Le Sismographe à longue période

Description de l'appareil Résumé James D. Lehman, un géophysicien américain de l'université de Harrisonburg, conçu en 1979 un modèle de sismographe très longue période destiné aux étudiants et amateurs éclairés. Avec finalement peu de moyens, on peut construire un sismographe capable de détecter des séismes majeurs très éloignés. Dans un établissement scolaire il peut constituer, par exemple, le thème fédérateur d'un atelier de la pratique scientifique ou d'une classe à PAC. Une fois construit tout l'établissement peut être informé des séismes détectés par cet appareil. Depuis 1979 l’avènement de l'informatique à simplifié l'acquisition et l'enregistrement des données. La construction d'un tel dispositif fait appel à des connaissances de SVT, mais aussi de physique et de science de l'ingénieur. Cet atelier en expliquera les principes de fonctionnement grâce à des manipulations simples que l'on peut réaliser avec des élèves. Les différentes étapes de la fabrication d'un tel dispositif seront ensuite abordées ainsi que les réglages souvent délicats. Finalement sera présentée la mise en oeuvre d'un enregistrement avec l'outil informatique. Rappels succincts sur la constitution d’un sismographe Un sismographe doit comporter : un capteur de déplacement du sol très sensible un transducteur qui transforme les déplacements en signaux électriques un amplificateur qui multiplie par un facteur 100 ou 1000 le signal électrique issu du transducteur un enregistreur qui inscrit les valeurs mesurées dans un fichier un marquage du temps(horloge) qui doit être piloté par horloge atomique type GPS Le réglage du sismographe doit être tel que le signal enregistré soit une représentation la plus proche possible du mouvement du sol. Il ne doit pas lui -même ajouter son propre mouvement ou bien présenter une trop grande inertie qui l'empêcherait de suivre en temps réel les vibrations du terrain. Les sismographes professionnels actuels ont une très grande bande passante et sont capables d'enregistrer des signaux de très basses fréquences jusqu'à des fréquences élevées. Construction de notre appareil Le modèle du sismographe nous a été fourni par Mme Ansel de l’EOST de Strasbourg Il s’agit d’un sismographe horizontal mis au point par M Lehman en 1979 et décrit dans la revue Scientific American et destiné aux sismologues amateurs.

Schéma original du sismographe 2013 Scientific american

Activités sur le sismographe Activité1 : Étude de la période du pendule en fonction de l'angle d'inclinaison de l'axe. La période des oscillations est donnée par T = 2π K sinα où K est une constante dépendant du dispositif . T est d'autant plus grande que α est petit. Matériel : un pendule type « porte de jardin » muni d'un axe d'inclinaison réglable mesurée à l'aide d'un rapporteur et d'un fil à plomb.

Présentation du sismographe en vidéo Cette vidéo est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution - Pas d'Utilisation Commerciale - Pas de Modification 4.0 International. 2016 ENS de Lyon Cette vidéo est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution - Pas d'Utilisation Commerciale - Pas de Modification 4.0 International. 2013 ENS de Lyon

Schéma du sismographe Cette illustration est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution - Pas d'Utilisation Commerciale - Pas de Modification 4.0 International. 2016 Alain Jouve Pour αvariant entre 90° et 0°, mesurer la durée de 10 périodes d'oscillations Tracer la courbe donnant la période des oscillations en fonction de α Puis T² en fonction de 1/sin(α).. On obtient une droite passant l'origine. Utiliser un tableur type « calc » ou « excel » ou « regressii » Activité 2: Réglage de l'amortissement du pendule au régime critique. Pour que le sismographe soit correctement réglé, il faut que l'amortissement fluide soit tel que le régime des oscillations amorties soit le régime critique, c'est à dire que si le pendule est écarté de sa position d'équilibre il y revient le plus rapidement possible en n'oscillant pas. Utilisation des courants de Foucault avec un aimant très puissant au néodyme.

Réglage de la distance entre l'aimant et la plaque de cuivre pour obtenir l'amortissement critique. ou utilisation du glycérol. Cette illustration est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution - Pas d'Utilisation Commerciale - Pas de Modification 4.0 International. 2016 Alain Jouve Régler la distance entre l'aimant et la plaque de cuivre pour obtenir l'amortissement critique. ou :utilisation du glycérol.

Réglage de la hauteur immergée de la plaque dans le glycérol pour obtenir l'amortissement critique Cette illustration est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution - Pas d'Utilisation Commerciale - Pas de Modification 4.0 International. 2016 Alain Jouve Régler la hauteur immergée de la plaque dans le glycérol pour obtenir l'amortissement critique Activités 3: Rôle du facteur de qualité Aller sur le site : http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Meca/Oscillateurs/sismo.html Choisir différente valeur du facteur de qualité Q. Vérifier que la masse reste presque immobile lorsque la fréquence de vibration du sol est au moins égale à 5 fois celle de la période propre du pendule. Avec l'excitation manuelle examiner la réponse du sismomètre pour divers types d'excitations. Activité 4 Vérification de l'absence de mouvement relatif du centre d'inertie par rapport au référentiel fixe Sur une table vibrante représentant le sol , vérifier que le centre d'inertie du pendule est immobile par rapport à la paillasse représentant le référentiel fixe par rapport auquel le sol vibre, pour une fréquence de au moins égale à 5 fois la fréquence propre du pendule.

Vérification de l'absence de mouvement relatif Cette illustration est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution - Pas d'Utilisation Commerciale - Pas de Modification 4.0 International. 2016 Alain Jouve La capteur à effet Hall fixé sur le référentiel fixe subit un champ magnétique variable dû à l'aimant. Le signal délivré par le capteur à effet Hall est appliquée sur une interface d'acquisition de données et les signaux sont visualisés sur l'écran d'un ordinateur. Activité 5 : L'acquisition de données Le dispositif comporte un aimant se déplaçant devant une bobine, c'est un signal proportionnel à la vitesse qui est enregistré. Le système d'acquisition comporte un amplificateur de gain 100 car les signaux sont très faibles. Le convertisseur analogique numérique est une carte Arduino. La carte peut fonctionner en autonomie, mais elle ne comporte pas beaucoup de mémoire, aussi les mesures sont enregistrées sous forme d'un fichier texte sur le disque dur de l'ordinateur. Un fichier par heure. Lancer le logiciel d'acquisition Eloigner ou rapprocher l'aimant devant le bobine, elle même reliée à la carte Arduino. Examiner la forme du signal. Placer l'aimant dans la bobine, immobile, un signal est -il enregistré ? Activité 6 : Le dépouillement des données Méthode 1: Examiner chaque jour sous Clac ou Excel les 12 fichiers (un par heure) en traçant le graphe donnant la tension mesurée en fonction du temps puis vérifier que les signaux enregistrés correspondent à ceux données par les stations proches telle que la station SSB située sous le Mont Pilas, cela demande beaucoup de temps. Méthode 2 Aller sur les sites : http://renass.u-strasbg.fr/ http://sismalp.obs.ujf-grenoble.fr/ http://www.ipgp.fr/pages/0304.php puis http://geoscope.ipgp.fr/index.php/en/data/continuous-data/acces-aux-donnees-temps-reel (les séismes de moins d'un mois) http://geoscope.ipgp.fr/index.php/en/data/earthquake-data/catalogs-of-earthquakes/100-catalog-of-earthquakes-in-2012 (les séismes majeurs de plus d'un mois) http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/map Vérifier si un séisme de magnitude de 6 et plus a eu lieu quelque part sur le globe et vérifier que le séisme a été enregistré à l'heure correspondant à l'arrivée des ondes provenant de cet événement. Comparer avec les signaux enregistrés par la station sismique la plus proche.(SSB). Réaliser cette opération pour le séisme du 11/11/2012 qui eu lieu à 1h12min38s TU en Inde à Myanmar. Fichiers enregistrés par le simographe11-11-2012-2 .txt et 1-11-2012-3 .txt Le fichier de la banque de donnée du géoscope est en PDF (utiliser HZ) Annexe : Programme .pde Télécharger le fichier