ANALISI DEL SEGNALE GEOFISICO

ANALISI DEL SEGNALE GEOFISICO

Figura 1 - FFt di tre componenti  ; asse verticale, Nord e Owest

In queste pagine si vuole prendere in esame alcuni aspetti  dell'analisi sismica applicata alla geofisica utilizzando il programma in fase di realizzazione  chiamato ANALISI SEGNALE .

Il programma sarà costituito da utili funzioni da utilizzare assieme all' HVSR, sismica riflessione e rifrazione, MASW, REMI ed ESAC tra queste ve ne saranno alcune difficilmente utilizzabili nei programmi commerciali.

Parte 1° caricamento e visualizzazione del segnale acquisito
(accelerometrico, velocimetreico e spostamento)

Figura 2) segnale oggetto di test, evento sismico di origine antropica, frequenza di campionamento =100, gain 1, durata 70 secondi

A titolo di esempio si è utilizzato un evento acquisito con il programma DOLQUAKE salvato in formato TXT , il file in analogia al file SAF  nelle prime 10 - 20 righe verranno salvati ; 

i dati principali  del sondaggio:

none sondaggio e  dati geografici
parametri dell'acquisizione
settaggi e tipologia sensori
altre notizie utili

Seguono  i dati acquisiti , ad ogni riga saranno  indicati i valori dei canali letti fino ad un massimo di 16 tracce, in futuro sarà possibile espanderle anche a 24 o 48 canali

Si cercherà di rendere importabile l'array anche da Geopsy ed esportare il formato in altri se necessario per eseguire  analisi particolari con altri programmi.

Dopo acer caricato i segnale sarà possibile  visualizzare  derivato e quello integrale

Con segnale acquisito con accelerometro si potrà ottenere il grafico velocimetrico integrandolo 1 volta o il grafico spostamento se si ripete una seconda volta l'integrazione.

Con il segnale  velocimetrico ottenuto con il geofono  sarà possibile  ricavare il grafico accelerometrico  derivando il segnale  e lo spostamento con l'integrazione. 

Figura 3) L'immagine visualizza come il medesimo sismogramma cambia aspetto a seconda che venga acquisito con un accelerometro, un geofono o un sensore di spostamento.

Se integriamo il segnale accelerometrico ( grafico 1) otteniamo il grafico velocimetrico ( grafico 2 - geofonico) , se integriamo quest'ultimo otteniamo il grafico di spostamento ( grafico 3).

Al contrario se deriviamo il grafico di spostamento otteniamo il grafico velocimetrico, se deriviamo amcora quest'ultimo otteniamo il grafico accelerometrico.

Come si può notare il grafico accelerometrico è il più piccolo in valori di ampiezza ed è sfasato verso sinistra rispetto al grafico velocimetrico di mezza lunghezza d'onda anche se l'andamento è assai simile.

Il grafico geofonico ( velocimetro) in ampiezza ha valori intermedi ed è la forma di gracico che siamo abituati a vedere nei normali sismogrammi masw, rifrazione e riflessione.

Il grafico di spostamento mostra le variazioni di spostamento nel tempo, si presenta con ampiezza maggiore rispetto al grafico ottenuto con un geofono, è sfasato di 0,5 lunghezze d'onda verso destra ed è molto più corposo.

Facendo una integrazione doppia dell'accelerazione otteniamo lo spostamento , al contrario una derivazione doppia dallo spostamento otteniamo l'accelerazione. 

Per calcolare il valore quantitativo del segnale occorre conoscere, le specifiche tecniche del sensore utilizzato e l'amplificazione utilizzata ( dalla frequenza propria del geofono usato fino  ad 1/ della frequenza di campionamento, al di sotto di tali valori è necessaria l'operazione di eaualizzazione del segnale.

Pertanto con l'utilizzo di una delle tre tipologie di sensori, è possibile ottenere il grafico accelerometrico, velocimetrico e di spostamento.

Normalmente è consigliabile utilizzare da 4,5 Hz, nei casi in cui interessano basse frequenze al di sotto di 1 hz è consigliabile utilizzare gli accelerometri con frequenze proprie tra pochissimi decimi di hz fino a 200 - 1000 hz a seconda dei modelli.

Parte 2° Analisi FFT del segnale

PROGETTO n°2 - SISMOGRAFO PER SISMlLOGIA ACCELEROMETRICO

software di acquisizione free 
open source online free

progetto n° 2

il progetto è stato sospeso perchè gli accelerometri non permettono di ottenere un buon segnale

SISMOGRAFO PER SISMOLOGIA

immagine di Paolo Formicola

immagine di Paolo Sabetta

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Ho sempre desiderato realizzare una stazione sismica sperimentale, grazie all'esperienza fatta con l'acquisitore per HVSR - MICROTREMORI dove é necessario avere la massima qualità del segnale e contemporaneamente una elevata amplificazione, la nuova applicazione è stata meno impegnativa dal punto di vista hardware in quanto rimane praticamente la medesima ma con una minore amplificazione.

Il progetto permette di rilevare di terremoti anche lontani, pur essendo meno impegnativa dal punto di vista hardware si devono comunque superare problemi software relativamente complicati come l'analisi di spettro in tempo reale del segnale, l'equalizzazione e la trasformazione del segnale accelerometrico in velocimetrico e spostamento e viceversa oltre l'archiviazione e trattamento dei dati acquisiti in tempo reale.

Il progetto 2 è il naturale passaggio da un sismografo in grado di registrare microtremori di entità infinitesimi per i microttremori alla registrazione di terremoti con una soglia di partenza 10000 volte più elevata, tra i due sistemi di acquisizione cambia solo il gain che passa da 10000 a 10-25/50 e la frequenza di campionamento che da 500 hz può essere ridotta a 25 - 50 - 100 hz per ridurre la mole di dati da registrati nelle 24 ore giornaliere.

Come sempre è gradito il Vostro aiuto, i Vostri consigli e la Vostra esperienza in questo campo.

Due sono le vie da seguire:

1) trasduttore velocimetrico amplificato con gain 25 - 100 x

2) trasduttore accelerometrico  meno sensibile

Anche in questo caso useremo il Theremino utilizzando i primi tre canali come velocimetro e gli altri

3 come accelerometro( attualmente l'attuale programma non è ancora predisposto a fare le due acquisizioni contemporaneamente ), le due tipologie di trasduttori si integreranno a vicenda e di ognuno cercheremo di sfruttare i vantaggi, anche se sarà possibile utilizzare solo l'accelerometro o i geofoni come trasduttore.

Per il velocimetro la maggiore sensibilità e pulizia del segnale, per l'accelerometro la linearità del segnale praticamente da 0 hz fino ad oltre i 100 hz.

Il software per  il momento da il minimo per poter acquisire e registrare gli eventi sismici, molto ancora è da realizzare,, tutti coloro che vorranno fare le prime sperimentazioni son sempre bel accetti, si potrà iniziare 

1) con l'unità accelerometrica del costo inferiore a 45 euro comprese le spese di spedizione ma anche i risultati sono limitati e adatto per registrare terremoti di una certa entità in su  avvenuti a distanze crescenti in base al grado di sismicità.

2) Di sta lavorando per un accelerometro multiplo da 2 a 12 componenti triassiali preamplificati, sicuramente i risultati saranno notevolmente superiori a quelli attuali sia in termini di pulizia del segnale  fino ed oltre 10 volte e una definizione elevata.

Il software ha una videata per visualizzare 1-2-3  tracce e 6 drum per vedere nell'arco delle 24 ore.

Chi è interessato mi contatti al seguente email dolfrang @ libero . it

La soluzione è anche adatta in zone altamente sismiche come la costa paficica americana, la grecia - turchia, l'indonesia, il giappone ecc.

in tal caso la scarsa sensibilità strumentale  sarà sufficiente per registrare  tutti i terremoti anche lontani di una certa magnitudo

Si sta lavorando per un sistema di acquisizione  accelerometrico con elevata qualità e risoluzione, pertanto  in attesa di tale sistema potrà essere uilizzato l'accelerometro sotto riportato. 

Il nuovo sistema permetterà di registrare con una buona qualità terremoti  da 0 a 0.1 g. invece degli attuali  0 - 2 g  pertanto 10 volte più sensibile e 4 - 12 volte più pulito di quello usato attualmente attuale.  

Si tratta della soluzione più semplice da realizzare e meno dispendiosa e migliorabile nel prossimo futuro, logicamente le prestazioni sono molto scarse rispetto  al sistema velocimetrico.

Non ha una elevata sensibilità, può registrare sismi  di scala rickter >=2 NON ECCESSIVAMENTE DISTANTI  , non registra rumori dovuti ad auto che passano a 10 metri dal sensore,e vibrazioni antropiche  in una casa se sono sbattimento di porte , ascensori ecc ache al 3/5 ° piano in caso di vento.

I dati sono rifeirti al progetto 3 di seguito illustrato

Il grafico rappresenta l'andamento della distanza massima registrabile di un terremoto ascissa - (Km) acquisito con l'accelerometro Liss in funzione della magnitudo del terremoto ( ordinata )

I dati interpolati sono puramente indicativi e si riferiscono ad un sito poco rumoroso e privo di rumori antropici con sensori posizionati direttamente sul terreno

Aumentando i rumori antropici, i rumori ambientali e/o con una meccanica scadente della centralina le distanze massime si riducono ulteriormente.

A parità di altre condizioni la distanza massima per osservare un terremoto aumenterà anche per valori doppi o tripli, a seconda nel numero di schede utilizzate costituite ognuna da 4 accelerometri fino ad un massimo di 3 per un totale di 12 accelerometri a tre assi.

L'accelerometro potrebbe essere utile per monitorare le vibrazioni dovute a motori, cantieri, volate di mina in cava ecc anche per misurazioni lunghe nel tempo.

Ciò è dovuto al fatto che all'interno dell'accelerometro è stato inserito un filtro che taglia frequenze al di sopra di 100 hz  in modo da ridurre  il rumore ambientale  e prendere la fascia di frequenze che interessano maggiormente la sismologia che va da 0 a 50 hz .

E' possibile come vedremo nel prossimo paragrafo aggiungere un amplificatore a canale per aumentarne la sensibilità, vedremo come nel prossimo paragrafo.

Il materiale necessario è il seguente lo potrete trovare facilmente online:

POSSIBILI TIPOLOGIA DI SISMOGRAFI

PER SISMOLOGIA  ACCELEROMETRICI

PROGETTO 1

SCONSIGLIATO PER L'ELEVATO RURE INTRINSECO E PER LA BASSA SENSIBILITA'

Sismologia - primi test con accelerometro

SISMOLOGIA SPERIMANTALE 

CON ACCELEROMETRI

progetto superato

Gli accelerometri generalmente hanno minor sensibilità geofoni, un segnale accelerometrico più sporco di quello velocimetrico,  valisizzimi per registrare rumori antropici fino a 2- 6 g.

Per misure di microtremori non sono per il momento adatti perchè poco sensibili e con un rumore intrinseco relativamente alto

Pe la sismologia si sta pensando  ad accelerometri  particolare nel tentativo di aumentarne la sensibilità e migliorarne la qualità del segnale


DAL MANUALE THEREMINO adc 24 bit  si legge quanto segue:

Connettere Accelerometri - Parte 1 

Sistema theremino - Theremino_ADC24 - 28 giugno 2016 - Pagina 13

Gli accelerometri hanno una banda passante che si estende fino alla continua (0 Hz). 
Per alcune applicazioni questo è un vantaggio (i telefoni possono sentire la gravità terrestre e ruotare lo schermo), ma per sentire i movimenti del terreno la componente continua del segnale non serve.
Negli accelerometri la gravità provoca un forte sbilanciamento dell'asse verticale, che a riposo non misura 500 (valore centrale della nostra scala da 0 a 1000), ma circa 300, oppure 700. 
E anche i canali orizzontali non sono centrati sul 500, ma potrebbero segnare, ad esempio 450, a causa delle imprecisioni costruttive, presenti anche nei migliori accelerometri. 
Se i segnali di ingresso non sono centrati, allora impostando Gain maggiore di 1, si amplificherebbe lo sbilanciamento e si andrebbe a lavorare fuori dalla zona utile (valori di uscita minori di zero o maggiori di mille). 
Quindi per eliminare la componente continua dai tre segnali di ingresso si devono interporre tre filtri passa alto, come quello illustrato in questo grafico. 

............................ continua nel PDF .........................

Connettere Accelerometri - Parte 2 

Sistema theremino - Theremino_ADC24 - 28 giugno 2016 - Pagina 13

Preparare l'adattatore come si vede in questa immagine.
Per saldare bene è importante la preparazione.
Usare stagno con piombo e resina (lo stagno senza piombo va bene solo per la produzione automatica). Prima di saldare, ogni componente deve essere accorciato e stagnato.
I fili devono essere spellati per 2 millimetri, arricciolati e stagnati. Infine si uniscono le parti e si saldano con una unica fusione, senza ritoccare o “spennellare” con il saldatore.

............................ continua nel PDF .........................

SI RIMANDA al manuale ADC 24 BIT  DI THEREMINO per avere maggiori informazioni

PER IL MOMENTO E' STATA SOSPESA LA SPERIMENTAZIONE CON GLI ACCELEROMETRI IN QUANTO QUELLI ATTUALMENTE USATI SONO POCO SENSIBILI O TROPPO COSTOSI

ATTENDERE L'ARRIVO DEL NUOVO ACCELEROMETRO THEREMINO CHE CON IL 24 BIT PROBABILMENTE PERMETTERA' DI AVERE DEI BUONI RISULTANTI NEL CAMPO DELLA SISMOLOFIA  DIMEZZANDO I COSTI DELL'ATTUALE SISMOGRADO  CO GEOFONI

In questa pagina verranno pubblicate le prime sperimentazioni di acquisizione sismologica con un accelerometro economico  per poter realizzare stazioni  sismologiche 3d a costi ridotti.

In queste prime sperimentazioni è stato utilizzato:

1) Come collegare un accelerometro lis344 
al theremino Master adc 16

Gli accelerometri sono ottimi per i sismografi, la loro banda passante da 0 Hz a 50Hz è ideale per la rilevazione dei terremoti.

Si consiglia di usare il LIS344 per il suo rumore molto basso.

Gli accelerometri sono troppo rumorosi per i micro-tremori, ma sono ottimi per i terremoti, dal grado zero della scala Richter in su, fino ai terremoti più forti, in un’unica gamma.

Continua sul sito

Perchè non inserirlo nell'acquisitore sperimentale 3 canali HVSR ch1,2,3 e accelerometro CH4,5,6 cosro aggiuntivo di 12 euro in più..!!!

canali 6 di cui 3 trasduttori velocimetrici e 3 accelerometrici 

frequenza di campionamento 500 hz a canale

Possibilità di acquisizione contemporanea accelerometri e geofoni e di salvare contemporaneamente file SAF accelerometrico e SAF velocimetrico dello stesso sondaggio

Durata di acquisizione limitata dalla dimensione dell'HD e/o ram

Visualizzazione in tempo reale delle 3/6 tracce sismiche e molto altro ancora.

2) altro accelerometro lis344  come si collega

3) Prototipo di amplificatore a gain variabile pilotabile da Pc con gain 1- 20 x nella versione sperimentale,  potenzialmente aumentabile  nella versione  finale.
Lo schema è riferito al collegamento al vecchio accelerometro.

soluzione da scartare per la sismologia e microtremori

4) Theremino master versione 3 - 4 - acquisitore

5) software  free - Progetto DOLFRANG - THEREMINO

In fase di realizzazione e completamento. nella versione finale potra gestire la rete di 1 o più stazioni sismologiche in tempo reale.

Il programma pur essendo già funzionante prevede molti altri miglioramenti, funzione, interessante sarà anche la funzione ANALISI DEL SEGNALE , integrare e derivare il segnale per calcolare la velocità, l'accelerazione, lo spostamento, fare la FFT, filtrare il segnale, equalizzarlo e eseguire la IFFT  e molto altro ancora....