MANUALE - Settaggio amplificatore HVSR - Nakamura

IL SETTAGGIO DELL'AMPLIFICAZIONE 

Con il nuovo adc 24 bit  non si hanno più i problemi di possibile saturazione  del 16 bit in quanto avendo una maggiore dinamica  ben difficilmente il sistema  supererà i valori massimi durante l'acquisizione.

Si fa però presente che  il nuovo 24 bit non andando in saturazione
sia migliore della versione precedente in quanto  in fase di acquisizione permette di acquisire rumori antropici e ambientali di elevata ampiezza che possono, se non ben trattati, in fase di elaborazione, individuare frequenze  generate da rumori NON dovuti a microtremori e quindi inserire nel grafico ottenuto picchi che non sono riferibili a ben precisi contatti  stratigrafici.

fig 1

Con i 24 bit in genere occorre fare molta attenzione  che segnali piatti come quello illustrato nel grafico precedente non sempre vuol dire che siamo in situazioni in assenza di vento e di rumori antropici per cui il segnale è considerato affidabile ed elaborabile.
Il segnale è piatto perchè fraficamente è stato  compattato secondo l'asse  Y,  rimpicciolendo troppo 

 fig 2

Per capire l'affidabilità del segnale con apposito cursore posizionati in basso del grafico è possibile ingrandirlo, se  eseguiamo tale operazione ( figura 1 ) otteniamo  quello che si vede in figura 2

A questo punto ci accorgiamo che non è un buon sondaggio e  che ben difficilmente si potranno  generare  almeno 10 - 20 finestre  di ampiezza temporale di 20 secondi per avere risultati affidabili fino a 0,5 1 hz di profondità.

Non avendo segnali affidabili si deve ridurre l'ampiezza  temporale delle windows a durate inferiori, con questa operazione di  riduce la profondità d'investigazione e quindi se l'oggetto della nostra ricerca deve scendere a profondità meno elevate  rendendo inutile il sondaggio  se serviva ad avere una stratigrafia profonde;  nonostante che la prima figura l'aspetto sembrava ottimo .

  

fig 3

In figura tre viene visualizzato il segnale precedentemente acquisito con il 24 bit come verrebbe visualizzato  dal tromografo sperimentale adc16 bit; appena caricato il sondaggio si ha subito la sensazione della validità del sondaggio.

 si nota subito 'elevata quantità di rumori ( segnalati in dosso che superano il valore di saturazione definito affidabile

Il valore di saturazione è stato fissato ad un valore tale che  se superato (tratti rossi)  permette di capire che in quei tratti il sondaggio non è attendibile, nel caso limite che tutto il sondaggio risulta rosso, il sondaggio non si ritiene utile  ed affidabile per cui sarà necessario ripetere tale operazione in assenza di vento o di rumori antropici se queste sono le cause  scatenanti.

Aggiungendo commutatori e/o resistenze  al prototipo  adc 16 bit con gain 10000 si  allarga il range  del limite di saturazione ma in tutti i casi non si elimina il problema del segnale troppo elevato..

Tale operazione si può fare solo in zone densamente popolate e/o vicino a zone vulcaniche,
Se il rumore è molto diffuso e lontano  permette di alzare il livello di soglia "valido" dei microtremori per cui so possono ritenere validi segnali che in altri luoghi potrebbero essere scambiati con rumori non elaborabili. 

Parte delle considerazioni  fatte della sottostante pagina riguarda il modello del tromografo sperimentale 16 bit

L'amplificazione dei tre amplificatori è impostata a 10.000 x equivalente ad un gain pari ad 80 db da aggiungere ai db dell'acquisitore per cui i db utili totali superano i 145 db.

Normalmente tale amplificazione è valida per la maggior parte dei siti

Nel caso di:

- centri urbani molto estesi, 

- nelle zone particolarmente vulcaniche ( zona del Vesuvio, Etna ecc), 

- per misure su fabbricati o in vicinanza di industrie.

occorre ridurre l'amplificazione a seconda dei casi da 10000 ( i valori sono indicativi:

• 5000 x nel caso di centri abitati importanti o zone vulcaniche
• 3000 x nel caso di centri abitai e vulcanici nel medesimo tempo
• 1000 x  nel caso di misure su fabbricati di media altezza fino a 10 piani 
•  500 x  nel caso di fabbricati  fino a 20 - 30 piani 
•  250 x monitoraggio vibrazionale
•   50  x nel campo sismologico

In tali situazioni (come già previsto in fase di progettazione) è consigliabile  aggiungere  una resistenza adeguata in serie tra il puntale + del geofono e il cavo bipolare rosso dell'amplificatore corrispondente.

Le resistenze devono essere di elevata precisione 1% di errore almeno ( con tacca dorata impressa sulla resistenza ) meglio acquistarne una ventina e scegliere  le tre resistenze che hanno valori simili ( usare a questo scopo un tester).

valori in ohm della resistenza da mettere in serie con il geofono per ridurre l'amplificazione:

nel grafico 0 - 45 sono i kohm delle resistenze, i valori fa 0 a 12000 il gain conseguente, vedere la sottostante tabella

10000      0 ohm per microtremori in zone non antropizzate

 3000  12000 ohm per rilevamento microtremori in zone antropizzate

 1000  39000 ohm per rilevamento microtremori in zone antropizzate e vulcaniche

  300 150000 ohm per sismica attiva e monitoraggio di fabbricati ( max 1000x )

  100 470000 ohm per sismologia terremoti lontani

   50 940000 ohm per sismologia terremoti vicini

I dati sono riferiti attivando la mofalità ADC16

La riduzione di amplificazione non comporta nulla di negativo nel caso di sondaggi in zone prive di rumore in quanto il rapporto segnale rumore non cambia se il gain rimane  > 10.000 x, al di sotto lo strumento sarebbe incapace di rilevare segnali dell'ordine di grandezza dei microtremori  specialmente quelli a bassa frequenza o a basso contrasto.

Il rumore diffuso, sia esso antropico che sismico non permette di ottenere risultati definiti sotto 1 - 2 Hz di frequenza  provocando una riduzione del rapporto HVSR  a causa della sovrapposizione del rumore al segnale vero.

La frequenza di picco al contrario dell'ampiezza Hvsr non viene alterata dai rumori antropici al massimo liscia i picchi di risonanza alle basse frequenze provenienti dagli strati più profondi  

Per determinare il valore esatto delle resistenze da aggiungere contattare dolfrang@libero.it , è anche possibile avere la possibilità di sciftare il  gain  da 2.000 a  10.000  con piccole modifiche hardware aggiungendo e/o sostituendo una esistenza per ogni ganale , operazione molto esmplice e veloce.

All'acquisitore è stato dato a livello hardware 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 1000 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, centro città, in zone vulcaniche (zona di Napoli, di Catania ecc) e in presenza di vento per non avere segnali in saturazione come nella figura precedente

In tal caso occorre aggiungere una resistenza ad ogni geofoni di valore adeguato per ridurre l'amplificazione a gain tra le 2000 - 5000 unità invece dei 10000 fissati per default. Contattare dolfrang@libero.it per avere maggiori chiarimenti sull0'argomento

Normalmente con una corretta regolazione dell'amplificazione si dovrebbero avere microtremori (evidenziati in verde) con ampiezza  pari a 1/3 della dinamica totale, il vento, rumori antropici ampiezze maggiori ( segnale su sfondo bianco).

Se il microtremore  normalmente è > 30 % della dinamica  in assenza di vento vuol dire  che si sta lavorando in aree con elevati rumori antropici e/o in zone vulcaniche - Napoli Catania.

Se tali situazioni si ripetono spesso è meglio ridurre la sensibilità dello strumento aggiungendo le resistenze fino a riportare i microtremori ad ampiezze pari a 1/3-1/4 della dinamica in assenza di vento. come in figura. ( bad sample threshold < 30 - 35).

Una volta trovato l'assetto migliore si può lasciare lo strumento fissato con questi valori  

Per indagini da 0 a 30 metri anche in presenza di vento e rumori antropici non eccessivi normalmente è possibile eseguire i sondaggi HVSR con una certa attendibilità, per raggiungere profondità maggiori occorre eseguire sondaggi possibilmente con meno vento e rumori, per superare i 100 metri di profondità occorre assenza di vento e rumori antropici e lontani da siti vulcanici.

L'unico rimedio in caso di presenza di vento e/o rumori ambientali eseguire sondaggi  con durata >= a 30 - 60 minuti, in questo modo è più facile aspettarsi un maggior numero di tracce sismiche iesime che corrispondano alle caratteristiche richieste dai requisiti di SESAME.