Tematyka rejestracji fal sejsmicznych była już poruszana przy okazji budowy i prezentacji czujnika drgań – geofonu. Jako rejestratora wykorzystałem wtedy wejście mikrofonowe karty dźwiękowej komputera. Niestety taki rejestrator ma wiele wad: ma małą czułość w stosunku do oczekiwanej amplitudy sygnału, jest zaszumiony przez otaczające go podzespoły komputera i ma małą rozdzielczość.

Profesjonalne rejestratory sejsmiczne to niezależne urządzenia pozwalające na podłączenie 1 lub więcej geofonów, które przetwarzają sygnał analogowy na cyfrowy wysokiej rozdzielczości przy zachowaniu małego poziomu szumów i perfekcyjnej synchronizacji czasu. Niestety urządzenia takie są bardzo drogie i przy cenach zaczynających się od kilku tysięcy dolarów – nieosiągalne dla typowego śmiertelnika amatora.

Od razu pojawił się pomysł (a było to co najmniej pół roku temu) samodzielnej budowy rejestratora. Projekt jest cały czas realizowany, ale najtrudniejsze już za mną. Postanowiłem wykorzystać najlepsze dostępne podzespoły – tak aby osiągnąć możliwie najwyższą jakość. Nie chcę dzielić się w tym miejscu szczegółami technicznymi – podejrzewam, że szersza publika nie jest tym bezpośrednio zainteresowana. Zawsze chętnie wysłucham Waszych pytań i w miarę swoich możliwości na nie odpowiem.

Z aspektów technicznych warto przedstawić sam układ przetwornika analogowo-cyfrowego. Wybrałem dedykowany dla sejsmiki przetwornik firmy Texas Instrument o symbolu ADS1282 – malutki układ o rozdzielczości 32 bitów (!!!). Układ ten dostępny jest tylko w obudowie SMD, która nie jest przyjazna przy prowadzeniu testów na płytce rozwojowej. Aby uporać się z tym problemem przygotowałem projekt płytki drukowanej dla tego układu i jego układów peryferyjnych, tak aby całość podłączyć do mikrokontrolera i zasilana na płytce rozwojowej. Wizualizacja płytki wyglądała następująco:

Wykonanie płytki na podstawie projektu zleciłem profesjonalnej firmie z Gdańska . Staranie i uważnie przylutowałem wszystkie elementy i gotowa do podłączenia płytka wyglądała następująco:

Gotowa płytka była dla mnie sukcesem, ale jej poprawne podłączenie do mikrokontrolera (atmega32) i odczytanie danych z przetwornika zajęło dobrych kilka dni pracy.

Starałem się modyfikować cały układ na płytce rozwojowej w taki sposób, aby na jego podstawie przygotować dużą płytkę drukowaną, gdzie z jednej strony byłoby podłączenie do geofonu a z drugiej wyjście USB do komputera. Ta płytka nie jest jeszcze gotowa, obecnie cały układ działa, ale na płytce rozwojowej. Przygotowane są nawet dwa niezależne kanały do dwóch geofonów:

Dzielę się tym z Wami ponieważ dużo pracy zostało wykonane i podstawowy cel został osiągnięty. Układ działa! Nie chcę wnikać ile pieniędzy pochłonęły te prace, bo sam bym się przestraszył. Nie udałoby się gdyby nie sprzęt pomiarowy użyczony przez Zakład Fizyki Litosfery IGF UW. Cały czas mam na uwadze dokończenie projektu (doskwiera brak czasu) i przygotowania urządzenia “na komercyjnym poziomie”, za pomocą którego możliwe będą konkretne pomiary i eksperymenty w terenie. Chciałbym aby całość była gotowa (przynajmniej kilka sztuk) do lata 2012.

Przypominam przy tym, że nie jestem elektronikiem, więc każdy z etapów prac był dla mnie pewnego rodzaju wyzwaniem i często błądzeniem we mgle…

Bardzo chciałem podłączyć do komputera dwa identyczne sensory, ale okazało się to niewykonalne, ponieważ laptop ma wejście mikrofonowe mono. Nabyłem w tym celu w sklepie zewnętrzną kartę dźwiękową Creative na USB z wejściem stereo line-in. Niestety zewnętrzna karta w ogóle nie wyłapuje słabych sygnałów – podejrzewam, że producent wyposażył ją w moduł eliminacji szumów, który dyskwalifikuje użycie karty jako oscyloskopu.

Zapewne po dołączaniu do układu modułu wzmacniacza (zaraz za cewką dla zmniejszenia szumu) pozwoli na obserwacje dwukanałową.

W międzyczasie zrobiłem kilka pomiarów z jednym sensorem, ponieważ czytelnicy zgłosili zainteresowanie.

Na pokazanych poniżej wykresach zachowałem skalę pionową dla wszystkich pomiarów. Jednostki na skali pionowej należy traktować jako bezwymiarowe. Na skali poziomej zapisany jest numer ramki z danego pomiaru. Można go przeliczyć na czas dzieląc przez 11025, czyli częstotliwość rejestracji. Czas może posłużyć wyłącznie do obserwacji czasu trwania sygnału. Początek rejestracji miał miejsce w momencie nie mającym znaczenia.

Człowiek

Mocne tupnięcie w ziemie (przez podskok) wykonane przez dużego człowieka z dwóch odległości: jednego i pięciu metrów od sensora.

1 metr

5 metrów

Mały kamień (ok. 10 kg)

Mały kamień zrzucany z około 2 metrów na ziemię z czterech odległości: pięciu, dziesięciu, piętnastu i dwudziestu metrów od sensora.

5 metrów

10 metrów

15 metrów

20 metrów

Duży kamień (ok. 30 kg)

Duży kamień zrzucany z około 2 metrów na ziemię z dwóch odległości: dwudziestu i trzydziestu pięciu metrów od sensora.

20 metrów

35 metrów

Wczoraj udało mi się zbudować prototyp pozwalający na rejestrację mocnych i lokalnych wstrząsów. Dzisiaj wprowadziłem kilka modyfikacji.

Po pierwsze nie udało mi się kupić w Olsztynie drutu nawojowego DNE, więc nic nie wyszło z pomysłu wykonania własnej cewki. Udało mi się natomiast kupić cewki. W opisanym poniżej sejsmografie wykorzystałem cewkę z drutu o średnicy 0.10 mm zbudowaną z ponad 5000 zwojów (takie kupiłem 2). Do dyspozycji pozostaje jeszcze cewka z drutu 0.07 mm z 10000 zwojów, którą zostawiam na jutro.

Wykonałem dwa identyczne sensory, ale dziś użyłem tylko jednego, bo zrobiło się ciemno.

Konstrukcja jest taka jak widać na obrazku i nie widzę powodu, żeby się w tej chwili jakoś specjalnie na ten temat rozpisywać.

Sensor ustawiłem na dworze i podłączyłem do karty dźwiękowej laptopa. I tu nastał sukces – okazało się, że szumy na karcie w laptopie są praktycznie zerowe. Sensor był w stanie zarejestrować tupnięcie w ziemię z odległości kilkunastu metrów oraz zrzucenie kamienia (30 kg z 1.5 metra) z odległości kilkudziesięciu metrów. Takim wynikiem jestem zachwycony.

Cały układ prezentował się nawet profesjonalnie:

Jak każde twórcze majsterkowanie budowa sejsmografu przekształciła mój warsztat w totalny bajzel:

Jutro pierwsze doświadczenie 🙂

Zapewne pisałem już kiedyś, że interesuje mnie sejsmologia. Ponieważ na drodze od sejsmiczności do jej badania stoi trochę sprzętu warto się zapoznać co i jak działa. Niestety sejsmograf jako przyrząd podstawowy jest urządzeniem drogim, więc zakup odpada. Nie sposób również kupić coś używanego – rynek jest nieduży, a w Polsce nie ma go w ogóle. Stąd pomysł, aby zbudować sejsmograf samodzielnie.

Celem jest przyrząd, który zamieni drgania mechaniczne na sygnał, który będzie można zapisać i przeanalizować. Ograniczamy się do detekcji drgań w jednym kierunku. Najłatwiej zbudować sejsmograf pionowy.

Co potrzebujemy do zbudowania układu?

Pomysłów na konstrukcję jest wiele. Wybrałem najprostszą (pewnie nie najlepszą) konstrukcję. Magnes w cewce na sprężynce. Potrzebowałem:

• Magnes – w zależności od wielkości całego układu musimy dobrać odpowiedni rozmiar magnesu. Na początek zdecydowałem się zbudować duży układ – łatwiej wszystko ustawić. Wybrałem magnes neodymowy o średnicy 45 mm i wysokości 25 mm.
• Tuleja – rura kanalizacyjna 50 mm
• Sprężyna – od lampki biurkowej
• Cewka – najwięcej zabawy. Nie znalazłem nic gotowego, więc po wielu próbach rozebrałem stary odkurzacz, wywinąłem drut z cewki i nawinąłem go na tuleję.
• Stojak – rama z drewna.

Co potrzebujemy do sprawdzenia / użycia układu?

Oprócz samego układu, którego działanie polega na generowaniu napięcia przez magnes poruszający się w cewce potrzebne będzie urządzenie, które ten sygnał odczyta i pozwoli na analizę. Potrzebujemy:

• Oscyloskop i/lub komputer z kartą dźwiękową
• Trochę przewodów
• Kilka wtyczek

Co powstało?

Drewniana rama utrzymuje tuleję z cewką i magnes zawieszony na sprężynie:

Masa samego magnesu to mało więc musiałem dociążyć sprężynę, żeby w stanie spoczynku była trochę rozciągnięta:

Po podłączeniu cewki do oscyloskopu (prawdziwego lub komputerowego), możemy obserwować reakcję układu na drgania. W tej chwili cewka jest bardzo słaba, ale układ działa. Działanie można obserwować, na oscyloskopie, ale w przypadku oscyloskopu analogowego widać niewiele (widać, że działa ale nie da się uzyskać ładnego przebiegu). Z pomocą przychodzi karta dźwiękowa w komputerze – podpinamy cewkę do wejścia mikrofonowego i odpalamy specjalny program. Na drugim obrazku poniżej widać efekt tupnięcia w podłogę.

O projekcie można się oczywiście rozpisać i mam zamiar to uczynić, gdy osiągnę trochę lepszy efekt. Na razie chciałem się pochwalić, że działa.

Polska leży na obszarze o znikomej aktywności sejsmicznej. Oznacza to, że prawdopodobieństwo wystąpienia wstrząsów na tyle silnych by były odczute jest znikome. Znikome, ale nie zerowe. Trzęsienie z zeszłego tygodnia było bardzo silne jak na polskie warunki, ale nadal pomijalne według standardów światowych.

W historii Polski zapisało się kilka trzęsień ziemi, które powodowały lokalne zniszczenia (np. zawalenie się sklepienia kościoła świętej Katarzyny w Krakowie). W związku z tym warto wiedzieć co robić w przypadku wystąpienia trzęsienia ziemi (na podstawie usgs i fema):

Będąc wewnątrz budynku

• Paść na ziemię, skryć się pod stołem lub biurkiem i czegoś przytrzymać. W przypadku braku odpowiedniego mebla skulić się w rogu pomieszczenia zakrywając rękami głowę i twarz.
• Trzymać się daleko od okien, drzwi wyjściowych, ścian zewnętrznych i elementów, które mogą spaść (żyrandole, szafki, itp).
• Jeśli leżysz w łóżku to tam pozostań zakrywając głowę poduszką. Jeśli nad łóżkiem znajduje się niestabilny element, przenieś się do innego bezpiecznego miejsca.
• Wnęk drzwiowych używać jako schronienia tylko w przypadku gdy są masywne.
• Pozostań wewnątrz póki wstrząsy nie ustaną.
• Wstrząsy mogą uruchomić alarmy, zraszacze i inne tego typu systemy oraz spowodować odłączenie zasilania.
• Pod żadnym pozorem nie używać windy.

Będąc na zewnątrz

• Pozostań na zewnątrz, aż wstrząsy ustąpią.
• Odejdź od zabudowań, linii energetycznych i wszelkiego rodzaju wysokich konstrukcji.

Będąc w samochodzie

• Zatrzymaj samochód w bezpieczny sposób.
• Po trzęsieniu unikaj dróg, które mogą być uszkodzone (szczególnie mosty i wiadukty).

W przypadku uwięzienia pod gruzami

• Nie zapalaj zapałek.
• Nie wzburzaj kurzu.
• Zakryj usta rękawem lub innym materiałem.
• Pukaj w rurę aby umożliwić lokalizację przez służby. Użyj gwizdka jeśli dostępny. Nie krzycz jeśli nie jest to ostateczność – krzyk powoduje wdychanie niebezpiecznych ilości kurzu.

Być może wskazówki te nie będą przydatne w Polsce, ale mogą uratować życie na wakacjach.

Incorporated Research Institutions for Seismology jest instytucją edukacyjną, która między innymi gromadzi w czasie rzeczywistym sygnały z sejsmografów w całego świata i już w kilka godzin po trzęsieniu każdy może pobrać sobie dane do analizy. Pobierając dane mamy do dostęp do zapisów z ponad 1000 stacji z “całego świata”. Pozwoliłem sobie na cudzysłów ponieważ okazuje się “cały świat” składa się głównie z USA. Na mapę naniosłem punkty pokazujące lokalizacje szerokopasmowych stacji sejsmicznych (kliknij na mapę, aby powiększyć):

Taka sytuacja wynika moim zdaniem z kilku czynników. Po pierwsze amerykańska instytucja jaką jest IRIS współpracuje lepiej z lokalnymi partnerami niż zagranicznymi. Po drugie amerykanie mają duże budżety na naukę, dzięki czemu mogą sobie pozwolić na dużo drogich, szerokopasmowych stacji podłączonych on-line do sieci.

Nie jest to w żaden sposób złe. Mamy po prostu czego zazdrościć. Nie ma w Polsce trzęsień ziemi, więc nie ma zagrożenia, a jak nie ma zagrożenia to nie ma presji (i pieniędzy) na rozwijanie sieci przyrządów. Musimy więc korzystać z faktu że amerykanie dzielą się swoimi danymi…

Nawiązując do wczorajszego wpisu, gdzie pokazałem hodograf trzęsienia na Haiti zrobiony z rejestracji z sieci US Array dziś chciałbym pokazać taki sam hodograf, ale wykonany z zapisów pochodzących z całej ziemi. Taki rysunek dla porównania. Nie jest tak wybitnie ładny i czytelny jak wczorajszy, ale również widać na nim jak ładnie fale się rozchodzą.

Niestety z nieznanego mi powodu brakuje stacji w okolicach 110 stopnia i nie widać dokładnie jak jądro tłumi fale.

O trzęsieniu ziemie na Haiti, które miało miejsce we wtorek 12 stycznia 2010 słyszeli chyba wszyscy. Był to silny i płytki wstrząs, więc został dobrze zarejestrowany przez stacje sejsmiczne na całym świecie. Tak się składa, że w Stanach Zjednoczonych, które leżą stosunkowo blisko od Haiti trwa największy pasywny eksperyment sejsmiczny w historii. Ponad 400 przenośnych stacji sejsmicznych jest ustawianych na planie gęstej siatki obejmującej “pas” przechodzący przez USA od południa do północy. Pas ten jest stopniowo przenoszony z zachodniego wybrzeża w kierunku wschodniego. W tej chwili stacje są ustawione w środkowej części kraju, co narysowałem na mapie poniżej:

Ponieważ stacje używane w tym eksperymencie są bardzo nowoczesne, szerokopasmowe i profesjonalnie ustawiane zapisy są wysokiej jakości – pozbawione szumów, artefaktów, trendów, stałych składowych itp.

Stosunkowo prostu udało mi się wygenerować wykres – hodograf tego trzęsienia:

Czas na osi pionowej jest zredukowany, widać pięknie wejścia fal P, PP, S itd.

Kolejnym, nieco bardziej skomplikowanym krokiem była animacja pokazująca przejście czoła fali P przez terytorium USA. Kropki na animacji mają kolor zależny od wychylenia składowej pionowej sejsmografu. Im bardziej zielona tym większe wychylenie do góry, im bardziej czerwona tym większe wychylenie do dołu. Na animacji widać przejście czoła fali P po którym widoczne są drgania wynikające ze skomplikowanej budowy ziemi. Gdyby animacja nie była widoczna poniżej, można ją zobaczyć tutaj:

Pięknie widać, prawda?

Ciekawy jestem, czy zagląda tu ktoś, kto docenia moje dzieła sejsmiczne :)?

“How the Earth Was Made” to amerykański program telewizyjny kanału “History” omawiający zagadnienia geologiczne i geofizyczne Ziemi. Z tego co wiem nie można go zobaczyć w polskiej telewizji, ale są różne inne metody – można zamówić DVD set przez internet.

Serial jest bardzo ciekawy i powinien zainteresować wszystkich zafascynowanych naszą planetą.

Jest to produkcja bardziej popularnonaukowa niż naukowa, ale tego oczekuje tak zwana szeroka publiczność. Omawia bardzo interesujące aspekty (uskok San Andreas, Rów Mariański, Krakatau, …) związane z budową Ziemi, które warto poznać.

Do tej pory wyemitowano kilkanaście odcinków, których aktualną listę można znaleźć na Wikipedii: http://en.wikipedia.org/wiki/How_the_Earth_Was_Made.

Polecam waszej uwadze!

Od ostatniego wpisu udało mi się usprawnić dwa aspekty modelowania. Dodałem tłumienie fal P i S zgodne z modelem PREM oraz przyspieszyłem obliczenia poprzez wykorzystanie wielowątkowości w środowisku matlab.

Wstępną (ze względu na brak czasu na razie jedyną) animację pokazującą rozchodzenie się fal z tłumieniem można zobaczyć poniżej (lub tutaj):

Szukając różnych materiałów dotyczących analizy danach sejsmicznych w środowisku matlab trafiłem na stronę internetową Mike’a Thorne’a – docenta w departamencie geologii i geofizyki uniwersytetu w Utah: http://web.utah.edu/thorne/. Można tam znaleźć między innymi różne animacje pokazujące propagację fal sejsmicznych. Jest między innymi animacja pokazująca model PREM. Skromnie jednak uważam, że moja jest… ciekawsza 🙂