Foire aux questions (F.A.Q.)

Introduction

Le sismomètre est le maillon de base d’une chaîne de mesure des ondes sismiques. Son rôle est de traduire les mouvements du sol en une tension électrique proportionnelle qui sera enregistrée par un système d’acquisition.

Le mouvement du sol se caractérise par sa vitesse et son accélération. Le sismomètre peut donc être considéré comme un transducteur vitesse-tension ou accélération-tension, le lien entre la vitesse et l’accélération étant une simple dérivée par rapport au temps.

Le sismomètre ou bien géophone, se présente sous la forme d’un système mécanique. Il existe cependant des sismomètres dits électroniques. Ceux-ci sont en fait des sismomètres mécaniques dont le signal de sortie est traité électroniquement avant d’être fourni au système d’acquisition. Ce traitement préalable permet ainsi d’améliorer significativement les caractéristiques du simple géophone mécanique.

Classification des sismomètres

Nous savons qu’un tremblement de terre apparaît suite aux forces internes provoquant des cassures dans la roche. Ces ruptures internes provoquent des ondes qui se propagent dans la terre et que nous ressentons sous forme de tremblements de terre. Les sismologues étudient ces ondes qui se composent d’une large gamme de fréquences, de 1 mHz à 100 Hz (Périodes de 0,01 sec. à 1000 sec.) (voir tableau 1). Un sismomètre n’étant capable de mesurer qu’une plage réduite de cette gamme de fréquences, on pourra classifier les sismomètres en fonction de l’étendue des fréquences qu’ils couvrent.

On distingue principalement deux catégories de sismomètres : les Courtes Périodes qui sont sensibles aux fréquences à partir de 1 Hz (périodes inférieures à 1 sec) et les Longues Périodes ou Larges Bandes qui sont sensibles à des fréquences en dessous de 1 Hz.

Ainsi, un sismomètre Courte Période avec une bande passante de 1 Hz à 80 Hz fournira des informations qui viendront compléter celle d’un sismomètre Large Bande couvrant la gamme de 0,0028 Hz (360 secondes) à 50 Hz.

On distingue aussi le sismomètre vertical (figure 1a) du sismomètre horizontal (figure 1b). Le vertical fournira des informations sur les mouvements dans la direction de l’axe passant par le centre de la terre, l’horizontal dans la direction orthogonale à cet axe.

Figure 1a : sismomètre vertical

Figure 1b : sismomètre horizontal

Principe de fonctionnement

Nous allons nous concentrer ici sur le fonctionnement d’un sismomètre vertical. Il se compose d’une masse suspendue à l’intérieur d’un boîtier au moyen de ressorts. La masse comporte un enroulement de fils qui constitue une bobine tandis que le boîtier comporte un aimant. L’ensemble de ces éléments est assemblé de sorte que la bobine puisse se déplacer dans le champs magnétique généré par l’aimant (voir figure 1c).

Figure 1c : Eléments constitutifs d’un sismomètre

Lors d’un tremblement de terre, le boîtier va se déplacer en suivant les mouvements du sol tandis que la masse, du fait de son inertie et de son attache via les ressorts, va tendre à rester immobile. Nous sommes alors en présence d’une bobine qui voit un champs magnétique se déplacer autour d’elle. La tension électrique récupérée aux bornes de la bobine étant proportionnelle à la vitesse de déplacement du champs et le champs se déplaçant à la vitesse du sol, nous avons un transducteur vitesse du sol – tension électrique (voir figure 2).

Figure 2 : Tension induite aux bornes d’un sismomètre

Bien sûr ce système a ses limites. Des limites qui proviennent aussi bien de considérations mécaniques (inertie de la masse, coefficient de rappel du ressort et amortissement) que de considérations électriques (vitesse du champs magnétique, induction de la bobine).

Ainsi, en dessous d’un seuil de vitesse de déplacement, la masse ne restera plus immobile mais se déplacera en même temps que le boîtier et donc le sol. Ce comportement limitera ainsi la fréquence la plus basse mesurable par le sismomètre.

De même, il existe un seuil de vitesse au-dessus duquel le sismomètre ne fournira aucune information à sa sortie. Si le mouvement du champs magnétique est trop rapide, la bobine n’aura pas le temps de voir le champs se déplacer autour d’elle et donc ne fournira aucune tension à ses bornes.

Caractéristiques

On peut citer les caractéristiques principales d’un sismomètre : fréquences limites inférieure et supérieure ; facteur de transduction du sismomètre : G (V / m/s) ; coefficient d’amortissement du sismomètre : ζ (sans unité).

Les fréquences limites inférieure et supérieure fourniront la gamme de fréquence que le sismomètre est capable de mesurer.

Lfacteur de transduction est le lien entre la tension mesurée et la vitesse du sol correspondante. Exprimée en Volt par unité de vitesse, au plus cette constante sera grande, au plus le sismomètre permettra de mesurer de faibles mouvements du sol.

Le coefficient d’amortissement déterminera la manière dont le sismomètre répondra au différentes fréquences de mouvement du sol. On cherchera à approcher un coefficient de 0,707 car il correspond au meilleur compromis entre une réponse plate de la réponse en fréquence, une constante de générateur élevée et une fréquence de coupure inférieure de faible valeur (voir figure 3).

Figure 3 : Réponse en fréquence pour divers coefficients d’amortissement ζ

Calibration

Dans le cas des sismomètres mécaniques, la calibration va consister à déterminer ses caractéristiques propres : fréquence, amortissement et facteur de transduction propres. Une fois ces caractéristiques connues, il est possible d’élaborer un système pour modifier le comportement du sismomètre afin qu’il réponde à nos besoins (p.ex. : coefficient d’amortissement de 0,707). Ce système peut aller de la simple résistance en sortie du capteur jusqu’au système électronique complexe avec contre-réaction.

Dans le cas des sismomètres électroniques, on ne peut pas parler de caractéristiques propres vu qu’un circuit électronique fait partie intégrante du sismomètre et modifie déjà ses caractéristiques.

Documentation

Un poster décrivant l'entièreté de la chaîne de mesure des mouvements du sol est disponible ici