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…

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 Filiatra^w1 (Figure 2). Un siècle plus tard, Kalamata est frappée par un autre tremblement de terre^w2, de magnitude 6,0 cette fois. D’ici les 100 prochaines années, Sparte devrait, à son tour, être touchée par un séisme^w3 de magnitude au moins égale à 7,0.

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).

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.

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.

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 School^w6.

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 existantes^w7,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-dessous^w6.
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 ronde^w9, selon leur magnitude. Avec le sismographe semi-professionnel^w10, 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

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 sismiques^w7,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 School^w6.

Expériences de vibrations avec des haut-parleurs d’ordinateur

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 Audacity^w11. Pour de plus amples informations, consultez les étapes 1, 8 et 9 des instructions téléchargeables^w6.

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.

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.

3. Tracez un graphique amplitude sur hauteur.
4. 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.

4. Tracez un graphique amplitude sur hauteur.
5. 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).

4. Commentez les résultats. À travers quel matériau les ondes sont-elles les plus rapides ?