Hosted by OSOS , contributed by epallefkas on 3 March 2020
Σεισμογράφος
Το πρόγραμμα του σεισμογράφου στοχεύει:
• Στην ευαισθητοποίηση της εκπαιδευτικής κοινότητας στο αντικείμενου του σεισμού.
• Στην εγκατάσταση σεισμολογικών οργάνων για τη ενίσχυση επιχειρησιακών δράσεων πολιτικής προστασίας.
• Στην εκλαΐκευση σεισμολογικών εννοιών μέσω της διαθεματικής σύνδεσής τους με τις γνώσεις του σχολείου.
• Στην εξειδίκευση των σχεδίων προστασίας έναντι του σεισμού στις σχολικές μονάδες.
• Στη διάχυση της γνώσης σε ευρύτερες ομάδες πληθυσμού.
Σκοπός μας, φτιάχνοντας τον σεισμοφράφο, είναι η κατανόηση του ότι οι γνώσεις του σχολείου μας βοηθούν στην καθημερινότητά μας (άρα και στην αντιμετώπιση των φυσικών καταστροφών) και στη λειτουργία του ατόμου εντός της ομάδας (άρα και στη συμμόρφωση στους κανόνες). Ως εκ τούτου, η χρήση γλώσσας προγραμματισμού για την επεξεργασία ενός αρχείου ήχου για την εξαγωγή μετρήσεων αποτελεί σημαντικό κόμβο στην βελτίωση των γνώσεων στον τομέα αυτό.
Ο σεισμογράφος θα αποτελείται από:
• το εκκρεμές
• το σύστημα ενίσχυσης (ή μεγέθυνσης)
• το σύστημα αναγραφής
• το σύστημα απόσβεσης της ελεύθερης ταλάντωσης του εκκρεμούς
• το σύστημα ψηφιοποίησης των σεισμογραμμάτων (οι ψηφιακοί σεισμογράφοι)
• σε μαγνητική ταινία
• με γραφίδα πάνω σε αιθαλωμένη (καπνισμένη) ταινία ή σε θερμογραφικό χαρτί
• με φωτεινή κηλίδα πάνω σε φωτογραφική ταινία
• ψηφιακά στη μνήμη Η/Υ ή σε σκληρό δισκο
Η αναγραφή της σεισμική κίνησης, που λέγεται σεισμόγραμμα, γίνεται:
• σε μαγνητική ταινία
• με γραφίδα πάνω σε αιθαλωμένη (καπνισμένη) ταινία ή σε θερμογραφικό χαρτί
• με φωτεινή κηλίδα πάνω σε φωτογραφική ταινία
• ψηφιακά στη μνήμη Η/Υ ή σε σκληρό δίσκο
Αισθάνομαι
Το σχολείο μας βρίσκεται στη Λευκάδα, ένα νησί με έντονη σεισμική δραστηριότητα. Έχουμε μάθει να ζούμε με τους σεισμούς οι οποίοι είναι τρόπος έκφρασης των φυσικών κανόνων. Κάθε φορά στεκόμαστε μπροστά του ανήμποροι, σαστισμένοι, δεν ξέρουμε τι να κάνουμε.
Στην εργασία μας μελετούμε το φαινόμενο του σεισμού. Βλέπουμε εικόνες, άρθρα και επιστημονικές αναλύσεις. Περιγράφουμε με απλά λόγια το φαινόμενο. Θέλουμε και εμείς να καταγράψουμε το μέγεθος μιας σεισμικής δόνησης και να το συγκρίνουμε με μια επίσημη καταγραφή. Να φτιάξουμε κάτι δικό μας! Θέλουμε επίσης να τονίσουμε το πόσο σημαντικό και σωτήριο είναι να ακολουθούμε κανόνες για την προστασία μας, πριν, κατά τη διάρκεια και μετά το σεισμό.
Φαντάζομαι
Το project μας το εντάξαμε στα πλαίσια του μαθήματος Ειδικά Θέματα στο υλικό και στα Δίκτυα Υπολογιστών κι έχει ώς θέμα "Κατασκευή Σεισμογράφου". Η ομάδα μας ασχολήθηκε με το φαινόμενο του σεισμού και την καταγραφή του. Συζητήσαμε και με καταιγισμό ιδεών μας δημιουργήθηκαν τα εξής ερευνητικά ερωτήματα:
-
Τι συμβαίνει και γίνεται σεισμός;
-
Ποιά είναι η κλίμακα μέτρησης του σεισμού;
-
Τι καταγράφει ένας σεισμογράφος;
-
Πως διαβάζουμε μια καταγραφή;
Σε συνεργασία με τους καθηγητές μας αναζητήσαμε απαντήσεις στα παραπάνω ερωτήματα.
Φόβοι
-
Πως ο δικος μας σεισμογράφος θα καταγράψει τις δονήσεις που προέρχονται μόνο απο τη μετακίνηση των πλακών;
-
Πως θα ξέρουμε αν είναι ακριβής μια μέτρηση;
-
Δεν γνωρίζουμε ποια είναι τα S και ποια τα P κύμματα.
-
Τι θα γίνει αν κατά τη διάρκεια μιας σεισμικής δόνησης διακοπεί το ρεύμα.
Πήραμε πληροφορίες από το τμήμα σεισμολογίας του ΑΠΘ κι ενημερωθήκαμε από σεισμολόγους για όλα όσα θέλαμε να μάθουμε.
Δημιουργώ
Η κατασκευή
Φάση 1.
Συγκέντρωση υλικών
- Τρίποδας
- Raspberry PI
- Ελατήριο
- Μάζα 1Kg
- Μεγάφωνο 10'' με αντίσταση 8Ω
- Καλώδια σύνδεσης ήχου
- Μεταλλική βάση για στερέωση στο έδαφος
Φάση 2.
Συναρμολόγηση
Πώς λειτουργεί.
Το μεγάφωνο περιέχει ένα πηνίο το οποίο βρίσκεται σε ένα μαγνήτη στη βάση του. Η σεισμική δόνηση δημιουργεί ταλλάντωση στο ελατήριο και η μάζα στην άκρη του με τη σειρά της προκαλεί δονήσεις στο πηνίο καθώς έχουμε ένα σύστημα ελατηριο-μάζα-πηνίο.Λόγω του φαινομένου της επαγωγής στα άκρα του πηνίου δημιουργείται τάση. Η ηλεκτρική αυτή τάση, το ηλεκτρικό σήμα, πηγαίνει στην είσοδο της κάρτας ήχου του υπολογιστή (στο μικρόφωνο). Στον υπολογιστή έχουμε εγκαταστήσει το πρόγραμμα επεξεργασίας ήχου audacity (ελέυθερο λογισμικό).
Φάση 3.
Σύνδεση και δοκιμή
Φάση 4.
Ανάλυση δεδομένων στο Raspberry PI
Στο audacity ξεκινάμε μια νέα εγγραφή ήχου. Κάνουμε τις απαραίτητες ρυθμίσεις ώστε να έχουμε τη μέγιστη ευαισθησία αφού αφαιρεθεί η συνεισφορά κάθε συνεχούς ρεύματος στο σήμα. Από το μενού Effect, και την επιλογή Normalize τσεκάρουμε την επιλογή Remove any DC offset ενώ η επιλογή Normalize maximum amplitude to πρέπει να είναι αποεπιλεγμένη. Αυτό το βήμα δεν είναι απαραίτητο, αλλά είναι γενικά καλό η κυμματομορφή να είναι τοποθετημένη στη μέση, έτσι αν δεν υπάρχουν σεισμοί (ή άλλες δονήσεις), το σήμα να είναι στο μηδέν. Επειδή η συχνότητες που παράγονται απο διάφορους θορύβους εκτός των σεισμικών δονήσεων δεν αποτελούν ζητούμενο καταγραφής ενισχύουμε τις χαμηλές συχνότητες και από το μενού Effect -Bass boost στο πεδίο Frequency (Hz) (π.χ 100) και 36 για Boost (dB). Αυτό σημαίνει ότι όλες οι συχνότητες κάτω από τα 100 Hz θα ενισχυθούν κατά 36 dB (περίπου 64 φορές). Η ενίσχυση κατά 36 dB είναι η μέγιστη ενίσχυση που μπορεί να επιτευχθεί κάθε φορά.
O θόρυβος του υποβάθρου (όπως ο θερμικός ή ο ηλεκτρονικός θόρυβος) είναι κάτι που επίσης πρέπει να απομακρυνθεί. Μετά από μια μικρή καταγραφή με το κουμπί Get Noise δείχνει ποιό τμήμα αποτελεί θόρυβο..Επιλέγουμε όλη την καταγραφή για να απομακρύνουμε το θόρυβο από παντού. Από το μενού Effect, και από την εντολή Noise Removal δίνουμε τις τιμές 6 για Noise reduction (dB), 1 για Frequency smoothing (Hz) και 0.15 για Attack/decay time (secs).
Τελικά αυτό το οποίο θα καταγράψει μετά από ημέρες λειτουργίας ο Η/Υ είναι μία σεισμική δόνηση; Και αν είναι ποιο είναι το μέγεθος της:
Για να απαντήσουμε στα παραπάνω ερωτήματα ας δούμε αρχικά τους μαθηματικούς τύπους που μας χρειάζονται για να μετρήσουμε την ένταση της καταγραφής μας.
Aπόσταση από το επίκεντρο (σε χιλιόμετρα) = p1 · (ts – tp)
Μέγεθος (σε Richter) = p2 · log10 (tc – tp) + p3 ·
Απόσταση από το επίκεντρο – p4
Όπου, p1, p2, p3, p4 είναι σταθερές που εξαρτώνται από τον τύπο των πετρωμάτων που διέρχονται οι δονήσεις.
tp είναι ο χρόνος (σε seconds) που τα P κύματα του σεισμού φτάνουν στον σεισμογράφο; ts είναι ο χρόνος (σε seconds) που τα S κύματα φτάνουν στο σεισμογράφο; tc είναι ο χρόνος (σε seconds) που οι δονήσεις σταματούν.
Ο παραπάνω τύπος για το μέγεθος, βασίζεται στην κλίμακα διάρκειας (duration magnitude scale) που έχει προσαρμοστεί ώστε να δίνει αποτελέσματα στην τοπική κλίμακα (local magnitude scale or Richter).
Πηγές: http://en.wikipedia.org/wiki/Seismic_scale
http://en.wikipedia.org/wiki/Earthquake_duration_magnitude
Η καταγραφή μας λογικά θα έχει απόκλιση από την πραγματικότητα. Για να κάνουμε την απαραίτητη διόρθωση χρείαζεται να την συγκρίνουμε με μια επίσημη καταγραφή-μέτρηση και στη συνέχεια να υπολογίσουμε τον συντελεστή διόρθωσης.
Συντελεστής διόρθωσης = 10[[Official magnitude + p4 – (p3 * Απόσταση από το επίκεντρο)] / p2] / (tc – tp)
Η ιδέα.....
Σκεφτήκαμε πως ο σεισμογράφος θα ήταν πιο χρηστικός αν τη στιγμή που γινόταν μια σεισμική δόνηση να ειδοποιεί με email την ομάδα των "σεισμολόγων" του σχολείου.
Πως...
Με τη χρήση ενος Raspbery Pi ενος αισθητήρα κίνησης και ενός αρχείου σε γλώσσα Python