In questo articolo cercheremo di spiegare come è fatto un geofono di quelli tipicamente utilizzati in sismologia e più in particolare nelle indagini sismiche attive o passive quali MASW,RIFRAZIONE SISMICA, RIFLESSIONE, REMI, ESAC, HVSR ecc…
Un oggetto che come vedremo risulta estremamente semplice nella sua costruzione (per lo meno a livello concettuale) ma geniale e di grande valore per la disciplina scientifica.
Il principio di base di un geofono è lo stesso utilizzato in un comune microfono o un altoparlante. E’ un dispositivo analogico passivo che converte i movimenti del terreno in impulsi elettrici (Volt).
Prendiamo in considerazione un geofono verticale ovvero che risponde solamente a sollecitazioni perpendicolari rispetto al piano. Concettualmente è un dispositivo che comprende una massa inerziale avvolta da una bobina di filo conduttore e sospesa da molle libere di muoversi su e giù intorno al campo di un magnete permanente fissato al contenitore e quindi ancorato a terra tramite un puntale di metallo.
Parti di un geofono:
- Involucro; di solito in materiale plastico serve solo a proteggere il geofono, può essere di svariate forme e colori
- Puntale; progettato per un ottimale ancoraggio al terreno è di solito fatto in acciaio inossidabile
- Capsula; un cilindro metallico che contiene il cuore del geofono
- Cavo; per trasportare il segnale all’acquisitore
- Massa.
- Bobina di filo conduttore; generalmente in rame è composta da un unico filo, le cui estremità costituiscono i due poli del circuito (+ e -)
- Magnete permanente; è direttamente agganciato alla capsula e solidale con esso
- Poli; positivo e negativo trasportano la corrente generata all’esterno
- Molle; sostengono la massa e consentono il suo isolamento alle sollecitazioni verticali.
Funzionamento del geofono:
Senza entrare troppo nel dettaglio delle leggi fisiche che regolano i vari meccanismi e facendo alcune semplificazioni possiamo dire che, in caso di sollecitazioni verticali, la massa sospesa dalle molle, avendo inerzia, non si muove insieme al resto del geofono; essa rimane ferma.
Il magnete, che invece è solidale con l’involucro e con il terreno, oscilla su e giù all’interno della bobina fissata alla massa, generando così una tensione elettrica (Volt) che è proporzionale alla velocità del terreno.
esempio sul funzionamento di un geofono verticale
Caratteristiche fisiche del geofono
Si può paragonare il geofono ad un oscillatore armonico, dove la forza gli viene fornita dal movimento del terreno, mentre lo smorzamento è dato grazie ad un sistema interno o esterno allo strumento, per impedire che la bobina continui ad oscillare.
Sulla bobina agiscono quindi diverse forze ovvero:
- Forza peso: Fp=mxg, dove m è la massa della bobina e g l’accelerazione di gravità;
- Forza elastica relativa alle molle: FE=-K (l-l0), dove K è la costante di elasticità della molla, l è la lunghezza della molla ad un certo istante di tempo e l0 è la lunghezza della molla nelle condizioni di riposo;
- Forza di attrito: F=-CostxVelocità relativa, la bobina è soggetta ad un attrito lungo le sue pareti;
- Forza di smorzamento elettrico: la bobina intorno ad un magnete genera ai suoi capi una fem (forza elettromotrice), che è direttamente proporzionale alla velocità di spostamento del terreno. Come in un circuito chiuso passa corrente e c’è una certa resistenza, così anche nella bobina circola corrente e c’è una resistenza interna, che dipende dalla tipologia di materiale con cui è costituito il filo della bobina.
Visto che la bobina è immersa all’interno di un campo magnetico, generato da un magnete, agisce su di essa una certa forza di smorzamento elettrico, la quale è proporzionale all’intensità di corrente.
Come tutti i sistemi oscillanti anche il geofono è caratterizzato da una sua frequenza propria che indichiamo come f0 e la risposta dello strumento varia a seconda del rapporto tra questa e la frequenza f con cui si muove il terreno.
Possiamo avere due condizioni:
- f>f0: in questo caso le oscillazioni del terreno sarebbero così tanto veloci da non permettere alle molle di ricevere l’impulso. Quindi, la bobina resterebbe ferma e in queste condizioni ottimali sarebbe massimizzato il moto relativo.
- f<f0: in questo caso lo strumento non darebbe nessuna risposta, in quanto il terreno si muoverebbe così lentamente che la bobina comincerebbe a muoversi in maniera solidale con il magnete.
Conclusioni
Conoscendo ora approssimativamente il funzionamento del geofono possiamo fare alcune considerazioni utili al corretto uso di questi per le applicazioni in campo sismologico e dell’esplorazione geofisica.
- Per ridurre al minimo l’attrito della massa col resto del sistema è bene installare il geofono quanto più verticalmente possibile; la non perfetta verticalità può portare ad errori in fase di acquisizione difficilmente recuperabili in post-acquisizione.
- Maggiore è la massa maggiore è la forza inerziale, e maggiore è la forza inerziale e più basse sono le frequenze registrabili dal geofono. Quindi, in base al target dell’indagine sismica scegliere le adeguate caratteristiche dei geofoni
A questo link proponiamo un interessante video di un comune geofono scomposto di tutte le sue parti… Buona visione!