GEOLOGI.IT - LO CHIEDO AI GEOLOGI - Geofoni da 2 o 4,5 hz?

Allego il contenuto di un post pubblicato sul forum GEOLOGI.IT 

LO CHIEDO AI GEOLOGI

Geofoni da 2 hz o da 4,5 hz? 

http://www.geoforum.it/ubbthreads.php…

( articolo dedicato a chi fa le normative che obbligano  i geologi ad usare geofoni da 2 hz, prima di imporre  certe regole  occorre conoscere  esattamente i problemi tecnici )

Un picco a 0,30 hz in una zona a basso contrasto sismico; acquisito con geofono da 4,5 hz

la risposta è GEOFONI da 4,5 Hz se lo strumento di acquisizione è sufficientemente amplificato

Considerazione 1)

Consultando i grafici di decadimento del segnale di un geofono da 2 Hz con quello da 4,5 della stessa ditta si può calcolare che il decadimento del segnale al di sotto dei 2 hz tende a un rapporto di 1:16, e man mano che ci avviciniamo a 4.5 e oltre tende a 1: 3

Ciò vuol dire che nel caso peggiore da 0,2 hz a 2 hz il geofono da 2 hz è 16 volte più prestante ( come se utilizzassimo un adc con 4 bit in più e/o 16 volte più sensibile)

Considerazione 2)

Nei post letti non mi pare che si chiarisca il fatto che nell'HVSR non serve il valore assoluto del dato letto ma il rapporto H/V pertanto se acquisiamo con un 2 Hz rispetto al 4,5 hz avremo si valori in microvolt di ampiezza 16 volte più piccoli ma il rapporto HVSR non cambia.

Considerazione 3)

Il 24 bit ad elevate frequenze di campionamento arriva ad avere valori bassissimi di noise , anche a - 140 db, ma al di sotto dei 100 hz e a maggior ragione a 0,5 / 2 hz si ha un aumento esponenziale del rumore anche al di sopra dei -100 db (in pratica una perdita di 4 / 5 bit utili, in quanto tra -100 e -145 db abbiamo solo rumore hardware.

In questo caso coloro che dicono che è meglio usare un geofoni da 2 Hz teoricamente hanno ragione in quanto compensano la perdita di dinamica con una maggiore sensibilità del geofono ( ma il problema è dello strumento utilizzato poco sensibile)

Considerazione 4)

Quasi tutti gli adc 24 bit hanno la possibilità di aumentare il gain di 2x 4x 8x alcuni anche 16, 32, 64, 128 x, per cui se aggiungiamo un gain di 16 x riportiamo la sensibilità strumentale a valori veri di un 24 bit pulito fino a -145 db, per cui non è più necessario utilizzare i geofoni a 2 Hz.

Applicare gain superiori a 32, 64, 128x si potrebbero ottenere risultati con un geofono da 4,5 hz anche superiori a quelli di un 2 Hz.

Considerazione 5)

Perché non usare i geofoni da 2 Hz 16 volte più sensibili ( punto 4 per i geofoni da 2 Hz) ?

Il motivo è semplice perché oltre ad essere più costosi, sono anche più delicati, troppo sensibili e difficili da equalizzare, variazioni di temperatura, di inclinazione, di taratura, minime diversità costruttive portano a gravi fenomeni di deriva del segnale al di sotto dell'Hz, spostando il rapporto Hv tendenzialmente da valorinormali di 1 - 1,5 hv a valori 4 - 10 hv specie se siamo in presenza di una minima brezza rendendo il degnale ottenuto al di sotto di 1 hz inutilizzabile , anche con certe procedure software che tendono a riportarlo a 1.

Considerazione 6) 

I geofoni da 2 hz e a maggior ragione quelli da 1 hz hanno tempi di smorzamento molto lungi ( quelli da 1 Hz hanno tempi di 20 minuti per stabilizzarsi e quindi prima di iniziare l'acquisizione occorre attender ), quelli da 2 hz di una decina di secondi in più di quelli da 4,5 hz, in caso di passaggio di auto la durata temporale del disturbo dovuto al transito si allunga e nel caso di passaggio di più macchine al minuto sarà statisticamente meno probabile avere windows di almeno 20 secondi necessari per poter elaborare sondaggi al di sotto di 1 Hz.

Considerazione 7) Nel caso in cui si voglia arrivare con una certa sicurezza a profondità superiori ai 100 metri consiglio di acquisire almeno per 30 minuti, per avere picchi validi al di sotto di 0,3 Hz meglio a 45 - 60 minuti, anche 5 ore se necessario ( specie se c'è una piccola brezza o rumore di auto lontane .

Con vento o con traffico occorre rimandare il sondaggio in giorni e/o orari diversi.

Si consiglia di acquisire a 330 - 500 hz se il vostro strumento ve lo permette

Considerazione 8) 

In un post ho letto che ben difficilmente con un geofono da 4,5 hz non si scende molto al di sotto della frequenza propria del geofono, la causa va ricercata nei seguenti punti.

1 ) strumentazione con un hardware molto sporco poco amplificato con ridotto rapporto segnale rumore e quindi non permette di analizzare segnali provenienti dal profondo  al di sotto di 1Hz, in tal caso è necessario montare geofoni da 2 hz molto più costosi ( normalmente non necessari )  e a rischio di "deriva del segnale" sotto ad 1 Hz.

2 ) presenza di vento anche minimo che porta lo strumento in deriva specie al di sotto di 1 Hz ciò sposta in toto e in modo particolare le frequenze  al di sotto di 1 Hhz ad un incremento del valore HVSR rispetto a quello aspettato con la deriva del segnale  anche pari a 2, 3 hvsr .
Quando tale aumento non è spiegabile con la stratigrafia attesa oltre al fatto che HVSR con valoer 3 anche 10 a 0,2 Hz sono difficilmente spiegabili scientificamente.( girando su internet si trovano molti casi con questo problema.

3 ) Evitare il posizionamento dello strumento su battuto di cemento, asfalto, prato erboso su radici, vicinanza di alberi , fabbricati, torrenti, mare, strade rumorose che tendono anche in questo caso con i geofoni da 4,5 hz ad appiattire il segnale ( la dove ci si aspettava Hvsr = 2, avremo 1,3 ecc, o se usiamo geofoni da 2 hz anche fenomeni eccessivi di deriva strumentale.

( Se sempre non si riesce a scendere con i geofoni da 4.5 Hz al di sotto di 0,5 - 1 Hz La causa è dovuta al punto 1,  se invece si verifica talune volte  il motivo va ricercato nei punto 2 - 3 a seconda i casi, oppure siamo in una situazione stratigrafica sia con  mutamenti stratigrafici ma costituiti da materiali  con contrasto simico  simile )

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Pertanto consiglio di acquistare geofoni da 4,5 hz , sicuramente più affidabili e meno costosi anche per rilevare picchi al di sotto dei 0,2 - 0,3 hz in purchè vengano rispettati i punti 1)  2)  3) sopra elencati.

Qualcuno mi dirà che la " risposta " dei geofoni  4,5 hz è lineare solo da 4.5 hz fino a 100,

- rispondo che anche quelli da 2 hz non la risposta non è lineare tra 0,1 e 2 hz.

In tal caso esistono altre tecniche affidabili per poterla rendere lineare da a 0,1 - 0,2 Hz a 4,5 hz
MA CHE IN TUTTI I CASI LA NON LINEARITA'  NON INFICIA I RISULTATI DELL' HVSR

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Angelo

( la versione ripubblicata è leggermente modificata rispetto a quella originaria in quanto ho voluto specificare alcuni aspetti poco chiari  e correggere molte cose  dovute alla mia scarsa vista che mi rende difficile fare le dovute correzioni in fase di prima pubblicazione, oltre all'ora tarda che dedico a tale attività.... )

SEGUONO DEI COMMENTI FATTI SU FACEBOOK SULL'ARGOMENTO

https://www.facebook.com/groups/geofisicadatalogger/1317354501623686/?comment_id=1317826938243109&notif_t=like

Una piccola precisazione per chi usa il giocattolo sperimentale.

Tutti voi avete visto che che con l'elevata amplificazione = 10000 x del giocattolo si va spesso in saturazione se ci sono rumori ambientali ( il gain = 10000 è stato scelto per motivi progettuale che permette di ridurre il gain aggiungendo una resistenza come in più post spiegato).

Cosa succederebbe se al posto dei 4,5 hz mettiamo un geofono a 2 Hz 16 volte circa più sensibile dei 4,5 Hz ?

in pratica sarebbe come avere un gain di 160.000 x, in questo caso lo strumento andrebbe in saturazione in assenza di vento nel centro di un deserto......

cosa bisognerebbe fare ?
ridurre il gain di 16 volte

Che cosa abbiamo ottenuto ?
le stesse prestazioni del 4,5 hz paganto 5 volte di più i geofoni

Certamente se facciamo lavorare un 24 bit a -140 db senza amplificarlo almeno di 16 x è come usare il giocattolo a 250 x- 300 x di gain, in tal caso necessitano geofoni da 2,5 hz per lavorare in siti con picchi al di sotto di un Hz, non perché i geofoni da 4,5 Hz non sono validi ma perché lo strumento è poco amplificato e occorrono sensori più sensibili e costosi.

Spero di aver chiarito con questo esempio il problema

Scrivere la vostra opinione se non concordate con questa tesi.....
Un confronto onesto e serio porta sempre a migliorare le proprie conoscenze.

Questo è lo scopo principale della sperimentazione che stiamo facendo e di questo Blog.

 Un picco a 0,30 hz in una zona a basso contrasto sismico; acquisito con geofono da 4,5 hz durata acquisizione 30 minuti , assenza di  brezza- strumentazione  - primi prototipi a 16 bit

Sondaggio fatto a Imperia con geofoni da 4,5 hz ( tra l'altro economici) che smentisce gli scettici che affermano che  i geofoni da 4,5 Hz non si riesce a superalre la soglia al di sotto di 1 hz.

L'immagine è uno dei tenti sondaggi che mostrano picchi  tra 0,5  e 1 hz rilevati in zone anche a basso contrasto sismico, 

Purtroppo in provincia di Imperia non esistono situazioni ad alto contrasto tra alluvioni e substrato roccioso profondo ( max 100 metri), ma situazioni profonde con basso contrasto tra formazioni non eccessivamente diverse, come in in questo caso con basso contrasto sismico nonostante che si era in un ambiente con transito di automezzi che ne hanno limitato la qualità del sondaggio.

La stratigrafia è rappresentata da:

1) coltri plioceniche di una ventina di metri 

2) 200 - 300 metri di calcari (valore dato sa studi dell'università do Pavia

3 Complesso di base 60 100 metri di spessore e probabilmente poco sotto da complessi giurassici????

Nonostante il basso contrasto tra le due formazioni litoidi  profonde si è ottenuto un picco di hvsr superiore a 2 hv e a 0,3 Hz

Durata acquisizione 30 minuti, stratigrafia

Nel caso il contatto fosse stato più profondo avrebbe permesso di ottenere picchi a profondità superiori con rapporti HVSR di 0,1 - 0,2  hz magari attivando aquisizioni di 30 60 minuti per avere un migliore risultato.

Presenza di rumore di auto motocicli e persone

I FATTI PENSO CHE VALGANO PIU' DELLE PAROLE...

hvsr acquisito con geofono da 4 hz

misure fatte con il primo tromografo theremino adc 16 a  Cirò Marina ( Calabria )

Altro sondaggio eseguito dall'amico Antonino R, nella zona dove è stato testato il TROMOGRAFO SPERIMENTALE ADC16 - gain 110000 x  - THEREMINO, la stratigrafi è costituita da oltre 120 - 150 metri si sabbie bel classate normalmente consolidate su un substrato roccioso.

Notare l'altezza del picco 0,8 hz  pari a 2,35 HVSR, notare inoltre l'andamento del grafico  al valore 1 per le frequenza al di sotto dei 0,4 hz  e l'assenza di effetti di risalita del segnale a " ventaglio"  fino alle frequenze di 0,1 hz come spesso accade a frequenze al di sotto di 1, 0,5 hz

Usare geofoni da 2 hz avrebbe mandato il segnale in saturazione  e non avrebbe permesso di avere un ofset   tendente a 1 dei valori hvsr.  - gain usatto 10000 x

Se si fosse utilizzato un tromografo meno amplificato  a 200 500 x in tal caso i geofoni da 2 hz sarebbero stati utili a causa delle basse prestazioni del sismografo ( amplificare il geofono da 2000 x a 10000 costa 30 cent. di euro, usare i geofoni più sensibili costa 200- 400 euro in più e risultati più scarsi in quanto i geofoni da 2 hz sono difficili da settare e molto delicati.

Altre notizie che chiariscono  quando occorre usare 

geofoni da 2 hz al posto dei 4,5 hz.

Ho riletto sommariamente molti post sull'argomento in alcuni blog e siti, con alcuni post concordo, con altri un poco meno, in tutti i casi non mi pare di aver trovato un post che considera i seguenti fattori che possono rende utile il geofono da 2 hz o quello da 4,5 hz.

Quando si parla di tromografo si pensa che tutti gli strumenti siano concepiti nello stesso modo, ma se andiamo a osservare le specifiche tecniche (spesso troppo poco chiare quelle elencate dai produttori nei loro siti)possiamo osservare che sono basati su diverse tecniche  

1) nunero di bit della scheda di acquisizione
2) utilizzo o meno di oversampling
3) utilizzo di gain aggiuntivo di 1 2 4 8 16 32 68 128 x
4) utilizzo di geofoni da 1 2 5,5 hz di frequenza propria

5) acquisizione in continua o   ad intervalli di 10 20 30 secondi
6) con o senza di visualizzazione del dato in fase di acquisizione
7)  diversa frequenza di campionamento 125, 200, 250,333, 500 hz

Esistono famiglie di strumentazioni di tipologia diversa che a parità di cablaggio, meccanica peso possono generare prestazioni diverse e richiedere geofoni da 2 hz o da 4,5 hz a seconda dei casi. 

1) strumenti a 10 - 12 bit muliplexati 8, 16, 32, 64, 128 volte per emulare con oversamplig il 16 -20 bit, il metodo  consiste di fare molte misure e fare la media per cercare di passare da una definizione di 10 - 12 bit a definizioni equivalenti al 24 bit.

2) sistemi come il punto 1) ma con l’aggiunta di un preamplificatore con gain 200 500 1000 2000 5000 1000 x ( con l’aumentare del gain si può ridurre l’oversampling ottenendo risultati ottimi sia in termini di affidabilità che di pulizia del segnale ottenuto.

Con un oversampling = 32 cicli di lettura e un gain di 200 si può facilmente arrivare a un dato equivalente ad un 18 20, per arrivare ad essere equivalente ad un 24 bit occorre la presenza di un preamplificatore di 200 - 500 x ( valore legato ad altri parametri hardware) oppure si possono usare geofoni da 2 Hz per aumentare il rapporto segnale / rumore hardware ed avere un segnale equivalente a quello di un 24 bit in termini si sensibilità, con gain superiore le prestazioni aumentano ulteriormente. 

3) come punto 1) – 2) ma con dinamica 16 bit l’oversampling potrebbe non servire più, se si implementa un gain di almeno 256 unità per avere un segnale equivalente al 24 bit.

4) con adc 24 bit reale la dinamica raggiunge teoricamente i 145 db ma in realtà i 24 bit presentano un rumore hardware intrinseco di 4 bit per cui i db effettivi scendono di - 25 - 30 db ( 145 - 25) = 115- 120 , con alcuni anche a 105 db. 

Nei punti 1 2 3 4 non si è considerato il fatto che gli ADC 10 12 16 24 bit hanno un rumore intrinseco proporzionale alla dinamica propria quasi nullo o molto piccolo per gli adc 10 12 bit , di 2 - 3 bit con ADC 16 bit e di 3 - 4 bit con i 24 bit, per cui la dinamica dei - 24 bit non viene raggiunta per la presenta del rumore di fondo dello strumento.

Quindi il nostro strumento in effetti ci darà un segnale di qualità inferiore ai 24 bit teorici (- 145 db ) in termini di dinamica che di risoluzione inferiore di 24 - 4 bit = 20 bit ( pari a -105-120 db  .

5) come raggiungere la definizione del 24 bit teorica di 145 db ?

Amplificando di 16 volte il segnale ( per recuperare i 4 bit di rumore presente nel 24 bit ) se poi il gain lo si aumenta a 32 , 64. 128 volte ancora meglio, in questo modo si aumenta il rapporto segnale / rumore hardware.

6) esistono anche sistemi di acquisizione a 32 bit, non avendo mai visto le specifiche non mi sento di dare un giudizio, quello che posso dire è che tale dinamica è enormemente più elevata di quella che serve per un buon tromografo, e spesso i 32 bit vengono usati per i sistemi audio con risposte utili da 48000 hz fino a 7 10 hz frequenze non adatto per l'hvsr.

Per questi sistemi occorre verificare la linearità del segnale fino a quale frequenza scende il segnale , il noise prodotto e la linearità tra 0,1 hz  e 100 hz. 

Concludendo;

ognuna delle  opzioni indicate con i numeri 1-2-3-4-5-6-7 possono aumentare o diminuire la sensibilità dello strumento quindi l'uso dei geofoni da 2 hz è consigliato quando le prestazioni dello strumento non sono sufficienti ad acquisire un buon segnale sufficientemente amplificato, il segnale acquisito con il  geofono da 2 hz  essendo 10 - 20 volte più elevato in ampiezza permette di migliorare  le specifiche tecniche dell'acquisitore introducendo però fenomeni di non allineamento del segnale all'offset e di deriva specie al di sotto o 1 - 2 hz per la delicatezza e le difficoltà di settaggio dei geofoni da 2 hz
Scarterei l'uso dei geofoni ad 1 hz per gli elevati tempi di smorzamento non adatti ad essere utilizzati dopo il loro trasporto in sito che comportano attese di 10 15 minuti prima di iniziare l'acquisizione,
e di qualche minuto al passaggio di auto o di rumori antropici e  non adatti in luoghi dove  esistono rumori antropici diffusi e vento,
I Geofoni da 1 hz sono adatti solo per il rilievo di sismi in luoghi lontani dal traffico , posizionati su substrato roccioso ( possibilmente) e posizionati su apposite strutture rigide.

Si fa presente che non sono un elettronico, quanto scritto sono solo considerazioni legate all’esperienza,  agli argomenti precedentemente esposti vanno anche considerate altri fattori quale le caratteristiche dei singoli adc utilizzati, il tipo di adc usato per eseguire l’amplificazione, al tipo, forma e peso totale dello strumento e non ultimo il cablaggio di tutti i componenti.

Per una giusta informazione chiedo a chi ha più esperienza di indicare i punti che non condivide e spiegare il perché – grazie )

UTILIZZO DEI GEOFONI DA   0,5 - 1 HZ

Concordo con le ottime prestazioni dei geofoni con frequenza propria molto bassa inferiore a 1 2 hz, è giusto che le università li utilizzino per lavori di ricerca in quanto le loro indagini le possono programmare in siti adatti privi di rumori, vento, asfalto, torrenti e mare delle vicinanze.

Il professionista non li usa a causa della bassissima velocità smorzamento del geofono a causa della massa del geofono che ha bisogno di tempi lunghi di attesa prima di iniziare l'acquisizione e se nel frattempo passano auto, o se sono presenti rumori antropici si ha una riduzione del numero di windows utili per l'analisi per cui occorre allungare i tempi di acquisizione a ore.

Il professionista spesso lavora in zone molto urbanizzate, nei casi peggiori può eseguire prove in ore notturne per ottenere risultati migliori

In tutti i casi frequenze proprie di 4,5 hz non impediscono di rilevare frequenze di picco HVSR di 0,2 - 0,5 hz con tempi di esecuzione della prova di 1 2 o 5 ore in continuo con una certa precisione.

L'utilizzo di geofoni da 0,1 hz possono essere utili per indagini finalizzate per la costruzione di grattacieli con periodo proprio superiore a 10 - 20 secondi eseguiti in ore notturne e nel caso in cui nella zona dell'intervento si hanno contatti stratigrafici ad alto contrasto a profondità maggiori di 150 - 250 metri di profondità, negli altri casi non avremo mai picchi importanti al di sotto di 1 - 0,5 hz per cui si possono utilizzare anche geofoni da 4,5 hz.

E' giusto e indispensabile usare geofoni da 1 hz per la sismologia se montati su stazioni sismiche lontanissime da rumori antropici, posizionati su basamento roccioso e trasmissione ViFi alla stazione sismica in automatico e non come spesso accade nella stessa stazione sismica che risente della frequenza propria del fabbricato, e dei rumori antropici e ambientali.