Sismometro a Pendolo Orizzontale

Introduzione

Il sismometro è uno strumento affascinante che ci permette di studiare “da vicino” la geofisica della crosta terrestre. Come sappiamo la crosta terrestre è soggetta a terremoti (sismi) che non sono altro che vibrazioni degli strati di roccia che costituiscono la litosfera, prodotti da movimenti interni che si verificano nel sottosuolo. Lo spostamento delle masse interne provoca delle vibrazioni in tutta l’area circostante che si propagano sotto forma di onde sismiche. Le vibrazioni non sono altro che il rilascio dell’energia elastica accumulata durante la deformazione che si libera improvvisamente provocando il terremoto.
La sorgente del sisma viene chiamata  ipocentro e la sua proiezione verticale sulla  superficie è chiamato epicentro. I danni maggiori solitamente si manifestano nell’area dell’epicentro, gli effetti distruttivi non dipendono solo dall’intensità della scossa ma anche dal tipo di terreno.

Le onde sismiche vengono rilevate e misurate con il sismografo (o sismometro).

Il sismografo è lo strumento che viene usato per registrare i fenomeni sismici. La registrazione viene chiamata sismogramma ed è la rappresentazione dell’oscillazione, verticale o orizzontale, del terreno causata dall’evento sismico.
Possono essere molto semplici come i pendoli con delle masse sospese collegate a sistemi di scrittura su carta o molto sofisticati con accelerometri e geofoni connessi ad amplificatori e convertitori ADC.
A seconda del tipo di sensore e tecnologia possiamo dividere i sismografi in :

• corto periodo, sensibilità a frequenze superiore a 4 Hz, utile per la rilevazione di piccoli terremoti locali
• medio – lungo periodo, sensibilità a frequenza inferiore ad 1 Hz utile per la rilevazione di terremoti lontani (telesismi)
• larga banda da 0.01 a 10 Hz

La frequenza di oscillazione alla quale è sensibile un particolare sismometro è legata alla frequenza di risonanza della struttura meccanica : oscillazioni anche minime vicine alla risonanza vengono amplificate, mentre frequenze minori o maggiori non vengono rilevate.

Costruire un sismometro non è una cosa semplice, serve molta pazienza e molto tempo. In questo articolo proveremo ad illustrare il sismometro che abbiamo costruito nel nostro laboratorio.

Il Sismometro

Il nostro sismometro è basato sui progetti della rivista Nuova Elettronica di parecchi anni fa, la struttura è quella del sismometro orizzontale, però il progetto originario ha subito molte modifiche.

• Numero Nuova elettronica con Sismometro Orizzontale : Nuova Elettronica 130
• Numero Nuova elettronica con Sismometro Verticale : Nuova Elettronica 195

Il sensore Lehman è stato studiato per rivelare le vibrazioni orizzontali del terreno dovute ad eventi sismici. Per le sue peculiarità è uno degli strumenti più utilizzati dagli amatori grazie ad una costruzione relativamente semplice e una risposta in frequenza sufficientemente estesa da poter rivelare sia eventi sismici locali che telesismi.
Il funzionamento è basato sulla proprietà dello strumento di mantenere tendenzialmente ferma la massa posizionata su di un braccio quasi orizzontale, in corrispondenza di uno spostamento trasversale del terreno. La configurazione di tale sensore viene anche chiamata, in inglese, Garden gate (porta del giardino) in quanto ricorda il funzionamento di una porta.
Di fatto si comporta in un modo abbastanza simile ad un pendolo verticale, tuttavia la frequenza di risonanza del pendolo, che è funzione della lunghezza del braccio, viene abbassata di molto nella configurazione Lehman grazie proprio alla configurazione adottata.
La frequenza di risonanza in un sensore Lehman dipende dalla lunghezza del braccio e dall’angolo di incidenza della struttura rispetto al piano orizzontale. Per poter funzionare adeguatamente, infatti, è importante che il sostegno quasi verticale su cui sono installate le cerniere che permettono il movimento del braccio orizzontale sia inclinato di una certa angolatura.
Un angolo troppo grande aumenta la frequenza di risonanza dello strumento e quindi di fatto riduce la sensibilità alle frequenze più basse che caratterizzano le onde superficiali dei telesismi, mentre un angolo troppo piccolo, comporta il manifestarsi di oscillazioni indesiderate.

Il disegno sotto mostra lo schema del sismometro Lehman.

Θ : Angolo di inclinazione della struttura
g : Massa (Peso)
L : Lunghezza del braccio
φ : Angolo di rotazione del braccio

Il sismometro è mostrato nella immagine sotto. Il braccio mobile, incernierato alla struttura sulla parete di sinistra, è costituito da un telaio rigido di alluminio di forma triangolare. Alla estremità è collocata la massa inerziale. il braccio mobile termina con un nucleo di ferrite (ferroxcube) che si muove all’interno di due solenoidi : la ferrite ed i solenoidi costituiscono il sensore di posizione che rileva le oscillazioni della massa inerziale. Il tutto è posizionato all’interno di una “scatola” in lamiera. La base ha uno spessore maggiore delle pareti, per aumentare la stabilità e la rigidezza, ed è equipaggiata con tre “piedini”, filettati e regolabili, che hanno lo scopo di livellare lo strumento.
I circuiti elettronici di lettura sono posizionati all’interno, sulla parte superiore dello strumento, i connettori del segnale e della alimentazione si trovano sulla parte di destra. La parte anteriore viene chiusa con una finestra in plexiglas.

Una delle parti più importanti del sismometro sono le cerniere che permettono la rotazione del braccio mobile : devono essere rigide, stabili, idealmente prive di attrito e possibilmente regolabili. Nella versione originale del sismometro le cerniere erano costituite da sottili lamine di acciaio fissate sia alla struttura che al braccio mobile. L’elasticità delle lamine permetteva la libera rotazione del braccio. Nel nostro strumento le lamine sono state sostituite da “semplici” appoggi realizzati con delle spine che appoggiano sull’incavo realizzato sulla superficie di un cilindro filettato (o di un bullone). Questa soluzione permette la regolazione dell’inclinazione del braccio e nel contempo assicura una rotazione con attrito molto basso.
Le immagine sotto mostrano il dettaglio delle due cerniere.

Alla estremità libera del braccio c’è la massa inerziale ed il sensore di posizione (o spostamento) che ha lo scopo di rilevare i movimenti della estremità stessa del braccio mobile. Il sensore di spostamento è costituito da un cilindro di ferrite (materiale ferromagnetico) solidale con il braccio ed inserito all’interno di due solenoidi (uno a destra e l’altro a sinistra). Si tratta di un sensore di tipo LVDT (trasduttore di spostamento induttivo) che trasforma in un segnale elettrico anche un minimo spostamento del nucleo di ferrite. Approfondiremo il funzionamento di questo sensore in un post successivo, comunque questo sensore è estremamente sensibile e può rilevare spostamenti dell’ordine del centesimo di millimetro (10 μm). Le immagini sotto mostrano il dettaglio del trasduttore LVDT e della massa inerziale.

Le oscillazioni del nostro pendolo orizzontale vanno però smorzate. Questo è necessario altrimenti, dato il basso attrito delle cerniere, le oscillazioni durerebbero diversi minuti impedendo la corretta rilevazione delle onde sismiche. Le tecniche di smorzamento del movimento sono molteplici, noi abbiamo adottato la più semplice che consiste nell’immergere una aletta, solidale al braccio mobile, in una vaschetta riempita di olio lubrificante (olio per motori). L’attrito che si viene a produrre nel fluido viscoso durante il movimento agisce smorzando efficacemente le oscillazioni. L’immagine sotto mostra il dettaglio dello smorzatore idraulico.

Oscillazioni

Dopo aver montato il sismometro e collegato la parte elettronica di lettura del sensore LVDT (che sarà oggetto di un post successivo) possiamo esaminare il segnale che viene prodotto dallo strumento. Questo segnale ci darà indicazioni preziose sul comportamento dinamico della struttura.
Il braccio mobile oscillerà liberamente in seguito a sollecitazioni anche molto piccole, come può essere ad esempio una corrente d’aria, e continuerà ad oscillare per molto tempo. L’immagine seguente mostra l’oscillazione registrata dall’oscilloscopio. Il valore medio della tensione è di 2,5 V e le oscillazioni devono essere contenuto nell’intervallo 0 – 5 V. Il periodo dell’oscillazione è maggiore di 4 secondi.

Come spiegato prima è necessario smorzare le oscillazioni del braccio mobile. Questo viene ottenuto versando l’olio minerale nella apposita vaschetta. La vaschetta va praticamente riempita di olio in modo da realizzare un andamento dell’oscillazione simile a quello raffigurato nel tracciato seguente, in cui l’oscillazione viene smorzata nel giro di 4 – 5 secondi. E’ necessario fare qualche prova in modo da ottenere un risultato ottimale. Il livello dell’olio va poi verificato periodicamente.

Con un software che verrà illustrato in un post successivo, possiamo fare l’analisi nel dominio delle frequenze (in pratica facciamo la FFT del segnale acquisito) del nostro sistema. Lo spettro è mostrato nel diagramma sotto. Si vede come la frequenza naturale del sistema (frequenza di risonanza) è di circa 0,20 – 0,25 Hz che corrisponde ad un periodo di 4-5 secondi. Il nostro sismometro è quindi uno strumento a medio-lungo periodo, più adatto a rilevare i terremoti lontani (telesismi).

Collocazione

Alla fine il sismometro va collocato nella sua posizione definitiva. Su di un lato è presente uno strumentino analogico che serve per la regolazione degli appoggi regolabili. La lancetta deve stare al centro, questo corrisponde alla posizione centrale del nucleo di ferrite tra i due solenoidi, quello di destra e quello di sinistra. L’immagine sotto fa vedere lo strumento analogico per la centratura del nucleo di ferrite.

Il nostro sismometro, avendo un periodo lungo, è relativamente poco sensibile alle vibrazioni aventi frequenze alte. Questo viene a nostro vantaggio perchè la maggior parte dei disturbi antropici, ad esempio il traffico da autoveicoli, produce vibrazioni con frequenze piuttosto alte. E’ comunque preferibile collocare lo strumento in locali “tranquilli”, ad esempio una cantina e proteggerlo adeguatamente in modo da ridurre il più possibile le vibrazioni derivanti da sorgenti artificiali. Noi lo abbiamo collocato lungo un muro perimetrale orientato nella direzione Est -Ovest, lo strumento sarà quindi sensibile in particolare alle onde che si propagano nella direzione Nord – Sud.
L’immagine sotto mostra il nostro setup finale.

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