dall'inerzia propria dei geofoni a bassa frequenza permettono di vedere veloci cambiamenti in frequenza ed in ampiezza quando il segnale sismico viene riflesso da rifrattori anche modesti.

La migliore qualità risolutiva del segnale viene pagata con un scarsa ampiezza del segnale acquisito che ne riduce enormemente la profondità d'investigazione.

Il raggio sismico prodotto da un'onda d'urto nella sismica a rifrazione generalmente attraversa strati superficiali a bassa velocità, nella sismica a riflessione, a parte i primi metri, percorre stratificazioni più profonde, compatte e veloci e meno dissipative.

A parità di percorso fatto il nella sismica a riflessione il decadimento del segnale è inferiore rispetto a quello che si ha nella sismica a rifrazione.

Per questo motivo per la sismica a rifrazione occorre utilizzare geofoni a bassa frequenza ( meno "sordi") mentre per la sismica a riflessione sono più adatte frequenze proprie più elevate per aumentare le definizione del segnale a scapito dell'ampiezza, in tutti i casi è sufficientemente ampio per scendere a profondità anche notevoli.

Pe dare un'idea di massima, anche se i dati sono puramente indicativi, una mazzata di 6 kg data su una piastra con un geofono di 14 hz su una coltre detritica di una decina di metri soprastante ad un terreno calcareo marnoso può essere registrata a 60 metri, la stessa mazzata data per un sondaggio sismico a riflessione può permettere la registrazione di segnali provenienti da almeno 300 - 600 metri di profondità, un rapporto sismica a rifrazione / riflessione di 60m a 600m ; pari 1 a 10.

Per avere un buon segnale in sismica a rifrazione occorre:

Posizionarsi davanti alla piastra a gambe divaricate con la stesa rivolta alle spalle

Dare mazzate di assestamento sul terreno prima e sulla piastra poi in modo che la medesima s'inclini di circa 30 gradi sull'orzzontale in direzione delo stendimento.

Dare un colpo netto ed evitare che la mazza colpisca 2 volte la superficie della piastra.

L'energia erogata non dovrà mai superare quella sufficiente per avere un segnale e sufficientemente ampio per poterlo elaborare e non di più, pena fastidiosi fenomeni di saturazione del segnale che possono produrre interverenze con le tracce dei canali adiacenti a causa dei processi di acquisizione multiplexata utilizzati per l'acqusisizione dei dati.

In particolare per la sismica a riflessione un pò meno per la rifrazione conviene dare una mazzata forte con una mazza di pochi kg che una mazzata debole con una mazza di 10 kg, nel primo caso il segnale è migliore.

Per la sismica a riflessione per profondità intorno ai 100 metri ( subordinatamente alla macchina e all'amplificazione che si utilizza è consigliabile utilizzare mazze di 0.5 / 2 kg ( se siamo in presenza di terreni non argillosicon manico relativamente lungo regolando sempre l'intensità alla minima energia per aver un buon segnale.

sismica a rifrazione e riflessione

Prima di procedere all'acquisizione definitiva occorre sempre fare di terst.

Per la calibrazione dell'amplificazione è consigliabile una mazzata forte e una bassa amplificazione che una mazzata debole con un'amplificazione elevata.

L'amplificazione va regolata in funzione del rumore di fondo del sito, è inutile amplificare il segnale vero se amplifichiamo anche il rumore di fondo.

Maggiore è il rumore di fondo maggiore deve essere l'intensità della mazzata, nel caso di assenza di rumore mazzata debole amplificazione massima.

In tutti i casi non utilizzare mai l'amplificazione al massimo delle sue possibilità ma limitarsi al 75% per lavorare in una fascia ottimale oltre la quale generalmente gli aplificatori incominciano a far perdere qualità al segnale.

Ultime considerazioni da non sottovalutare sono:

per aumentare la risposta dei geofoni lontani si possono collegare in parallelo altri geofoni purchè siano dello stesso tipo, in questo modo il segnale acquisito aumenterà sensibilmente, occorre avere geofoni con apposito spinotto;

I geofoni devono essere del medesimo modello per avere per tutti i 12 o 24 canali un segnale omogeneo;

IMPORTANTE: dopo l'uso, per una maggiore conservazione e durata dei geofoni, occorre conservarli in un contenitore non metallico, mai sul fondo del bagagliaio della macchina o su un tavolo di ferro, vicino a motori elettrici ecc, essendo costituiti da magneti che a lungo andare perderebbero le loro proprità intrinseche e li renderebbero inutilizzabili.

Test: per poter valutare a che distanza devono essere posizionati da maeriali ferrosi provate a mettere un geofono davanti ad un monitor del vostro computere (non lcd) e avvicinaleli allo schermo bianco.

Quando questo diventa leggermente viola, questa è la siatanza minima; anche la vicinanza i un altro geofono potrebbe dare fastidio, in tal caso avere l'accortezza di posizionarli in un conteniore abbastanza grande in modo che si dispongano in modo più sparso possibile.

 

Per la metodologia MASW

la mazzata deve essere data molto forte in modo che il segnale acquisito sia molto più grande in ampiezza del rumore di fondo.

In tutti i casi ( specialmente nei primi canali ) non si devono vedere segnali tagliati , in tal caso ripetere l'acquisizione dopo aver ridotto proporzionalmente l'intensità dell'amplificazione )

Meglio una mazzata forte con amplificatore bassa che mazzata debole con amplificazione elevata, in tutti i casi i rapporto tra i segnali di ampiezza maggiori con quelli di fine acquisizione deve superare le 10 unità, nel caso contrario il rumore random potrebbe essere interpretato dal masw come presenza di strati inesistenti, e in tutti i casi non renderebbe semplice l'elaborazione specialmente per gli strati profondi.

( nel primo caso avrete un segnale molto più grande del rumore di fondo, nel secondo caso il segnale acquisito potrebbe essere dello stesso ordine di grandezza del rumore di fondo, visto che per i metodi dei microtremori occorre fare l'analisi di spettro del segnale entrerebbero in gioco durante l'elaborazione anche le frequenze random del rumore di fondo con la possibile alterazione dei risultati di calcolo nella migliore delle ipotesi.

 



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