GEOFONO 2Hz - GEOFONO 4,5Hz

Considerazioni su confronto tra geofono 2 Hz e geofono 4,5 Hz

Approfittando del maggior tempo a disposizione causa Covid-19 ho avuto la possibilità di dedicarmi a quelle che sono le mie passioni, tra queste la sismologia.

Quella della sismologia è una passione che non deriva direttamente dal percorso di studi che ho affrontato nella vita, ma da semplice autodidatta ho cercato di capire come funzionano le cose in questo settore, aiutato in questo dal mio forte spirito critico e dalle mie approfondite conoscenze nell’ elettronica e nell’ analisi dei segnali che mi vengono molto in aiuto nel cercare di interpretare risultati sperimentali in questo settore.

Di seguito illustro in particolare alcune considerazioni che ho fatto confrontando il segnale acquisito da due geofoni con frequenze proprie diverse uno da 4,5 Hz e l'altro da 2 Hz

Questa è l’ immagine del segnale acquisito nudo e crudo, in verde il segnale del 2 Hz ed in blu il segnale da 4,5 Hz

FIG 1

A vederli la prima cosa che viene in mente è che sono due segnali totalmente diversi, ed in realtà è cosi perche provengono da due sensori con caratteristiche profondamente dissimili soprattutto nella parte bassa dello spettro di frequenze, ma da una attenta analisi, alcune cose in comune ci sono, o meglio una informazione totalmente assente nel segnale blu è fortemente presente nel segnale verde, mentre non è sempre vero il contrario.

Analizzando nel dettaglio una parte di questa immagine, si vede chiaramente che il segnale blu proveniente dal geofono a 4,5 Hz è molto simile ( è lo stesso ) al segnale che sta modulando l’ onda dominante ( la portante ) nel geofono da 2 Hz.

In realtà nel tracciato verde notiamo, senza ombra di dubbio, la presenza di un segnale dominante con un periodo di circa 1,5 secondi ( 3 divisioni da 0,5 sec )  frequenza di circa 0,7 hz, che è modulato, e che contiene l’ informazione, dalla ulteriore componente, che è stata ben individuata dal sensore a 4,5 Hz e che ha una frequenza di circa 6 Hz ( si notano 3 periodi completi in 0,5 secondi).

Sono passato ad una analisi più approfondita dei segnali, in particolare togliendo a quello proveniente dal geofono da 2 Hz tutta la componente spettrale al di sotto di 1 Hz ed ho sovrapposto i risultati: in nero il segnale proveniente dal 2 Hz ma filtrato, ed in rosso il segnale proveniente dal 4,5 Hz. Le due forme d’onda sono quasi identiche, la presenza di un leggero sfasamento tra le due è dovuta al ritardo introdotto dal filtro. Qui stiamo visualizzando una frequenze dominante compresa tra 3 e 5 Hz

FIG2

 

Anche in questo caso si nota che le due onde sono a loro volta modulate da segnali a frequenza più elevata, come chiaramente visibile nell’ ingrandimento seguente.

FIG3

Quindi entrambe i geofoni presentano sensibilità a questa componente a frequenza maggiore che, nel caso specifico, è di circa 20 hz ( nella figura una divisione orizzontale è pari a 0,2 secondi ).

DRUM 2 Hz

 

DRUM 4,5 Hz

Questi sono i due drum ottenuti dai segnali provenienti dai due geofoni, ai quali sono tolte le componenti inferiori ad 1,5 Hz e superiori a 20 Hz.

In questa porzione di spettro i due geofoni hanno comportamento praticamente analogo, mentre al di sotto di 1,5 Hz il geofono da 4,5 Hz mostra tutti i suoi limiti e non poteva che essere così, visto che la sua massa sospesa è di soli 11,1 grammi contro i 60 e più grammi di quello da 2 Hz; questo peso inferiore ha come conseguenza che il sistema massa-molla al di sotto di una certa frequenza, porta la massa sospesa ad inseguire il supporto del geofono, cioè la piccola inerzia della massa fa sì che la molla non si espanda o si comprima sotto le sollecitazioni a bassissima frequenza e quindi, non essendoci moto relativo o per lo meno essendocene molto poco tra la massa sospesa e la carcassa, non si ha alcuna generazione di segnale utile e senza il quale le equalizzazioni oltre certi limiti, lasciano il tempo che trovano…

Ho eseguito in Matlab/simulink numerose simulazioni su sistemi massa-molla, proprio per studiare in dettaglio quanto detto sopra, ma anche a rigor di logica, è facile intuire questo comportamento del sistema.

Sicuramente con una equalizzazione del segnale del geofono da 4,5 Hz si riesce a migliorare le sue caratteristiche nella parte bassa dello spettro ma, per le sue caratteristiche costruttive, andare sotto 1,5 Hz significa amplificare di centinaia volte un segnale talmente basso con un inaccettabile rapporto S/N, cioè, si vede sicuramente qualcosa, ma ciò che si vede in termini di spettro è molto lontano dalla realtà, è “ taroccato “…

Limitando in basso la banda del 2 Hz si ottengono quindi gli stessi risultati di un 4,5 Hz, sia in termini di risposta in frequenza, che di sensibilità, spettri perfettamente sovrapponibili, ( il segnale in uscita dal 2 Hz è circa 8 volte maggiore rispetto a quello del 4,5 Hz, a tutto vantaggio del rapporto S/N); mentre, espandendo con equalizzazione il segnale del 4,5 Hz verso il basso, i risultati sono accettabili fino ad un certo punto ma, per frequenze sotto 1,5 Hz, le differenze diventano tali da rendere del tutto falso lo spettro ricavato, e frequenze al di sotto di 1,5 hz hanno ancora un notevole peso nello studio dello spettro REALE di un terremoto.

 

 

 

 

 

 

 

 

Vediamo ora più in dettaglio il comportamento del 2Hz nella parte bassa dello spettro; osservando la figura 1, si vede subito che riesce perfettamente a convertire in segnale utile l’ onda da 0,7Hz presente; ricordo che il segnale visualizzato nella figura è un segnale puro, senza processi di filtraggio, preso dal geofono, acquisito con ADC 24+theremino e visualizzato tramite il programma Thereminoscope. Nel corso di eventi sismici il sistema ha acquisito anche segnali di 10 e più secondi di periodo provenienti da terremoti lontani qualche migliaio di Km, ma ovviamente lo stesso discorso fatto per il geofono da 4,5 Hz, circa la parte bassa dello spettro, vale anche molto più in basso per questo da 2Hz, ma la considerazione che viene fuori è che, senza elaborazioni del segnale, una frequenza di 0.7 Hz uno la vede marcatamente e l’ altro no.