Vorrei tentare di chiarire il problema della saturazione del segnale acquisito con un 12, 16 e 24 bit nell'ottiva dei sondaggi MASW.
La saturazione del segnale si ha quando il segnale acquisito supera generalmente i +/-5 volt che rappresenta il valore di soglia dell'adconverter (componente hardware che permette di trasformare il segnale analogico in digitale), tale valore spesso coincide anche con quello del geofono.
Se noi piazziamo a 2 metri dalla piastra tre geofoni uguali,
- il primo collegato a un sismografo a 24 bit,
- il secondo al 16 bit
- il terzo a un 12 bit
supponiamo che i sismografi 12 bit e 16 bit siano impostati con guadagno 1 e il 24 bit non sia ulteriormente amplificato.
Diamo ora una mazzata sufficientemente forte che mandi in saturazione il sismografo a 12 bit, vuol dire che abbiamo generato con la mazzata una vibrazione tale aa far produrre al geofono una corrente di +/-5 volt.
Pertanto il segnale acquisito dal sismografo a 12 bit va in saturazione.
Ora esaminiamo cosa succede al sismografo a 16 bit: essendo i geofoni uguale a quello a cui è collegato il 12 bit, con la medesima mazzata verrà generata una corrente di 5 volt, valore questo che manda in saturazione anche l'ADconverter del sismografo a 16 bit avendo come valore di soglia anch'esso i 5 volt.
Stessa cosa avviene al sismografo 24 bit , 36 bit 64 bit ... se hanno anche loro valore di soglia di 5 volt e tutti andranno in saturazione.
A questo punto vi chiederete che differenza c'è tra un 12 bit, 16 bit e un 24 bit dal punto di vista della forma d'onda, la risposta è nessuna differenza, ciò che li diversifica è che il valore di saturazione che leggiamo sulla traccia del 12 bit è 2^12 = +/2 2048 , sul 16 bit 2^16 = +/- 32000 per il 24 bit = 2^24 = 838000
Gli altri valori del sismogramma sono proporzionali , pertanto l'aspetto grafico del segnale plottato su monitor dovrà essere corretto solo da un fattore di scala.
Identico è in rapporto segnale masw / rupore pertanto se abbiamo 830000 o 4096 come fondo scale anche il rapporto con il rumore corrispondente non cambia e pertanto anche lo spettro una volta elaborati i dati acquisiti.
Per i 24 canali le cose si complicano siano essi a 12 o 24 bit inquanto il decadimento del segnale tra il 13 e 24 ° canale si riduce con il quadrato della distanza, pertanto rende il segnale vero sempre più piccolo rispetto al rumore di fondo, e quest'ultimo può sporcare notevolmente il grafico di dispersione in particolare in concomitanza delle basse frequenze hz> 10 hz che rendono difficile l'elaborazione.
Per ovviare a ciò è necessario allontanare il punto di battuta dal primo geofono, aumentare l'energia indotta dalla mazza se ciò non è più possibile aumentare il gain per i sismografo 12 bit o 16 bit per il 24 bit questa operazione non è possibile per mancanza ( generalmente di un amplificatore).
Attenzione aumentare troppo il gani non serve in quanto si aumenta l'ampiezza del segnale ma contemporaneamente anche il rumore, utile è l0perazione della sommatoria del segnale ( solo per geofoni a 16 bit)
In tutti i casi per calcolare le vs30 il range dinamico costituito da +/- 4096 step del 12 canali è più che sufficiente per fare una buona elaborazione masw
Ora vediamo quali sono i benefici o meno di avere un sismografo a 12 - 16 -24 bit per eseguire i sondaggi Masw - vs30
La differenza principale è una maggiore definizione dell step minimo leggibile ( in pratica una maggiore sensibilità aumentando i bit dell'adconverter ) che in tutti i casi per il 12 e 16 bit è compensato da un preamplificatore.
cosa vuol dire :
in pratica con guadagno 1 x per un 12 bit non abbiamo la possibilità di registrare i microtremori di un sito lontano dal traffico urbano ma possiamo registrare in maniera ottima il segnale prodotto dalle onde superficiali a seguito della mazzata, in pratica avviene una filtratura dei microtremori nocivi all'elaborazione.
Per chi ha provato ad elaborare masw acquisito a 12 bit normalmente avrà potuto notare l'assenza o quasi di punti di dispersione sperimentali nel grafico di dispersione.
Per i sismografi a 16 bit 16 volte più sensibili di un 12 bit a parità di gain impostato il rumore ha un peso 16 volte superiore rispetto al caso precedente pertanto in condizioni di rumore ambientale elevato si ha ancora un segnale acquisito sufficientemente chiaro da elaborare in particolare se la mazzata è stata data sufficientemente forte.
Nel caso del 24 bit il rumore incide 256 volte di più sul segnale acquisito e pertanto se si da una mazzata che non raggiunge il valore di saturazione del segnale avremo una dominanza dei rumori dannosi sui segnali veri rendendo difficile l'elaborazione del dato
Concludendo un rumore acquisito da un sismografo 12 bit ( a patià di gain ) di ampiezza +/- 1 step diventa di +/-16 step per un 16 bit e di +/- 4096 step per un 24 bit
Quindi in tutti i 3 casi occorre generare la massima energia in fase di battuta, nel caso in cui si supera il valore di soglia del segnale al primo e secondo geofono aumentare la distanza di offset, nel caso non dovesse essere superato il valore di soglia aumentare il gain (se il sismografo lo permette) oppure ( meglio) accorciare la stesa sismica per avere un miglior rapporto guadano / rumore.
Un buon compromesso per il numero di geofoni utili per fare il masw è 16 in quanto permettono di avere più tracce sismiche di un 12 canali e permettere di avere il segnale degli ultimi geofoni sufficiente buono
Si può infine dire che un 12 bit amplificato con gain 4000 x oppure un 16 bit con gain 256 x hanno la madesima sensibilità di un 24 bit.
Non sarà mai necessario per eseguire un buon masw vs30 superare la soglia di gain = 128 x per un 12 bit e di 8 x per un 16 bit ( 48 db circa ) per un terreno con caratteristiche di velocità medie.
