Een geofoon is een apparaat dat grondbewegingen (snelheid of versnelling) omzet in een elektrisch signaal, wat essentieel is voor het bepalen van de aardstructuur. Er wordt onderscheid gemaakt tussen passieve analoge geofoons, die gebruikmaken van een veer-gemonteerde spoel en een permanente magneet, en modernere MEMS-technologie (micro-elektromechanische systemen).
Hoewel ze lijken op seismometers, zijn geofoons doorgaans goedkoper en worden ze vaker in arrays gebruikt voor detectie over grote oppervlakken, terwijl seismometers gevoeliger zijn voor zeer kleine bewegingen en een breder frequentiebereik bestrijken.
De belangrijkste toepassingen zijn:
- Reflectieseismologie: Het registreren van energiegolven die worden gereflecteerd door de ondergrondse geologie.
- Remote Ground Sensors (RGS): Het detecteren van lokale gebeurtenissen in een specifiek gebied.
- Ruimtevaart: Geofoons zijn onder andere ingezet tijdens de Apollo-missies op de maan.
Geofoon
Etymologie
De term geofoon is afgeleid van het Griekse woord "γῆ (ge)", wat "aarde" betekent, en "phone", wat "geluid" betekent.
Constructie
Historisch gezien zijn geofoons passieve analoge apparaten. Ze bestaan doorgaans uit een veer-gemonteerde spoel die beweegt binnen het veld van een in de behuizing gemonteerde permanente magneet om een elektrisch signaal op te wekken. Recentere ontwerpen zijn gebaseerd op MEMS-technologie (micro-elektromechanische systemen), die een elektrische respons op grondbeweging genereert via een actief feedbackcircuit om de positie van een klein stukje silicium te handhaven.
De respons van een spoel/magneet-geofoon is proportioneel aan de grondsnelheid, terwijl MEMS-apparaten gewoonlijk proportioneel reageren op de versnelling. MEMS hebben een veel hoger ruisniveau (50 dB snelheid hoger) dan geofoons en kunnen alleen worden gebruikt bij sterke bewegingen of actieve seismische toepassingen.
Frequentierespons
De frequentierespons van een geofoon is die van een harmonische oscillator en wordt volledig bepaald door de hoekfrequentie (doorgaans rond de 10 Hz) en de demping (doorgaans 0,707). Aangezien de hoekfrequentie proportioneel is aan de inverse vierkantswortel van de bewegende massa, worden geofoons met lage hoekfrequenties (< 1 Hz) onpraktisch. Het is mogelijk om de hoekfrequentie elektronisch te verlagen, maar dit gaat ten koste van een hoger ruisniveau en hogere kosten.
Hoewel golven die door de aarde reizen een driedimensionaal karakter hebben, zijn geofoons normaal gesproken beperkt tot een respons in één dimensie — meestal de verticale. Sommige toepassingen vereisen echter dat de volledige golf wordt gebruikt; hiervoor worden drie-componenten (3-C) geofoons ingezet. Bij analoge apparaten zijn drie bewegende spoelelementen in een orthogonale opstelling binnen één behuizing gemonteerd.
Onderscheid met seismometers
Geofoons lijken in hun ontwerp op seismometers en worden beide gebruikt om seismische golven te registreren. In het verleden waren er duidelijke verschillen tussen beide. Vergeleken met conventionele geofoons zijn seismometers geschikter voor het detecteren van extreem kleine grondbewegingen, omdat ze een breder frequentieband bestrijken, inclusief het frequentiebereik onder hun eigenfrequentie (meestal van 0,01 tot 50 Hz).
Bij conventionele geofoons ligt de frequentieband in het bereik van 1-15 Hz. Ze zijn goedkoper dan seismometers en worden daarom vaker gebruikt in arrays voor detectie over grote oppervlakken met een betere gespecialiseerde resolutie. Door de ontwikkeling van nieuwe technologieën is de frequentiedekking in compacte apparaten echter aanzienlijk toegenomen, waardoor geofoons nu frequentiebanden van 0 tot 500 Hz kunnen bestrijken. Hierdoor vervagen de grenzen tussen geofoons en seismometers.
Toepassingen
De meeste geofoons worden gebruikt in reflectieseismologie om energiegolven te registreren die worden gereflecteerd door de ondergrondse geologie. In dat geval ligt de primaire interesse bij de verticale beweging van het aardoppervlak. Niet alle golven bewegen zich echter naar boven; een sterke, horizontaal overgedragen golf, bekend als ground-roll, genereert ook verticale beweging die de zwakkere verticale signalen kan overstemmen. Door grote oppervlakte-arrays te gebruiken die zijn afgestemd op de golflengte van de ground-roll, kunnen de dominante ruissignalen worden gedempt en de zwakkere datasignalen worden versterkt.
Analoge geofoons zijn zeer gevoelige apparaten die kunnen reageren op zeer verre trillingen. Deze kleine signalen kunnen echter worden overstemd door grotere signalen van lokale bronnen. Het is mogelijk om de kleine signalen die worden veroorzaakt door grote maar verre gebeurtenissen te herstellen door signalen van verschillende geofoons in een array te correleren. Signalen die slechts bij één of enkele geofoons worden geregistreerd, kunnen worden toegeschreven aan ongewenste lokale gebeurtenissen en dus worden verworpen. Er kan worden aangenomen dat kleine signalen die uniform worden geregistreerd bij alle geofoons in een array, kunnen worden toegeschreven aan een verre en daarom significante gebeurtenis.
De gevoeligheid van passieve geofoons is doorgaans 30 volt per (meter per seconde), waardoor ze in het algemeen geen vervanging zijn voor breedbandseismometers.
Omgekeerd zijn er toepassingen waarbij men alleen geïnteresseerd is in zeer lokale gebeurtenissen. Een opvallend voorbeeld is de toepassing van remote ground sensors (RGS), die zijn opgenomen in unattended ground sensor (UGS) systemen. In een dergelijke toepassing is er een gebied van belang; wanneer dit wordt betreden, moet een systeemoperator worden geïnformeerd, mogelijk via een melding die kan worden vergezeld door ondersteunende fotografische gegevens.
Geofoons werden op de maan gebruikt voor een aantal actieve en passieve experimenten als onderdeel van het Apollo Lunar Surface Experiments Package.
Zie ook
- Accelerometer
- Hydrofoon
- Michelson-interferometer
- Seismometer
Bronverwijzingen
- Reynolds, J. M. (2011). An Introduction to Applied and Environmental Geophysics (tweede editie). WILEY BLACKWELL. p. 170. ISBN 978-0-471-48535-3.
- Hou, Y., Jiao, R., & Yu, H. (februari 2021). "MEMS based geophones and seismometers". Sensors and Actuators A: Physical. 318 112498. doi:10.1016/j.sna.2020.112498.
- "Dictionary: Single-ended spread - SEG Wiki". wiki.seg.org. Geraadpleegd op 21 juli 2017.
- "Dictionary: Split spread - SEG Wiki". wiki.seg.org. Geraadpleegd op 21 juli 2017.
- "Dictionary: Royal-rumble - SEG Wiki". wiki.seg.org. Geraadpleegd op 21 juli 2017.
Geofoon
Etymologie
De term geofoon is afgeleid van het Griekse woord "γῆ (ge)", wat "aarde" betekent, en "phone", wat "geluid" betekent.
Constructie
Historisch gezien zijn geofoons passieve analoge apparaten. Ze bestaan doorgaans uit een veer-gemonteerde spoel die beweegt binnen het veld van een in de behuizing gemonteerde permanente magneet om een elektrisch signaal op te wekken. Recentere ontwerpen zijn gebaseerd op MEMS-technologie (micro-elektromechanische systemen), die een elektrische respons op grondbeweging genereert via een actief feedbackcircuit om de positie van een klein stukje silicium te handhaven.
De respons van een spoel/magneet-geofoon is proportioneel aan de grondsnelheid, terwijl MEMS-apparaten gewoonlijk proportioneel reageren op de versnelling. MEMS hebben een veel hoger ruisniveau (50 dB snelheid hoger) dan geofoons en kunnen alleen worden gebruikt bij sterke bewegingen of actieve seismische toepassingen.
Frequentierespons
De frequentierespons van een geofoon is die van een harmonische oscillator en wordt volledig bepaald door de hoekfrequentie (doorgaans rond de 10 Hz) en de demping (doorgaans 0,707). Aangezien de hoekfrequentie proportioneel is aan de inverse vierkantswortel van de bewegende massa, worden geofoons met lage hoekfrequenties (< 1 Hz) onpraktisch. Het is mogelijk om de hoekfrequentie elektronisch te verlagen, maar dit gaat ten koste van een hoger ruisniveau en hogere kosten.
Hoewel golven die door de aarde reizen een driedimensionaal karakter hebben, zijn geofoons normaal gesproken beperkt tot een respons in één dimensie — meestal de verticale. Sommige toepassingen vereisen echter dat de volledige golf wordt gebruikt; hiervoor worden drie-componenten (3-C) geofoons ingezet. Bij analoge apparaten zijn drie bewegende spoelelementen in een orthogonale opstelling binnen één behuizing gemonteerd.
Onderscheid met seismometers
Geofoons lijken in hun ontwerp op seismometers en worden beide gebruikt om seismische golven te registreren. In het verleden waren er duidelijke verschillen tussen beide. Vergeleken met conventionele geofoons zijn seismometers geschikter voor het detecteren van extreem kleine grondbewegingen, omdat ze een breder frequentieband bestrijken, inclusief het frequentiebereik onder hun eigenfrequentie (meestal van 0,01 tot 50 Hz).
Bij conventionele geofoons ligt de frequentieband in het bereik van 1-15 Hz. Ze zijn goedkoper dan seismometers en worden daarom vaker gebruikt in arrays voor detectie over grote oppervlakken met een betere gespecialiseerde resolutie. Door de ontwikkeling van nieuwe technologieën is de frequentiedekking in compacte apparaten echter aanzienlijk toegenomen, waardoor geofoons nu frequentiebanden van 0 tot 500 Hz kunnen bestrijken. Hierdoor vervagen de grenzen tussen geofoons en seismometers.
Toepassingen
De meeste geofoons worden gebruikt in reflectieseismologie om energiegolven te registreren die worden gereflecteerd door de ondergrondse geologie. In dat geval ligt de primaire interesse bij de verticale beweging van het aardoppervlak. Niet alle golven bewegen zich echter naar boven; een sterke, horizontaal overgedragen golf, bekend als ground-roll, genereert ook verticale beweging die de zwakkere verticale signalen kan overstemmen. Door grote oppervlakte-arrays te gebruiken die zijn afgestemd op de golflengte van de ground-roll, kunnen de dominante ruissignalen worden gedempt en de zwakkere datasignalen worden versterkt.
Analoge geofoons zijn zeer gevoelige apparaten die kunnen reageren op zeer verre trillingen. Deze kleine signalen kunnen echter worden overstemd door grotere signalen van lokale bronnen. Het is mogelijk om de kleine signalen die worden veroorzaakt door grote maar verre gebeurtenissen te herstellen door signalen van verschillende geofoons in een array te correleren. Signalen die slechts bij één of enkele geofoons worden geregistreerd, kunnen worden toegeschreven aan ongewenste lokale gebeurtenissen en dus worden verworpen. Er kan worden aangenomen dat kleine signalen die uniform worden geregistreerd bij alle geofoons in een array, kunnen worden toegeschreven aan een verre en daarom significante gebeurtenis.
De gevoeligheid van passieve geofoons is doorgaans 30 volt per (meter per seconde), waardoor ze in het algemeen geen vervanging zijn voor breedbandseismometers.
Omgekeerd zijn er toepassingen waarbij men alleen geïnteresseerd is in zeer lokale gebeurtenissen. Een opvallend voorbeeld is de toepassing van remote ground sensors (RGS), die zijn opgenomen in unattended ground sensor (UGS) systemen. In een dergelijke toepassing is er een gebied van belang; wanneer dit wordt betreden, moet een systeemoperator worden geïnformeerd, mogelijk via een melding die kan worden vergezeld door ondersteunende fotografische gegevens.
Geofoons werden op de maan gebruikt voor een aantal actieve en passieve experimenten als onderdeel van het Apollo Lunar Surface Experiments Package.
Zie ook
- Accelerometer
- Hydrofoon
- Michelson-interferometer
- Seismometer
Bronverwijzingen
- Reynolds, J. M. (2011). An Introduction to Applied and Environmental Geophysics (tweede editie). WILEY BLACKWELL. p. 170. ISBN 978-0-471-48535-3.
- Hou, Y., Jiao, R., & Yu, H. (februari 2021). "MEMS based geophones and seismometers". Sensors and Actuators A: Physical. 318 112498. doi:10.1016/j.sna.2020.112498.
- "Dictionary: Single-ended spread - SEG Wiki". wiki.seg.org. Geraadpleegd op 21 juli 2017.
- "Dictionary: Split spread - SEG Wiki". wiki.seg.org. Geraadpleegd op 21 juli 2017.
- "Dictionary: Royal-rumble - SEG Wiki". wiki.seg.org. Geraadpleegd op 21 juli 2017.
Groetjes,