L'ingénieur

Jesse Santos, ingénieur d'application produit, Angelo Nikko Catapang, ingénieur d'application produit et Erbe D. Reyta, ingénieur d'application matériel, tous chez Analog Devices

Les tremblements de terre constituent une menace majeure pour les zones commerciales et résidentielles condensées et pour tous les types de structures. À mesure que ces zones s’agrandissent et que de plus en plus de bâtiments sont construits, la surveillance sismique nécessite la mise en œuvre d’un vaste réseau de capteurs. Les instruments traditionnels ne sont pas viables en raison de leur coût élevé et de leur complexité. L'utilisation d'accéléromètres à système microélectromécanique (MEMS) et de géophones robustes de petite taille permet le développement d'une solution Internet des objets (IoT) à faible coût. La technologie actuelle en matière de composants actifs et de convertisseurs permet à ces capteurs d'atteindre les normes des instruments modernes. AnalogDevices fournit une solution de conception d'instruments simple mais fiable pour les applications de réseaux de capteurs sismiques.

À mesure que le monde devient de plus en plus interconnecté et interdépendant, les séismes modérés et importants peuvent potentiellement provoquer des perturbations et des pertes économiques importantes. Un tremblement de terre majeur dans n'importe quel centre urbain vulnérable aura un effet d'entraînement sur l'économie nationale de ce centre et sur la capacité de ses entreprises à fournir des services et à participer à l'échelle mondiale.(1) Reconnaissant que le risque sismique est un problème mondial, améliorer la surveillance sismique pour l'atténuer le risque est une responsabilité cruciale.

Un facteur clé pour l’amélioration de la surveillance sismique est la mise en œuvre d’un réseau de capteurs sismiques, qui nécessite le déploiement et l’interconnexion généralisés d’instruments sismiques.(2) Cependant, le coût et la complexité de l’installation de nombreux instruments sismiques traditionnels sont élevés.(3) L'intégration de la technologie IoT offre une solution à faible coût tout en maintenant une qualité de données sismiques standard.(4) Cet article traite de la physique des tremblements de terre et des capteurs de mouvement du sol, des normes d'instruments modernes suivies et des fonctionnalités qu'ils extraient. En outre, une conception de système utilisant les solutions Analog Devices est développée pour différentes applications de réseau de capteurs sismiques.

Un tremblement de terre est un événement provoqué par les mouvements et les collisions de plaques tectoniques. L'énergie générée par les collisions se propage à travers et autour de la surface de la terre sous forme d'ondes sismiques. Ces ondes viennent dans plusieurs directions et sont classées en ondes de corps et ondes de surface.

Figure 1. Types d'ondes sismiques : (a) ondes primaires ; (b) les ondes secondaires ; (c) Les vagues d’amour ; (d) Ondes de Rayleigh.(5)

Il existe deux types d'ondes corporelles : les ondes primaires (ondes P) et les ondes secondaires (ondes S). Les ondes P se propagent dans la direction de propagation sous forme d’une série de compressions et de raréfactions. En raison de leur nature de propagation, ils suivent une divergence sphérique. Bien qu'elles présentent la plus grande diminution de l'énergie des vagues parmi les autres types de vagues, elles sont les plus rapides, avec des vitesses comprises entre 5 km/s et 8 km/s. La décroissance rapide de l’énergie en fait également le type d’onde le moins destructeur. Les ondes P peuvent traverser non seulement la surface, mais également l’eau ou les fluides.

Les ondes S, également appelées ondes de cisaillement, suivent juste après l’arrivée des ondes P. Elles se déplacent à la surface de la Terre à une vitesse représentant environ 60 à 70 % des ondes P. Ce type d'onde se propage orthogonalement à la direction de propagation et à la surface de la Terre. Les ondes S sont plus destructrices que les ondes P en raison de leur moindre désintégration énergétique. Les ondes P et S sont collectivement appelées ondes corporelles.

Les ondes de surface sont 10 % plus lentes que les ondes de corps, mais ce sont les plus destructrices. Il convient de noter que la vitesse de propagation des ondes sismiques varie considérablement selon le type de sol dans lequel elles se propagent.(6) Les ondes de surface sont composées d'ondes de Rayleigh et de Love. Les ondes de Rayleigh sont un type d'onde de surface qui se propage près de la surface de la Terre sous forme d'ondulations et provoque une rotation qui peut être soit prograde (dans le sens de propagation), soit rétrograde (dans le sens contraire du sens de propagation). Ils sont également appelés roulis au sol en raison de la nature de leur mouvement. Les ondes d’amour, quant à elles, se déplacent orthogonalement à la direction de propagation mais parallèlement à la surface de la Terre. La figure 1 montre les différents types d'ondes et leurs effets sur le corps terrestre.