sismografo
sismografo Strumento per registrare movimenti sismici.
Caratteri generali
In un s. si possono distinguere sempre 2 parti fondamentali, delle quali la prima, chiamata sensore sismico o sismometro o ricevitore, è costituita da una massa collegata elasticamente allo strumento; tale tipo di collegamento consente alla massa (massa sismica) di mantenersi in quiete, o quasi, allorché il suolo entra in movimento per effetto delle onde sismiche: tale massa costituisce pertanto un punto di riferimento (punto neutro o indifferente del s.) per rilevare i movimenti del suolo. La seconda parte del s., il registratore, è costituito da un dispositivo meccanico, ottico, elettrico o elettronico il cui compito è di memorizzare il diagramma temporale (sismogramma) del moto della massa rispetto al suolo o, più precisamente, della componente di tale moto secondo la direzione verticale (s. verticale) o secondo una tra due direzioni orizzontali ortogonali fra loro, usualmente quelle N-S ed E-O (s. orizzontale). I vari tipi di s. differiscono tra loro soprattutto per le caratteristiche del registratore.
S. meccanici ed elettromagnetici
S. meccanici. Nei s. meccanici, non più in uso se non per scopi didattici, l’amplificazione è ottenuta mediante leveraggi e il registratore è un oscillografo meccanico (fig. 1); il sismogramma è tracciato su un foglio di carta affumicata a da una leggerissima pennina metallica b connessa, per il tramite di leve amplificatrici, alla massa pendolare c; lo smorzatore d, inserito sulle leve amplificatrici, è generalmente pneumatico; la carta affumicata è fatta scorrere per mezzo di un tamburo e animato di moto rototraslatorio uniforme; un elettromagnete comandato da un cronometro imprime a intervalli di tempo regolari un impulso alla pennina, che così segna sul sismogramma dei riferimenti temporali.
S. elettromagnetici. Nei s. elettromagnetici l’amplificazione viene ottenuta con l’accoppiamento del sensore sismico all’apparato di registrazione mediante un trasduttore che fornisce in uscita un segnale elettrico proporzionale allo spostamento o alla velocità o all’accelerazione della massa rispetto al telaio del sensore stesso. I trasduttori di spostamento funzionano comunemente mediante un accoppiamento capacitativo oppure induttivo tra massa e telaio. L’accoppiamento è variabile con la posizione della massa, e l’uscita è costituita dalla variazione di ampiezza (o di frequenza) di un segnale sinusoidale fornito da un oscillatore esterno. I trasduttori di velocità funzionano per induzione elettromagnetica fra un magnete permanente solidale con il telaio (o con la massa) e un circuito elettrico, di cui fa parte una bobina solidale con la massa (o con il telaio) e un registratore esterno. Per applicazioni particolari di ingegneria sismica sono anche adoperati trasduttori di accelerazione, come quelli che funzionano per effetto piezoelettrico provocato dalla pressione della massa su un cristallo di quarzo. Il sensore è generalmente realizzato con una massa costituita da un magnete libero di muoversi rispetto a una bobina solidale con il telaio, rappresentato nella fig. 2. Nelle versioni più antiche i ruoli del magnete e della bobina erano invertiti, senza alcuna differenza sostanziale nel modo di funzionare. La registrazione dei segnali elettrici prodotti da un sismometro dotato di trasduttore elettromagnetico avveniva, per i prototipi e fino a tutti gli anni 1960, mediante un galvanometro applicato, tramite un circuito resistivo a T o a Π, ai terminali d’uscita del trasduttore. Le oscillazioni angolari dell’equipaggio mobile del galvanometro, provvisto di uno specchietto, producevano a loro volta deflessioni di un fascetto luminoso focalizzato sulla carta fotografica avvolta su un cilindro in rotazione uniforme. Alla fine degli anni 1960 con l’introduzione di amplificatori a stato solido dalle caratteristiche praticamente inalterabili, il sistema di registrazione galvanometrica è stato sostituito quasi ovunque dal più pratico sistema ad amplificazione elettronica e registrazione reografica, nel quale vengono impiegati robusti amperometri per muovere le pennine scriventi su carta (a inchiostro o a punta calda). Questo sistema offre, oltre al vantaggio dell’immediata leggibilità del sismogramma, anche quello di poter impiegare comodamente filtri elettronici passivi o attivi di qualsiasi tipo per modificare la risposta del sistema nel modo più opportuno. Poiché la funzione di trasferimento che lega lo spostamento rilevabile della massa del sensore allo spostamento del suolo può essere considerata alla stregua della funzione di trasferimento che lega la risposta di un sistema all’eccitazione data in ingresso al sistema stesso, a un sistema di questo tipo si possono applicare tutte le considerazioni che vengono fatte per i sistemi con reazione, modificandone a piacimento la risposta. A tale scopo lo spostamento relativo fra massa e incastellatura viene rilevato da un apposito trasduttore che genera una tensione di uscita proporzionale allo spostamento stesso. Questa tensione di uscita produce a sua volta, attraverso un amplificatore di potenza, una corrente che viene inviata nella bobina di un trasduttore elettromagnetico come quello della fig. 2. In questo caso quest’ultimo viene adoperato come attuatore di una forza che, essendo proporzionale all’intensità della corrente i(t) che scorre nella bobina, agisce a ogni istante sulla massa dell’oscillatore meccanico. La massa è dunque sollecitata da una forza di reazione che tende a opporsi ai movimenti che la allontanano dalla posizione di riposo. Progettando opportunamente il circuito di reazione, la risposta del sismometro con reazione può essere resa indipendente dalla frequenza su una larga banda di frequenze (s. a larga banda) e la risposta complessiva del s. può assimilarsi a quella di un accelerometro ideale. La calibrazione di un s. elettromagnetico generalmente viene eseguita eccitando la massa del sismometro con forze variabili nel tempo (impulsive o sinusoidali) di intensità nota e quindi nel rilevare sperimentalmente le risposte dello strumento. A questo scopo i costruttori di s. elettromagnetici provvedono solitamente gli apparecchi di una seconda bobina, coassiale con quella da cui si preleva il segnale in uscita, dove si può inviare una corrente elettrica mediante un opportuno generatore.
Negli anni 1970 la registrazione dei sismogrammi su carta è stata sostituita da quella su nastro magnetico, tramite la modulazione in frequenza. Successivamente, la tecnica di registrazione più diffusa è divenuta quella digitale (generalmente su nastro o disco magnetico). La digitalizzazione dei segnali sismici (mediante campionamento a intervalli regolari) ha aperto la strada al trattamento di questi segnali con elaboratori elettronici on-line o off-line.
Trasmissione dei segnali
La sensibilità dei moderni s. è tale che non vengono più attrezzate nuove stazioni sismiche nei centri abitati o in località prossime a strade importanti e centri industriali: il rumore di fondo sarebbe infatti tale da rendere irrilevante il contributo di informazioni che tali stazioni potrebbero fornire agli studiosi. Questa esigenza, che un tempo contrastava fortemente con la necessità di rendere agevole l’accesso alle apparecchiature al personale incaricato della loro conduzione, oggi è facilmente soddisfatta con l’introduzione della tecnica della trasmissione dei segnali a distanza (telemetria). Il sensore dei movimenti sismici, in genere dotato di trasduttore elettromagnetico, è posto in località lontane dalle cause di disturbo. Nelle sue immediate vicinanze e collegato mediante un cavo elettrico si colloca il gruppo amplificatore-modulatore-trasmettitore, che può essere alimentato anche a batterie ricaricate da celle solari, senza connessioni con la rete elettrica. La trasmissione dei segnali avviene per radio (in genere sulle bande VHF e UHF) quando le condizioni topografiche consentono la visibilità tra il punto dove è situato il sensore e il centro di raccolta, oppure per via telefonica (potendosi superare in questo modo distanze di centinaia di kilometri). Nel centro di raccolta esistono il ricevitore e le apparecchiature atte alla registrazione dei sismogrammi con una delle tecniche anzidette. In questo modo si può gestire comodamente non solo una stazione sismica, ma un’intera rete di sensori sismici, con il notevole vantaggio di poter utilizzare per tutti una sola base dei tempi e un’unica apparecchiatura di registrazione, facilitando il rilevamento dei parametri che si intendono studiare e consentendo una loro elaborazione in tempi brevissimi.
L’uso di sensori sismici disposti a schiera (array) e l’analisi delle loro risposte mediante elaboratore elettronico consentono di rilevare gli istanti di arrivo di gruppi di onde sismiche, oltre che la loro velocità e direzione di propagazione, realizzando l’equivalente di un’antenna direzionale per le onde radio.