Mettre en évidence la variation de la vitesse des ondes sismiques

Ce document a été conçu, courant 2011/2012, par un groupe de formateurs en ExAO de l’académie de Versailles à destination des collègues qui recherchent des pratiques pédagogiques sur la vitesse des ondes sismiques avec leurs élèves de 1ère S. Nous présentons ici l’intégralité des manipulations présentées avec différents logiciels : audacity, Jeulin et Eurosmart.
Vos remarques et questions éventuelles sont les bienvenues et seront prises en compte avec attention pour améliorer ce document.
Groupe de travail : Basset Fabienne, Baudy Céline, Blangeard Kristen, Borie François et Jakubik Lucia.

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné Première S
Partie du programme : Thème 1 - B : LA TECTONIQUE DES PLAQUES : L’HISTOIRE D’UN MODÈLE
Programme
La naissance de l’idée
Au début du XXème siècle, les premières idées évoquant la mobilité horizontale s’appuient sur quelques constatations :
- la distribution bimodale des altitudes (continents/océans) ;
- les tracés des côtes ;
- la distribution géographique des paléoclimats et de certains fossiles.
Ces idées se heurtent au constat d’un état solide de la quasi-totalité du globe terrestre établi, à la même époque, par les études sismiques. L’idée de mobilité horizontale est rejetée par l’ensemble de la communauté scientifique
Comprendre les difficultés d’acceptation des premières idées de mobilité.
Réaliser et exploiter des modélisations analogique et numérique pour établir un lien entre propagation des ondes sismiques et structure du globe
Le concept de lithosphère et d’asthénosphère
Au voisinage des fosses océaniques, la distribution spatiale des foyers des séismes en fonction de leur profondeur s’établit selon un plan incliné.
Les différences de vitesse des ondes sismiques qui se propagent le long de ce plan, par rapport à celles qui s’en écartent, permettent de distinguer : la lithosphère de l’asthénosphère.
L’interprétation de ces données sismiques permet ainsi de montrer que la lithosphère s’enfonce dans le manteau au niveau des fosses dites de subduction.
La limite inférieure de la lithosphère correspond généralement à l’isotherme 1300° C
Saisir et exploiter des données sur des logiciels pour mettre en évidence la répartition des foyers des séismes au voisinage des fosses océaniques.
Comprendre comment l’interprétation de la distribution particulière des foyers des séismes permet :
- de définir la lithosphère par rapport à l’asthénosphère ;
- de confirmer, dans le cadre du modèle en construction, que la lithosphère océanique retourne dans le manteau.

Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs d’expérimentation assistée par ordinateur de propagation d’ondes à travers un même matériau mais à des températures différentes pour comprendre la différence entre lithosphère et asthénosphère.

Scénario pédagogique

On utilise les ondes sonores comme modèle analogique pour mettre en évidence les variations de vitesse en fonction du matériau ou de la ductilité, car on peut considérer qu’une onde sonore se comporte comme une onde sismique. Les ondes sonores seront enregistrées grâce à un capteur piézomètre.

Activités envisageables

1-Variation de la vitesse de propagation des ondes sismiques en fonction du matériau.

Pour cette activité on utilisera des matériaux de composition chimique et de propriétés physiques différentes pour comparer la vitesse de propagation des ondes à travers ces différents matériaux.
Ces résultats seront mis en corrélation avec la différence de vitesse de propagation des ondes sismiques enregistrées entre la croûte et le manteau.

2- Variation de la vitesse de propagation en fonction de la ductilité du matériel.

On a mis en évidence une différence de ductilité entre la lithosphère et l’asthénosphère. Cette ductilité dépend de la température. La limite entre l’asthénosphère et la lithosphère se matérialise par l’isotherme 1300°C.
Pour cette activité, le matériau utilisé est la pâte à modeler car sa ductilité varie rapidement en fonction de la température. On fera donc varier la température de la pâte à modeler afin de modifier sa ductilité. On compare la vitesse de propagation des ondes dans la pâte à modeler à des températures différentes.
Dans la LVZ, on observe une baisse de la vitesse de propagation des ondes sismiques qu’on attribue à un changement de ductilité entre asthénosphère et lithosphère.

Le traitement des données peut se faire grâce à plusieurs logiciels :
- Audacity
- Jeulin
- Eurosmart

AudacityEurosmart
Matériel et configuration Influence de la nature du matériau sur la vitesse de propagation des ondes Influence de la ductilité du matériau sur la vitesse de propagation des ondes Fabrication des capteurs piézométriques Matériel et configuration Influence de la nature du matériau sur la vitesse de propagation des ondes Influence de la ductilité du matériau sur la vitesse de propagation des ondes

Audacity

Matériel nécessaire aux enregistrements :

- Ordinateur
- Capteurs piézométriques
- Ruban adhésif (pour fixer les capteurs),
- Grande règle ou mètre de couturière (pour mesurer la distance exacte entre les 2 capteurs piézométriques),
- Échantillons de matériaux divers (bois, roche…) de 50cm
- Objet métallique (pour frapper sur l’échantillon),
- Plaques de mousse (pour isoler les matériaux du support)

Photo du montage

Logiciel :

Audacity 1.3.14-Beta

Préparation du matériel

- Brancher la fiche des capteurs piézo sur la prise « microphone » de l’unité centrale de l’ordinateur .
- Positionner l’échantillon de matériau sur une table/paillasse en l’isolant de celui-ci en plaçant du polystyrène dessous.
- Positionner les capteurs piézo sur l’échantillon de matériau :

  • Positionnement au-dessus de la surface plane : capteur voie droite le plus proche de l’endroit où on tape (l’affichage de la voie droite étant en haut, l’ordre des sismogrammes est ainsi plus logique).
  • Espacement d’environ 40-50 cm.
  • Fixation à l’aide de Scotch.
  • Mesurer l’écart entre les 2 capteurs.

Configuration du logiciel

- Ouvrir Audacity.
- Vérifier que la fonction « outil de sélection » soit sélectionnée dans la barre de tâche du haut (pour permettre de sélectionner des intervalles) :

- Edition/Préférences/Canaux : 2 (Stéréo).
- Augmenter l’échantillonnage à 96000 (en bas à gauche de l’écran) (permet de diminuer le ∆t entre deux valeurs mesurées).

Pour un échantillonnage à 96000 cela fait 96000 points en 1 seconde donc :
1 échantillon = 100 millièmes de seconde.

- Click sur « durée » (en bas de l’écran) puis click sur la flèche pour sélectionner le format de la mesure : échantillons (remarque : vous pouvez travailler également en hh mm ss + échantillon)

Enregistrement

- Démarrer l’enregistrement : click sur (en haut à gauche de l’écran).
- Frapper plusieurs fois de suite sur la tranche de l’échantillon à l’aide d’un objet métallique de préférence pour obtenir un signal fort.
- Stopper l’enregistrement avant de pouvoir zoomer (si l’on est uniquement sur pause il n’est pas possible de zoomer suffisamment pour obtenir un ∆t assez précis).
- Augmenter au maximum la taille de la fenêtre d’enregistrement vers le bas de l’écran.
- Pour zoomer  : click gauche maintenu pour sélectionner la zone située entre le début des signaux des 2 capteurs afin d’obtenir le ∆t/ puis click sur l’icône pour agrandir précisément cette zone puis renouveler cette opération jusqu’à obtenir une précision optimale.
- Pour augmenter l’amplitude des signaux click gauche maintenu à gauche de l’axe des ordonnées de part et d’autre de l’axe des abscisses.
- Click gauche maintenu pour sélectionner la zone d’intervalle de temps entre le début des 2 signaux .
- le ∆t s’affiche dans le bandeau du bas de l’écran sous le mot durée : l’utiliser pour mesurer la vitesse v = d/∆t
soit 0.45 ms dans cet exemple.

V= 0.50/0.45= 1.1 km/s

Capture d’écran d’un enregistrement

Remarques / Problèmes potentiels

- Erreur dans la reconnaissance du périphérique « son » lors d’un essai d’enregistrement dans Audacity :

  • Vérifier le branchement des capteurs.
  • Vérifier dans les périphériques si le micro est bien reconnu. Démarrer/Panneau de configuration/Matériel et audio/Son/Enregistrement (l’icône micro doit apparaître avec un signal vert : « v »).

- Pour vérifier le fonctionnement des capteurs hors enregistrement / si les élèves n’obtiennent pas de signaux sur une des voies :
Activer le Vu-Mètre (en haut-milieu de l’écran) :

Click sur la flèche à côté du micro/Visualiser l’entrée (permet de vérifier que les capteurs fonctionnent correctement en tapotant sur le support).

- Afficher/vérifier la saturation de l’enregistrement : Affichage/Montrer la saturation (cochée).
NB : La saturation est indiquée par des traits verticaux rouges sur l’enregistrement.
Pour ajuster la sensibilité déplacer le curseur (en haut à droite de l’écran) :

(vers le + : augmentation de la sensibilité)

- Même enregistrement sur les deux pistes : cela vient de l’entrée micro de l’ordinateur. Si vous avez trois prises sons (dans les ordinateurs récents il y a seulement 2 prises sons) : une rose, une bleue et une verte.

Il faut brancher les capteurs sur la prise bleue (entrée ligne) puis modifier les réglages.
Dans Audacity : sélectionner le périphérique entrée ligne pour l’enregistrement (directement sur le panneau d’affichage) ou en passant par édition/Préférences.

Sur l’ordinateur : faire un click droit sur le réglage du volume et ouvrir le contrôle du volume :

Sélectionner : options/propriétés. Sélectionner enregistrement puis cocher entrée ligne. Faire OK puis dans la fenêtre qui s’afficher cocher sélectionner.


Influence de la nature du matériau sur la vitesse de propagation des ondes

- Montage  : Voir fiche technique : utilisation élève d’Audacity
Choisir différents matériaux de 60cm de longueur

  • métal : dans un magasin de bricolage
  • diverses roches (se fournir chez des marbriers ou cuisinistes)
  • bois (attention : vitesses très différentes selon que l’on effectue la mesure dans le sens des fibres ou perpendiculairement, vitesse grandement supérieure dans le sens des fibres),
  • béton cellulaire

- Activité élèves :
Mesurer la vitesse des ondes sur des matériaux différents.
Voir fiche technique : utilisation élève d’Audacity

- Résultats  : (uniquement pour donner des ordres de grandeur, les valeurs fluctuant d’un couple de capteurs à l’autre suivant le matériel, la température…)

MatériauxVitesse (en km.s-1)
Métal de 5 à 7
Bois (dans sens des fibres) de 6 à 7
Bois (dans sens perpendiculaire aux fibres) de 1 à 2
Granite de 4.5 à 6.5
Béton cellulaire de 1 à 2
Calcaire de 3 à 4.5
Schiste 5.9
Marbre 3.5
Roche plutonique 5.2

- Exploitation des résultats :
La vitesse des ondes varie selon le matériau utilisé. On peut donc mettre en parallèle ce résultat avec la variation de la vitesse des ondes sismiques en fonction de la profondeur et donc la différence de vitesse de propagation des ondes sismiques entre la croûte et le manteau ainsi qu’entre la croûte océanique et la croûte continentale.


Influence de la ductilité du matériau sur la vitesse de propagation des ondes

- Montage  :

Modèle analogique avec de la pâte à modeler

Photo du montage avec une barre de pâte à modeler de 30 cm :

Possibilité de prendre la température en enfonçant le thermomètre dans la barre de pâte (dans votre pâton de pâte à modeler, préparez un trou du diamètre du thermomètre avant de le placer au congélateur).

Photo du thermomètre dans la barre de pâte

- Activité élèves
Mesurer la vitesse des ondes sur un pâton de pâte à modeler à des températures différentes.
Voir fiche technique : utilisation élève d’Audacity

- Résultats :

Matériau Après 45min sur un radiateur A température ambiante Après 45min dans le congélateur
Pâte à modeler 0.25 km.s-1 (34°C de T°C interne) 0.5 km.s-1 ( 20°C de T°C interne) 0.9 km.s-1 (4°C de T°C interne)

- Exploitation des résultats :
La vitesse de propagation augmente alors que la température et en parallèle la ductilité de la pâte diminuent.
Ce résultat peut être mis en parallèle avec la baisse de la vitesse des ondes sismiques dans l’asthénosphère.


Fabrication des capteurs piézométriques / Audacity

L’intérêt de les fabriquer au laboratoire est évidemment le moindre coût par un procédé assez simple…

Achats pour un capteur piézométrique :
- 2 Transducteurs acoustiques piézocéramiques : buzzer piézo (réf Conrad : 751669-62 : 1.60 € X2)
- 1 cordon Jack 3.5 mm Stéréo droit fiche mâle, droite de 1.20 m de long (réf Conrad 710318.62 : 1.30 €)
- gaine thermorétractable 1.5 à 0.5 mm
Prix global : moins de 5 euros (pour comparaison : 28.95 € chez Sordalab)

Matériel supplémentaire nécessaire pour l’assemblage :
- 1 fer à souder
- Pistolet à colle (« thermocolle »)
- 1 pince coupante (pour couper les segments de gaine thermorétractable)
- 1 cutter (pour dénuder si besoin)

Fabrication à proprement parler  :
- Séparer en 2 les fils de masse (ils arrivent roulottés ensemble sur le cordon jack : photos 1 et 2)
- Séparer sur une longueur d’environ 30 cm les 2 sous-parties de la gaine du cordon Jack : dans chaque sous-partie il y aura donc 1 fil conducteur (rouge ou blanc par exemple) + 1 fil de masse
- Souder ensemble le fil de masse du cordon au fil de masse du transducteur (fil noir). Regainer (pour une meilleure isolation) avec de la gaine thermorétractable.
- Souder ensemble le fil conducteur du cordon avec le fil conducteur du transducteur (fil rouge). Regainer.
- Repérer avec le Vu-Mètre d’Audacity :(en haut-milieu de l’écran) :

Click sur la flèche à côté du micro / Visualiser l’entrée voie droite et voie gauche et l’indiquer sur vos capteurs (ceci permet aussi de vérifier que les capteurs fonctionnent correctement en tapotant sur le support).

Cordon Jack Conrad « initial » :
fabrication 1
Cordon Jack Conrad fils de masse séparés :
fabrication 2
Dispositif achevé :
fabrication 3

Eurosmart

Enregistrement de la vitesse de propagation des ondes

Fiche technique professeur


- Montage

2 Fichier technique montage

- Paramétrage du logiciel

- Activité

Effectuer un choc sur le côté du matériel avec un objet rigide (marteau).

Exemple d’enregistrement :

2 Fichier technique exemple d enregistrement

-  Exploitation des données :

  • Zoomer sur le début d’enregistrement (outil « Loupe »)
  • Mesurer le Δt ( « Reticulum » lié à la courbé correspondante), ici Δt = 798,5μs
  • Calculer la vitesse de propagation de l’onde dans le matériel :
    v = d/Δt = (0,515 m)/(799.10-6 s) = 645 m.s-1

- Les explications relatives au paramétrage du logiciel

  • L’onglet « Déclenchement » sans marteau réflexe

Champ « Source » : l’enregistrement se déclenche à partir du moment où l’onde arrive au capteur choisi. Pour enregistrer l’arrivée de la première onde, choisir le capteur proche du côté d’impact.

Champ « Sens » : l’enregistrement se déclenche lorsque la valeur du signal enregistré augmente (sens montant) ou baisse (sens descendant). Mettre au choix « montant » ou « descendant », ceci n’aura aucune incidence sur l’enregistrement.

Champ « Seuil »  : c’est le seuil d’accélération à partir duquel l’enregistrement se déclenche au temps t0. On ne peut pas être sûr de la valeur d’amplitude d’accélération de l’onde. Mettre 0 g, car l’amplitude oscille entre valeurs positives et négatives, elle passe nécessairement par la valeur 0 g.

Champ « Pré-Trig » : l’enregistrement se déclenche de manière effective à t = 0 lorsque tous les paramètres de l’onglet déclenchement sont atteints. Nous ne pouvons pas être sûrs du comportement de l’onde lorsqu’elle arrive au niveau du premier capteur. Il se peut qu’à ce moment les paramètres du déclenchement ne soient pas atteints. L’enregistrement ne s’effectuera qu’au niveau avancé de train d’onde et on ne pourra pas afficher le début de passage de l’onde. Or celui-ci nous est indispensable pour mesure le Δt de passage d’onde entre les deux capteurs.
Cependant, la console acquisition possède une mémoire propre où les phénomènes précédents restent enregistrés. Le Pré-Trig permet d’afficher l’enregistrement stocké dans la mémoire de la console avant que celui-ci ne s’affiche à l’écran à t = 0. Mettre 25 %, ceci ajoute 25 % du temps d’enregistrement choisi.

  • L’onglet « Déclenchement » avec marteau réflexe

On peut également utiliser le marteau réflexe pour effectuer le choc. L’enregistrement est alors synchronisé avec l’impact du marteau sur le matériel. Dans ce cas le montage et le paramétrage du logiciel varient légèrement :

Montage  : brancher le marteau réflexe (voir l’article sur l’enregistrement du réflexe myotatique pour le branchement).

Paramétrage  :

Champ « Source » : mettre « externe ». Les autres onglets deviennent alors invisibles.

Champ « Pré-Trig »  : On conservera le même paramétrage pour des raisons évoqués ci-dessus.


Influence de la nature du matériau sur la vitesse de propagation des ondes

- Montage
cf. Fiche technique professeur

- Matériaux

Choisir des matériaux différents d’une longueur de 60 cm (bois, barre de fer, béton cellulaire, morceau de granite, etc.)

- Activité élèves

Mesurer la vitesse de propagation des ondes dans des matériaux différents.

- Résultats (uniquement pour donner des ordres de grandeur, les valeurs fluctuant d’un couple de capteurs à l’autre suivant le matériel, la température…)

Matériel Distance entre les capteurs [cm] Δt [ms] Vitesse de propagation [m.s-1]
Plan de travail en bois stratifié 51,5 0,799 645
Pâte à modeler 40 4 100
Rufmat 31 0,398 779
Barre de fer 50 0,184 2 717
Béton cellulaire 45 0,603 746

- Exploitation des résultats

La vitesse des ondes varie selon le matériau utilisé. On peut donc mettre en parallèle ce résultat avec la variation de la vitesse des ondes sismiques en fonction de la profondeur et donc la différence de vitesse de propagation des ondes sismiques entre la croûte et le manteau, ainsi qu’entre la croûte océanique et la croûte continentale.


Influence de la ductilité du matériau sur la vitesse de propagation des ondes

- Montage

Modèle analogique avec de la pâte à modeler :

Possibilité de prendre la température en enfonçant le thermomètre dans la barre de pâte (dans votre pâton de pâte à modeler, préparez un trou du diamètre du thermomètre avant de le placer au congélateur).

Photo du thermomètre dans la barre de pâte :

- Activité élèves

Mesurer la vitesse des ondes sur un pâton de pâte à modeler à des températures différentes.

Cf. Fiche technique professeur enregistrement de la vitesse de propagation des ondes

- Résultats

Matériau A température ambiante Congelé
Pâte à modeler 0.5 km.s-1 ( 20°C de T°C interne) 0.9 km.s-1 (4°C de T°C interne)

- Exploitation des résultats

La vitesse de propagation diminue quand la température et en parallèle la ductilité de la pâte augmentent.
Ce résultat peut être mis en parallèle avec la baisse de la vitesse des ondes sismiques dans l’asthénosphère.


Voir aussi : Mesure de la vitesse de propagation des ondes sismiques dans différentes roches

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