Veel gestelde vragen (F.A.Q.)

Inleiding

De seismometer is de belangrijkste schakel in het systeem om seismische golven te meten. De rol ervan is om grondbewegingen om te zetten in een evenredig elektrisch signaal dat wordt geregistreerd door een acquisitiesysteem.

Grondbewegingen worden gekenmerkt door snelheid en versnelling. Een seismometer kan daarom beschouwd worden als een omzetter van snelheid naar spanning of van versnelling naar spanning, waarbij het verband tussen snelheid en versnelling overeenkomt met een eenvoudige afleiding of integratie in functie van de tijd.

Een seismometer, ook geofoon genoemd, is in principe een mechanisch systeem. Er bestaan echter ook zogenaamde elektronische seismometers. Dit zijn eigenlijk mechanische toestellen waarvan het uitgangssignaal elektronisch wordt bewerkt vooraleer het wordt doorgestuurd naar het acquisitiesysteem. Deze voorbehandeling maakt het mogelijk om de karakteristieken van een eenvoudige mechanische geofoon gevoelig te verbeteren.

Types van seismometers

We weten dat aardbevingen het gevolg zijn van krachten in de lithosfeer die gesteente doen breken. Dit veroorzaakt seismische golven die zich in de aarde voortplanten en die we voelen als aardbevingen. Seismologen bestuderen deze golven die uit een breed gamma van frequenties bestaan, van 1 mHz tot 100 Hz (overeenkomend met perioden van 0,01 sec tot 1000 sec, zie Tabel 1). Omdat seismometers slechts een klein deel van dit spectrum kunnen meten, worden ze onderverdeeld op basis van het frequentiebereik dat ze bestrijken.

We maken hoofdzakelijk onderscheid tussen twee categorieën seismometers: korteperiode-seismometers die gevoelig zijn voor frequenties boven 1 Hz (perioden minder dan 1 sec) en langeperiode- of breedbandseismometers die gevoelig zijn voor frequenties onder 1 Hz.

Een korteperiode-seismometer met een bandbreedte van 1 Hz tot 80 Hz verschaft bijgevolg informatie die complementair is aan deze afkomstig van een breedbandseismometer die het bereik van 0,0028 Hz (360 seconden) tot 50 Hz dekt.

We maken ook een onderscheid tussen verticale (Fig. 1a) en horizontale (Fig. 1b) seismometers. Een verticale seismometer geeft informatie over bewegingen langs de as die door het midden van de aarde gaat, een horizontale seismometer in een richting loodrecht op die as.

Figuur 1a – Verticale seismometer

Figuur 1b – Horizontale seismometer

Werkingsprincipe

We beperken ons hier tot de werking van een verticale seismometer. Deze bestaat uit een massa opgehangen in een behuizing door middel van veren. De massa is omgeven door een wikkeling van draden die een spoel vormt terwijl de aan de behuizing een magneet vast zit. Deze elementen zijn zo opgesteld dat de spoel vrij in het magnetisch veld kan bewegen dat door de magneet wordt opgewekt (zie Fig. 1c).

Figuur 1c – Belangrijkste elementen van een seismometer

Bij de passage van een seismische golf zal de behuizing mee bewegen met de trillingen van de grond, terwijl de massa, door haar inertie en ophanging aan veren, de neiging zal hebben om stationair te blijven. We hebben dan te maken met een spoel waar omheen een magnetisch veld beweegt. De elektrische spanning die hierdoor wordt opgewekt aan de uiteinden van de spoel is evenredig is met de bewegingssnelheid van het magnetisch veld. Aangezien het magnetisch veld met de snelheid van de grond beweegt, verkrijgen we op deze manier een omzetter van grondsnelheid naar elektrische spanning (zie Fig. 2).

Figuur 2 – Spanning opgewekt aan de elektrische contacten van een seismometer

Dergelijk systeem heeft uiteraard begrenzingen. Deze worden bepaald door mechanische (inertie van de massa, veerconstante en demping) en elektrische eigenschappen (snelheid van het magnetisch veld, inductie van de spoel).

Deze zorgen ervoor dat de massa onder een bepaalde snelheidsdrempel niet bewegingsloos blijft, maar mee beweegt met de behuizing en dus met de grond. Dit gedrag bepaalt de laagste frequentie die meetbaar is door de seismometer.

Evenzo is er een snelheidsdrempel waarboven de seismometer geen signaal levert. Als de beweging van het magnetisch veld te snel is, heeft de spoel geen tijd om een spanning op te wekken aan zijn uiteinden.

Karakteristieken

De belangrijkste karakteristieken van een seismometer zijn: laagste en hoogste limietfrequenties, transductiefactor G (V/m/s) en dempingscoëfficiënt ζ (dimensieloos).

De limietfrequenties bepalen het frequentiebereik dat de seismometer kan meten.

De transductiefactor geeft het verband tussen de gemeten spanning en de overeenkomstige grondsnelheid. Deze wordt uitgedrukt in Volt per eenheid van snelheid. Hoe hoger deze constante, hoe kleiner de grondbewegingen die de seismometer kan meten.

De dempingscoëfficiënt bepaalt hoe de seismometer reageert op verschillende grondbewegingsfrequenties. Ideaal is om een coëfficiënt van 0,707 te benaderen. Deze waarde vertegenwoordigt het beste compromis tussen een vlakke frequentierespons, een hoge generatorconstante en een lagere low-cut-frequentie (zie Fig. 3).

Figuur 3 - Frequentiebereik voor verschillende waarden van de dempingscoëfficiënt ζ

Calibratie

Voor een mechanische seismometer bestaat de calibratie uit het bepalen van haar specifieke kenmerken: de eigenfrequentie, demping en transductiefactor. Zodra deze kenmerken bekend zijn, is het mogelijk om een systeem te ontwikkelen om het gedrag van de seismometer aan te passen zodat deze aan onze behoeften voldoet (bijvoorbeeld een dempingscoëfficiënt van 0,707). Zo’n systeem kan variëren van een eenvoudige weerstand aan de uitgang van de sensor tot een complex elektronisch systeem met feedback.

Bij elektronische seismometers kunnen we niet spreken van specifieke kenmerken, omdat de elektronische schakeling een integraal onderdeel is van de seismometer en de kenmerken ervan wijzigt.

Documentatie

Een poster over de werking van een digitale seismometer is hier beschikbaar.