Сейсмограф из динамика: слушаем дрожание Земли

Сейсмограф из динамика: слушаем дрожание Земли

Земля постоянно дрожит. В большинстве мест — совсем слабо, на уровне шума. Иногда — от далёкого землетрясения, сигнал которого прошёл тысячи километров сквозь мантию. У тебя дома есть инструмент, который может это поймать — старый динамик от колонки.

Принцип работы сейсмографа

Все сейсмографы основаны на инерции: тяжёлое тело сопротивляется изменению движения. Если корпус прибора резко сдвинуть — массивный маятник внутри «не успеет» за корпусом. Относительное смещение маятника и корпуса — это и есть измеряемый сигнал.

Динамик как сейсмограф:

Динамик — это катушка в магнитном поле. При движении катушки возникает ЭДС (закон Фарадея). Обычно катушка движется — мы слышим звук.

Если перевернуть логику: прикрепить магнит к массивному маятнику, а катушку — к корпусу. Земля трясётся → корпус движется вместе с ней → катушка движется → маятник с магнитом остаётся неподвижным (инерция) → катушка движется относительно магнита → ЭДС.

Что фактически делаем: кладём динамик мембраной вниз на твёрдую поверхность (пол). При сейсмических колебаниях корпус динамика движется с полом, а подвешенная катушка с диффузором остаётся неподвижной. Сигнал снимается с клемм.

Сборка уровня 1: динамик + Arduino

Что понадобится:

• Широкополосный динамик 4–8 Ом, диаметр 10–15 см (со свалки, из старой колонки — 0 руб, или купить ~150–300 руб)
• Arduino Uno или Nano (~400 руб)
• Резистор 10 кОм
• USB-кабель + компьютер
• Провода

Схема подключения:

Динамик генерирует переменное напряжение — от −100 мВ до +100 мВ при типичных вибрациях. Arduino читает только 0–5 В. Нужен сдвиг уровня:

Динамик (+) ── R1 (10кОм) ── A0 Arduino
                          ┌─ R2 (10кОм) ── GND
Динамик (-) ── GND Arduino
Питание (5V) ── R3 (10кОм) ──┘

Проще: делитель напряжения сдвигает сигнал динамика на 2.5 В (середина диапазона Arduino).

Код (Arduino):

const int SEISMIC_PIN = A0;
const int SAMPLE_RATE = 100; // Гц
unsigned long lastTime = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogReference(DEFAULT); // 0–5В
}

void loop() {
  unsigned long now = millis();
  if (now - lastTime >= (1000 / SAMPLE_RATE)) {
    lastTime = now;
    int raw = analogRead(SEISMIC_PIN);
    // Вычесть смещение (2.5В = ~512 единиц)
    int signal = raw - 512;
    Serial.println(signal);
  }
}

Визуализация: используй Serial Plotter в Arduino IDE. При топоте рядом — увидишь импульсы.

Сборка уровня 2: вертикальный маятник

Для чувствительного прибора нужен собственный подвес:

1. Возьми пластиковый контейнер или деревянную рамку.
2. Подвесь динамик мембраной вниз на длинных (20–30 см) нитях — пусть качается как маятник.
3. К центру мембраны прикрепи груз (гайка 50–100 г).
4. Поставь конструкцию на пол.

Теперь при горизонтальных колебаниях маятник будет двигаться сильнее — лучше откликается на горизонтальные P-волны.

Сборка уровня 3: Raspberry Pi + 24/7 запись

Что понадобится:

• Raspberry Pi Zero 2W (~1200 руб) или Pi 4
• USB звуковая карта (~300 руб)
• Динамик

Звуковая карта как АЦП: выход динамика подключается к линейному входу звуковой карты. Linux видит это как аудиоустройство. Частота дискретизации 44 100 Гц — гораздо лучше, чем 100 Гц Arduino. Сейсмические волны — от 0.01 до 20 Гц, так что высокая частота здесь для надёжности.

Программное обеспечение:

# Запись через arecord
arecord -D hw:1,0 -f S16_LE -r 44100 -c 1 -d 3600 seismo_$(date +%Y%m%d_%H%M).wav

# Или непрерывная запись с буферизацией
sox -t alsa hw:1,0 -t wav - | python3 seismo_monitor.py

Python-анализ:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.signal import butter, filtfilt

def bandpass_filter(data, lowcut=0.1, highcut=20, fs=44100):
    """Полосовой фильтр для сейсмических частот"""
    nyq = 0.5 * fs
    b, a = butter(4, [lowcut/nyq, highcut/nyq], btype='band')
    return filtfilt(b, a, data)

# Загрузить wav, отфильтровать, построить сейсмограмму

Raspberry Shake: профессиональная сеть любителей

Raspberry Shake — стартап из Панамы, выпустил доступный (~300$) профессиональный сейсмограф на базе Raspberry Pi. Сеть насчитывает >20 000 станций в 140 странах.

Данные всех станций открыты. Сайт позволяет увидеть сейсмические события в реальном времени.

Концепция та же, что и у нас, но с профессиональным датчиком (MEMS-акселерометр). Наш динамик — первый шаг к этому.

Citizen Science: школьная сеть сейсмографов России

Россия — одна из наиболее сейсмически активных стран мира (Камчатка, Сахалин, Байкал, Кавказ). При этом сеть сейсмических станций на огромной территории имеет «белые пятна».

Идея: разместить самодельные сейсмографы в 100 школах по всей России. При одновременном срабатывании нескольких приборов можно локализовать источник по разнице времён прихода волн.

Типы сейсмических волн:

• P-волны (продольные) — распространяются через любые среды, быстрые (~6–8 км/с в коре)
• S-волны (поперечные) — только через твёрдые тела, медленнее (~3.5–4.5 км/с)
• Поверхностные волны — самые разрушительные, самые медленные

Разница во времени прихода P и S-волн позволяет оценить расстояние до эпицентра.

Вопросы для исследования

1. Как далеко от прибора можно обнаружить человека, идущего по коридору? Зависит ли это от типа пола?
2. Есть ли разница в сейсмическом шуме днём и ночью? (Городской сейсмический шум от транспорта.)
3. Можно ли записать отклик здания на сейсмическое возбуждение (топот)? Что такое резонансная частота здания?
4. Сравни чувствительность своего прибора с ближайшей профессиональной станцией (данные открыты на IRIS, GFZ).
5. Может ли сейсмограф зафиксировать удар молнии (электромагнитный импульс)? Или это другой принцип?