Gli Strumenti Sismici Per strumenti sismici si intendono dispositivi meccanici o elettronici atti a rilevare, registrare e misurare, in un particolare punto geografico, il passaggio di onde sismiche. Si distinguono in: -Sismoscopi Sismografi a spostamento; la cui risposta è proporzionale allo spostamento del terreno. Sismografi velocimetri; la cui risposta è proporzionale alla velocità dello spostamento Accelerometri; la cui risposta è proporzionale alla accelerazione dello spostamento. Sismoscopi Tali strumenti non sono dotati di un apparato di misura né di registrazione della scossa. La loro funzionalità è molto semplice: segnalano la comparsa di una perturbazione sismica indicandone la direzione di provenienza. La loro funzionalità cessa al termine del primo impulso. I primi sismoscopi compaiono in epoca medievale in Cina. Le ultime utilizzazioni risalgono alla seconda metà dell’ottocento.

Sismografi Facciamo il punto su un principio della Fisica che è alla base del funzionamento di tutti i sismografi: l’Oscillatore Armonico. Per oscillatore armonico si intende un qualsiasi dispositivo che, se perturbato dalla sua posizione di equilibrio stabile, oscilla intorno alla sua posizione di equilibrio con una frequenza costante, il cui valore dipende dalle caratteristiche meccaniche del dispositivo (frequenza propria). In un mondo ideale, privo di attriti, l’oscillatore armonico continuerebbe ad oscillare all’infinito. Esempi di oscillatori armonici meccanici.

Perché in sismometria viene utilizzato un oscillatore armonico? Per rispondere a questa domanda bisogna citare la prima legge della dinamica. “Un corpo dotato di massa rimane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme a meno che non intervenga una forza esterna a mutare il suo stato”. Tutti i sismometri sono dispositivi (oscillatori armonici) dotati di massa inerziale ovvero di una massa che, in presenza di un impulso al telaio, tende a rimanere ferma nel sistema di riferimento spaziale. Allora, l’obiettivo è quello di rilevare e registrare il moto del telaio (sottoposto all’impulso sismico) rispetto alla massa inerziale (che rimane ferma) tale registrazione riprodurrà esattamente l’impulso del terreno.

Purtroppo, anche quanto esposto sopra appartiene ad un mondo ideale Purtroppo, anche quanto esposto sopra appartiene ad un mondo ideale. Un terremoto non è un impulso istantaneo ma un treno d’onde di varia ampiezza e frequenza che può durare anche molte decine di secondi. La massa oscillante può rimanere immobile per un tempo brevissimo, poi comincerà anch’essa ad oscillare e le sue oscillazioni dipenderanno sia dalla frequenza propria del dispositivo che dal treno d’onde dell’input sismico che gli verrà trasmesso dal telaio ancorato al terreno. La presenza, nel segnale registrato, delle oscillazioni proprie del dispositivo, sovrapposte al segnale sismico, fece sì che fino al 1903, non si potesse progredire granché nel campo della sismologia. Poi, intorno all’anno citato, venne realizzato, presso l’università tedesca di Göttingen, un sismografo rivoluzionario perché utilizzava un dispositivo innovativo: lo smorzatore. Con esso si riuscì, se non ad annullare le oscillazioni proprie, perlomeno a controllarle. Il sismografo a pendolo rovesciato Wiechert permise una analisi corretta delle forme d’onda e aprì la strada ad uno sviluppo tumultuoso della sismologia.

Ora un po’ di teoria dei sismografi Ora un po’ di teoria dei sismografi. L’obiettivo è capire l’origine della differenziazione tra sismografi a spostamento, velocimetri e accelerometri. Si consideri la circostanza secondo la quale una perturbazione (l’onda sismica) investa un sismografo. Attraverso il telaio il moto si propagherà alla massa oscillante. Per semplificare, si immagini che l’onda sismica possa essere descritta da un’onda sinusoidale costante. La funzione del moto della massa oscillante rispetto al telaio è composto da 3 fattori: La forza oscillante esterna; La componente di smorzamento; L’oscillazione naturale del sismografo (alla sua particolare frequenza). Il sistema si comporta in definitiva come un oscillatore armonico forzato e smorzato.

Se indichiamo con:

Possiamo fare alcune considerazioni qualitative. - Per frequenze molto alte (cioè praticamente superiori a 10 volte la frequenza propria dello strumento) tutti i sismografi rispondono con un’ampiezza pari a quella dell’eccitazione. Siamo quindi nel caso in cui la massa rimane praticamente ferma sotto l’azione delle onde sismiche. Per frequenze molto minori della frequenza propria la risposta diviene molto piccola fino a tendere a zero. Ciò significa semplicemente che la massa “segue” i movimenti del telaio cosicché i loro movimenti relativi diventano nulli -Per frequenze prossime alla frequenza propria i sismografi possono arrivare a superare l’ampiezza del moto che li ha perturbati. Siamo nel caso della risonanza. La condizione ideale è quella rappresentata dalla risposta piatta; cioè il sismografo risponde con amplificazione d’ampiezza sempre uguale al variare della frequenza del moto del terreno.

Finora si è descritto il funzionamento e le caratteristiche di sismografi meccanici. Ovviamente, dai tempi della realizzazione del Wiechert la tecnologia ha fatto passi da gigante. In particolare focalizziamo l’attenzione su due passaggi fondamentali nella storia della sismometria. Sismometri a trasduttore elettromagnetico In questo tipo di dispositivi viene sfruttata l’induzione elettromagnetica. Il principio di funziona- mento è schematizzato in figura. La massa oscillante viene in questo caso sostituita da un magne- te mobile. Il suo movimento avviene tra le spire di una bobina fissa.

Sismometri a controreazione Di questo tipo di sismometri se ne fornirà solo una descrizione qualitativa. Si è visto nelle diapositive precedenti che il trasduttore elettromagnetico crea una forza che agisce sulla massa per smorzarne le oscillazioni. Allora perché non si può immaginare un trasduttore che, anziché frenare la corsa della massa oscillante, né impedisca proprio il movimento? Il problema viene in un certo senso rovesciato. Non si misura più l’elongazione della massa, bensì la forza elettromotrice necessaria per mantenerla ferma nella sua posizione di riposo. Quest’ultima risulterà variabile nel tempo in funzione del treno d’onde degli impulsi sismici e direttamente collegabile ad una loro misura. I sismometri a controreazione devono essere, contrariamente a quanto descritto in precedenza, alimentati in tensione. Il beneficio però è quello di avere una notevole estensione sia nella dinamica che nella larghezza di banda. Si ricorda che per dinamica si intende l’escursione (espressa in dB) tra il segnale più forte registrabile senza il fenomeno della saturazione e il segnale più piccolo registrabile. 1dB = 20log(Vmax/Vmin) Per larghezza di banda si intende l’escursione (in frequenza) all’interno della quale il sismometro registra con amplificazione costante.

Il principe dei sismometri è senza dubbio lo Streckeisen STS-1. La sua larghezza di banda va da 10 Hz a 0.0001Hz ( periodo T di 10000 secondi! Circa 2.8 ore). La sua dinamica risulta > di 140 dB.