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1 Dottoranda: Ramona Guida Tutor: Giovanni Iannaccone INGV – Osservatorio Vesuviano Dottorato di Ricerca in Rischio Sismico - XXIII ciclo Studio e Analisi.

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1 1 Dottoranda: Ramona Guida Tutor: Giovanni Iannaccone INGV – Osservatorio Vesuviano Dottorato di Ricerca in Rischio Sismico - XXIII ciclo Studio e Analisi e di Segnali Sismici registrati in mare da Sistemi Idrofonici

2 2 Sommario Eventi Sismici in ambiente marino e onde acustiche CUMAS: Cabled Underwater Multisensor Array data Il fondo marino: un proiettore acustico Prospettive future: la rete di idrofoni Collocazione Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono La Ricerca in atto: segnali sismici e metodologie FEM

3 3 Propagazione e Analisi di segnali sismici in ambiente marino Detezione di Segnali Sismici provenienti dal sub-bottom marino con Idrofoni Influenza della massa dacqua sulla propagazione di Segnali Sismici Collocazione

4 Il moto cui è interessato il fondo marino quando un evento sismico si verifica nel sub-bottom dà origine in mare a perturbazioni della massa dacqua. Le oscillazioni attorno alla posizione di riposo delle particelle che si trovano sullinterfaccia fra il fondo marino e la colonna dacqua sovrastante determinano regioni spazialmente alternate di compressione e rarefazione del mezzo note come onde di pressione o onde acustiche. Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche

5 5 Nellassunzione che il fluido in cui si propaga londa sia elastico, isotropo, stazionario, lineare, continuo, omogeneo e perfetto, allora il valore del campo di pressione immesso in acqua da un evento sismico, allistante t e in un punto dello spazio (x,y,z) è fornito dallequazione di DAlembert La perturbazione legata allonda si propaga nel mezzo in modo tale che la propria ampiezza in ogni punto dello spazio è funzione del tempo, mentre in ogni istante in ciascun punto dipende dalle coordinate geometriche del punto stesso Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche

6 6 Nellassunzione che le variabili dellonda siano funzione di una sola coordinata spaziale, allora londa di pressione è unonda piana e lequazione donda è Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche

7 Supponendo che la fonte di generazione del campo di pressione in mare sia un piano vibrante, allora nella derivazione dellespressione del campo di pressione si assume che lintera superficie si muova con velocità v alternativamente lungo la perpendicolare al piano. Se dS costituisce il singolo elemento infinitesimo appartenente al piano e animato con velocità v, allora il campo di pressione totale agente sullelemento di superficie dA in un punto generico p(x,y,z) sarà Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche

8 Supponendo che la fonte di generazione del campo di pressione in mare sia un piano vibrante, allora nella derivazione dellespressione del campo di pressione si assume che lintera superficie si muova con velocità v alternativamente lungo la perpendicolare al piano. Se dS costituisce il singolo elemento infinitesimo appartenente al piano e animato con velocità v, allora il campo di pressione totale agente sullelemento di superficie dA in un punto generico p(x,y,z) sarà Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche v Dove è la densità del mare e c la velocità di propagazione dellonda acustica in mare (1500m/sec). c

9 9 Metodologia: ipotizzare il fondo marino come radiatore piano e utilizzare sistemi di detezione e tecniche di analisi tipicamente utilizzati nella sonaristica tradizionale per lacquisizione e il trattamento di Segnali Sismici provenienti dal sub-bottom Il fondo marino: un proiettore acustico Gli Idrofoni nella detezione di Segnali Sismici provenienti dal Sub-bottom marino

10 10 Il CUMAS: Cabled Underwater Module for Acquisition of Seismological data Concepito per applicazioni specifiche di monitoraggio di fondali marini in aree vulcaniche, mira a integrare la rete di monitoraggio sismico dei Campi Flegrei presente a terra estendendo questultima al settore marino della caldera che ne copre circa la terza parte. Equipaggiato fra gli altri sensori di un idrofono, CUMAS ha consentito di acquisire segnali sismici come segnali acustici

11 11 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Il set di dati a disposizione oggetto di analisi e registrato dal modulo CUMAS è relativo a un evento sismico verificatosi in Grecia nel giugno 2008; levento è stato registrato tanto dal sismometro di fondo quanto dallidrofono posizionato a un metro da esso. Vz al sismometro P allidrofono

12 12 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Il set di dati a disposizione oggetto di analisi e registrato dal modulo CUMAS è relativo a un evento sismico verificatosi in Grecia nel giugno 2008; levento è stato registrato tanto dal sismometro di fondo quanto dallidrofono posizionato a un metro da esso. Vz al sismometroP allidrofono Il confronto è lecito se si ipotizza, come già stabilito, il fondo marino come radiatore piano animato da velocità Vz e pertanto il campo di pressione immesso in acqua da esso è pari al prodotto della Vz registrata al sismometro per la c del suono in acqua (supposto =1)

13 13 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono SismometroIdrofono Ciascun set di dati comprende un totale di campioni distanziati con un tc=0.01sec. La differenza fra i segnali ai due strumenti è netta: mentre quello al sismometro risulta essere completamente immerso nel rumore ambientale, quello allidrofono è distinguibile in modo netto, di natura fortemente impulsiva presenta valori dellampiezza ben oltre il rumore ambientale. Ciò è da imputare al fatto che lidrofono percepisce la sola componente longitudinale del moto e sono quindi assenti gli effetti di disturbo delle onde di taglio presenti invece al sismomertro

14 14 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Sismometro Idrofono Lanalisi spettrale dei segnali registrati dai due strumenti ha messo in evidenza la caratteristica fortemente impulsiva del segnale allidrofono. Questultimo infatti è interessato da uno spettro a larga banda che ne rende difficile la caratterizzazione e separazione dal rumore ambientale che in mare occupa le medesime frequenze occupate dal segnale sismico percepito dallidrofono.

15 15 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Lanalisi nel dominio del tempo ha fornito al contrario risultati incoraggianti per quanto attiene allidrofono. Per ciascun set di dati, sul quale è stato operato il valore assoluto e poi il quadrato per derivare lenergia associata a ciascun segnale, è stata calcolata una media temporale con finestra mobile di 1000 campioni con un overlap di 999 Sismometro Idrofono

16 16 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Sismometro Idrofono Linviluppo dei valori medi calcolati in ciascuna finestra mobile ha consentito di tracciare landamento temporale dellenergia associata ai segnali rilevati dai sue strumenti. Lelaborazione ha determinato una riduzione della potenza del rumore non correlato, esaltando la presenza del segnale utile, interessato da un fronte di salita molto ripido soprattutto per il segnale allidrofono

17 17 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Sismometro Idrofono Il fatto invece che il segnale al sismometro presenti una distribuzione dellenergia distribuita su un intervallo di tempo maggiore fa sì chesso perda la caratteristica impulsiva limitandone di fatto la rilevabilità Linviluppo dei valori medi calcolati in ciascuna finestra mobile ha consentito di tracciare landamento temporale dellenergia associata ai segnali rilevati dai sue strumenti. Lelaborazione ha determinato una riduzione della potenza del rumore non correlato, esaltando la presenza del segnale utile, interessato da un fronte di salita molto ripido soprattutto per il segnale allidrofono

18 18 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Le due forme donda, private poi del valor medio, sono state segmentate in frame di 1024 campioni e analizzate tramite processore FFT Sismometro Idrofono

19 19 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Il livello dei campioni spettrali in deciBel, nella gamma 0-50Hz e relativamente a ciascuno strumento, nel tempo e in frequenza descrive delle superfici Sismometro Idrofono freq tempo

20 20 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Nella forma donda al sismometro così analizzata si evidenzia quanto i caratteri del sisma si confondano con quelli del rumore ambientale, mentre allidrofono siano evidenti in modo netto. SismometroIdrofono

21 21 Prospettive future: la rete di idrofoni La caratteristica di elevata detectabilità che caratterizza il segnale sismico allidrofono fa ipotizzare che limpiego di una rete di idrofoni nella rivelazione di eventi sismici che avvengono nel sub-bottom marino può comportare una maggiore efficacia rispetto a quella offerta dai sistemi preposti a questa funzione. SismometroIdrofono Si è potuto notare infatti un maggiore contrasto di energia quando si confrontano levento sismico e il rumore rivelati da un idrofono piuttosto che da un sismometro

22 Dottorato di Ricerca in Rischio Sismico XXIII ciclo Utilizzando una rete di idrofoni, gli elementi di differenziazione legati alle diverse quote di ciascun sensore si prestano anche alla funzione di filtraggio di perturbazioni acustiche non provenienti dal fondo ma collocate spettralmente nella gamma del sisma. Il segnale associato a un evento sismico e rivelato da un idrofono presenta infatti la caratteristica impulsiva, che non è presente in quella rilevata dal sismometro. Prospettive future: la rete di idrofoni

23 Dottorato di Ricerca in Rischio Sismico XXIII ciclo Prospettive future: la rete di idrofoni Il suo spettro quindi, più disperso in frequenza, consente di elaborare algoritmi in grado di ridurre il disturbo di sorgenti rumorose che si collocano nella gamma delle bassissime frequenze e di separare inoltre quelle a caratteristica monocromarica.

24 Dottorato di Ricerca in Rischio Sismico XXIII ciclo La rete di idrofoni consentirebbe inoltre di correlare temporalmente i segnali registrati, ottenendo guadagni di processo superiori collegati al beamforming. Se è il tempo di ritardo relativo allarrivo di un segnale S i allidrofono i-simo rispetto al tempo di un idrofono di riferimento, allora il fascio relativo alla rete di idrofoni sarà Prospettive future: la rete di idrofoni

25 25 Lattività di ricerca in fase iniziale di sviluppo si propone come obiettivo lutilizzo di algoritmi FEM (Finite Element Modeling) per lo studio di come gli strati superficiali del fondo marino e più in generale la massa dacqua agiscano sulla propagazione e trasformazione dei segnali sismici. La Ricerca in atto: Segnali Sismici e metodologie FEM Lutilizzo di algoritmi di tal genere unitamente a tecniche e metodologie di analisi tipicamente utilizzate nellambito della sonaristica tradizionale apre nuove prospettive a ricerche e sviluppi futuri nella Sismologia Marina

26 26 Grazie per lattenzione


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