Mesure de la vitesse d'une onde sismique

Mesure de la vitesse d'une onde ("sismique") se propageant dans les roches

Cette manipulation permet d'évaluer l'ordre de grandeur de la célérité des ondes sismiques sans se préoccuper du type d'onde enregistrée.
Elle est donc plus particulièrement adaptée au collège. elle se réalise dans la salle de classe.

Matériel nécessaire

Un PC avec carte son, deux capteurs piézométriques, adaptateur "cinch → jack stéréo", rallonges pour capteurs, logiciel Audacity.

Installation du matériel

• Connecter les deux capteurs piézométriques à l'adaptateur "cinch → jack stéréo"
• Connecter l'adaptateur jack stéréo à la rallonge.
• Connecter le jack stéréo de la rallonge à l'entrée en ligne de la carte son (Line in).

• Fixer 2 boîtiers capteurs au sol, à l'aide de ruban adhésif large. Ils doivent être assez éloignés et si possible pas trop proches des murs de la salle.
• Mesurer la distance entre les deux capteurs. (7 m dans l'exemple fourni)

Configuration du logiciel Audacity (version 2.xx)

• Lancer Audacity
• Dans Édition, Préférences..., cliquer sur l'onglet "Périphériques".
• Choisir la carte son, utilisée pour la lecture et l'enregistrement.
• Pour les canaux, choisir "stéréo" et valider.

•  Configurer l’échantillonnage
  Pour cela, aller sur l'onglet "Qualité" et régler la fréquence d'échantillonnage sur "Autres". (le logiciel propose différentes fréquences mais peu pratiques pour le calcul par les élèves).
  Si la carte son est suffisamment performante (et c'est souvent le cas actuellement), elle peut échantillonner jusqu'à 96 000 Hz ou au delà.
  On admettra que ses performances permettent d'échantillonner jusqu'à 100 000 Hz.
  Dans la case "Autre... "taper 100 000  et valider. Un échantillon aura ainsi une valeur de 10^-5s, ce qui permet des calculs plus rapides.

Sur le bandeau en bas de la page, se placer sur "Durée" et dans la liste déroulante située au dessous, demander l'affichage en échantillons.

Acquisition des enregistrements sismiques

Lancer l'enregistrement en cliquant sur le bouton rouge.
A l'aide du maillet, frapper le sol le plus proche possible d'un boîtier capteur.
Arrêter l'enregistrement en cliquant sur le bouton jaune.

Traitement des enregistrements réalisés

Deux enregistrements apparaissent à l'écran. Chacun correspond aux ondes enregistrées par un capteur.

• Effacer une partie de l'enregistrement allant du début jusqu'à quelques instants avant l'arrivée des premières ondes.
• Se placer au temps d'arrivée de l'onde sur le premier capteur
• En sélectionnant à l'aide du bouton gauche de la souris, se placer au temps d'arrivée de l'onde sur le deuxième capteur. Zoomer si nécessaire.

La durée entre les temps d'arrivée est affichée en bas de la fenêtre d'enregistrement. ( 412 échantillons soit 412.10-5 s dans l'exemple choisi).

La durée de propagation de l'onde entre le capteur 1 (proche du coup de maillet)  et le capteur 2 situé  à 7 m est égale à 412 échantillons soit 412.10^-5 s

Calcul de la vitesse des ondes

V = d/t
V = 7m / 0,00412 sec = 0,001699 m.s-1
V = 1,69 km.s-1

Vitesse acceptable si on considère que les ondes enregistrées sont des ondes S et que le sol de la salle est posé sur une chape faîte de sable et ciment (qui peut être considérée comme une roche sédimentaire).