Modèle de localisation de l'épicentre d'un séisme

Cette manipulation est réalisable en classe mais également "en extérieur" si l'on dispose de PC portables (classe mobile).

Le dispositif utilisé :

Il faut, pour localiser l'épicentre du séisme, plusieurs stations d'enregistrement.
Dans le cas représenté 3 PC portables sont utilisés mais on peut réaliser la mesure en classe avec trois PC "fixes".

Dispositif en extérieur utilisant 3 PC portables

Chaque station est matérialisée par un capteur relié à la carte son d'un PC. C'est pour cette raison que l'utilisation de 3 ou 4 PC possédant chacun une carte son, est nécessaire.

L'installation du matériel

• Placer les trois ou quatre capteurs piézométriques au sol en formant un triangle de 3 m (ou plus si on dispose de rallonges supplémentaires). Fixer les boîtiers au sol en utilisant du ruban adhésif large.
• Connecter chaque capteur à l'adaptateur cinch → jack mâle stéréo.
• Sur ce même adaptateur cinch → jack mâle stéréo, connecter le générateur de top (voir conception ici).
• Cet  adaptateur cinch → jack mâle stéréo doit être ensuite connecté à une rallonge.
• Connecter la rallonge  à l'adaptateur jack stéréo → jack mono

Dispositif utilisé avec le "topeur"

•     Connecter l'ensemble ainsi réalisé à l'entrée Micro de la carte son de l'ordinateur. En effet l'entrée "Line in" ne peut accepter que deux voies donc 2 capteurs au maximum. Il est recommandé de limiter, dans Audacity, l'entrée micro à 0,7.

Configuration du logiciel

• Dans Edition, Préférences..., cliquer sur l'onglet "Périphériques".
• Choisir la carte son, utilisée pour la lecture et l'enregistrement.
• Pour les canaux, choisir "Mono" et valider.
  
  Réglages d'Audacity
   
• 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.
  Réglage de l'échantillonnage

• Valider les réglages (OK)
• Sur l'interface Audacity, choisir "Microphone" dans la barre des tâches et régler l'entrée micro à 0,7.

Réglage de l'entrée micro

• 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.

Réglage des unités de durée

Acquisition des enregistrements sismiques

• Chaque opérateur PC lance l'enregistrement dans Audacity en appuyant sur le bouton rouge.
• Pour synchroniser ultérieurement les enregistrements, un opérateur délivre un Top à l'aide du générateur de top.
• Un autre opérateur délivre un choc puissant en un point repéré.
• Les opérateurs PC arrêtent l'enregistrement à l'aide du bouton jaune, pour traiter et dépouiller ensuite les résultats.

Traitement des enregistrements réalisés

• Enregistrer le signal en utilisant la commande "Fichier, Exporter l'audio. Exporter chaque piste en wav" . Copier ces fichiers sur un support numérique. Penser à nommer l'enregistrement en fonction de la couleur du capteur : rouge.wav
•  Copier les trois ou quatre fichiers d'enregistrements au format "wav" sur un même ordinateur.
• Lancer sur ce PC, Audacity
• Ouvrir un après l'autre les enregistrements en utilisant la commande"Fichier, Importer, Audio..."

Synchronisation des 3 pistes

• Sur chaque enregistrement, effacer la partie allant du début au TOP.
• Lorsque les trois enregistrements sont calés exactement au début du TOP, sélectionner les trois signaux et effacer une partie de l'enregistrement allant du TOP à l'arrivée des ondes sismiques.
• Sauver l'ensemble des courbes : "Fichier, Enregistrer le projet sous..."
• Déterminer "l'heure d'arrivée" des ondes sismiques dans les différentes stations. Zoomer si nécessaire.

Un exemple de résultats obtenus

Temps d'arrivée :

• Capteur rouge = 0,037166''
• Capteur noir = 0,042893''
• Capteur bleu = 0,042771''

Exploitation des résultats. Localisation de l'épicentre

Ne connaissant ni l'heure du séisme, ni le différentiel de temps d'arrivée des ondes P et S, qui habituellement permet de déterminer la distance de la station à l'hypocentre, c'est la méthode des médiatrices qui est utilisée.
On connaît la localisation des stations d'enregistrement donc les distances qui les séparent.

• Tracer les médiatrices des segments reliant les stations d'enregistrement.
  
  
  Sachant que les ondes arrivent plus rapidement à la station rouge qu'à la station noire, le séisme est plus proche de la station rouge que de la station noire. On peut donc exclure le demi plan délimité par la médiatrice du segment [rouge, noire] et incluant la station noire.
  
  Exclusion du 1er demi-plan
  
  Sachant que les ondes arrivent plus rapidement à la station rouge qu'à la station bleue, le séisme est plus proche de la station rouge que de la station bleue. On peut donc exclure le demi plan délimité par la médiatrice du segment [rouge, bleue] et incluant la station bleue.
  
  
  Exclusion du 2ème demi-plan
  
  Sachant que les ondes arrivent plus rapidement à la station bleue qu'à la station noire, le séisme est plus proche de la station bleue que de la station noire. On peut donc exclure le demi plan délimité par la médiatrice du segment [bleue, noire] et incluant la station noire.
  
  
  Exclusion du 3ème demi-plan
  
  En regroupant les résultats précédents, on détermine ainsi le secteur où le séisme s'est produit. En augmentant le nombre de capteurs donc de stations on peut obtenir une localisation plus précise.
  
  
  Localisation de "l'épicentre" modélisé.