Создание сейсмографа в домашних условиях. Самодельный сейсмограф Результаты экспертной оценки

Сейсмограф - это прибор для регистрации колебаний земной коры. А колебания вызывают настоящие землетрясения, даже очень далекие, взрывы и прочие сотрясения, вызванные, к примеру, движением тяжелогруженых железнодорожных составов или работой забивающих сваи машин. Скорость распространения «волн» таких колебаний разная - от 3,5 до 7 км/с...

А сейчас - о самом приборе. Уверены, что смастерить его будет интересно и вам. Тем более что дело не столь уж и сложное.

Основа любого сейсмографа - массивный маятник. От того, как его подвесить на основании, зависит, регистрируем мы горизонтальные или вертикальные колебания. Дело в том, что при смещении поверхности земли (а с нею и всего, что на ней стоит) маятник остается по инерции в покое. Благодаря этому и удается замерить, насколько относительно его неподвижной массы «ходят» окружающие предметы.

Конструкция сейсмографа не вызовет вопросов, если вы внимательно познакомитесь с рисунками. На них приведены два варианта прибора: А - для регистрации горизонтальных смещений земли, Б - вертикальных. По опыту скажем, лучше не «мелочиться» в габаритных размерах основания и рамы. Эти детали из дерева или металла должны быть жесткими и массивными. Самописцы-медленно вращаемые с помощью часового механизма барабаны с бумагой, на которой пишущие элементы прочерчивают прямую. Колебания земли вызывают смещения основания, и маятник через рычаги заставляет двигаться перья. В результате - запись в виде зигзагообразных линий, по высоте и шагу которых можно судить о характере колебаний.

Чувствительность сейсмографа задается передаточным отношением рычажного механизма (на рисунке А это отношение б к а). Чем оно больше, тем выше чувствительность. Но лучше поэкспериментировать. Иначе даже передвижения по квартире будут отзываться на дрожании пера. Для «письма» лучше использовать фломастер, способный писать на пластиковой кальке, либо закоптить поверхность барабана пламенем свечи, а перо сделать сухим, в виде иглы. В приборе Б в привод самописца введен второй рычаг, и перо прижимается к барабану за счет собственного веса. Иначе пришлось бы барабан ставить вертикально и придумывать хитрую систему рычагов.

Самый сложный узел в сейсмографе - часовой механизм. Его самому не изготовить. Но можно воспользоваться набором «Часовщик» или стареньким будильником.

При вращении барабана напрямую от оси часовой стрелки бумагу на нем придется менять два раза в сутки. Если предусмотреть второй зажим для пера (показано на сейсмографе А), срок службы увеличится вдвое. Достаточно лишь переставить пишущий элемент через 12 часов на новую «дорожку». Но лучше повозиться и подобрать пару подходящих шестерен от детских заводных игрушек. Маленькую поставить на ось часовой стрелки, а большую разместить со своей осью на пластиковом «стекле» часов. Тогда время полного оборота барабана увеличится во много раз. И, конечно, надо предусмотреть доступность и легкость замены бумаги или самого барабана.

Общая схема разведки земных недр с

на: она равна примерно одной десятитысячной доле вольта.

Так механические колебания почвы превращаются сейсмографом в электрические колебания. Они передаются от сейсмографа по проводам в центральную регистрирующую полевую лабораторию, которая смонтирована на автомашине.

Для разведки отраженными волнами применяются обычно 5-10 сейсмографов, которые устанавливаются вдоль исследуемого профиля на расстоянии 10-50 метров друг от друга.

В полевой лаборатории электрические колебания, передаваемые от всех сейсмографов, пропускаются через радиоусилители. Эти колебания усиливаются в 10-20 тыс. раз, после чего регистрируются с помощью особых зеркальных гальванометров на светочувствительной фотоленте. В этих гальванометрах маленькое зеркальце укреплено на катушке с проводами, подвешенной между полюсами магнита. Луч света, испускаемый небольшой (точечной) лампой, падает на зеркальце и отражается от него на фотоленту в виде световой точки. Пока взрыва нет, зеркальце неподвижно, и точечный «зайчик» чертит на движущейся фотоленте прямую линию. Но как только в результате взрыва через катушку проходит электрический ток и тем самым создается магнитное поле, она начинает колебаться, а вместе с ней и зеркальце. Теперь на фотоленте вместо ровной, прямой линии вычерчивается кривая.

Регистрирующий аппарат (осциллограф) устроен таким образом, что на фотоленту падают световые «зайчики» (точки) от всех 5-10 гальванометров. В момент съемки она движется мимо гальванометра со скоростью 40-60 сантиметров в секунду.

Фотолента после съемки взрыва проявляется, и таким образом получается сейсмограмма. На ней прочерчено 5-10 кривых, которые представляют собой запись показаний такого же числа сейсмографов. Каждая кривая полностью характеризует колебания почвы в месте расположения данного сейсмографа.

На сейсмограмме автоматически отмечается момент взрыва; как раз в этот мо

помощью искусственных землетрясений.

мент разрывается провод, опущенный в заряд, и благодаря прекращению тока в электрической цепи кривая на сейсмограмме резко сдвигается.

Отсчет времени, прошедшего между моментом взрыва и моментом прихода отраженной волны, производится с помощью расположенной вблизи фотоленты аргоновой трубки, которая, вспыхивает сто раз в секунду. Эти вспышки регистрируются на фотоленте в виде черных полос, так называемых марок времени. Частота вспышек аргоновой трубки регулируется камертоном, у которого при колебаниях размыкаются электрические контакты.

Чтобы выделить отраженные волны среди прочих «мешающих» колебаний, пользуются особыми электрическими фильтрами. Волны, отраженные от подземных пластов, удается выделить благодаря некоторым их особенностям: они приходят ко всем сейсг мографам снизу и почти одновременно, а посторонние колебания, мешающие наблюдениям, распространяются вдоль земной поверхности и подходят к приемным аппаратам разновременно. Это различие легко установить по сейсмограммам, так как колебания, вызванные Отраженными" волнами, начинаются почти одновременно на всех кривых.

Еще требуется мйого усовершенствований и новых изобретений, которые должны улучшить и удешевить сейсмическую разведку, вышедшую лишь недавно из «младенческого возраста». Но уже сейчас около двух" десятков сейсмических экспедиций ведут упорную и «ропотливую работу в различных уголках нашей родины, разыскивая новым методом богатства земных недр. Этим методом разведка полезных ископаемых ведется до глубины в 3-4 километра.

Так, изучая грозные явления природы - землетрясения, ученые и изобретатели сумели создать новтЛй, весьма интересный метод разведки полезных ископаемых.

Разведка с помощью искусственных землетрясений наряду с другими видами геологической -разведки сыграет немалую роль в решении одной из важнейших проблем третьей сталинской пятилетки создании «Второго Баку».

этом - замечательная победа, одержанная человеческим разумом над приро-

При разведке обычными методами пластов, залегающих на значительной глубине, приходится бурить большое количество глубоких скважин.

Разведка методом отраженных волн очень сильно сокращает буровые рабо-га я направляет их в многообещающие ыста. Этим методом определяется ■структура исследуемых пластов, углы наклона их и глубины, на которых пла-, сш залегают. А такие данные позволит судить о геологическом строении ■разведываемого участка. , Например, метод отраженных волн цл исключительно интересные результаты при исследовании так называемой шрсагатской складки (особой геологической структуры нефтяного месторождения) на Апшеронском полуострове. Сини разведочных и десятки глубоких Суровых скважин были проведены на этой складке, чтобы точно изучить структуру месторождения. Эта работа велась ряд лет; она потребовала большого количества сил и средств и все же lie дала достаточно полных резуль-?ато»,

" Благодаря сейсмическим, исследова-виям, проведенным в течение одного года, удалось установить структуру ме-иорождения, разграничить пласты и точно определить места их нарушений, которые обычно свидетельствуют о наши полезных ископаемых. Для контроля же этих -результатов потребова-аось всего лишь несколько буровых етажин, а не то огромное количество а, которое было пробурено.

Метод разведки отраженными волнами Щ предложен в Советском Союзе изобретателем В. Воюцким еще в 1923 г. Вначале даже видные ученые-физики считали |зго предложение явно фантастическим: теория этого метода тогда еще не была. Ьзработана, не было и достаточно совер-I;венной аппаратуры.

Г.Практически новый метод разведки по-Ьеаиых ископаемых начал -применяться «шь 8-10 лет назад, когда достижения ]Ю)техники позволили разработать тех-ическн совершенную сейсмическую аппа-гтуру. Особенного развития этот метод jgjwur в последние годы при разведке 1тяных месторождений. /Аппаратура, применяемая для разведки, довольно сложна. Она отличается необычайной точностью и высокой чувствительностью. Ведь приходится наблюдать и ре-йстрировать колебания, при которых поч-к смещается всего лишь на один и даже и половину микрона. -А микрон - это одна тысячная доля миллиметра. Устройство приемников этих колебаний - томографов - основано на принципе терции, В сейсмографе имеется постоянный магнит, который скреплен неподвижно с корпусом аппарата. Близ полюсов магнита, а пружине, подвешена катушка с большим числом витков медной проволоки. Проволока изолирована и -намотана на железный сердечник.

Сейсмограф ставится на землю. в не-олыную ямку. В момент подхода к нему уолчка. направленного снизу вверх, вместе корпусом прибора смещается и магнит; втушка же, подвешенная на -пружине, в Крвое мгновение по инерции остается в Юкос; тем самым она как бы смещается;- отношению к полюсам магнита. Затем йагодаря пружине катушка" начинает копаться. Таким образом, при едва улови-их движениях почвы катушка приходит (колебание относительно полюсов магнн-II. Тем самым меняется число магнитных зловых линий, пересекающих катушку, и и ее концах возникают электродвижущие «ли. Величина этих сил крайне ничтож-

У Вас часто двигаются предметы? Вы ощущаете удары? Это обычное землетрясение, которых происходит десятками раз в день по всему миру. Чтобы его определить нужен специальный инструмент - сейсмограф. Для того что бы иметь в доме сейсмограф не обязательно жить в городе где это привычное явление. Вам достаточно проживать в районе стройки, железной дороги. При помощи сейсмографа вы можете узнавать, какие колебания земной коры происходят возле вашего дома когда, к примеру, проходит электричка. Где его приобрести, и стоит ли его покупать, если можно сделать своими руками?
В основу любого сейсмографа входит массивный маятник. От того как вы его подвесите на основании будет зависеть какие колебания, горизонтальные или вертикальные, будут регистрироваться.

Для конструкции сейсмографа подойдет как металлическая, так и железная основа. Она должна быть тяжелой и жесткой. Место, на котором будут регистрировать показания, должно состоять из бумаги и барабана, отлично подойдет часовой механизм.
Когда начинаются колебания, происходит смещение основания и маятник при помощи рычагов заставляет двигаться перья. Получается зигзагообразная запись. Высота и шаг показывают характер колебаний.

От передаточного отношения рычажного механизма зависит чувствительность сейсмографа (рис.А). Чем больше – тем выше. Что бы были видны линии, можно закоптить поверхность барабана свечой или зарисовать фломастером, способным рисовать на пластиковой кальке. На рисунке Б показан прибор, в привод самописца которого введен второй рычаг. Само перо при помощи собственного веса прижимается к барабану.
Часовой механизм, используемый в сейсмографе, изготовить самому тяжеловато, поэтому можно использовать набор «Юный часовщик».
Бумагу следует менять 2 раза в сутки, но если вы предусмотрите для пера второй зажим, как на рис. А, то срок службы сейсмографа увеличится вдвое. Так же можно увеличить время на один полный оборот барабана применив две шестеренки от игрушек. Маленькую установить на ось часовой стрелки, а та что больше - со своей осью, - на пластиковое стекло часов.
Сейсмограф готов и вы можете измерять колебания, происходящие вокруг вас.

Создание сейсмографа в домашних условиях
и его применение для изучения механических колебаний
В работе изучена возможность создания сейсмографа в домашних условиях для обнаружения и регистрации механических колебаний различного происхождения. Методы исследования: поиск и анализ информации по данной теме в разных источниках; посещение геологического музея им. Вернадского в Москве и изучение работы сейсмографа; конструирование; проведение экспериментов. На основании изученной литературы выбрана, как наиболее простая в исполнении, модель механического сейсмографа и разработана схема его сборки. Собранный вертикальный механический сейсмограф прошёл испытания. С его помощью зарегистрированы колебания столешницы над стиральной машиной, колебания пола в лифте, пола в комнате при прыжках через скакалку и колебания лестничных маршей в здании лицея. Полученные в ходе эксперимента сейсмограммы могут быть использованы для изучения механических колебаний разного происхождения. Вывод: собранный в домашних условиях сейсмограф дёшев и прост в использовании. Область применения: сейсмограф применим для регистрации механических колебаний различной природы. Возможные потребители: учителя и учащиеся. Сейсмограф пригоден для использования в школьном кабинете физики для проведения исследовательских работ, лабораторного практикума и демонстрационного эксперимента при изучении темы «Механические колебания» в 9 и 10 классах.

Файлы:

• Презентация: Создание сейсмографа в домашних условиях По состоянию на 10 января 2018 г. 2:25 (6,8 МБ)
• Текст работы: Создание сейсмографа в домашних условиях По состоянию на 10 января 2018 г. 2:25 (5,8 МБ)

Результаты экспертной оценки

Экспертная карта межрайонного этапа 2017/2018 (Экспертов: 3)

Сумма баллов: 12,3

Добрый день, мозгочины ! Сегодня расскажу вам о занятной самоделке — сейсмографе, который вполне возможно сделать в домашних условиях .

На фото представлено изображение «барабана» сейсмографа, который показывает четыре землетрясения, зафиксированные в один и тот же день на моей станции в Денвере; два в Мексике и два на противоположной стороне мира, на Суматре.

На вездесущих смартфонах есть сейсмо-приложения, которые используют встроенный акселерометр для фиксации толчков земной коры, но они могут обнаружить только очень грубые, мощные толчки. Сейсмограф, предлагаемый в этом руководстве, может фиксировать движение грунта менее 50 мкм/сек (человеческий волос около 100мкм), то есть он фиксирует то, что не ощущается.

Чувствительность этой самоделки позволяет зарегистрировать толчки более 6.5 баллов по всему миру, и меньшей магнитуды на конкретной местности. Но, конечно же, фильтрация механическая и электронная фильтрация в этом приборе ограничивает чувствительность самоделки.

Шаг 1: Сравнение с промышленными аналогами

Если данный сейсмограф поместить в достаточно тихом, устойчивом месте, таком как подвал, то вы сможете собирать данные в фоновом режиме через USB порт вашего компьютера с помощью бесплатного софта и не нагружать процессор. А качество данных позволяет достойно конкурировать с промышленными сейсмографами.
Обратите внимание на фото, что самодельный сейсмограф, так же как и профессиональный, хорошо различает первичные и вторичные волны, а также поверхностные волны, что позволяет определить расстояние до эпицентра с достаточной точностью.

Шаг 2: Компоненты

Сейсмограф состоит из четырех основных компонентов, каждый из которых я опишу в подробностях. Общая стоимость деталей будет около $300 — $350, а софт бесплатный.

Шаг 3: Механические компоненты

Механика этого сейсмографа выполнена в вертикальном короткопериодном варианте, который настраивается на частоту волны около 1.5-2сек, что дает сильную реакцию на P и S волны землетрясения. Существует возможность для изменения ширины, но размеры рычага, наклон пружины и ее натяжение имеют решающее значение.

Деревянная снова прибора допустима в условиях стабильной влажности, но если она обработана несколькими слоями краски. Алюминий может быть использован в качестве основы, но имеются вопросы по его тепловому расширению. Если все же использовать металл, то немагнитный.

Шаг 4: Механический датчик

Шаг 5: Лезвие рычага

Лезвие канцелярского ножа используется как «шарнир» рычага с точечным контактом. Само лезвие закрепляется на алюминиевом рычаге в V-образную прорезь, что позволяет рычагу свободно двигаться вверх и вниз. Рычаг сделан из алюминия шириной 3.2см и толщиной 0.3см, именно из алюминия, чтобы он не порождал магнитное поле при взаимодействии с магнитной подковой.

Деревянная стойка приклеена к основанию столярным клеем, и еще с нижней стороны укреплена саморезом так, чтобы сам саморез не мешал настроечным болтам, с помощью которых сейсмограф выравнивается по горизонтали.

Шаг 6: Пружина

Характеристики пружины являются определяющими. Если она слишком жесткая, магнитная подкова, установленная на рычаге, будет тяжело перемещаться по вертикали. Параметры моих пружин таковы: 6.35х82.55х0.63 – 3 штуки.

Установите пружины, контролируя уровнем горизонталь рычага, и закрепите их на опоре. А для крепления рычага и третьей пружины используйте немагнитное крепление.

Шаг 7: Катушка

Я использовал магнитную подкову с силой притяжения 13,6кг. Закрепите магнит на рычаге с помощью немагнитных латунных или алюминиевых болтов и гаек.

Катушка по бокам ограничена двумя 7см-ми дисками из 3мм-ой ДВП, поскольку она является диэлектрик. Сама катушка намотана на деревянный сердечник диаметром 2.54см и толщиной 1см. А вообще, габариты катушки зависят от магнита-подковы. К боковым дискам добавляем деревянные шайбы для удобства крепления. Во всей основе катушке просверлено отверстие под немагнитный болт.

Для намотки катушки используем провод №26, а еще лучше №30. В боковом диске катушки сверлим небольшое отверстие, продеваем в него провод и оставляем наружный конец около 30см. А затем мотаем катушку. Второй конец, оставляем тоже около 30см. Я немного автоматизировал этот процесс: основу катушки надел на болт, болт вставил в дрель, и на малых оборотах, аккуратно наматывал провод.

Шаг 8: Магнитный демпфер

Если рычаг сейсмографа не демпфировать, то он будет по инерции колебаться вверх вниз в течение нескольких секунд или минут. И реакция рычага на первый толчок может скрыть приходящие волны в диапазоне от от 1 до 25сек., поэтому его нужно быстро возвращать в состояние покоя. Можно использовать для этого масло, но этот способ грязный и зависит от температуры.

Магнитный демпфер состоит из медного клина, который проходит через сильное магнитное поле, создаваемое 4-мя очень мощными неодимовыми магнитами. Лезвие и латунный болт не имеют магнитных свойств, но корпус магнитит, поэтому неодимовые магниты просто прилеплены к нему, а чтоб все не слиплось, установлены распорные болты.

Поскольку корпус демпфера не укреплен на деревянной основе, то чтобы он не смещался, он должен быть достаточно тяжелым. Для этого пластины демпфера 5х7см я сделал тройными.

Шаг 9: Магнитный демпфер – вид сбоку

В каждой пластине я просверлил 3 отверстия диаметром 6.5мм. Магниты 2.5х2х0.6 я расположил в противоположной полярности по 2 на сторону:
S | N
N | S

Клин 4.5х3.2см изготовлен медного листа №24. Можно использовать лист тяжелее, но не легче. В крепежном болте клин можно припаять, а зазор между ним и магнитами выставить около 3мм.

Шаг 10: Усилитель

Опробовав несколько вариантов усилителя сигнала, я выбрал представленный. Это стабильный усилитель с авто-обнулением и защитой от низкочастотных шумов.

Вывод для сигнала времени необязательный и не нужный при выводе на ПК. Но участок цепи: 100к резистор — TL082 — 68k резистор обязателен.

Шаг 11: Схема

Я спаял мой усилитель на монтажной плате, и воткнул его в пластиковый корпус. Добавил разъемы на корпус и 100к подстроечный резистор на переднюю панель.

Шаг 12: Электропитание

Усилитель требует питания в +12/-12В. Обратите внимание, как подходят положительные и отрицательные провода к регулятору напряжения.

Шаг 13: Аналогово-цифровой конвертер

Я использую Dataq DI-158U Analog/Digital converter, но это устаревшая модель с 12 битным разрешением.
Dataq DI-145 и Dataq DI-149 имеют 10 битное разрешение, но они могут вносить нежелательные шумы в сигнал.
DI-155 является дорогой моделью, но он 13 битный и программируемый. Так что при +/- 5V можно получить 1.2 МВ разрешение, что в 16 раз лучше, чем у менее дорогих моделей, и он также будет производить меньше шума в сигнале.

Шаг 14: Программное обеспечение

Вы можете использовать софт, поставляемый с конвертором, но есть более подходящее программное обеспечение, уже специализированное для наших целей. К примеру, я использую бесплатную программу под названием AmaSeis А-1.

Шаг 15: Изолирующий короб

Вся механика сейсмографа должна быть помещена в плотно закрытый, герметичный короб, чтобы избежать помех, вызванных движением потоков воздуха. Я сделал короб из пенополистирола, и накрыл куском ДСП, тем самым, придав ему устойчивости.

Шаг 16: Регулировка демпфера

Для регулировки поднятия демпфера возьмите небольшой кусок картона 2х1.3см и прикрепите его не тонкую нить или леску длиной около метра. Другой конец нити прикрепите к палке.
Откройте крышку короба и опустите картон на рычаг, ближе к болту крепления демпфера, не заде при этом пружину. Пропустите нить по верху короба и накройте крышкой. Подождите минуту-две, и резко дерните нить. Если же начальный прогиб идет вверх, а не вниз, сделайте реверс на усилителе. Если прогиб/отскок в диапазоне между 12:1 и 15:1, демпфер настроен правильно.
Если отношение меньше, чем 12:1 , то корпус демпфера подвиньте так, чтоб он охватывал большую часть клина. Если больше чем 15:1, то, соответственно подвиньте корпус демпфера в другую сторону. Так же демпфирование можно настраивать, меняя зазор между клином и магнитами.

Шаг 17: Момент истины

После регулировки самоделки демпфирования вы готовы ловить землетрясение. Будьте терпеливы, этот процесс может занять от нескольких дней до недели или больше. В зависимости от того, где вы живете, вы можете ожидать толчка в среднем от 3 до 10 дней. Чем ближе к тектоническому разлому, тем чаще.

Может быть, вам повезет, и вы зафиксируете большое землетрясение, как это сделал я с 9 бальным землетрясением в Японии 11 марта 2011 года, которое вызвало разрушительное цунами. Я записывал волны от этого землетрясения более четырех часов. Земля звенела, как колокол.

Удачи и хорошей мозгоохоты !