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mémoir final

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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene
Faculté d’Electronique et d’Informatique
Département Instrumentation & Automatique
Mémoire de Master
Domaine : Sciences et Technologie
Spécialité : Ingénierie de l’Instrumentation Electronique
Thème :
Réalisation d’un Dispositif d’Avertissement et de Détection
de Signaux Sismiques
Proposé et dirigé par :
Présenté par :
Dr. H. Khelladi
Mr. A. Allili
Mr. Bacha Kamel
Mr. Sellidj Abd El Mounim
Devant le jury composé de :
Président :
Examinateur :
Promoteur :
Co-promoteur :
Pr M. Tellache
Dr N. Ababou
Dr H. Khelladi
Mr A. Allili
Juin 2018
Remerciements
Tout d’abord, nous remercions Dieu qui nous a donné la force et le courage d’accomplir ce
travail de fin d’études jusqu’au bout, et nous tenons aussi à remercier nos familles respectives
qui nous ont poussées à faire des efforts pour le bon déroulement et l’aboutissement de ce
travail.
Ce travail a été élaboré sous la direction de madame H. Khelladi, qu’elle trouve ici l’expression
de nos profondes gratitudes et nos sincères remerciements grâce à sa bienveillance et
l’attention qu’elle nous a accordée.
Sans oublier de remercier Mr. A. Allili qui nous accueilli au sein de son unité de travail et
nous a aidé durant notre projet en mettant à notre disposition le matériel nécessaire pour
notre réalisation.
Nous rendons hommage à tous nos professeurs qui ont contribués à notre formation durant
notre cursus universitaire. Ainsi que les membres de jury en leur accordant l’expression de
nos vifs remerciements pour avoir accepté d’honorer par leur jugement notre travail.
Nos remerciements s’adresse aussi à tous nos amis, et toutes les personnes qui nous ont
aidées de prés ou de loin et soutenus tout au long de notre parcours.
SOMMAIRE
Introduction énérale……………………………………………………………………..….…1
CHAPITRE I : Généralités sur les séismes et les méthodes de détection
I.1. Introduction ……………………………………………………………...……….…5
II.2. Le séisme et ses caractéristiques
II.1. Tremblements de terre ……………………………………...…….......…5
II.2.Naissance des séismes ………………………………………………...…8
II.3.Les zones les plus sismiques …………………………………………....11
II.4. Différents types de tremblement de terre…………………………….....11
II.5. Effets d’un séisme……………………………………………….............12
III.3. Ondes sismiques.
III.1. Analyse physique des ondes sismiques …..……………………….......12
III.2. Description physique des différents types d’ondes …………...............13
III.3. Propriétés des ondes sismiques …………………………………….....16
III.4. Exploitation des caractéristiques de propagation des ondes sismiques 17
IV. Principe de base du fonctionnement d’un sismographe
I.4.1. Principe de base du fonctionnement d’un sismographe ……………....18
V. Conclusion ………………………………………………………………….……………....19
CHAPITRE II : Conception et réalisation d’un dispositif de détection des signaux
sismiques
II. Introduction...................................................................................................................…...21
II. Partie HARDWARE
II.1. Capteur de vibration :sismomètre L22-D
A-caractéristique techniques du sismomètre ……………………………….………22
B-II.2.1.1.Le circuit de conditionnement du capteur sismomètre………………….23
-
L’alimentation ……………………………………...................23
-
Etage amplification..………………………………….………23
-
Etage de filtrage……………………………………….………24
II.2. Capteur de vibration :accéléromètre
ADXL335……………………….……...26
II.3. Bloc d’acquisition des siganux……………………………………………....26
II.4. Ethernet shield………………………………………………………….……27
II.2.4. Conclusion……………………………………………………………..…..28
IV. Partie SOFTWARE
IV.1. Présentation générale de LabVIEW…………………………………..……29
IV.2. LabVIEW dans le monde de l’instrumentation….…………….….……….29
IV.3. Interface graphique LabVIEW…………………………………………..…30
IV.4. Organigrammes…………………………………………………………….32
IV.5.Communication LabVIEW et Arduino Due…………………………....…...35
A-Communication avec VISA ………………………………………...…35
B-Communication avec LINX………………………………..….…….....35
C-Initialisation des Ports……………………………………..…….……..36
D-Conditionnement de boucle ……………………………………….….36
E-Lecture des donnés analogique ……………………………………….36
F-Etalonnage des capteurs………………………………………….……37
G-Affichage ………………………………………………………..…......37
H-Enregistrement …………………………………………………...........37
I-Temps…………………………………………………………….…….38
J-Full screen………………………………………………………..….…38
K-Fin de programme de communication (LINX)…………………..…....38
V. partie :algorithme diction d’ondes de P
V.Introuduction………………………………………………………..…39
V.1. Le processus de détection de dispositifs ntelligents……………………....39
V.2. Les algorithmes de détection d’ondes sismiques………………………....40
V.3. Exemples dans le monde………………………………………………….40
V.4. Actions possibles en cas d’alerte……………………………………….....41
A-Actions automatiques……………………………………….…41
B-Actions semi-automatiques…………………………………….41
V.5.Détection onde P
A-Technique STA/LTA……………………………………………42
CHAPITRE III : Tests et résultats.
II.1. Introduction…………………………………………………………………44
II.2. Etapes de la réalisation du prototype……………………………………….44
III.3. Conclusion………………………………………………………………….49
Conclusion générale………………………………………………………………………50
Références bibliographiques………………………………………………………………51.
Liste des figures
Chapitre I: Etat de l’Art sur les ondes Sismique et les Techniques de détections
Figure I.1: Caractéristiques d’un séisme.
Figure I.2: Type de déplacement au niveau des failles.
Figure I.3: Naissance d’un séisme.
Figure I.4 : Causes d’un séisme.
Figure I.5 : Représentation des ondes P et S.
Figure I.6 : Représentation des ondes de Love et ondes de Rayleigh.
Figure I.7 : Vitesse des ondes.
Figure I.8 : Caractéristiques de propagation des ondes sismiques.
Figure I.9 : Modification des ondes par les milieux traversés.
Figure I.10 : Principe de base du fonctionnement d’un sismomètre.
a- Horizontal.
b- Vertical.
Figure I.11 : Processus de détection et vérification des dispositifs SOS-LIFE
Chapitre II: Description de la partie électronique
Figure II.1: Schéma synoptique
Figure II.2: Sismomètre.
Figure II.3: Circuit de conditionnement du capteur
Figure II.4: Alimentation.
Figure II.5 : Filtre passe bas 2 ordres.
Figure II.6: Accéléromètre MMA7361.
Figure II.7: Carte Arduino.
Figure II.8: Internet shield.
Figure II.9: Fenêtre face avant de LabView
Figure II.10: Fenêtre de la programmation
Figure II.11: Interface graphique sous LabVIEW.
Figure II.12: Organigramme du programme principal.
Figure II.13: Programme du prototype réalisé
Figure II.14 : Interface graphique sous LabVIEW
Figure II.15: Initialisation des Ports
Figure II.16 : Conditionnement de la boucle
Figure II.17: Lecture des donnés analogique
Figure II.18 : L’enregistrement.
Figure II.19 : le temps réel
Figure II.20 : Full screen
Figure II.21 : Fin de programme
Chapitre III: Tests et résultats
Figure III.1 : Circuit de conditionnement sur lab d’essai.
Figure III.2: Visualisation d’ondes sur oscilloscope.
Figure III.3 : Test accéléromètre.
Figure III.4: Programme accéléromètre sur Arduino.
Figure III.5 : Programme de notre système sur LabView.
Figure III.6 : Interface graphique.
Figure III.7 : Réalisation circuit imprimé .
Figure III.8: Circuit de composants.
Figure III.9: Enregistrement des données (Excel)
Figure III.10: Monitoring de la station
Introduction Générale
0
L
e séisme peut être considéré comme la catastrophe naturelle la plus meurtrière
connue actuellement sur le globe terrestre dû à ses effets directs (effondrements de
bâtiments, chutes d'objets) et aussi par ces phénomènes induits comme le
mouvement de terrain ou encore le tsunami. Statistiquement parlant, il se révèle comme étant
aussi meurtrier que certaines grandes guerres causant annuellement des milliers de morts.
De même que sur le plan économique, il détruit de nombreux bâtiments, usines ou encore les
ponts, les routes et les voies ferrées…, provocant une véritable perturbation dans l'activité
économique d'un pays, en sus des milliards de dollars de dégâts.
Dans l’antiquité, ces mouvements terrestres intriguaient nos ancêtres qui croyaient que la terre
était en proie à des phénomènes surnaturels. Mais il faut attendre la création de la
séismologie, au siècle dernier, pour voir apparaître les théories géologiques et géophysiques
qui expliquent ce fait naturel comme étant la résultante de la libération brutale d’énergie par le
déplacement et les frictions des différentes plaques terrestres.
Pour rappel, l’énergie libérée par un séisme de magnitude 7 représente l’équivalent de 900
fois la bombe d’Hiroshima. A cet effet, il serait intéressant de trouver un signe annonciateur
qui pourrait détecter un tel
phénomène qui renferme une puissance exceptionnelle. La
réponse des experts en la matière est sans appel : dans l’état actuel de nos connaissances, il
n’est pas encore possible de faire des prédictions scientifiques basées sur des assises certaines
malgré une meilleure compréhension des séismes.
Ainsi, grâce au développement de la science il a été prouvé que les séismes provoquaient des
vibrations qui se propageaient à l’intérieur de la Terre : ce sont les ondes sismiques. Ces
dernières sont classées en trois catégories :
Ondes primaires (P) : se propagent en parallèle au déplacement du sol de l’ordre de 6km/s ;
ce sont elles que le sismographe perçoit en premier.
Ondes secondaires (S) : travaillent en distorsions, entrainant des vibrations perpendiculaires ;
elles sont plus lentes que les ondes P.
Ondes de surfaces (L ou R) : se propagent à la surface de la terre et sont les plus
destructrices.
Dans le but de percevoir ces moindres mouvements, des capteurs, appelés sismomètres ont
été conçus et développés. Le premier capteur connu daterait de l’an 130 avant J-C. Ils sont,
1
donc, conçus et implantés pour mesurer les ondes sismiques, soit les mouvements du sol
engendrés par les séismes et pouvant se propager sur de grandes distances.
Un objectif précis à travers cette réalisation qui s’inscrit dans le cadre de la préparation de
notre projet de fin d’études est de déclencher une alarme sonore pour identifier rapidement et
à temps les ondes destructives d'un séisme moyennant la détection des ondes P. Même si le
temps d'avertissement varie pour chaque séisme, en fonction de certains facteurs (la distance
par rapport à l'épicentre, les conditions du sol, la profondeur de la formation du séisme,
etc…), ce temps peut être de l’ordre de 60 secondes avant les effets dévastateurs d’un
tremblement de terre. L’alerte précoce de tremblement de terre vise à avertir le grand public et
les exploitants d’infrastructures vulnérables de la possibilité imminente de fortes secousses du
sol pendant un séisme. De telles alertes précoces peuvent non seulement servir à déclencher
très rapidement des procédures automatisées de sécurité (par exemple arrêter des machines
ou des équipements électriques), mais aussi être utilisées pour améliorer la prise de
conscience de la situation.
Deux études ont été déjà réalisées au niveau du CRAAG. Cependant, elles se sont intéressées
à la numérisation d’un signal issu d’une station analogique. Par contre, l’étude actuelle porte
sur l’enregistrement et l’exploitation de trois signaux selon trois axes (X, Y, Z) sans passer
par une station analogique.
Enfin, selon les responsables du CRAAG, une telle station a plusieurs intérêts :

Elle serait les prémices de la conception de la première station sismologique dans le
pays,

Elle serait d’un apport certain pour les travaux de recherches effectués par les
chercheurs du CRAAG et Doctorant,

Enfin, plusieurs secteurs stratégiques pourraient s’y intéresser (domaine pétrolier,
génie civil,…).
Une démarche méthodologique a été adoptée pour mener à bien ce projet. En effet, le présent
travail comprend trois chapitres:
Le premier chapitre traite des caractéristiques des séismes notamment leur naissance, leur
propagation, les différentes ondes provoquées et leurs propriétés. De plus, les principes de
base du fonctionnement d’un sismographe vont être abordés dans ce chapitre.
2
Le deuxième chapitre s’intéresse à trois aspects importants.
Le 1er s’intéresse à l’aspect Hardware de notre projet, à travers la présentation des différents
composants et matériels nécessaires à la réalisation de notre prototype et la description des
divers montages électroniques réalisés.
Quant au second aspect, il sera question de la partie Software développée dans ce projet. En
effet le développement d’une interface graphique, sous LabVIEW est nécessaire pour
visualiser et stocker les données acquises sur un PC. Il est à noter que LabVIEW est
particulièrement recommandé pour développer des systèmes de contrôle et de supervision.
Le dernier aspect traite de l’algorithme de détection de l’onde P et quelques notions relatives
aux dispositifs intelligents de détection précoce de tremblements de terre.
Le troisième chapitre englobe les différentes étapes nécessaires pour l’élaboration finale de
ce dispositif qui répond aux exigences du cahier des charges et notre rapport s’achève par une
conclusion générale et des perspectives.
3
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
Chapitre I : Généralités sur
les Séismes et les Méthodes
de Détection
4
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
I. Introduction
Le risque sismique reste parmi les menaces les plus actifs dans le nord du pays, car l’Algérie a
de tout temps été soumise à des activités sismiques entrainant des pertes humaines et
matérielles importantes.
Cette activité sismique est due principalement à la nature géologique du nord de l’Afrique et
ses caractéristiques tectoniques à la frontière des deux plaques : africaine et eurasienne en
mouvement compressif permanent.
Les études géologiques menées jusqu'à nos jours dans le nord algérien, nous révèlent qu’il
existe de nombreuses zones dont les structures géologiques sont des foyers sismiques
potentiels. Les archives de la sismicité dans notre pays confirment elles aussi, la grande
instabilité de cette partie du continent et démontrent que les séismes de forte intensité
continueront probablement à se produire à l’avenir dans cette région.
De plus, sachant que la population algérienne se concentre sur cette frange côtière la plus
vulnérable, on comprend pourquoi l’Algérie réunit toutes les caractéristiques d'un pays à
risques. Pour le moment, nous ne sommes pas préparés à faire face à un tremblement de terre
de grande ampleur. Le grand problème c'est les ondes destructives d'un séisme qui
apparaissent sans aucun avertissement préalable [1].
II. Le séisme et ses caractéristiques
II. 1. Tremblements de terre
Le tremblement de terre est la catastrophe naturelle la plus meurtrière et la plus destructrice
dans le monde. La prévention est le moyen le plus efficace pour en atténuer les effets.
Un tremblement de terre ou séisme est un mouvement naturel du sol qui débute brusquement
et qui dure peu : de quelques secondes à quelques minutes. Les séismes sont dus pour la
plupart aux déformations lentes de la couche externe de la Terre, appelée lithosphère. Celle-ci
est composée de grandes plaques rigides animées de mouvements relatifs très lents. A la
limite de ces plaques, des contraintes s'accumulent dans les roches qui se déforment jusqu'au
point de rupture, au-delà duquel elles cassent brutalement le long d'une ou plusieurs failles, en
libérant une énergie considérable. Le point à partir duquel se développe la rupture s'appelle le
foyer. 80% des foyers sont situés entre la surface de la Terre et 60 km de profondeur.
5
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
D'autres séismes, généralement de faible énergie, peuvent aussi accompagner des phénomènes
volcaniques ou être liés à l'activité humaine : remplissage de barrages, injection de fluides
dans le sous-sol, exploitation de gaz naturel.
L'importance d'un séisme est évaluée :

Par la magnitude. C'est un nombre qui caractérise l'énergie libérée au foyer et permet
de comparer les séismes entre eux. Cette notion a été définie par Richter d'où le nom
d'échelle de Richter. La magnitude d'une petite secousse sismique est de 4, celle d'un
séisme grave entre 5 et 7, celle d'un séisme potentiellement catastrophique entre 7 et 9
(Tableau 1). La valeur maximale enregistrée par les sismomètres est de 9,5. Cette
échelle n’est pas linéaire : un séisme de magnitude 7 sera dix fois plus fort qu'un
évènement de magnitude 6, cent fois plus fort qu'un de magnitude 5.

Par l'intensité (échelle EMS-98) qui caractérise les effets et dégâts produits. L’intensité
macroscopique EMS 98, est estimée par observation des désordres sur les bâtiments et
les infrastructures, ainsi que par la perception du séisme pas la population (Tableau 2).
Elle comporte 12 niveaux et varie selon la distance à l’épicentre et les effets de site
(amortissement ou amplification des ondes sismiques). Notons que l’épicentre du
séisme est le point de la surface terrestre situé à la verticale du foyer [2].
Magnitude
Ordre de grandeur du nombre de séismes par an dans le monde
>0
100 millions
1
10 millions
2
1 million
3
100 000
4
10 000
5
1 000
6
100
7
10
8
1
9
1 tous les 10 ans
Tableau I. 1 : Echelle de magnitude (Richter)
6
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
Il est à noter que l’échelle de la magnitude mesure l’énergie libérée par le séisme. Elle ne
varie pas quand on s’éloigne de l’épicentre. Par ailleurs, l’échelle d’intensité EMS-98
(European Macroseismic scale1998) définit les effets du séisme sur l’homme et les
constructions. Elle diminue en s’éloignant de l’épicentre.
Il convient de signaler que l’hypocentre (ou foyer) se trouve dans la profondeur de la croute
terrestre où il y a la libération d’énergie. Il représente le point d’origine du tremblement de
terre et le lieu de départ des ondes sismiques.
L’épicentre est le lieu de la surface de la Terre situé à la verticale du foyer où les dégâts sont
en général les plus importants. Il est à noter que si l’épicentre se trouve dans un endroit sousmarin nous pouvons avoir un tsunami.
I
Secousse non perceptible
II
Secousse à peine perceptible
III
Secousse faible ressentie de façon partielle
IV
Secousse largement ressentie
V
Réveil des dormeurs
VI
Frayeurs
VII
Dommages aux constructions
VIII
Destruction de bâtiments
IX
Dommages généralisés aux constructions
X
Destruction générale des bâtiments
XI
Catastrophe
XII
Changement de paysage
Tableau I. 2 : Echelle d’intensité (EMS-98)
7
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
Figure I. 1: Caractéristiques d’un séisme
II. 2. Naissance des séismes
Il y a deux raisons pour que la Terre tremble :

Soit c’est une rupture entre deux plaques tectoniques,

Soit ce sont des montées de magma.
Un séisme, ou tremblement de terre, résulte de la vibration du sol causée par le déplacement
instantané qui se produit lorsque les efforts créés par les mouvements des plaques [divergents
(extension), convergents (compression) ou en coulissage (cisaillement)] deviennent supérieurs
aux efforts résistants admissibles par les matériaux constituant les plaques. Le lieu où cette
libération brusque d'énergie provoque la rupture des roches en profondeurs, se nomme le
foyer. La rupture des roches en surface s'appelle une faille.
Le séisme est superficiel ou profond selon que le foyer est à faible (quelques kms) ou à grande
profondeur (plusieurs dizaines ou centaines de kms). La violence du séisme dépend de la
quantité d’énergie stockée au niveau de la faille avant le séisme et de la position de la faille
par rapport à la surface.
Plus précisément, selon le type de déplacement au niveau des failles, on distingue :

Les déplacements verticaux appelés rejets se produisant sur des failles normales dans
les zones d’extension et sur des failles inverses dans les zones de compression,

Les déplacements horizontaux appelés décrochements dans le cas des failles de
coulissage ou des failles transformantes.
8
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
Figure I. 2 : Type de déplacement au niveau des failles
Lors du déplacement de la roche le long d’une faille, l’énergie libérée se propage dans toutes
les directions à partir du foyer sous la forme d’une vibration constituée d’ondes appartenant
principalement à deux catégories :

Les ondes de volume qui se propagent à l'intérieur de la Terre.

Les ondes de surface qui ne se propagent qu’à la surface et qui produisent les effets
destructeurs des séismes.
9
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
Figure I. 3 : Naissance du séisme
La magnitude et l’intensité d’un séisme n’ont pas de relation directe entre elles : un séisme de
forte magnitude se propageant à partir d’un foyer profond et dans une région peu peuplée sera
peu destructeur et donc de faible intensité ; à l’inverse, un séisme de faible magnitude dont le
foyer est proche de la surface, pourra être très destructeur et donc qualifié de forte intensité.
Figure I. 4: Les causes d’un séisme
10
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
Pour un séisme de magnitude donnée, le mouvement du sol est généralement maximal à
l’aplomb de la faille et décroît avec la distance. Cependant, le mouvement du sol peut varier
localement en fonction de la topographie du site ou de la constitution du sous sol : par
exemple, les désordres sont amplifiés pour des sites présentant des reliefs importants ou dont
le sous sol comporte des couches d’alluvions de grande épaisseur [3].
II. 3. Zones les plus sismiques
Les tremblements de terre se produisent à des endroits très localisés et bien connus à la
surface de la planète. Ces zones, plus sismiques que d’autres, sont liées au phénomène de la
tectonique des plaques, qui explique les mouvements des continents à la surface du globe. Ces
zones sismiques se situent [4] :

Au milieu des océans, le long des montagnes sous marines (les dorsales océaniques),
où les séismes sont peu profonds mais très fréquents ;

En bordure des continents, où les plaques tectoniques convergent (elles entrent en
collision) et donnent naissance aux longues chaînes de montagnes (les Andes, les
Rocheuses…) ;

au milieu des continents, au niveau des grandes chaînes de montagnes (les Alpes,
l’Himalaya).
II. 4. Différents types de tremblement de terre
Les différentes catégories de tremblements de terre sont définies en fonction de leur
profondeur [4]. Il y a :

Les tremblements de terre superficiels, qui se produisent à une faible profondeur à
l’endroit où les plaques tectoniques s’éloignent les unes des autres.

Les tremblements de terre intermédiaires et profonds, qui se produisent plus en
profondeur, uniquement à l’endroit où les plaques tectoniques se rencontrent.

Enfin, des tremblements de terre se produisent souvent juste avant et pendant une
éruption volcanique. Ces tremblements de terre sont dus au magma qui, en remontant
vers la surface, fracture la croûte terrestre.
11
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
II. 5. Effets d’un séisme
Un séisme produit des déformations du sol (mouvement de faille) et surtout un ébranlement du
sol caractérisé par un mouvement vibratoire violent et désordonné. Cet ébranlement peut
déclencher des mouvements de terrain, des éboulements, la liquéfaction de certains sols
sableux saturés d'eau, des tsunamis (improprement appelés raz de marée). Ces derniers sont
produits par de grands séismes sous la mer provoquant de gigantesques vagues qui traversent
les océans à une vitesse pouvant atteindre 800 km/h et produisent des effets dévastateurs sur
les côtes [4].
Les dégâts provoqués par les séismes ne sont pas limités au voisinage immédiat de la faille,
heureusement que ces ondes s'atténuent lors de la propagation à travers les différentes
couches de la Terre. Ces ondes peuvent endommager ou détruire des installations de toute
nature : bâtiments, ouvrages d'art, réseaux. Les séismes sont dangereux pour les vies
humaines surtout par l'effondrement des constructions qu'ils entraînent (90% des victimes).
Les effets d’un séisme dépendent de plusieurs facteurs : soit l'énergie du séisme, mesurée par
la magnitude ; soit la propagation de cette énergie à l'intérieur et à la surface de la Terre. Cette
dernière peut être très variable. Dans certaines régions, des ondes sismiques d'un type
particulier se propagent sur de grandes distances et l'accélération du sol est alors plus
importante que celle que l'on pourrait prévoir. La topographie du site et la structure
géologique superficielle du sol ont une grande importance (effets de site). Les mouvements
sismiques enregistrés au sommet des reliefs sont systématiquement d'amplitude plus grande
que ceux enregistrés au pied de ces reliefs [1].
III. Ondes sismiques
III. 1. Analyse physique des ondes sismiques
Lors d'un séisme, le sol tremble en raison de l'arrivée en surface de vibrations appelées ondes
sismiques. Quelques secondes avant cette arrivée, la rupture d'une faille en profondeur a
libéré une importante charge d'énergie (quantifiée par la magnitude) et provoqué le
déplacement brutal des roches encaissantes de quelques centimètres voire de plusieurs mètres
pour les séismes de magnitude 8-9. Cet ébranlement se propage ensuite de proche en proche
dans tout le volume de la Terre à une vitesse de quelques kilomètres par seconde [5].
Un séisme a la structure suivante :
12
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
1. L’Onde P – arrive en première à destination, est inoffensive.
2. L’Onde S – arrive en deuxième, elle est destructive pour les constructions.
3. L’Onde de surface – arrive en troisième, étant dévastatrice.
Le déplacement continu des plaques à la surface de la Terre engendre des contraintes. Le
relâchement de ces contraintes aux frontières des plaques lors d’un séisme, entraîne une
dissipation de l’énergie sous forme d’ondes sismiques et sous forme de chaleur. En 1889,
pour la 1ère fois, un scientifique allemand à Berlin enregistrait des ondes issues d’un séisme au
Japon, à plusieurs milliers de kilomètres. C’est le début d’une sismologie moderne,
instrumentale, basée sur l’étude des ondes sismiques [6]. Il convient de signaler que les
vibrations du sol engendrées par les séismes sont enregistrées par un sismomètre qui fournit
l’amplitude de la vibration visible dans le sismogramme.
III. 2. Description physique des différents types d’ondes
Il existe principalement 2 types d’ondes :
1. Les ondes P et S, dites ondes de volume, car elles se propagent partout à l’intérieur
de la Terre. Ce sont les premières arrivées sur un sismogramme : P les Premières, S
les Secondes.
Ondes P : La plus rapide des ondes séismiques c'est l'onde P, qui arrive toujours, en première,
à destination. Les ondes P circulent de 1.68 fois plus vite que les ondes S et de 2 à 3 fois plus
vite que les ondes de surface qui circule, approximativement, 3.7 km/s. Ainsi, il existe une
différence d'une seconde entre les ondes P et celles de type S, pour chaque distance de 8 km
parcourus. Les ondes S, se propagent avec, approximativement, 4 km/s plus vite que les ondes
de surface donc, à chaque distance de 4 km de l'épicentre, s'ajoute, encore une seconde de
retard entre le complexe des ondes P-S et les ondes de surface [7].
L'onde P, peut se propager à travers les roches dures et à travers les fluides (poches d'eau
« les eaux phréatiques ») de la Terre. Nous ne ressentons pas ces ondes et elles ne constituent
pas un danger pour l’homme.
Plusieurs fois, après qu’un séisme s'était produit, des gens ont soutenu que leurs animaux ont
eu un comportement inhabituel, avant que le tremblement de terre ne se produise, ce qui a
conduit à croire que les animaux ont la capacité de le pressentir. C'est en fait, certains
13
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
animaux peuvent ressentir les ondes P, moins dangereuses et ceci pourrait, par leur panique et
leur comportement inhabituel, annoncer l'éventuel danger [8].

Vitesse : de l’ordre de 4 à 6 km/s (beaucoup moins selon la nature des roches et des
sols traversés près de la surface).

Période : de l’ordre de la seconde (de la fraction de seconde à quelques secondes).

Longueur d’onde : de l’ordre de 4 à 6 km [5].
Ondes S : Les ondes S sont des ondes de cisaillement qui ne se propagent que dans les
solides. Les particules oscillent dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation de
l'onde.
(a)
(b)
Figure I. 5: Représentation des ondes P et S
(a) : à trois dimensions
(b) : à une dimension
Les ondes secondaires peuvent se propager à travers les couches solides de la Terre mais, par
rapport aux ondes P, celles-ci ne peuvent pas traverser les couches fluides. L'énergie d'une
onde S, circule par la Terre, suite à certaines vibrations variables, perpendiculaires sur la
surface de la Terre. Le passage de celle-ci produit des fascicules qui vibrent dans toutes les
directions, Nord - Sud et Est - Ouest. La vitesse de celle-ci s'encadre entre celle des ondes P et
celle des ondes de surface [8].
14
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection

Vitesse : 60% de celle des ondes P

Période : de l’ordre de la seconde (de la fraction de seconde à quelques secondes)

Longueur d’onde : de l’ordre de 4 à 6 km [5].
2. Les ondes de Love et de Rayleigh, dites ondes de surface, car elles se propagent
guidées par la surface de la Terre. Elles naissent de l’interférence des ondes de
volume et sont plus lentes [7].
(a)
(b)
Figure 6: Représentation des ondes de Love et ondes de Rayleigh
(a) : Schéma coupe à trois dimensions
(b) : Sens de progression et de vibration des ondes L et R
Les ondes de surface : Les ondes de surfaces sont les moins rapides mais, de loin, les plus
dévastatrices d'entre les trois types des ondes séismiques. Les ondes de surface se propagent
au long de la surface terrienne sous forme de deux types d'ondes : les ondes de Love (sont les
plus rapides ondes de surface et font bouger la Terre d'un coté à l'autre) ; et les ondes
Rayleigh (les ondes R, se propagent autour de la Terre de la même façon que l'ondulation
d'une vague le long d'un lac ou un océan parce que, celles-ci s'ondulent, la Terre bouge de
haut en bas et d'un coté à l'autre, dans la même direction du mouvement de l'onde). Les plus
puissantes secousses ressenties, après les tremblements de terre, sont dues aux ondes R, qui
peuvent être plus puissantes que les autres [8].
15
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection

Les ondes de Love ou ondes L sont des ondes de cisaillement, comme les ondes S,
mais qui oscillent dans un plan horizontal. Elles impriment au sol un mouvement de
vibration latéral [5].

Les ondes de Rayleigh ou ondes R sont assimilables à une vague ; les particules du sol
se déplacent selon une ellipse rétrograde, créant une véritable vague qui affecte le sol
lors des grands tremblements de terre [5].
III. 3. Propriétés des ondes sismiques
Les ondes sismiques sont très rapides, avec des vitesses de l’ordre de quelques kilomètres par
seconde. Ces vitesses dépendent du matériau traversé, de la pression et de la température.
Elles sont des ondes élastiques. Elles se propagent dans toutes les directions sans déformer
durablement le milieu. Elles peuvent se réfléchir à la surface de la Terre ou à la limite
manteau-noyau (Figure 7) [6].
Figure I. 7: La vitesse des ondes
L’enregistrement des ondes sismiques, partout à la surface de la Terre, nous donne très
rapidement des informations précises sur les caractéristiques des séismes et nous renseigne
sur les milieux qu’elles ont traversés. On peut ainsi bâtir des modèles de plus en plus précis de
la structure interne de la Terre [6].
16
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
Figure I. 8: Caractéristiques de propagation des ondes sismique
III. 4. Exploitation des caractéristiques de propagation des ondes
sismiques
Les différentes ondes sismiques ne se propagent pas de la même manière, ni à la même
vitesse dans tous les milieux traversés. Cette propriété est utilisée entre autres pour
comprendre la nature physique du globe et déterminer les épicentres des séismes.
De plus la concordance entre les périodes de grande amplitude d’oscillations présentes dans
un sol donné sous l’effet d’un séisme et les périodes propres d’oscillation d’une construction
créent des phénomènes de résonance qui peuvent multiplier les accélérations que subit la
structure par 2 ou plus. C’est un des principaux facteurs de ruine s’il n’est pas pris en
considération par le concepteur et le bureau d’études.
Un des objets de la sismologie appliquée est d’associer à chaque site un « outil de travail »,
appelé « spectre de réponse », qui permet à l’architecte et à l’ingénieur d’évaluer la possible
amplification des ondes arrivant sur le site par le bâtiment, en raison d’une mise en résonance
de la structure.
17
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
Pour cela il est primordial d’enregistrer les séismes pour en décomposer le signal. Puis
extraire les paramètres fondamentaux :

Temps d’arrivée des différents trains d’ondes.

Caractéristiques temporelles.

Caractéristiques spectrales.
Figure I. 9: Modification des ondes par les milieux traverse
IV. Détection et localisation des ondes sismiques
Un sismomètre est un appareil capable de détecter de très petits mouvements du sol et de les
enregistrer. Il est constitué le plus souvent d'une masse et d'un bâti lié au sol. Un mouvement
du sol va entraîner un mouvement du bâti, puis un mouvement relatif entre la masse et le bâti
qui porte également le système d'enregistrement. C'est donc ce mouvement relatif qui est
enregistré. Généralement après avoir été amplifié, un sismomètre peut enregistrer des
mouvements verticaux du sol (sismomètre « vertical ») ou des mouvements horizontaux
(sismomètre « horizontal »). Pour cela, une masse pesante est suspendue librement au bâti de
l’appareil. Elle est munie d’un stylet qui repose sur le cylindre enregistreur. À l’arrivée des
ondes, tout bouge (le sol, le bâti et le rouleau), sauf la masse inerte qui reste surplace, le tracé
graphique montre le mouvement d’ensemble. Ainsi pour enregistrer les mouvements dans les
trois directions :
18
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection

Verticale

Est-Ouest

Nord-sud
3 types de capteurs peuvent être utilisés : sismomètres, vélocimètres, accéléromètres. Il est
plus fréquent que les accéléromètres soient utilisés à partir desquels nous pouvons remonter à
la vitesse et le déplacement par un calcul intégral. En conséquence les termes de sismographe
ou de sismomètre désignent l’appareil qui enregistre les mouvements du sol. Le sismographe
est donc un mot assez ancien qui correspond à l’instrument où sphère accrochée au bâti par
l’intermédiaire d’un câble est mise en mouvement par l’ébranlement du sol puis inscrit ses
propres mouvements sur un cylindre qui tourne. Les premiers sismographes étaient donc des
capteurs à pendule. Actuellement, on utilise aussi des sismomètres électromagnétiques [5].
(a)
(b)
Figure I. 10: Principe de base du fonctionnement d’un sismomètre
V. Conclusion
Un tremblement de terre peut causer de nombreuses pertes humaines. Prédire précisément le
lieu et la date d'un prochain gros séisme constitue donc un enjeu de recherche crucial dans la
course à la mise au point de dispositifs d'alerte fiables. Par conséquent si les séismes sont
analysés correctement, ils peuvent être détectés avant que la Terre ne commence à bouger
fortement. L’objectif du prochain chapitre est la conception et la réalisation d’un dispositif de
détection de signaux sismiques précis munis d’une alarme sonore pour identifier rapidement
et à temps, les ondes destructives d'un séisme. Même si le temps d'avertissement varie pour
chaque séisme, en fonction de certains facteurs (distance par rapport à l'épicentre, les
19
Chapitre I : Généralités sur les Séismes et les Méthodes de Détection
conditions du sol, la profondeur de la formation du séisme, etc.), ce temps peut être de l’ordre
de 60 secondes avant les effets dévastateurs d’un tremblement de terre. C’est un temps
suffisant pour trouver un abri sûr et moins dangereux, loin des objets coupants et lourds qui
peuvent entraîner des blessures.
20
Chapitre II : Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Chapitre II
Conception et Réalisation
d’un Dispositif de Détection
de Signaux Sismiques
Partie I : Hardware
20
Chapitre II : Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
I. Introduction
Après avoir vu l’essentiel sur tout ce qui entoure la naissance des séismes et les différents
types d’ondes qui se manifestent lors d’un tremblement de terre, nous allons présenter dans le
présent chapitre les éléments essentiels et le matériel nécessaire pour concevoir et réaliser un
dispositif de détection de signaux sismiques.
Dans une première étape, nous procéderons à la description du matériel utilisé ainsi que
l'environnement logiciel adopté. Ensuite, nous exprimons une vue globale sur le
fonctionnement. Enfin, nous terminerons ce chapitre par une présentation des fonctionnalités
du dispositif réalisé.
Notre système se composera de deux parties principales :
1- Partie Hardware (Acquisition des données)
Dans cette partie, nous allons concevoir un système d'acquisition de mesures. Celui-ci
stockera les mesures sur une carte SD dans un format textuel facilement utilisable avec
un logiciel de type tableur (Excel).
2- Partie Software :
Dans ce deuxième volet, nous allons nous familiariser avec LabVIEW et expliquer les
programmes développés pour créer une interface graphique permettant de visualiser les
différents signaux issus des capteurs utilisés.
II. Partie Hardware
La chaîne d’acquisition des données est constituée des différents blocs suivants :
-
Bloc des capteurs de vibration.
-
Bloc de traitement.
-
Bloc d’affichage.
21
Chapitre II : Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Capteurs
Acquisition des signaux
Sismomètre
(Tri-composantes)
Affichage
Interface graphique
Carte Arduino
Accéléromètre MEMS
Mémoire SD
Ethernet Shield
Synchronisation
Stockage des données
Figure II.1 : Schéma synoptique
II. 1. Capteur de vibrations : sismomètre L22-D
A. Caractéristiques techniques du sismomètre

Ce capteur à 3 canaux à une fréquence de 2.0Hz, un amortissement critique de 0.707
et une sensibilité de 88V / m / s.

Idéalement utilisé pour mesurer les tremblements de terre locaux.
Figure II.2 : Sismomètre
22
Chapitre II : Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
B. Circuit de conditionnement du sismomètre
Il est à noter que le conditionnement du signal est un dispositif qui assure la conversion de la
grandeur électrique de sortie du capteur en une grandeur électrique exploitable par l’organe de
traitement. Nous avons utilisé trois étages différents pour obtenir un signal exploitable :

Alimentation

Etage d’amplification

Etage de filtrage
 Alimentation
Pour alimenter notre circuit électrique nous avons besoin de :
- Un pont de diodes (2W02G) relié avec le secteur.
- Une tension continue de +5V pour alimenter le circuit de conditionnement, un régulateur
7805 avec 2 capacités de couplage
- Une tension continue de -5V pour alimenter le circuit de conditionnement, un régulateur
7905 avec 2 capacités de couplage.
Figure II .3 : Alimentation
 Etage d’amplification
Cet étage est à base d’un amplificateur d’instrumentation qui est en fait une version améliorée
de l’amplificateur différentiel destiné au traitement des faibles signaux électriques en
l’occurrence l’AD621.
23
Chapitre II : Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Cet amplificateur présente deux gains fixes, l'un de 10 avec une bande passante de 800 kHz
et l'autre de 100 avec une bande passante de 200 kHz. Il a été sélectionné lors de la réalisation
en raison de ses caractéristiques [9]:
- Gain différentiel élevé.
- Impédance d’entrée élevée.
- Facilité de choisir le gain : 10 ou 100
- Tension d’offset très faible.
- Basse consommation.
- Une précision élevée.
- Faible bruit.
Pour le réglage de l’offset nous avons utilisé l’amplificateur TL074 avec deux résistances et
un potentiomètre de réglage d’offset.
 Etage de filtrage
Les filtres passifs ne comportent que des inductances et des capacités insérées entre
résistances qui permettent de résoudre la plupart des problèmes se posant à l'ingénieur.
Cependant, la présence d'inductances n’est pas sans inconvénients.
Ces éléments sont coûteux et imparfaits. Dès que l’on atteint le domaine des basses
fréquences, ils deviennent lourds et encombrants. Au dessous de dizaines de hertz il n'est
même plus possible de réaliser de façon viable des inductances à coefficient de qualité élevé
(Q 50 à 100).
Par l'adjonction de circuits actifs à un réseau RC nous pouvons simuler le comportement d'un
réseau RLC et obtenir les mêmes fonctions de transfert. Cependant, l'emploi de circuits actifs
entraîne certaines limitations principalement la stabilité des performances en fonction de la
température et du temps [10].
 Filtres de Butterworth
Dans le cadre de notre réalisation nous avons choisi un filtre actif passe bas Butterworth du
2ème ordre ne dépassant pas les 30 Hz, car les fréquences sismiques sont des fréquences
inférieurs à 30Hz. Parmi les avantages de ce filtre c’est de présenter une courbe de réponse
24
Chapitre II : Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
très plate et régulière en bande passante. Ainsi, le gain d'un filtre de Butterworth est constant
dans la bande passante et tend vers 0 dans la bande de coupure.
Figure II.4 : Filtre passe bas 2ème ordre
Dans le cadre de notre réalisation, nous avons considéré les valeurs suivantes :
;
; et le gain K = 2.
Figure II.5: Circuit de conditionnement du capteur pour une seule voie
25
Chapitre II : Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
II. 2. Capteur de vibrations : accéléromètre ADXL 335
Figure II.6 : Accéléromètre ADXL 335
L'accélération correspond, d'après les principes fondamentaux de la mécanique, à une relation
entre une force et une masse F = m·a (F : force (N), m : masse (kg), a : accélération (m/s2)
aussi notée γ). Les capteurs d'accélération font tous appel dans leur principe à un phénomène
physique permettant, à partir de cette relation, d'obtenir une grandeur électrique ou une
information visualisable pour un opérateur [11].
Les capteurs d'accélération peuvent être classés en fonction du phénomène physique auquel
ils font appel et qui peut donner lieu soit à la mesure directe d'une force (capteur
piézoélectrique, capteur à équilibre de couple ou de force), soit à une mesure indirecte, par le
biais du déplacement ou de la déformation d'un corps d'épreuve [11].
On peut aussi classer ces capteurs en se rapportant aux phénomènes qu'ils sont destinés à
analyser. La bande de fréquence utile de ces phénomènes détermine alors le type de capteur
convenable compte tenu de la précision recherchée [11].
II. 3. Bloc d’acquisition des signaux
Le but de cette partie du travail est de faire l'acquisition des signaux pour pouvoir les
visualiser en temps réel à travers une interface graphique développée sous LabVIEW. Cette
opération permettra aussi de faire le traitement des signaux pour une éventuelle détection
d’ondes P.
A cet effet, le choix du type de microcontrôleur est d’une importance capitale pour le bon
fonctionnement des systèmes embarqués, afin de réaliser les tâches suivantes :
26
Chapitre II : Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
- Acquisition des données analogiques.
- Conversion analogique numérique des signaux détectés.
- Une RAM assez grande pour stocker un très grand nombre de données et l’envoyer vers le
SITE WEB via un module GPS.
- Contrôle du module GPS.
Pour cela, nous avons sélectionné la carte Arduino Due possèdant 12 entrées analogiques avec
une résolution de 10 ou 12 bits, 54 entrées/sorties numériques dont 4 liaisons séries, deux I2C,
un bus CAN, une liaison SPI et 12 sorties PWM et enfin deux sorties pour générer des
signaux analogiques avec une résolution de 10 ou 12 bits.
Le cœur de la carte est un microprocesseur ATSAM3X8E 32 bits d’ATMEL de 512 Ko de
mémoire Flash et possède une SRAM de 96 Ko et une horloge de 84MHz. La figure cidessous montre la carte Arduino Due utilisé dans notre projet.
Figure II.7 : Carte ARDUINO DUE
II. 4. Ethernet Shield
Le Shield est basé sur une puce Wiznet W5100 qui permet de gérer les échanges de données
avec le réseau. Elle contient 16 Ko de mémoire interne et permet jusqu'à 4 connexions
simultanées (UDP et TCP). Elle communique avec l'Arduino grâce au bus SPI.
27
Chapitre II : Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Le bus SPI, pour Serial Peripheral Interface est un protocole d'échanges de données qui
travaille en mode full-duplex (c'est-à-dire simultanément dans les deux sens) et qui permet de
communiquer entre les appareils dans un protocole maître/esclave, où le maître gère tout.
Il s'agit comme pour tout bus de transfert de données, d'envoyer des informations sous forme
de 1 et 0 appelés signaux logiques.
Le bus SPI utilise 4 signaux logiques :
-
SCLK : Serial Clock, Horloge (généré par le maître)
-
MOSI : Master Output, Slave Input (généré par le maître)
-
MISO : Master Input, Slave Output (généré par l'esclave)
-
SS : Slave Select, Actif à l'état bas (généré par le maître)
Il convient de noter que la communication avec la carte SD utilise le même bus SPI.
Figure II.8 : Ethernet Shield
III. Conclusion
Dans cette présente partie, nous avons décrit le volet Hardware de notre projet et nous avons
déterminé les fonctions électroniques nécessaires pour la phase de conception et de réalisation
du dispositif de détection de signaux sismiques.
Quant à la partie suivante, nous nous intéresserons à l’aspect programmation du projet : partie
Software.
28
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Chapitre II
Conception et Réalisation
d’un Dispositif de Détection
de Signaux Sismiques
Partie II : Software
28
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
IV. Introduction
Cette partie vise à détailler le logiciel utilisé pour développer l’interface graphique qui
permettra de visualiser les données acquises sur un PC. Dans cette optique, nous utiliserons le
LabVIEW qui est particulièrement recommandé pour développer des systèmes de contrôle et
de supervision.
IV. 1. Présentation générale du LabVIEW
Il est à observer que le LabVIEW est un environnement de développement adapté au domaine
de l'acquisition et de la mesure. Son approche graphique offre une souplesse et une dimension
intuitive inégalée. Par ailleurs, il dispose de nombreuses fonctions permettant un pilotage aisé
des cartes d'acquisition et autres instruments. De plus, il donne la possibilité de filtrer,
d'analyser et de présenter les données. Ce langage est également appelé code G. Le code est
représenté par un schéma composé de fonctions, de structures et de fils qui propagent les
données. L’interface graphique développée sous LabVIEW est adaptée pour ce type de
réalisations puisqu’elle permet de communiquer avec des périphériques via divers ports
(série, USB, I2C, RJ-45…etc.), d’afficher les résultats sur des indicateurs, de tracer des
graphes et autorise également la manipulation des fichiers sous divers formats (binaire, texte
et Excel).
IV. 2. LabVIEW dans le monde de l'instrumentation
Il est à relever que le LabVIEW est un des premiers langages de programmation graphique
destiné au développement d'applications d'instrumentation. C’est un logiciel d'instrumentation
défini comme un programme permettant de contrôler depuis un ordinateur, un système allant
du capteur à la chaîne d’acquisition. Couplé à des cartes d'entrées/sorties, il a la capacité de
gérer des flux d'informations numériques ou analogiques et de créer ou de simuler des
instruments de mesure (oscilloscope, compteur, multimètre, etc...).
Figure II.9 : Bibliothèques logicielles proposées dans l’environnement LabVIEW
29
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
L’assemblage des composants de ce type de système est commode par rapport à celui
nécessaire à sa programmation dans un langage classique (C, Pascal, etc...). Les utilisateurs
disposent avec LabVIEW d'un puissant outil d'acquisition, d'analyse et de présentation des
données. De plus, le langage utilise toute la convivialité des interfaces interactives des
ordinateurs actuels en fournissant des objets proches graphiquement des objets réels (voyants,
curseurs, interrupteurs, boutons, graphes, etc...), mais aussi des commandes systèmes (pour
une représentation plus standard) ainsi que des outils familiers et simples d'utilisation pour la
programmation (structures de programmation, fonctions arithmétiques, fonctions logiques,
comparateurs, etc...).
IV. 3. Interface graphique de LabVIEW
Comme nous l’avons signalé précédemment, le programme d’affichage et d’enregistrement
des données sismiques sera développé sous LabVIEW. Pour cela, l’interface utilisateur
permettra de visualiser l’accélération et la vitesse détectées par les deux types de capteurs, de
représenter les graphes respectifs et d’enregistrer les données sur disque dur du PC (Figure
II.10).
La face diagramme (Figure II.11) servira à écrire le programme sous forme graphique
permettant aux VIs de la face avant d’exécuter les différentes tâches souhaitées.
Figure II.10 : Interface utilisateur ou face avant de LabVIEW
30
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Figure II.11 : Fenêtre de programmation
IV. 4. Organigramme
Tout programme se développe grâce à un organigramme dans lequel nous écrivons les
instructions du programme (Figure II.12).
31
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Début
Configuration de la communication Série
Non
Lire le
port
Oui
Erreur
Non
Bouton démarrage
Synchronisation du temps
Initialisation des Pins
Lecture des donnés analogiques
Etalonnage des données
Affichage des données
Non
Enregistrement
Led=0
Led= 1
Non
Erreur
Stop
Fin
Figure I. 1: Caractéristiques d’un séisme
32
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Figure II.13 : Programme du prototype réalisé
33
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Figure II.14 : Interface graphique sous LabVIEW
34
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
IV. 5. Communication LabVIEW et Arduino Due
Notre réalisation nécessite une communication entre Arduino Due et LabVIEW. En effet, la
carte Arduino sera connectée à l'ordinateur et en utilisant les options proposées au niveau de
la bibliothèque de LabVIEW, il est possible de contrôler l'Arduino Due directement depuis
LabVIEW.
A. Communication avec VISA
VISA est une norme pour la configuration, la programmation des systèmes d'instrumentation
comprenant des interfaces GPIB, VXI, PXI, série, Ethernet et / ou USB. VISA fournit
l'interface de programmation entre le matériel et les environnements de développement.
NI-VISA est la mise en œuvre de National Instruments de la norme VISA I / O. NI-VISA
inclut des bibliothèques de logiciels, des utilitaires interactifs, ainsi que des programmes de
configuration pour tous les besoins de développement. VISA est un standard sur la gamme
des produits National Instruments.
B. Communication avec LINX
Le LINX de LabVIEW facilite l'interfaçage avec les plateformes embarquées courantes telles
que chipKIT, Arduino et NI myRIO ainsi qu'avec des capteurs courants, notamment des
accéléromètres, des capteurs de température et des capteurs à ultrasons.
Avec cette option de communication, il est possible de contrôler ou d’acquérir des données à
partir de plateformes embarquées courantes. Une fois que l'information est sous
environnement LabVIEW, il nous est permis de l'analyser, de développer des algorithmes
pour contrôler le matériel supporté, et présenter les résultats sur une interface graphique.
De plus, LINX fournit des microprogrammes pour les plateformes embarquées courantes qui
s'interfacent avec les VIs de LabVIEW via une connexion série, USB, sans fil ou
Ethernet. Cela permet de déplacer rapidement les informations d'un périphérique intégré vers
LabVIEW. En utilisant la convention commune Open, Read / Write, Close dans LabVIEW, il
est possible d’accéder aux signaux numériques, analogiques, PWM, I2C et SPI de nombreuses
plateformes intégrées communes.
35
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
C. Initialisation des Ports
L’outil de communication LINX qui fournit des microprogrammes facilitant le transfert des
données entre l’Arduino Due et LabVIEW a été adopté dans le cadre de notre étude avec
l'utilisation simulée d'un port série. Les valeurs par défaut du taux de transfert considéré est de
115 200 Bauds.
Figure II.15: Initialisation des Ports
D. Conditionnement de la boucle
En
appuyant
sur
le
bouton
Démarrer,
l’exécution
systématique
du
bloc
d’actions programmées se déclenche en actionnant l’acquisition des données. Une fois à
l’intérieur de la boucle While, il faut pouvoir d’en sortir en appuyant le bouton Stop.
Pour que cette application soit réalisable, nous avons fait appel à des circuits logiques
combinatoires.
Figure II.16 : Conditionnement de la boucle
E. Lecture des données Analogiques
Les signaux issus des capteurs sont analogiques et parmi les options du LINX est de pouvoir
lire ce type de données moyennant l’utilisation de «analogue read ».
36
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Figure II.17: Lecture des donnés analogique
F. Etalonnage des capteurs
Pour l’étalonnage des capteurs, nous avons consulté les datasheets de nos capteurs. En effet,
les données obtenues à partir de l’Arduino Due sont des tensions et pour les convertir on a dû
les diviser par la sensibilité du capteur correspondant, dont les valeurs respectives sont les
suivantes :
Accéléromètre: S = 0 .33 mV /g avec : g = 9.81 m/s2 .
Sismomètre: S = 157 V/m/s.
G. Affichage
Nous avons procédé à l’affichage des signaux issus des deux capteurs comme suit :

Selon 3 axes X, Y, Z pour l’accéléromètre.

Selon 3 axes Z, N, E pour le sismomètre.
H. Enregistrement
Le stockage des données est important pour l’analyse de l’activité sismique d’une zone
donnée. Pour cela, nous avons utilisé pour l’enregistrement un outil de la bibliothèque de
LabVIEW qui permet de sauvegarder les données dans des tableaux sous format Excel.
Figure II.18 : L’enregistrement.
37
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
I. Temps:
Pour la synchronisation, nous avons utilisée un outil de la bibliothèque de LabVIEW qui
prend en compte l’horloge interne du PC.
Figure II.19 : le temps réel
J. Full screen
Il est nécessaire de faire appel à un programme à même d’agrandir l’interface graphique de
LabVIEW. Cette option permet de prendre toute la dynamique de l’écran du PC pour
l’affichage de l’interface graphique développée.
Figure II.20 : Full screen
K. Fin de programme de communication (LINX) :
Pour clore la liaison entre PC et Arduino Due, il y a lieu d’utiliser le close LINX pour finir la
communication entre le PC et Arduino Due.
Quant à la vérification des erreurs, il y a possibilité de les repérer à travers les indicateurs
d’erreurs et ceci peut être inclus pour la communication, le programme et l’enregistrement.
Figure II.21 : Fin de programme
38
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
39
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Chapitre II
Conception et Réalisation
d’un Dispositif de Détection
de Signaux Sismiques
Partie III : Algorithme de
détection d’Ondes de P
38
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
V. Introduction
Les mouvements séismiques auxquels le dispositif intelligent est soumis, sont promptement et
exactement mesurés par un accéléromètre d'une grande réceptivité et capable d'une réponse
rapide. Les informations externes produites par l'accéléromètre entrent, continuellement, dans
le processeur. En même temps, un mouvement accéléré est identifié et, il est étiqueté comme
une onde P possible. Les algorithmes de reconnaissance des ondes P, avec lesquelles est
équipé le dispositif intelligent, apprécient si on peut s'attendre à un potentiel séisme
dévastateur. Si le mouvement n'est pas ce qui est caractéristique d'un tremblement de terre, le
système n'émet pas une fausse alarme. Par ailleurs, si un mouvement caractéristique à un
séisme est identifié, le système de détection active immédiatement l'alarme. Celle-ci peut se
déclencher, en moins de quelques millièmes de seconde, dès que la présence de l'onde P est
vérifiée. Tous les canaux de l'accéléromètre sont maniés séparément et, au cours du processus
d'estimation du premier mouvement majeur accéléré, un deuxième élément attend, déjà,
d'identifier le mouvement séismique suivant [8].
V. 1. Processus de détection des dispositifs intelligents
La conception du système intelligent et son mode de fonctionnement, sont démontrés dans le
graphique, plus bas [8]:
Figure II.22 : Processus de détection et vérification des dispositifs SOS-LIFE
39
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
V. 2. Algorithmes de détection d'ondes sismiques
La détection automatique d'ondes sismiques est utilisée pour le traitement en temps réel des
données issues d'appareils de surveillance sismique et pour le traitement homogène de gros
volumes d'information. Suivant les algorithmes utilisés, la détection automatique permet de
connaître le type de signaux sismiques reçus, mais aussi de déterminer précisément le temps
d'arrivée du signal ce qui permet de calculer les coordonnées de l'événement sismique. Il
existe trois grandes familles d'algorithmes de détection automatique :
1- Les algorithmes de détection par calcul de l'énergie qui comparent chaque valeur avec la
moyenne des valeurs qui la précèdent. Si la valeur est plus grande, alors un signal sismique
est détecté.
2- Les algorithmes basés sur des méthodes autorégressives.
3- Les algorithmes utilisant des réseaux de neurones artificiels, après une phase
d'apprentissage, sont capables d'une inférence qui conduit à la détection d'ondes sismiques
[12].
V. 3. Exemples dans le monde
Le principe de système d’alerte précoce sismique est aujourd’hui adopté comme étant un outil
efficace pour réduire le risque sismique. Ainsi, des EWS sont aujourd’hui opérationnels, en
cours de construction ou en projet dans de nombreuses régions du globe : Mexique,
Roumanie, Californie, Japon, Taïwan, Turquie, Grèce, Italie.
Figure II.23 : Carte globale sismique figurant les régions dotées de systèmes d’alerte
40
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
V. 4. Actions possibles en cas d’alerte
Ainsi, les systèmes d’alerte précoce sismique ne permettent généralement de disposer que de
quelques secondes à quelques dizaines de secondes pour prendre des mesures à même de
minimiser les impacts du séisme. Ainsi, la prise de décision doit être systématiquement
automatisée, et les actions les plus efficaces sont également les actions automatiques de
sauvegarde. Cependant, dans certains cas, des mesures individuelles peuvent également être
prises.
A. Actions automatiques
L’avantage de ce type d’actions, est de ne pas dépendre d’une action humaine, trop coûteuse
en temps. Le choix des actions automatiques à prendre en cas de séisme dépend en premier
lieu de l’adéquation entre le temps nécessaire à la mise en sécurité d’un système considéré et
le délai d’alerte fourni par l’EWS. A titre informatif, voici une liste d’actions automatiques
existantes :
-
arrêt de l’alimentation des trains à grande vitesse de manière à les ralentir afin qu’ils
n’atteignent pas la zone épicentrale où la ligne est potentiellement endommagée ;
-
arrêt de systèmes critiques (centrales nucléaires, réacteurs chimiques) ;
-
arrêt de la circulation et fermeture de réseaux de transport sensibles;
-
fermeture de réseaux sensibles (oléoducs, gazoducs)
-
arrêt des ascenseurs en position de sécurité ;
-
arrêt des systèmes informatiques sensibles et mise en sécurité des données.
B. Actions semi-automatiques
Lorsque le délai d’alerte atteint plusieurs dizaines de secondes, d’autres mesures nécessitant
l’intervention humaine peuvent également être mises en place. La mise en application de ces
mesures, toujours « décidées » de manière automatique, sont réalisées de manière effective
par les personnes directement concernées. On parle alors d’actions semi-automatiques.
Voici une liste d’actions semi- automatiques existantes :
-
alerte des aéroports de manière à éviter tout atterrissage ;
41
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
-
alerte des centres opérationnels et des centres de secours de manière à permettre une
meilleure organisation des secours grâce à l’anticipation ;
-
alerte des établissements de santé de manière à suspendre l’activité des blocs
opératoires ;
-
alerte de la population de manière à évacuer les lieux les plus exposés et se mettre en
position de sécurité.
V. 5. Détection Onde P
A. Technique STA/LTA
La méthode la plus utilisée pour la détection des évènements micro-sismiques consiste à
balayer tout le signal enregistré par deux fenêtres temporelles, courte (STA) et longue (LTA),
simultanément tout en calculant le rapport d’énergie entre les deux. Pour chaque pas
d’échantillonnage nous calculons ce ratio et nous le comparons avec une valeur prédéfinie
(critère de détection) qui dépend des propriétés du signal enregistré, de la durée des
évènements et de leurs amplitudes. Le choix de la longueur des fenêtres ainsi que du critère de
détection exige une bonne connaissance des propriétés des évènements micro-sismiques visés
(amplitude, fréquence, durée).
Les deux fenêtres temporelles sont définies par les équations suivantes [12]:
42
Chapitre II :Conception et Réalisation d’un Dispositif de Détection de Signaux Sismiques
Début
Lire les valeurs numériques de l’enregistrement
Calcul de la moyenne à court terme STA
Calcul de la moyenne à long terme LTA
Calcul du rapport STA/LTA
Oui
STA/LTA>SEU
IL
Non
Détection éventuelle d’une onde P
Activation d’une alarme automatisée
Figure II.24: Organigramme du programme principal qui gère le système
43
Chapitre III :Tests et Résultats
Chapitre III
Tests et Résultats
43
Chapitre III :Tests et Résultats
I. Introduction
Après avoir exposé les deux premiers chapitres portant sur la naissance des séismes
notamment la décomposition des ondes émanant de ce dernier ainsi que la présentation
des équipements et logiciels à même de mesurer ces ondes, nous entamons dans ce
dernier chapitre le volet test et résultats pour valider la réalisation du prototype susceptible de
répondre aux besoins de l’étude.
Aussi, pour plus de clarté, nous nous efforcerons de dérouler, d’une manière didactique la
démarche entreprise, celle, particulièrement, qui nous a permis d’enregistrer les résultats
escomptés.
II. Etapes de réalisation du prototype
Dans ce cadre, neuf (09) étapes ont été nécessaires pour la finalisation de notre travail ; cellesci se résument comme suit :
1ère étape : test des appareils de mesure :
Nous avons testé notre réalisation en appliquant à l’entrée du circuit conçu des excitations
sinusoïdales délivrées par un générateur de fonction de fréquence 0.1 Hz et 30 Hz (les
fréquences extrêmes générées lors d’un séisme) puis sur l’oscilloscope nous avons visualisé le
signal de sortie.
2ème étape : le choix des capteurs :
Ce choix des capteurs a été dicté par la nature des signaux à détecter; ils se définissent comme
suit :
- Capteur sismique L-22, sensible aux vibrations émises par mouvements ou
agitations.
- Accéléromètre.
3ème étape : conception du circuit de conditionnement L22:
A ce niveau, nous avons élaboré un circuit composé d’alimentation, d’amplificateur et de
filtrage pour disposer d’une grandeur de sortie électrique exploitable pour le traitement.
Pour cela, nous avons effectué les différents réglages suivants :
- Réglage du gain
44
Chapitre III :Tests et Résultats
-Réglage de l’offset
-Choix de l’alimentation
Ci-après le circuit de conditionnement réalisé :
Figure III. 1: Circuit de conditionnement sur lab d’essaie
Le circuit de conditionnement a été branché au capteur L22, puis sur un oscilloscope nous
avons visualisé le signal de sortie suite à une vibration produite près du capteur.
Les ondes en questions sont visualisées sur l’oscilloscope:
Figure III. 2 : Visualisation des vibrations sur oscilloscope
4ème étape : test de l’accéléromètre (2ème capteur)
Dans cette partie nous avons développé grâce au logiciel IDE de l’Ardino, un programme
(code), repris ci-dessous, pour lire les données et les transmettre en données numériques.
45
Chapitre III :Tests et Résultats
Figure III. 3 : Circuit de l’accéléromètre
Figure III. 4 : Programme pour la lecture des données à partir de l’accéléromètre
5ème étape Programmation de l’Arduino à partir de linx
A ce stade, nous avons constaté qu’après avoir consulté quelques ouvrages que la
communication Linx prenait en charge le transfert des données de l’Arduino Due vers et
l’environnement LabVIEW.
46
Chapitre III :Tests et Résultats
Figure III. 5 : Programme global du prototype réalisé
6ème étape : Réalisation d’une interface graphique sous LabVIEW
Cette phase nous donne la possibilité de visualiser, sur l’interface graphique réalisée, les
signaux des capteurs suivants : l’accéléromètre et le sismomètre.
Ces derniers se présentent sous trois graphes :
-
A partir de l’accéléromètre, nous allons avoir trois composantes selon : X, Y, Z.
-
A partir du sismomètre, nous allons quantifier la vitesse selon trois axes (Nord, Est,
Z).
Figure III. 6: Interface graphique
47
Chapitre III :Tests et Résultats
7ème étape : Réalisation de la carte circuit imprimé logiciel sprint
Cette carte a été élaborée en utilisant le logiciel SPRINT.
Figure III.7: Réalisation du circuit imprimé
Soudage des composants sur le circuit imprimé
Figure III. 8: Circuit réalisé
8ème étape Enregistrement des données du sismomètre et accéléromètre sous
format Excel
A ce niveau, nous avons converti les signaux analogiques en signaux numériques pour un
éventuel traitement (détection des ondes P sous le logiciel MatLab).
48
Chapitre III :Tests et Résultats
Figure III. 9: Enregistrement des données sous format Excel
9ème étape : Contrôle à distance (Monitoring)
Cette phase nous a permis de tester l’état de fonctionnement de la station en général
(acquisition des données, carte mémoire,…).
Figure III.10: Monitoring de la station
III. Conclusion
L’opérationnalité du prototype réalisé a été testée et vérifiée, ainsi l’objectif visé à travers
cette étude a été atteint.
49
Conclusion générale
49
L’élaboration d’un prototype de station portable portant sur la Réalisation d’un Dispositif
d’Avertissement et de Détection de Signaux Sismiques a été achevée conformément aux
dispositions du cahier des charges.
Pour rappel, l’originalité de notre recherche résiderait dans le fait que ladite station permet
d’enregistrer trois signaux sur trois axes (X, Y, Z) sans passer par une station analogique,
contrairement aux réalisations précédentes conçues par les chercheurs du CRAAG qui se sont
limités à la numérisation d’un signal issu d’une station sismologique analogique.
Ainsi le prototype réalisé marquerait une avancée en termes de performances ainsi que sur la
plan de sa praticabilité du fait que la station est portable grâce à ses dimensions réduites à
l’opposé des autres stations « statiques et à grand volume ».
Comme perspectives, nous proposons que l’alimentation du dispositif réalisé soit faite à base
d’un panneau photovoltaïque pour des raisons économiques et d’autonomie. Introduire un
module GPS au niveau du dispositif réalisé pour la localisation entre autres de l’épicentre du
séisme. En effet, il est à noter que ce prototype va être dupliqué et monté en réseau pour
affiner au mieux la localisation de l’épicentre d’un éventuel séisme.
50
Références Bibliographiques:
[1] CENTRE NATIONAL DE RECHERCHE APPLIQUE EN GENI PARASISMIQUE :
Vulnérabilité et évolution du risque sismique en Algérie.
[2] Le site de IRMa : Institut des Risques Majeurs de Grenoble (Rhône Alpes)’.
[3] technologiecollege.weebly.com
[4] Géographie Andrée Otte.
[5] Patricia BALANDIER pour DDE Martinique – SECQUIP –
[6] École et observatoire des sciences de la terre de Strasbourg.Https://eost.unistra.fr
[7] Le réseau sismologique de la Nouvelle-Calédonie http://www.seisme.nc
[8] Le site http://www.fr.lamit.ro
[9] Cours Mr. Attari ELF2 électronique des faibles signaux.
[10] Livre Technique de l’ingénieur volume 2 page 3130
[11] Livre les capteurs en instrumentation industielle-7 ème édition Georges Asch
[12] Les algorithmes de détection automatique d'ondes sismiques Olivier Cuenot
[13] Rapport final Systèmes d’alerte sismique Février2009 .
Résumé
Le séisme peut être considéré comme la catastrophe naturelle la plus meurtrière connue actuellement
sur le globe terrestre dû à ses effets directs (effondrements de bâtiments, chutes d'objets) et aussi par
ces phénomènes induits comme le mouvement de terrain ou encore le tsunami. Statistiquement
parlant, il se révèle comme étant aussi meurtrier que certaines grandes guerres causant annuellement
des milliers de morts.
De même que sur le plan économique, il détruit de nombreux bâtiments, usines ou encore les ponts,
les routes et les voies ferrées…, provocant une véritable perturbation dans l'activité économique d'un
pays, en sus des milliards de dollars de dégâts.
Dans l’état actuel de nos connaissances, il n’est pas encore possible de faire des prédictions
scientifiques basées sur des assises certaines malgré une meilleure compréhension des séismes. Ainsi,
grâce au développement de la science il a été prouvé que les séismes provoquaient des vibrations qui
se propageaient à l’intérieur de la Terre : ce sont les ondes sismiques.
Aussi, nous nous sommes attelés à fabriquer un dispositif susceptible de capter les vibrations du
tremblement de terre et les convertir, ensuite, en données numériques. De plus, un algorithme de
détection d’onde primaire (P) permet au dispositif de donner l’alerte dans une période de temps entre
5 à 60 secondes. Ce laps de temps nous permet d’actionner les systèmes automatiques pour la
protection de sites et d’infrastructures.
‫يهخص‬
‫نطانًا كاَج انضالصل يٍ أكثش انكىاسد انطبٍؼٍت انًخهفت نخسائش بششٌت ويادٌت جسًٍت يًا قذ ٌؤثش‬
ٍ‫إٌ يؼشفت صياٌ أو يكاٌ وقىع صنضال يحخًم أيش ضشوسي نخجُب انكثٍش ي‬، ًُ‫ػهى االقخصاد انىط‬
‫انخسائش انًادٌت وانبششٌت‬.
‫فً يحاونت يُا نحم جضء يٍ هزِ انًشكهت قًُا بصُغ جهاص ٌقىو ٌقىو بانخقاط ربزباث انضنضال ثى ٌحىنها‬
‫إنى بٍاَاث سقًٍت وفً األخٍش ٌقىو بخحذٌذ انًىجت االبخذائٍت نهضنضال انخً حُخقم فً حجى انكشة األسضٍت‬
‫ ثاٍَت يًا ٌسًح نُا بخطبٍق‬06 ‫إنى‬5 ٍٍ‫وال حكىٌ نها حأثٍشاث ػهى سطحها يًا ٌؼطٍُا يذة صيٍُت يا ب‬
‫أَظًت أوحىياحٍكٍت حقىو بئطفاء يحشكاث انًصاَغ ويضخاث انبُضٌٍ أو انغاص وإطفاء انًفاػالث انُىوٌت‬
‫ يًا ٌقهم انخسائش‬.
Abstract
The earthquake can be considered as the most deadly natural disaster known today on the terrestrial
globe due to its direct effects (collapses of buildings, falling of objects) and also by these induced
phenomena like the movement of ground or the tsunami. Statistically speaking, it turns out to be as
deadly as some major wars causing thousands of deaths annually.
As well as economically, it destroys many buildings, factories or even bridges, roads and railways ...,
causing a real disruption in the economic activity of a country, in addition to billions of dollars in
damage .
In the current state of our knowledge, it is not yet possible to make scientific predictions based on
certain foundations despite a better understanding of earthquakes. Thus, thanks to the development of
science it has been proved that earthquakes caused vibrations that propagated inside the Earth: these
are seismic waves.
Also, we set about making a device that could capture the vibrations of the earthquake and then
convert them into digital data. In addition, a primary wave detection algorithm (P) allows the device to
alert in a period of time between 5 to 60 seconds. This time allows us to operate automatic systems for
the protection of sites and infrastructure
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