Visualiser des ondes sismiques et mesurer leurs vitesses dans différents matériaux

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Un sismomètre avec un piézomètre :

Auteur : Nicolas Esseiva

 

Un sismomètre de démonstration a plusieurs objectifs pédagogiques:

– il permet de mieux faire comprendre aux élèves le mode de fonctionnement de l’appareil et ainsi de mieux appréhender ce qu’est une onde sismique.

– en réalisant des mesures de vitesses de propagation des ondes, il permet de mettre en évidence le lien entre densité de la roche et vitesse de propagation.

Différents montages sont proposés ci dessous:

Montage 1: Capteur piézo et chaine exao avec module voltmètre.

Montage 2: Capteur piézo relié à la carte son de l’ordinateur MONTAGE TRES EFFICACE)

 

Montage 1 : Un piézomètre relié à une chaine d’exao utilisant le module voltmètre:

Le montage ci dessous permet de réaliser ce genre de mesures. Il offre l’avantage d’être peu onéreux: 3 euros. En effet, si les sismomètres type Pierron coûtent environ 120 euros l’unité, le capteur utilisé ici coûte 1.6 euro!! Il est disponible chez Reboul à Besançon.

Matériel nécessaire :

– 2 capteurs piézométriques disponibles chez Reboul à Besançon.

– des échantillons de roches de densité différente (nous utilisons un granite et un calcaire ainsi qu’un morceau de contre-plaqué).Tous nos échantillons ont strictement les mêmes dimensions afin d’être cohérent dans le raisonnement. Dimension: Epaisseur 3cm, longueur 140 cm et largeur 10 cm.

– .les capteurs sont reliés au module exao de Micrelec via le capteur voltmètre.

– 2 serre-joints

– des petits blocs de polystyrène.

Principe de la manipulation : On frappe sur une extrémité de la roche; les ondes se propagent et passent d’abord sous un capteur puis ensuite sous l’autre. Connaissant la distance séparant les 2 capteurs, il est facile de mesurer la vitesse de propagation de l’onde. Résultats: Des résultats seront disponibles sur le site Internet SVT de l’académie. Les vitesses de propagation sont nettement différentes (rapport de 1 à 4 entre le granite et le bois).

Les astuces : Il faut absolument utiliser les serre-joints afin de solidariser le capteur et la roche. Il faut impérativement isoler la roche du sol avec les blocs de polystyrène. Enfin, le piézomètre peut également être branché sur des enceintes (avec ampli) afin d’entendre le séisme. Pour que les échantillons de roche ne coûtent pas trop cher, allez voir un marbrier et utiliser ses chutes de granite. Il ne vous la fera pas payer; il lui faudra simplement couper un échantillon de calcaire aux mêmes dimensions, mais c’est une roche tendre donc facile à couper. Les 2 échantillons nous ont été facturés 15 euros .Enfin, faites attention en manipulant les roches; le calcaire est une roche fragile….on en sait quelque chose !!

Les inconvénients : La lecture des temps d’arrivée des ondes est relativement difficile avec le logiciel orphy.

montage-schema

montage-sismo

Pour la liaison entre le piézo et le module voltmère, il suffit de respecter le code couleur, fil rouge avec fil rouge, fil noir avec fil noir.

 

Montage 2 : Utiliser un piézomètre (disponible chez les revendeurs électroniques tels que REBOUL à Besançon pour la somme de 1.5 euros) et le brancher sur la carte son de l’ordinateur:

Principe général : Un piézo est capable de convertir un choc en variation de tension et inversement. Il se comporte donc comme un haut parleur fonctionnant dans les 2 sens. Il semble donc possible de relier un piézo à la carte son de l’ordinateur. Comme la plupart des cartes sont stéréo, on peut même relier 2 piézos. On lit alors l’enregistrement sismique à l’aide d’un logiciel de traitement de son.
Matériel nécessaire :

– Des capteurs piézométriques disponibles chez Reboul à Besançon.

– des échantillons de roches de densité différente (nous utilisons un granite et un calcaire ainsi qu’un morceau de contre-plaqué).Tous nos échantillons ont strictement les mêmes dimensions afin d’être cohérent dans le raisonnement. Dimension: Epaisseur 3cm, longueur 140 cm et largeur 10 cm.

– .les capteurs sont reliés à la carte son de l’ordinateur (voir montage) à l’aide d’un fiche carte son disponible également chez Reboul ou autre magasin d’électronique ou informatique.

– Des élastiques

– des petits blocs de polystyrène.

– un logiciel d’acquisition: on utilise un logiciel gratuit (Audacity) que vous pouvez télécharger en cliquant ICI

Les branchements :

Il faut tout d’abord ôter la pastille blanche entourant le piézo de façon à n’obtenir que le disque de métal .Chaque disque de métal comporte un fil noir (masse) et un fil rouge.

La fiche « carte son » comporte 3 broche: une masse, une entrée1 une entrée 2 (pour la stéréo). Le branchement est donc simple; il faut relier les 2 masses des piézos à la masse de la fiche ordinateur; ensuite, un fil rouge d’un piézo est relié à l’entrée 1, l’autre fil rouge de l’autre piézo à l’entrée 2.

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Les astuces :

Pour une meilleure sensibilité du piézo, on préfère enlever le cache en plastique qui entoure le disque de métal sensible aux vibrations.

Afin de permettre à ce disque de bien plaquer contre le bloc de roche à tester, on place le capteur dans une petite boite remplie de mousse, le tout fixé sur la roche avec des élastiques.

Pour ne pas perturber les enregistrements, on met les fils du piézo EN AVAL du séisme de façon à éviter que les ondes sismiques remontent le long des fils électriques et viennent perturber les enregistrements.

Enfin, on dispose des petits blocs de polystyrène sous la roche de façon à isoler celle ci de la table qui pourrait perturber les enregistrements puisqu’elle même conduit les ondes sismiques.

Attention: Le branchement doit être fait sur la fiche « entrée » de l’ordinateur et non pas sur la fiche « micro », cette dernière étant mono.

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Le montage final est donc le suivant :

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Les résultats et leur exploitation :

Nous présentons ici les résultats obtenus avec le montage 2; il en serait de même avec le montage 1 mais le logiciel de lecture des résultats Orphy étant plus difficile d’utilisation (manque de précision), j’ai préféré présenter uniquement le logiciel AUDACITY.
Découverte du logiciel AUDACITY :

Nous utilisons uniquement quelques fonctions du logiciel qui permettent l’enregistrement et la lecture des séismes avec mise en évidence des temps d’arrivée des ondes. Le logiciel se présente ainsi :

aud1

Les résultats :

Lorsque l’enregistrement est réalisé, on obtient le résultat suivant :

aud2

Pour mesurer facilement et précisément les temps d’arrivée, on zoome sur le début de l’enregistrement en utilisant la loupe. Puis, avec le bouton Pointage, on place un trait au début de l’enregistrement d’un piézo; on peut alors lire le temps en bas de l’écran avec une précision spectaculaire (millionième de seconde).

aud3

En répétant de nombreuses fois les opérations et en moyennant les résultats, on obtient les résultats suivants:

En tapant de haut en bas, on génère des ondes S; en tapant d’avant en arrière, on génère des ondes P; la précision de nos enregistrements permet de mettre facilement en évidence une différence de vitesse de propagation.

Sur le granite le delta est de 0,00080 secondes sur le bois le delta est de 0,00165 secondes distance parcourue entre les 2 capteurs: 91 cm

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