Ein Geophon ist ein hochempfindlicher Bodenbewegungssensor, der Bodenschwingungen in elektrische Signale umwandelt. Zu den Kernkomponenten gehören:
- Magnetkern und Spule – Eine elektrische Spule umgibt einen schwebenden Magnetkern.
- Permanentmagnet – Ein am Gehäuse montierter Magnet erzeugt das Magnetfeld.
- Elektromagnetische Induktion – Wenn sich der Boden bewegt, bewegt sich das Gehäuse mit, während die Spule dazu neigt, stationär zu bleiben. Die Relativbewegung zwischen Spule und Magnet induziert eine Spannung, die proportional zur Schwinggeschwindigkeit ist.
Dieses induzierte Signal wird als seismische Reaktion, die Seismologen und Geophysiker analysieren, um unterirdische Strukturen zu untersuchen.
Frequenzeigenschaften von Geophonen
- Eigenfrequenz – Die Frequenz, mit der das Geophon natürlich schwingt (normalerweise ~10 Hz).
- Störfrequenz – Eine Obergrenze, über die das Geophon keine zuverlässige Messung mehr durchführen kann (üblicherweise ~250 Hz).
Geophone können nur Frequenzen oberhalb ihrer Eigenfrequenz überwachen. Zum Beispiel:
- Oberflächenwellenstudien → erfordern Niederfrequenz-Geophone (<5 Hz).
- Refraktionsuntersuchungen → verwenden typischerweise 10–28 Hz Geophone.
- Reflexionsumfragen → verwenden oft 10–40 Hz Geophone.
👉 Abtausch: Geophone mit niedriger Frequenz erfassen tiefere Signale, jedoch mit geringerer Auflösung, während Geophone mit hoher Frequenz mehr Details erfassen, jedoch in geringeren Tiefen.
Arten von Geophonen
Vertikale Geophone
- Am besten für Brechungs- und Oberflächenwellenstudien geeignet.
- Empfindlich gegenüber vertikalen Bodenbewegungen.
Horizontale Geophone
- Bevorzugt für oberflächennahe Reflexionsuntersuchungen.
- Vorteile:
- Reduzieren Sie die Interferenz gebrochener Wellen
- Messen Sie die Geschwindigkeit von Scherwellen für eine bessere Auflösung
Mehrkomponenten-Geophone (3C).
- Enthält drei Sensoren: einen vertikalen und zwei horizontale (90° voneinander entfernt).
- Erfassen Sie die vollständige 3D-Bodenbewegung.
- Häufig in HVSR (Horizontales-zu-Vertikales Spektralverhältnis) und fortgeschrittene Überwachungsprojekte.
Omnidirektionale Geophone
- Funktion unabhängig von der Ausrichtung.
- Nützlich in Umgebungen, in denen die Sensorausrichtung eine Herausforderung darstellt.
Geophon-Magnetauswahl
Permanentmagnete sind entscheidend für die Leistung von Geophonen und beeinflussen direkt Empfindlichkeit, Stabilität und GenauigkeitZu den gängigen Magnettypen gehören:
| Magnettyp | Vorteile | Einschränkungen | Verwendung in Geophonen |
|---|---|---|---|
| aus AlNiCo | Hohe Genauigkeit, thermische Stabilität, kostengünstig | Niedrigeres maximales Energieprodukt | Aufgrund der Stabilität und Präzision immer noch am besten geeignet |
| Samarium-Kobalt (SmCo) | Hohe Temperaturbeständigkeit, korrosionsbeständig | Teurer | Wird in speziellen Geophonen verwendet |
| Neodym (NdFeB) | Sehr starkes Magnetfeld, kompakte Bauweise | Anfällig für Korrosion, weniger stabil bei hohen Temperaturen | Wird manchmal verwendet, ist aber für die langfristige Genauigkeit nicht ideal |
👉 Trotz der Fortschritte bei Seltenerdmagneten, AlNiCo bleibt die bevorzugte Wahl aufgrund seiner hervorragenden Genauigkeit, Stabilität und Kosteneffizienz für seismische Anwendungen.
Die wichtigsten Erkenntnisse
- Geophone basieren auf elektromagnetischer Induktion zwischen Spulen und Permanentmagneten.
- Die Frequenzauswahl hängt vom Untersuchungstyp ab: niedrige Frequenz für gründliche Untersuchungen, höhere Frequenz für Auflösung.
- Verschiedene Geophonausrichtungen (vertikal, horizontal, 3C, omnidirektional) dienen speziellen Zwecken.
- Während NdFeB und SmCo Vorteile bieten, AlNiCo-Magnete sind immer noch der Goldstandard für Geophone.
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