Fabriquer un sismographe à partir d objets de récupération Teach article

Traduit par Marielle Bréhonnet, Chloé Chevreton, Jennifer Scouarnec, Sylvain Le Dez. Saviez-vous que vous pouviez utiliser d'anciens haut-parleurs Hi-Fi pour détecter les tremblements de terre ? Ou encore faire des exercices de simulation sismique tout simples en classe ? Je vous explique…

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On enregistre des tremblements de terre partout dans le monde et à tout moment. En 2011, le séisme à l’origine de la catastrophe de Fukushima au Japon, celui qui a fait des milliers de morts en Turquie et celui qui a dévasté Christchurch en Nouvelle-Zélande ont fait la une des journaux. Mais aviez-vous entendu dire que cette même année, la Finlande, la Belgique et la République Tchèque avaient, elles aussi, été frappées par des tremblements de terre ?

L’intensité de certains séismes peut être si faible qu’ils en deviennent pratiquement indécelables, mais on peut quand même les enregistrer. Chaque secousse produit différents types de vibrations — ou ondes sismiques — qui se propagent à l’intérieur de la Terre à des vitesses différentes. Ces ondes peuvent être détectées et enregistrées par des appareils appelés sismographes, souvent situés très loin de l’épicentre du séisme. En mesurant le temps d’arrivée des ondes sismiques jusqu’aux sismographes et en enregistrant l’amplitude et la durée de cette activité, on peut calculer la magnitude du séisme et situer son épicentre.

Veille de l’activité sismique locale

Située à cheval entre deux plaques tectoniques, la Grèce subit des tremblements de terre quotidiens (Figure 1). La région de la Messénie, où se trouve notre école, a connu des tremblements de terre majeurs. En 1886, un grave séisme de magnitude 7,5 sur l’échelle de Richter touche Filiatraw1 (Figure 2). Un siècle plus tard, Kalamata est frappée par un autre tremblement de terrew2, de magnitude 6,0 cette fois. D’ici les 100 prochaines années, Sparte devrait, à son tour, être touchée par un séismew3 de magnitude au moins égale à 7,0.

Figure 1 : les tremblements de terre survenus en Grèce durant la première semaine de novembre 2011. Situé à la jonction des plaques tectoniques africaine et européenne, le pays enregistre plusieurs secousses chaque jour
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Figure 2 : le tremblement de terre de 1886 a détruit Filiatra ; celui de 1986 a causé de nombreux dégâts à Kalamata. Au cours du prochain siècle, Sparte pourrait bien venir s’ajouter à la liste
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Pour inciter mes élèves à en apprendre davantage sur les tremblements de terre, j’ai acheté et installé un sismographe semi-professionnel à vocation éducative au sein de notre établissement (Figures 3 et 4), le Lycée général de Filiatra. Le sismographe est constitué de trois géophones — des capteurs qui réagissent aux ondes sismiques et les transforment en signaux électriques. Chacun des trois géophones enregistre la composante verticale et les composantes horizontales est-ouest et nord-sud du mouvement des ondes. Les trois signaux sont ensuite traités par ordinateur, ce qui permet de calculer la magnitude du séisme et la distance de l’épicentre (Figure 3).

 

Figure 3 : un sismogramme à trois composantes tracé par le sismographe que nous avons acheté, indiquant les heures de début des ondes primaires (P) et secondaires (S) et de fin des vibrations (C).
Les ondes primaires sont des ondes de compression longitudinalesw4 et sont les premières à atteindre le sismographe. Elles peuvent se propager dans les milieux solides et liquides — dans l’air, elles se transforment en ondes sonores, se déplaçant ainsi à la vitesse du son (340 m/s). Dans l’eau, elles évoluent à la vitesse de 1 450 m/s environ et dans la roche à la vitesse de 5 000 m/s environ. Les ondes secondaires sont des ondes de cisaillement transversales ; elles atteignent le sismographe après les ondes primaires. À leur passage, les mouvements du sol s’effectuent perpendiculairement au sens de propagation de l’onde. Elles ne se propagent pas dans les milieux liquides ou gazeux et, en milieu solide, leur vitesse atteint environ 60 % de celle des ondes primaires.
La distance de l’épicentre (en km) et la magnitude du séisme (mesurée sur l’échelle de Richter) sont calculées selon les formules suivantes :
    distance = p1·(ts – tp)
et
    magnitude = p2·log10 (tc – tp) + p3·distance – p4
où p1, p2, p3, p4 sont des constantes qui dépendent du type de roches traversées par le tremblement de terre. Les valeurs par défaut sont p1 = 7,6 ; p2 = 2,31 ; p3 = 0,0012 ; p4 = 1,0. Trois mesures de temps (en secondes) sont nécessaires : l’heure d’arrivée des ondes P (tp), l’heure d’arrivée des ondes S (ts) et l’heure de fin des vibrations (tc)

Image reproduite avec l’aimable autorisation de Panteleimon Bazanos ; source d’image: enregistreur sismique Helicorder et logiciel Dataviewer, Laboratoire de sismologie de l’Université de Patras
Figure 4 : fonctionnement
d’un géophone. Lorsque le
sol vibre, la membrane sur
laquelle est fixée la bobine se
meut par rapport à l’aimant.
La différence de potentiel
générée au niveau des
connecteurs varie en fonction
des vibrations du sol. Cliquer
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Fabriquer un sismographe

Je voulais également amener les étudiants à réfléchir sur la technologie utilisée en sismologie et à mieux comprendre le rôle joué par chacune des composantes d’un sismographe, plutôt que de le voir comme une simple « boîte ». Pour ce faire, nous avons fabriqué notre propre sismographe, capable de détecter les séismes jusqu’à 100-200 km à la ronde selon leur magnitude.

Dans un sismographe, on trouve des géophones. Ils transforment les vibrations du sol en signaux électriques grâce à une bobine qui imprime un mouvement relatif par rapport à un aimant, générant ainsi une tension à la borne de la bobine (loi de Faraday ; Figure 4). Pour constituer notre sismographe, nous avons utilisé la technologie de tous les jours : c’est un haut-parleur qui a fait office de géophone. Généralement, les haut-parleurs transforment un signal électrique en un mouvement relatif d’une bobine et d’un aimant, ce qui permet au cône d’amorcer un mouvement de va-et-vient ; ce phénomène génère alors des vibrations, les ondes sonores (Figure 5). En inversant leur mode de fonctionnement — c’est-à-dire en convertissant les vibrations en signaux électriques — on peut s’en servir comme géophones.

 

Figure 5 : fonctionnement d’un haut-parleur. Le fonctionnement des haut-parleurs est basé sur le mouvement relatif d’une bobine et d’un aimant ; on peut donc s’en servir pour détecter les vibrations du sol. Ces vibrations impriment à la bobine un mouvement relatif par rapport à l’aimant, créant ainsi une différence de potentiel entre les connecteurs de la bobine. Le signal électrique est enregistré par l’ordinateur via la carte son, de la même manière que le signal d’entrée d’un microw5
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Pour fabriquer notre géophone, nous avons utilisé un haut-parleur de graves (ou woofer) car ce type d’appareil est particulièrement bien adapté aux basses fréquences. Les ondes sismiques sont, bien entendu, des vibrations de basse fréquence. Pour réduire les interférences causées par les vibrations sonores, nous avons retiré le cône du haut-parleur.

Figure 6 : notre géophone
maison

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Pour finaliser notre prototype (Figure 6), nous avons également utilisé un poids, un ressort et le couvercle d’une bombe aérosol. Le poids sert à augmenter l’inertie car la bobine du haut-parleur est très légère. En plaçant le poids directement sur la bobine, on risquerait de l’endommager. Nous avons donc utilisé le ressort pour suspendre le poids au-dessus de la bobine, lui permettant ainsi d’osciller. Le couvercle de la bombe aérosol sert à protéger la bobine. Puis nous avons branché notre géophone « woofer » au port de la carte son d’un ordinateur et nous avons enregistré les signaux à l’aide d’un logiciel d’édition audio : notre sismographe était alors opérationnel.

Vous pouvez télécharger les instructions détaillées pour fabriquer ce sismographe sur le site de Science in Schoolw6.

Maintenant, c’est votre tour !

Si la veille sismique vous intéresse ou que vous souhaitez faire des recherches sur l’activité sismique durant les cours, vous pouvez :

  1. Assurer un suivi et une analyse des données fournies par des stations sismiques existantesw7,w8.
  2. Utiliser un sismographe à vocation éducative que vous aurez acheté dans le commerce.
  3. Construire votre propre sismographe en vous aidant des instructions téléchargeables ci-dessousw6.
  4. Mener de simples expériences de simulation et tenter de mieux comprendre la mécanique des phénomènes sismiques.

Pour enregistrer des séismes à l’aide d’un sismographe semi-professionnel ou que vous aurez fabriqué vous-même, vous devrez être suffisamment proches de leur épicentre. Notre sismographe maison était capable de détecter les séismes jusqu’à 100-200 km à la rondew9, selon leur magnitude. Avec le sismographe semi-professionnelw10, nous avons pu détecter des tremblements de terre de magnitude 4,0 sur l’échelle de Richter à plus de 500 km à la ronde.

Les options 1 et 2 ont l’avantage de pouvoir être mises en œuvre même dans les régions à faible activité sismique.

Repérer les tremblements de terre

Dégâts sur la chaussée à la
suite du séisme

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Le géophone doit être manipulé avec précaution car la bobine du sismographe que nous avons fabriqué est très sensible. Pour assurer une prise de mesures optimale, placez le sismographe à un endroit calme et exempt de vibrations, pourquoi pas dans une pièce de l’école située en sous-sol. Moi, je l’ai installé dans la salle de classe pour encourager la participation des élèves.

Une fois installé, laissez votre sismographe fonctionner pendant un ou deux jours puis enregistrez les données recueillies. Avant de rechercher les traces d’un séisme dans les données, vous devrez procéder à un traitement informatique. Le type de traitement dépend du logiciel que vous utilisez mais il devrait être assez simple.

  1. Pour éliminer tout apport de courant continu dans le signal, veillez à supprimer l’éventuel décalage CC.
  2. Augmentez les basses fréquences (inférieures à 100 Hz). C’est dans cette zone fréquentielle que vous détecterez les tremblements de terre.
  3. Éliminez les bruits de fond (bruits thermiques, électriques, etc.) pour améliorer la clarté du signal.
  4. Vous pouvez ensuite sonder les données à la recherche d’un éventuel tremblement de terre.

Tous les signaux enregistrés par les sismographes ne relèvent pas toujours d’une activité sismique. D’autres sources, plus proches, comme la circulation, le vent, les explosions ou les portes qui s’ouvrent et se ferment peuvent fausser les résultats. Le scénario d’un tremblement de terre est souvent caractéristique : une onde de faible amplitude suivie d’une onde plus importante (voir Figure 3). Mais comme ce n’est pas toujours le cas, vous et vos étudiants vous demanderez parfois si ce que vous avez décelé est effectivement un séisme. La seule façon de lever le doute est de procéder comme les sismologues professionnels et comparer vos données avec les enregistrements d’autres stations sismiquesw7,w8.

Lorsque vous êtes sûrs qu’il s’agit bien d’un tremblement de terre, vous pouvez calculer sa magnitude (sur l’échelle de Richter) et mesurer votre distance (en km) de l’épicentre (Figure 7). Pour cela, seules trois mesures sont nécessaires : l’heure d’arrivée (en secondes) des ondes P et S et l’heure de fin des vibrations (voir Figure 3). Pour plus de détails, téléchargez les instructions sur le site de Science in Schoolw6.

Figure 7 : activité sismique enregistrée par notre sismographe maison. Les valeurs qui apparaissent en jaune ont été calculées d’après les données relevées par notre propre sismographe ; les valeurs figurant sous les tracés sont issues des rapports de l’Institut de géodynamique de l’Observatoire National d’Athènes.
ML signifie magnitude locale (ML) sur l’échelle de Richter

Image reproduite avec l’aimable autorisation de Panteleimon Bazanos

Expériences de vibrations avec des haut-parleurs d’ordinateur

Figure 8 : un jeu de
haut-parleurs d’ordinateur et
un câble modifié pour les
besoins de l’expérience. Les
fiches du câble sont
remplacées par des pinces
crocodile et les cônes ont été
retirés des haut-parleurs
pour réduire les
interférences causées par les
vibrations sonores

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l’aimable autorisation de
Panteleimon Bazanos

J’ai également imaginé des expériences visant à simuler certaines phases des tremblements de terre et à reconnaître les différents signaux qui sont émis — comme par exemple la façon dont l’énergie du séisme décroît à mesure qu’il traverse différents matériaux.

Pour cela, nous nous sommes servis de haut-parleurs, d’un ordinateur équipé d’une carte son et d’un logiciel de traitement audio, comme précédemment. Mais à la place des géophones, vous pouvez utiliser de vieux haut-parleurs d’ordinateur (en prenant soin, là encore, de retirer le cône) que vous pourrez déplacer selon les besoins de l’expérience (Figure 8). Choisissez des woofers de 100 watts / 8Ω, comme dans le sismographe que nous avons fabriqué, ou des haut-parleurs d’ordinateur de 3 watts / 8Ω et utilisez le logiciel d’édition/enregistrement audio Audacityw11. Pour de plus amples informations, consultez les étapes 1, 8 et 9 des instructions téléchargeablesw6.

Les expériences consistaient à laisser tomber des balles sur des surfaces solides de tous types, depuis différentes hauteurs (matérialisant des énergies diverses) et à des distances différentes des détecteurs (les haut-parleurs).

Lorsque la balle frappe la surface solide, elle génère des vibrations qui traversent le matériau — imitant l’énergie des ondes d’un séisme qui traversent la Terre.

Expérience 1 : énergie d’un séisme

Cette activité démontre la relation entre l’énergie dégagée par un séisme et le mouvement du sol. Nous avons créé des vibrations sur un morceau de marbre (il en serait de même sur le bois, le plastique ou même le sol) en laissant tomber la boule d’une souris d’ordinateur depuis différentes hauteurs, provoquant ainsi des secousses de diverses puissances. L’amplitude du signal dépend de la puissance de la secousse.

Figure 9 : deux configurations d’expériences, la première (A) avec un seul haut-parleur et la seconde (B) avec deux haut-parleurs
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  1. Installez le matériel comme indiqué à la Figure 9A.
  2. Lâchez la boule de différentes hauteurs et inscrivez l’amplitude du signal (Figure 10) dans le tableau 1. Peu importe à quelle distance du haut-parleur vous laissez tomber la boule, mais faites en sorte qu’elle retombe toujours au même endroit.
Figure 10 : les signaux enregistrés lors de l’expérience 1. Les signaux ont été amplifiés par un facteur de 10
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Tableau 1 : reportez les résultats de l’expérience 1
Hauteur (cm) 10 15 20 25 30
Amplitude du signal          
  1. Tracez un graphique amplitude sur hauteur.
  2. Commentez le tracé. Vos étudiants devraient en conclure que plus l’énergie dégagée est importante, plus le sol vibre.

Expérience 2 : déperdition d’énergie

Cette activité démontre la déperdition d’énergie (décroissance) observée à mesure que les ondes sismiques se propagent dans la croûte terrestre. Nous avons produit des vibrations en laissant tomber un poids de 4 kg (boule en métal) sur le sol depuis la même hauteur mais à des distances différentes du géophone « woofer » ou du haut-parleur. Lorsque les ondes se propagent, elles perdent en puissance et le sol vibre moins. Cela se retrouve dans l’amplitude des signaux.

  1. Installez le matériel comme indiqué à la Figure 9A.
  2. Sur le sol, reportez 5 marques espacées d’1 m d’intervalle à partir du géophone « woofer » ou du haut-parleur.
  3. Laissez tomber la boule de la même hauteur (1 m par exemple) sur le sol sur chacune des marques en reportant les résultats (Figure 11) dans le tableau 2.
Figure 11 : les signaux enregistrés lors de l’expérience 2. Les signaux ont été amplifiés par un facteur de 4
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Tableau 2 : reportez les résultats de l’expérience 2
Distance du géophone (m) 1 2 3 4 5
Amplitude du signal          
  1. Tracez un graphique amplitude sur hauteur.
  2. Commentez le tracé. Vos étudiants devraient en conclure que plus le « séisme » est éloigné, moins le sol vibre.

Expérience 3 : vitesse des ondes en fonction du milieu traversé

Dans cette activité, nous étudions la vitesse des ondes en fonction du milieu traversé. Lorsque les ondes se propagent à l’intérieur de la Terre, leur vitesse varie selon la composition des roches qu’elles traversent. Cela permet aux sismologues et aux géologues d’obtenir de précieuses informations sur l’intérieur de la Terre. Ici, nous tentons de déterminer à quelle vitesse les vibrations se déplacent à travers différents matériaux solides.

Nous avons utilisé du bois, du fer et du marbre en guise de matériaux mais vous pouvez vous servir de tout type de matériau solide. Assurez-vous simplement que la taille des matériaux utilisés est adaptée à l’expérience.

  1. Installez le matériel comme indiqué à la Figure 9B. Nous avons placé les haut-parleurs à une distance (x) de 80 cm l’un de l’autre.
  2. Laissez tomber la boule d’une souris (ou tout autre objet approprié) sur le premier matériau solide, à proximité de l’un des haut-parleurs mais pas entre les deux haut-parleurs. Notez le temps d’arrivée du signal jusqu’à chacun des haut-parleurs (t1, t2).
  3. Répétez l’expérience avec les autres matériaux et reportez les résultats dans le tableau 3. Déterminez la vitesse des ondes en utilisant la formule : v = x / (t2-t1).
Tableau 3 : reportez les résultats de l’expérience 3
Matériau t1 t2 t2-t1 x  v = x / (t2-t1)
Bois          
Fer          
Marbre          
  1. Commentez les résultats. À travers quel matériau les ondes sont-elles les plus rapides ?

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Web References

Resources

Author(s)

Panteleimon Bazanos est diplômé de chimie et il enseigne les sciences depuis 25 ans en primaire, dans le public et dans le privé, en Grèce. Depuis cinq ans, il donne des cours de chimie et de physique au Lycée général de Filiatra. Il a participé à de nombreux projets d’éducation environnementale à l’école.


Review

En 2011, un séisme a causé une catastrophe environnementale sans précédent à Fukushima au Japon, endommageant une centrale nucléaire. Cet article résume le mécanisme des séismes et notamment la propagation des ondes dans la croûte terrestre. Ces ondes peuvent être mesurées à l’aide de sismographes.

L’auteur explique comment vous et vos élèves pouvez fabriquer votre propre sismographe à partir d’un haut-parleur que vous aurez adapté et d’un logiciel de traitement audio. Un projet qui s’annonce intéressant pour les cours de physique (acoustique, conversion acoustique, induction, propriétés mécaniques du ressort), de SVT (les séismes et leur classification), de biologie ou de génie électrique (travaux pratiques). Ou durant les cours d’informatique (pour analyser le signal audio, comprendre le fonctionnement du logiciel de traitement audio ou créer une base de données sismiques).

Si l’activité sismique est trop faible dans votre région pour justifier la fabrication d’un sismographe, vous pouvez néanmoins télécharger les données disponibles sur les sites web proposés pour que vos élèves les analysent. Et bien sûr, vous pouvez mener les expériences de simulation sismique décrites par l’auteur.

L’article amène des questions telles que:

  • Qu’est-ce qu’un séisme ? Quelles informations pouvez-vous trouver sur de graves séismes survenus dans votre région ?
  • Comment les ondes sismiques se déplacent-elles dans la croûte terrestre ?
  • Qu’est-ce qu’un sismographe et comment ça marche ?
  • Comment fonctionnent les haut-parleurs ? Pourquoi et comment peuvent-ils être utilisés dans la détection d’un séisme ?
  • Quels sont les principes électriques de base à connaître lorsqu’on se sert de haut-parleurs comme micro ou géophone ? Comment obtenir une tension électrique à partir de haut-parleurs ?

Gerd Vogt, Lycée environnemental et économique, Yspertal, Autriche




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