MANUALE - rumori antropici\ambientali - HVSR - Nakamura

parte 1°

LE PROBLEMANTICHE DOVUTE A:

1) Rumori antropici, 

2) Rumori zone vulcaniche 

3) Rumori prodotti dal vento

Le indagini HVSR sfruttano rumori lontani prodotti sulla superficie della terra e zone anche profondi; microsismi, vento onde del mare rumori antropici lontani e tutto quando può originare vibrazioni, purchè lontane.

Gli stessi rumori se prodotti lelle immediate vicinanze dello strumento di acquisizione possono produrre  degnali anomali che possono alterare i risultati finali della prova HVSR.

1) Rumori antropici
sono rumori prodotti dall'attività umana, fabbriche, centri abitati, auto aerei mezzi di comunicazione in genere , transito a piedi di persone anche nel raggio di 50 - 100 metri dal trasduttore:

Sfruttare ore del giorno o della notte  nei momenti in cui le attività antropiche sono ridotte e tenerso lontano se possibile  dal traffico stradale e pedonale.

Aumentare i tempi di acquisizione del sondaggio da 30 a 45- 60 minuti per avere la possibilitù di ottenere una discreta serie di dati relativamente puliti, l'aumento di durata della prova deve essere proporzionale al l'ampiezza del rumore antropico 

2) Rumori zone vulcaniche

sono rilevabili nelle zone vulcaniche nelle vicinanze anche di qualche decina di km da vulcani o zone con attività vulcanica secondaria.

Generalmente sono onde  con componenti in frequenza varia e quindi non del tutto negativa, il problema principale che la loro ampiezza in frequenza è elevata rispetto al microtremore ed è continua nel tempo , pertanto tale serie di vibrazioni coprono il microtremore del terreno che desideriamo misurare.

In questo caso al segnale vero si somma un rumore random che come principale effetto, pur non alterando molto la frequenza di risonanza di picco provoca una riduzione del rapporto HVSR del segnale fino ad appiattirlo , specie se il rumore supera il valore del microtremore generalmente valutabile con i normali geofoni da 4,5 hz intorno a 20 - 30 microvolt mentre il rumore somma valori con fattore da 1 a 10 volte superiore portando il segnale a 300 - 500 microvolt spesso superiore a quello prodotto da un'auto in corsa a oltre 100 km/ora.

In questi casi non è possibile ridurre gli effetti negativi della sismicità locale costringendo ad eseguire indagini al di sotto dei 100 metri di profondità

3) Rumori prodotti dal vento e alla pioggia

Il vento come la pioggia possono disturbare l'esecuzione di un sondaggio HVSR, pertanto si sconsiglia l'esecuzione del sondaggio in caso di pioggia a causa delle vibrazioni prodotti per la caduta delle cocce sul contenitore sei geofoni oltre a problemi di umidità. contatti che l'acqua può produrre sulla strumentazione mettendone a rischio l'elettronica.

Il vento ha un effetto molto negativo sul segnale acquisito specialmente al di sotto della frequenza di 4 hz ( quando i geofoni perdono sensibilità a causa di un effetto filtrante del segnale per problemi meccanici - elettrici).

Si considera già vento limite  se si tratta di brezze, con l'aumentare del vento aumenta anche l'azione di forze orizzontali sull'acquisitore incrementando la componente orizzontale per cui ne deriva che si ha un aumento del rapporto HVSR si un fattore 1,5 in caso di brezze deboli  fino ad aumentare a 2. 3 in caso di vento più forte e rafficato.

Con tecniche particolare è possibile ridurre gli effetti negativi entro certi limiti  sia durante che in post acquisizione.

mictrotremore da +/-20 microvolt - rumori tra+/- 30 microvolt

caso classico con poco rumore

mictrotremore da +/-60 microvolt - rumori tra+/- 120 microvolt

caso standar  con finestre di microtremore e picchi dovuti a  traffico ( in questo caso o a vento)

rumori+ microtremori +/- 100 microvolt r rumori > 160 microvolt

caso con  microtremori di ampiezza elevati sporcati  da vento , oppure eseguito in zone vulcaniche o centri urbani molto urbanizzati

Nella videata precedente e seguente ci troviamo in situazioni ambientali troppo rumorose e al limite della  fattibilità della prova.

Il ridurre il gain a 200 (  con una deamplificazione di 15 unità per raggiungere gli standar più diffusi ) è controproducente in quanto non si fa altro che  andare a visualizzare rumori 15 volte più rumorosi  dei microtremori che vogliamo misurare con il rischio di far pesare maggioremente nel calcolo della FFT  i rumori ambientali  al posto dei veri microtremori, da ciò ne deriva un segnale più piatto e meno definito.  

Con una minor sensibilità strumentale  si permette :

di far arrivare all'ADC rumori di ampiezza superiore  

ridurre il rapporto segnale rumore causa  del lisciamento del segnale, 

riduzione in ampiezza del segnale HVSR, causa di maggior peso dei rumori sul segnale dei microtremori per il calcolo della FFT

mentre mandando il saturazione entro certi limiti si tagliano, prima di inviare all'adconverter le frequenze spurie causa dei fenomeni sopra elencati.


Questi fenomeni avvengono: in caso di vento, rumori antropici vicinanza a fabbriche, ospedali ambienti lavorativi , in zone con elevato traffico, nelle vicinanze di antenne radiofonia, ospedali , in presenza di rumori elettromagnetici e pali alta tensione.

Tutti luoghi dove  i sondaggi HVSR SONO DA BANDIRE

a parte qualche finestra con microtremori da 80 microvolt gran parte del segnale  supera i 160 microvolt

Caso estremo  pochissime tracce dovute a microtremori  ( 1° Canale ) il resto del segnale è in saturazione a causa dell'elevata amplificazione ( Misurazione fatta al terzo piano di un fabbricato in ca - ambiente molto rumoroso)


Se non è possibile rimandare l'acquisizione in caso di vento ( soluzione migliore)  si possono seguire seguenti soluzioni:

1) scavare una piccola buca  profonda quanto basta per affondare il geofono 3D - Usb quanto basta nel terreno lasciando una scarpata di almeno 45 gradi, posizionare lo strumento cercando di infiggere il più possibile le puntazze, se in presenza di materiale sabbioso fine di versare parte del materiale nel foro fino a metà dell'altezza  del buco affogando la scatola ed eseguire l'acquisizione.

1b) Se un possesso di un foglio di compensato relativamente grande si può posizionare sul buco e ricoprire il compensato di materiale sabbioso per uno spessore di almeno 5 cm. ( potranno verificarsi interferenze coperture- vento con l'acquisitore ma sicuramente gli effetti saranno meno negativi che mettere  la scatola a diretto contatto del vento , in superficie.

2) realizzare un piccolo buco come nel caso 1 e coprire con un vaso di terracotta pesante del diametro di 40 / 50 cm  a forma semisferica  ( Non usare i vasi tronco conici troppo sviluppati in altezza )

3) appesantire la strumentazione aggiungendo una piastra metallica di ferro e bloccata alla scatola con i tre bulloni presenti sui tre bulloni spyke, la piastra dovrà essere bucata nelle esatte posizioni del cubo.
Svitati i tre bulloni che bloccano la scatola, i tre bulloni spyke's fuoriuscenti dalla scatola nei tre buchi della piastra e bloccare il tutto con i tre bulloni precedentemente svitati, meglio se tra piastra e dado viene aggiunta una rondella a " molla " per bloccare il tutto in maniera ottimale.

4) Per cercare di ridurre le anomalie al segnale acquisito da parte del vento è possibile agire anche sul software di elaborazione nei seguenti modi:
a) aumentare la durata dell'acquisizione in modo di avere più finestre con intensità del vento ridotto per utilizzarle come dati utili per l'elaborazione, specie se il vento è rafficato.

b) con apposito menu di geopsy modificare il fattore di scala asse y, in questo modo si puù riportare

c) valore Hvsr a 1. ciò è dovuto al fatto che in presenza di vento al normale segnale registrato dai geofoni oeizzontali si sommano le azioni del vento, pertanto il rapporto hvsr  viene aumentato di una certa quantità mantenendo però, in caso di poco vento il segnale identico o quasi, l'operazione tende a riportare a valori più giusti il valore di offset dell'HVSR a 1.

d) eliminando con apposito menu di geopsy i rumori eccessivamente alti in ampiezza selezionandoli e quindi procedere all'operazione CLEAR e aggiornare  il grafico.
Questa operazione potrebbe portare a risultati sfalsati se non fatta con criterio.

e) In caso di situazioni in cui l'hvsr in condizioni di assenza di vento presenta un picco netto, in caso di vento tra la frequenza di picco e le frequenze inferiori di può avere una ridiscesa del segnale meno netta.
In caso di vento superiori a piccole brezze non è consigliabile eseguire sondaggi per determinare stratigrafie profonde superiori a 20 - 30 metri.


Per concludere:
La traccia acquisita per rendere valido il segnale  deve in caso di vento, auto, altri rumori antropici deve presentare intervalli temporali di almeno 20 secondi con un basso rumore intercalato ai picchi dovuti a rumori antropici.

Se il 60 minuti mediamente abbiamo tratti di almeno 20 secondi esenti da rumori  sono sufficienti circa 10 - 15 minuti di acquisizione per poter contare di avere almeno un totale di 200 secondi di registrazioni valide   ( si consiglia comunque di non scendere al di sotto di 30 minuti di registrazione).
Se  abbiamo statisticamente finestre temprali di 20 secondi in assenza di rumori antropici ogni 3 minuti ad esempio la durata dell'acquisizione  dovrà essere tripla a quella del caso precedente (1 ora di registrazione

Nel caso in cui non abbiamo  finestre temporali  sufficientemente pulite o di durata inferiore, il sondaggio HVSR NON è DA RITENERSI ATTENDIBILE o almeno non potra raggiungere pprofondita superiori a 100 metri, con la riduzione della finestra temporale sufficientemente pulita  si riduce proporzionalmente anche la profondità investigata.

Prima di proseguire la lettura consiglio di leggere alcune considerazioni già fatte sull'argomento al sehuente link:

MANUALE - SPERIMENTAZIONI HVSR - PARTE PRIMA

4) Come ottimizzare l'alplificazione ?

All'acquisitore è stato assegnato il massimo gain per poter eseguire sondaggi HVSR in siti lontani dal traffico e in condizioni ambientali ottimali.
In questo modo abbiamo la possibilità di avere un gain massimo di10.000 x se necessario, ma è anche possibile settare il gain a valori inferiori aggiungendo una resistenza in serie al geofono per acquisire in ambienti molto più rumorosi senza andare in saturazione, centro città, in zone vulcaniche (zona di Napoli, di Catania ecc) e in presenza di vento.

Per determinare il valore della reisstenza da usare occorre esefuire il seguente calcolo:

Il circuito preso in esame  progettato per scopi sismologici da THEREMINO  è costituito da due stadi, il gain ottenibile è pari al gain 1° stadio x gain 2° stadio

 in ogni stadio sono presenti 2 resistenze il cui rapporto ci da il guadagno

1° stadio   gain = R2/R1  = 1500K /   47 K =    31.91
2° stadio   gain = R6/R5  = 1500K / 470 K =  319,1

Il Gain Totale   = 31,91 x 319,1   = 10182

se aggiungiamo una resistenza tra  il geofono e  il pin + dell'amplificazione  in pratica la resistenza aggiuntiva  RX si somma  a quella fissa indicata come R1

ne consegue che con rxda 470 k  il guadagno

1° stadio   gain = R2/(R1+ RX)  = 1500K /  ( 47 K +470 k  = 2,901
Il secondo stadio non cambia
2° stadio   gain = R6/R5  = 1500K / 470 K =  319,1

Il Gain Totale   = 2,901 x 319,1   = 101

In tal caso occorre aggiungere una resistenza in serie ad ogni geofoni di valore adeguato per ridurre l'amplificazione a gain tra le 1000 - 5000 unità invece dei normali 10000 fissati per default.

Il valore di 10.000 è stato scelto perchè ci permettere di diminuire l'amplificazione aggiungendo la resistenza fino a valori molto bassi mentre non sarebbe stato possibile il contrario.

Con gain 10000 è possibile fare sondaggi in ambienti poco - medio rumorosi, compreso anche quelli rumorosi mandando in saturazione i rumori che non appartengono alla fascia di frequenze non utilizzabili per l'elaborazione hvsr ( finestra campionabile da +/- 0,30 - 160 microvolt ( microtremori al massimo raggiungono 20 - 60 microvolt )

Con gain  3000 x - 5000 x  si ha la possibilità di campionare rumori 320 - 400 microvolt, in pratica quasi tutti i rumori ambientali ed antropici medio - lontani oltre le vibrazioni di fabbricati di medio piccole dimensioni

Con gain  500 -  3000 oltre a poter eseguire hvsr tra 0 - 100 hz  si possono monitorare strutture a più piani, viadotti in condizioni non sismiche

Con gain 20 -100 il sistema può essere utilizzato nel campo della sismologia e monitoraggio sismico anche di strutture ed edifici anche in campo sismico.

E' possibile anche inserire commutatori a più posizioni - più vie - interruttori, collegamenti veloci per cambiare facilmente e velocemente la sensibilità dello strumento in base alle necessità per passare da gai 1, 10, 100, 1000, 10000 x

sondaggio fatto in un sito rumoroso con vento , si nota che il 2° nord e  3° canale Sud

sono in saturazione, in questi casi meglio rifare il sondaggio nelle ore della giornata quando ci sono meno rumori antropici o assenza di vento.

Ciò vale anche per gli strumenti professionali  con meno amplificazione per cui non si ha saturazione, in tal caso al segnale si aggiunge la parte eccedente  che non va in saturazione  grazie al segnale poco amplificato, tale parte di segnale  è molto dannosa perchè aggiunge altro rumore al rumore già eccessivo del segnale  non saturato.

 eseguendo un filtraggio con il menu WAVEFORM di geopsy  con filtro banda passate 0 - 40 hz parte delle alte frequenze dovute al vento e al rumore ambientale sono state rimosse remdendo il segnale più leggibile

Se la saturazione si ripete in maniera  fissa in quanto si opera su aree vulcaniche (nella zona del Vesuvio, dell'Etna o altre zone analoghe meglio ridurre l'amplificazione a 2000 - 3000 x di gain, con la strumentazione usata si può fare ancora un'ottima HVSR con gain  250 - 500 x. 

Il valore di 10000 è stato scelto perché  permetteva di poter diminuire anche a 1 x l'amplificazione, se si fosse usato un gain a 500 x non si sarebbe potuto raggiungere 1000 - 10.000 x se necessario.