.1) teoria

MASW

In questa pagina non voglio ripetere la teoria e tutte le notizie che si possono reperire facilmente su internet e nel sito dell'ing. Vitantonio Roma autore del software MASW, (uno dei migliori programmi attualmente disponibili http://www.masw.it ) ma ciò che occorre sapere per eseguire i sondaggi MASW rispettando le regole imposte dal metodo.

Per le norizie  bibliografiche sul metodo rimando al sito http://www.masw.it in particolare ai seguenti links:

Manuale Masw

http://www.masw.it/downloads/PhDThesis.pdf

http://www.masw.it/downloads/Articolo_21.pdf

http://www.masw.it/downloads/Articolo_20.pdf

molti altri ancora 


alcuni links  alle formule matematiche base del calcolo masw: 

Gli argomenti trattati che seguono non sempre avranno un preciso ordine predefinito, ma verranno esposti in base alle domante che mi verranno formulate, alle mie esperienze, e ad errori di esecuzione e/o di interpretazione dei sondaggi che a volte mi vengono inviati per dare un giudizio sulla bontà del procedimento utilizzato.

Pertanto invito tutti i visitatori interessati della comunità di geologia a formulare domande, quelle che saranno ritenute utili per una risposta collettiva verranno inserite in questo spazio, le rimanenti provvederò a rispondere direttamente all'interlocutore, per quelle alle quali non saprò rispondere provvederò a trasmetterle all'amico Ing. Vitantonio Roma per poter fornire una risposta esauriente e precisa. 


Time sampling (ms)

Questo parametro è necessario per impostare correttamente l'elaborazione, per definizione è il tempo espresso in milliseconti trascorso per acquisire un dato dal sismografo con cui si è fatta l'acuisizione. Tale valore normalmente viene fornito dalla scheda tecnica dornita con il sismografo, si può anche calcolare conoscndo la frequenza di camponamento del sismografo ed è pari a :

Questo parametro è necessario per impostare correttamente l'elaborazione, per definizione è il tempo espresso in milliconti trascorso per acquisire un dato dal sismografo con cui si è fatta l'acuisizione. Tale valore normalmente viene fornito dalla scheda tecnica dornita con il sismografo, si può anche calcolare conoscndo la frequenza di camponamento del sismografo ed è pari a :

Questo parametro è necessario per impostare correttamente l'elaborazione, per definizione è il tempo espresso in milliconti trascorso per acquisire un dato dal sismografo con cui si è fatta l'acuisizione. Tale valore normalmente viene fornito dalla scheda tecnica dornita con il sismografo, si può anche calcolare conoscndo la frequenza di camponamento del sismografo ed è pari a : Questo parametro è necessario per impostare correttamente l'elaborazione, per definizione è il tempo espresso in milliconti trascorso per acquisire un dato dal sismografo con cui si è fatta l'acuisizione. Tale valore normalmente viene fornito dalla scheda tecnica dornita con il sismografo, si può anche calcolare conoscndo la frequenza di camponamento del sismografo ed è pari a : Questo parametro è necessario per impostare correttamente l'elaborazione, per definizione è il tempo espresso in milliconti trascorso per acquisire un dato dal sismografo con cui si è fatta l'acuisizione. Tale valore normalmente viene fornito dalla scheda tecnica dornita con il sismografo, si può anche calcolare conoscndo la frequenza di camponamento del sismografo ed è pari a :

TS= 1 / hz * 1000

dove TS= time sampling ;  hz la frequenza di campionamento in hz del sismografo utilizzato.

Per i sismografi che hanno una sola frequenza di campionamento non ci sono problemi  il TS è unico per tutte le prove a prescindere dal numero di campioni acquisiti e dalla durata dell'acquisizione.

Per i sismografi che possono variare la frequenza di campionamento occorre essere certi della frequenza di campionamento  impostata per fare l'acquisizione,  se il programma di acquisizione non prevere la registrazione della frequenza di campionamento consiglio  d'inserire tale valore nel nome del file : esempio  Imperia_2_A_3000HZ, in tale modo sarà impossibile di fare confusione in fase di elaborazione  ( dove imperia  è il nome del sondaggio, 2 il n° del sondaggio, A= in questo caso battuta di andata, R=  battuta di ritorno, C = battuta centrale ecc e 3000hz = la frequenza di campionamento ).

Per verificare se il tempo TS impostato è corretto è sufficiente controllare che sul grafico che mostra le tracce del sismogramma, sulla scala scala dei tempi la durata dell'acquisizione sia quella la medesima di quella utilizzata per fare l'acquisizione, se i tempi coincidono i TS impostato è quello giusto.

I valori generalmente ogcillano tra 2 con frequenza di campionamento 500 hz,  fino ad un massimo di 0,01 con frequenza di Campionamento di  10000 hz ( la frequenza di campionamento va intesa per ogni singolo canale )


Frequenza di campionamento  (Hz)

Le prove Masw generalmenta analizzano segnali provenienti dal terreno con frequenze tra 0 e 100 hz pertanto per le leggi fisiche , per avere un dato sufficiente per analizzare tali frequenze acquisite, è sufficiente campionare con una frequenza  di campionamento almeno doppia a ciò che si vuole misurare, nel nostro caso pari a 200 hz.

La bontà dell' FTP, il metodi basato sull'analisi di Forier dipende anche dal numero di campioni acquisiti, meno sono minore è la definizione si spettro ottenuta, pertanto per avere un adeguato numero occorre avere un segnale con definizione 1  hz.

Per far ciò bisogna acquisizione almeno 2000 dati campioni che alla frequenza di campionamento di 200 hz è pari ad una durata dell'acquisizione pari a 10 secondi ( non tutti i sismografi sono in grado di acquisire per tutto questo tempo).

- Caso con frequenza di campionamento < = 200 hz

Bisogna sapere che i segnali utili * (per una prova masw ) nel caso di una stesa di 36 metri arrivano al geofono più lontano al massimo in 200 ms, pertanto dei 2000 campioni acquisiti solo i primi 50 dati ( troppo pochi) sono quelli utili per l'analisi, gli altri servono solo per avere uno spetto più definito.

A così basse frequenze di campionamento avremo elevati fenomeni di dispersione del segnale acquisito che possone rendere  difficoltosa l'elaborazione.

- Caso con frequenza di campionamento > 200 hz - fino a 1000 hz

Con frequenza di campionamento 500 hz il sondaggio descritto precedentemente di 36 metri permetterebbe di ottenere  2000 dati in 4 secondi  di acquisizione mentre i dati significativi  sono stimabili attorno a 100 - 150 dati , in questo caso si avranno  spettri migliori rispetto al caso precedente.

A tali frequenze di campionamento occorre accedere quando il sismografo non permette di acquisire a frequenze  e/o tempi di acquisizione più lunghi.

- Caso con frequenza di campionamento > 1000 hz - fino a 6000 hz

Secondo le prove fatte nel caso del sondaggio di 36 metri ed acquisendo a 3000 hz  i tempi di acquizizione possono ridursi a  500 - 1000 ms, mentre i dati significativi sono almeno 600 -800 più che sufficienti per avere una buona definizione di spettro, in tal caso i dati rappresentati sul grafico della dispersione saranno molto allineati con risuzione notevole della dispersione anche per le frequenze medio basse.

- Caso con frequenza di campionamento > 6000 hz 

Superando tali frequenze  di campionamento, oltre a campionare un numero enorme di dati che sicuramente rallenteranno i tempi di acquisizione e di elaborazione, potrebbero causare anche dei blocchi del pc per esaurimento della memoria  se non si usano pc dell'ultima generezione.

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I casi sopra descritti sono stati fatti per avere una definizione di almeno 1 hz, in realtà  i 2000 dati necessati potrebbero essere ridotti anche a 1000, pertanto la durata minima di acquisizione indicata potrebbe essere ulteriormente dimezzata per avere una definizione di 2 hz più che sufficiente per il metodo masw.

Per gli stendimenti di 18 - 24 metri  occorre aumentare la frequenza di campionamento altrimenti il numero di campioni significativi ri riduce ulteriormente.

Ne caso di sondaggi masw con stese maggiori di 60 metri occorre raddoppiare la durata lell'acquisizione e ridurre la frequenza di campionamento altrimenti si rischierebbe di perdere il segnale significativo degli ultimi geofoni alterando di conseguenza  i risultati finali.

* Per segnale significativo intento la parte di sismogramma che va dal primo arrivo fino a quando il segnale acquisitosi si riduce diventando in ampiezza  pari al rumore di fondo o poco di più.


La funzione Time interval

Permette di selezionare il tempo di intervallo da visualizzare ed elaborate, ha due scopi principali:

1) se la frequenza di campionamento del sismografo è elevata  o la durata dell'acquisizione è molto lunga, il numero di campioni acquisiti è notevole.
Nel caso di pc di mediocri prestazioni i programmi di elaborazione potrebbero segnalare messaggi di errore avvisando che la memoria del pc è insufficiente.
In tal caso occorre ridurre ulteriormente il tempo di elaborazione ( se il programma lo permette) inserendo nelle apposite finestre i tempi di visualizzazione ridotti.

2) Nel caso opposto in cui si utilizza un sismografo  non eccessivamente veloce, è necessario ridurre la frequenza di campionamento per allungare i tempi di acquisizione,  è utile impostrare i parametri  di acquisizione in modo per aver la massima velocità di acquisizione ( >500hz)  per il tempo necessario ad eseguire il sondaggio ( per stese di 24 - 36 metri è sufficiente 500 ms) .
In fase di elaborazione,  anche se l'acquisizione ha una durata  di soli 300 ms, è sufficiente impostare 1000 ms come fine di visualizzazione nell'apposita finestra di imput ( sempre che il programma lo permette).
Il questo modo il programma  di elaborazione nel fare  lo spettro del segnale non utilizzerà solo i 300 dati acquisiti  ma aggiungerà altri 700 dati con valore = 0 in coda, questo artifizio permetterà di avere uno spettro molto più definito in termini di frequenza e permetterà di avere un grafico di dispersione migliore.

Risoluzione del sismografo utilizzato: (paragrafo ancora in fase di revisione  ed approfondimento)

La risoluzione del sistema di acquisizione è data dal valore in Bit dell'ADC utilizzato,   8 bit, 10 bit, 12 bit , 14 bit, 16 bit, 24 bit , sono alcuni degli standard utilizzati.  

Aumentando il numero di bit la definizione del segnale aumenta, contemporaneamente avremo un range dinamico sempre maggiore,  ne consegue un aumento della sensibilità dello strumento a parità di preamplificazione utilizzata. 

Matematicamente  le seguenti combinazioni di ADC utilizzato e gain del preamplificatore sotto riportate portano alla medesima definizione del segnale acquisito con frequenza di campionamento inferiore a 100 hz

BIT                      gain                                                       db  tot 


 

24 bit      gain =           1x               db  =    140 +    0   =  144 db 

16 bit      gain =      256 x               db  =     96  +  48   = 144 db  

12 bit      gain =    4096 x               db  =     72  +  72   = 144 db  

10 bit      gain =  16000 x circa      db  =     60  +  84   = 144 db   

 8 bit       gain =  64000 x circa      db  =     48  +  96   = 144 db   


 

Generalmente  l'amplificazione massima impostata non supera quasi mai  il valore di  20 - 70 db,  pertanto acquisitori che utilizzano  adc a 8, 10, 12 bit se non dotati di un adeguato preamplificatore non potranno essere utilizzati per eseguire prove di microtremori naturali ( remi ) che misurano i rumori naturali del terreno ( a meno che non si operi in centri abitati molto rumoroso o si generano rumori random provenienti da più direzioni contemporaneamente.

 Il range dinamco dell'ADC utilizzato è un pò come il diaframma di una macchina fotografica;  una foto scattata con diaframma 2  mette a fuoco da 2 metri a 5, usando diaframma 16 - 24 si può mettere a fuoco da 0,5 m. fino all'infinito, nello stesso modo il segnale acquisito da un geofono  posto a 1 metro o a 100 metri  con adc a 16 - 24 bit  ricade nella finestra di acquisizione senza essere tagliato e/o troppo piccolo in ampiezza per essere elaborato.

Nel caso del 24 bit non occorre amplificare inquanto la sensibilità è tale che non occorre essere ulteriormente amplificata, con il 16 bit ha bisogno di settare i preamplificatore essendo 256 volte meno sensibile.

----- A livello vi visualizzazione del segnale sul monitor di un pc si possono fare le seguenti considerazioni:

Il segnale di un geofono  varia normalmente  da 0 a +/- 6 volt  ...con un 24 bit potrebbe essere rappresentato su monitor  con   2^24 pixel (16.000.000 pixel) , visto che normalmente su una schermata  di un monitor anche ad alta definizione 1024 x 1240 pixel  (vengono rappresentati almeno 12 canali)  ogni canale acquisito  dovrà essere rimpicciolito di almeno un fattore  16.000.000 /1240 *12 pari a 154.000 volte , in pratica per ogni pixel  tracciato 154000 pixel vanno buttati via....

...con un 16 bit potrebbe essere rappresentato su monitor  con    64000  pixel , anche in questo caso con un monitor 1024 x 1240 pixel le  12  tracce dovranno essere  essere rimpicciolite di un fattore  64000 /1240*12  pari a 619 volte , in pratica per ogni pixel  tracciato 619 pixel vanno buttati via....

 ....con un 12 bit potrebbe essere rappresentato su monitor  con     4096 pixel , in questo caso con un monitor 1024 x 1240 pixel le  12  tracce dovranno essere  essere rimpicciolite di un fattore  4096/1240 *12 di un fattore pari a 40 volte , in pratica per ogni 1 pixel  tracciati 39 pixel vanno buttati via....

......per adc 10 e 8 bit si avranno tracce sismiche più grossolane ( graficamente )  e con valori troppo bassi per poter sessere utilizzati i dati per eseguire analisi di spettro, mentre per la sismica a rifrazione tradizionale possono essere tranquillamente utilizzati.

Ultimo  fattore da considerare è il comportamento di un 12, 16, 24 bit in presenza di 12, 24 ..... canali

Dalle leggi della fisica sappiamo che il segnale ( in un terreno omogeneo) decade con la  1/X^2 (dove X= distanza ), pertanto aumentando il numero di canali occorre amentare anche la dinamica dell'acquisitore per poter "mettere a fuoco" i segnali acquisiti senza che i primi vengano tagliati e gli ultimi troppo piccoli in ampiezza per essere elaborati.

Considerando  1 l'ampiezza del segnale  al 1° geofono con un ofset del punto di mazzata pari a 2 dG ( con dG = distanza intergeofonica) si avrà che:

a1 12° geofono     l'ampiezza max del segnale sarà pari  0,023 dell'ampiezza max del primo canale

al 24°  geofono     l'ampiezza max del segnale sarà = 0.0059 dell'ampiezza max del primo canale

Per una serie di ragioni ( basso range dinamico ecc. ) i sismografi 12 bit difficilmente possono essere utilizzati per fare sondaggi masw a 24 canali.

Per la sismica a 16 - 24 canali con sismogrago a 12 bit (rifrazione e riflessione )non ci sono problemi, al massimo occorre dare alcune mazzate di taratura per trovare il giusto rapporto tra entità della mazzata - amplificazione da impostare ai 16 -24 canali.

Il masw  a 24 canali con sismografi a 16 - 24  può essere fatto senza problemi ,  conviene utilizzare una distanza tra il punto di battuta e il primo geofono pari a 2x - 3x  dove x = distanza intergeofonica .

I valori indicati teorici dell'ampiezza del segnale indicati nella tabella seguente sono puramente indicativi

-  caso distanza di ofser del punto di battura = 2 x distanza intergeofonica,


          frequenza di camp.   500 hz                                    2000 hz                                         8000hz
geofono                  24 bit             16 bit                 24 bit              16 bit                     24 bit              16 bit        

  1                  +/- 8.000.000     +/- 32.700       +/- 2.097.000        +/- 25.600        +/-  130.000      +/-   23170  
12                  +/-    184.000     +/-   7.123       +/-    240.810        +/-   4.820        +/-    29.900      +/-       592
24                  +/-    472.000     +/-   1.920       +/-        1.420        +/-      289        +/-         767      +/-       136

dalla tabella sopra riportata si può vedere che il range dinamico di un 24 bit  decade notevolmente con l'aumentare della frequenza di campionamento, in partica a 10000 hz il 24 bit si comporta come se fosse un 18 - 20 bit mentre il 16 bit tale decadimento  è meno evidente comportandosi  a 10000 hz come se fosse un 15 bit.

Per un 12 bit  anche aumentando la frequenza di campionamento non si ha una grossa perdita in dinamica.

Occorre tener presente che generalmente la perdita di segnale si ha maggiormente per gli strati superficiale meno densi e pertanto meno veloci, quindi i valori puramente indicativi  delle tabelle precedenti possono essere aumentati empiricamente con il rapporto tra la velocità massima e minima riscontrata. 

Ad esempio coltri V= 0,5 , substrato roccioso V = 2,5  si può supporre che i valori minimi letti siano almeno 5 volte superiori a quelli indicati.  ( nel caso con frequenza di campionamento 2/3000  i valori minimi sopra riportati diventano rispettivamente per il  24 e 16 bit  da 1.420  a 7000 per il 24 bit   e da  289  a  1455 , valori più che sufficienti per avere una bona precisione sui calcoli derivanti dall'FFT dei segnali acquisiti.

Nel caso del 12 bit, a causa del basso range dinamico dell'acquisitore, al massimo si possono acquisire ed elaborare sondaggi a 12 canali,  occorre settare tutti gli amplidicatori con il massimo guadagno  per avere un buon segnale all'ultimo geofono e ridurre l'amplificazione dei primi 2/3 canali nel caso dovessero essere tagliati.

Tali operazioni comportano un maggior tempo per predisporre una taratura ottimale degli amplificatori .

In tutti i casi  con sismografi a 12 bit occorre fare stese non troppo lunghe, al massimo con passo intergeofonico di 1,5 -2 metri e con offset a  4 - 6 metri dal punto di battuta rispetto al primo geofono, eccezionalmente in condizioni di ottimali di substrato si potrà raggiungere i 36 metri di stendimento.

Qualsiasi sia lo trumento di acquisizione utilizzato 12, 16, 24 bit si consiglia d'impostare un offset del punto di battuta  doppio (meglio triplo nel caso di 24 canali) riferito alla distanza intergeofonica.

Per i sismografi a 16 bit  si consiglia d'impostare l'amplificazione a tutti i 12 / 24 canali pari a 1 db  x il numero di metri della lunghezza dello stendimento ( utilizzango geofoni da 4 hz) tale valore è puramente indicativo e con l'esperienza e il tipo di strumento utilizzato sarà facile scegliere il valore ottimale.

Nota: Anche se teoricamente il gain impostato ad ogni singolo geofono dovrebbe essere sempre il medesimo, dal punto pratico è anche possibile ( in caso di terreni scadenti) meno i primi 2/3 canali ( esempio 1° canle 12 db, il secondo 18 db e gli altri 22 canali 24 db, operazione non necessaria per  sondaggi fatti con un 12 canali. 

Agendo in questo modo non si provocano errori  sul calcolo della curva di dispersione, il gain diversificato potrà influire solo sull'ampieza del valore di spettro con possibile leggero cambiamento  della tonalità dei colori dello spettro ( delle prime 2 o tre tracce), cosa ininfluente sui risultati del sondaggio purchè le variazioni di gain impostato al al set di geofoni siano regolari e non eccessive tra canale e canale. 

Tale effetto non è sempre evidente inquanto in fase di restituzione  del grafico di dispersione i valori acquisiti dai 12 - 24 canali  generalmente vengono equalizzati.

CONCLUSIONI

per le ragioni sopra indicate e per altre che tralascio tra un 16 bit con gain 10 - 45 db ( a seconda della frequenza di campionamento impostato ) e un 24 bit, non esiste differenze sostanziale  sia per prospezioni sismiche a rifrazione, riflessione che nei metodi che si basano sui microtremori indotti e naturali..

Occorre inoltre tener presente che il rumore, il vento, i microtremori antropici e naturali e le interferenze strumentali  producono rumori (maggiormente evidenziati dai geofoni n° 16 - 24 inquanto essendo lontani il rapporto segnale /rumore tende a diminuire), stimabili sia per il 24 bit che 16 bit  con gain 10 - 48 db a oltre 100 - 1000  step,  pertanto superata la sognia dei 20 bit o di un 16 bit con gain pari o superiore a  10 -15 x s'incomincia ad amplificare eccessivamente anche il rumore di fondo . 

Per i metodi che si basano sui microtremori indotti i rumori devono essere inferiori al segnale utile,  per ovviare a ciò, qualsiasi sia la strumentazione utilizzata,  occorre dare la massima energia per avere un bun segnale all'ultimo geofono, utile è ridurre leggermente l'amplificazione dei primi canali nel caso che parte del smogramma acquisito dovesse essere tagliato (per mazzata troppo forte e/o segnale esageratamente amplificato nelle primi 2 o 3 tracce sismiche).

Meglio una battuta forte e minima amplificazione che un segnale molto amplificato ma di debole intensità, perchè nel primo caso  i segnali utili verranno ad essere esaltati rispetto al rumore di fondo, nel secondo caso amplificando maggiormente il segnale aumentiamo anche il rumore, quindi il rapporto segnale/rumore rimane invariato.

Ultima raccomandazione: a prescindere dall'acquisitore utilizzato per sondaggi Masw con più di 16 canali  accade spesso che le ultime tracce sismiche acquisite abbiano un rapporto segnale/rumore troppo basso, pertanto queste ultime possono sorcare con punti random il grafico di dispersione rendendo difficile l'interpretazione del sondaggio.

In tal caso ( se il programma lo permette)  selezionate solo le prime 16 - 20  tracce sicuramente con un rapporto segnale / rumore migliore e vedrete che l'elaborazione sarà fattibile, migliore e più affidabile. Secondo il mio modesto giudizio il numero ottimale di geofoni per fare un buon sondaggio sismico sono 16 canali inquanto sono maggiori di 12, ne consegue una migliore distribuzione dei dati sul grafico della curva di dispersione e non troppi causa in certi casi causa del fenomeno sopra citato di tracce con basso rapporto segnale / rumore. 

Quanto scritto può essere soggetto ad errori, imprecisioni, sarei grato a chi vorrà fare osservazioni ed intervenire con la propria esperienza inviandomi  commenti sugli argomenti trattati, scrivere al seguente indirizzo : dolfrang@libero.it ogni critica e suggerimenti sono ben accolti.









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