เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน

เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน (อังกฤษ: geophone) คำว่า "geophone" นี้ มาจากภาษากรีก โดยคำว่า geo หมายถึง โลก ส่วนคำว่า phone หมายถึงเสียง

เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือนเป็นเครื่องมือที่ใช้ตรวจวัดการเคลื่อนตัวของพื้นผิวโลกแล้วแปลงค่าพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าซึ่งจะถูกบันทึกโดยตัวตรวจวัด ซึ่งลักษณะการเบี่ยงเบนไปจากเส้นปกติ เราเรียกว่าเป็นการตอบสนองต่อคลื่นไหวสะเทือนและเราสามารถนำค่าการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นมาวิเคราะห์เพื่อหาโครงสร้างของโลกได้

Geophone (SM-24), Bandwidth 10Hz to 240Hz, standard resistance 375Ω

ในสมัยก่อน เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือนเป็นเครื่องมือง่าย ๆ ไม่ซับซ้อน และมีส่วนประกอบภายในประกอบด้วยแท่งแม่เหล็กห้อยติดกับสปริง อยู่ระหว่างขดลวด ซึ่งสามารถทำให้แม่เหล็กเกิดการเคลื่อนที่ผ่านขดลวด เพื่อที่จะสร้างสัญญาณไฟฟ้าออกมา โดยปัจจุบัน เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือนถูกออกแบบให้อยู่ในรูปแบบเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก ซึ่งจะสร้างกระแสไฟฟ้าตอบสนองเมื่อพื้นดินเกิดการเคลื่อนที่ อันเป็นผลมาจากการตอบสนองกลับของกระแสเพื่อที่จะรักษาตำแหน่งของแผ่นซิลิกอนที่อยู่ภายในเครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน

ผลการตอบสนองของขดลวดแม่เหล็กในเครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน เป็นผลมาจากความเร็วที่เปลี่ยนแปลงบนพื้นผิวโลก ในขณะที่อุปกรณ์ในระบบเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก จะตอบสนองต่อผลของความเร่งที่เปลี่ยนแปลงบนพื้นผิวโลก โดยระบบการทำงานเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก สามารถจับคลื่นรบกวนในระดับที่สูงกว่า 50 เดซิเบล ซึ่งสูงกว่าเครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน และสามารถใช้วัดการเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ หรือ ประยุกต์ใช้ในงานแผ่นดินไหว

Geosource Inc. MD-79—8Hz, 335Ω geophone

การตอบสนองต่อความถี่ของเครื่องรับคลื่นไหวสะเทือนจะมีลักษณะเป็นความถี่ของคลื่นประสาน โดยความถี่สูงสุดที่เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือนสามารถตรวจวัดได้คือที่ประมาณ 10 เฮิรตซ์ และมีค่าลดทอนประมาณ 0.707 แต่ความถี่ที่น้อยที่สุดที่ เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือนสามารถตรวจวัดได้คือที่ความถี่ประมาณ 1 เฮิรตซ์ ซึ่งเป็นความถี่ที่แทบจะไม่สามารถตรวจวัดได้ แต่เครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กสามารถตรวจวัดความถี่ที่น้อยกว่าเครื่องรับคลื่นไหวสะเทือนได้ โดยขึ้นอยู่กับราคาของเครื่องมือที่ใช้ในการวัด โดยถ้ามีราคาสูงมากก็จะตรวจคลื่นรบกวนวัดได้ดี

ถึงแม้ว่าคลื่นสั่นสะเทือนจะมีลักษณะการเคลื่อนที่บนผิวโลกแบบสามมิติ แต่เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือนนั้นสามารถตรวจจับการเคลื่อนที่ของคลื่นได้เพียงหนึ่งมิติเท่านั้น โดยส่วนมากแล้ว เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือนจะสามารถตรวจจับคลื่นในแนวดิ่งได้ดี แต่อย่างไรก็ตามการประยุกต์ใช้เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน มักจะใช้ได้ดีกับคลื่นที่สมบรูณ์ คือ มีการเคลื่อนที่ในสามทิศทาง ในการทำงานของเครื่องมือเครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน แท่งแม่เหล็กจะสามารถเคลื่อนที่ไปในขดลวดได้ทั้งสามทิศทาง ซึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะการแขวนที่มักจะให้แท่งเหล็กสามารถเคลื่อนที่เป็นรูปเชิงตั้งฉาก

โดยส่วนใหญ่ เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือนถูกใช้ในการศึกษาคลื่นสั่นสะเทือนแบบสะท้อนเพื่อที่จะบันทึกพลังงานของคลื่นที่สะท้อนจากใต้ดินของโลก ในขั้นแรกจะต้องเข้าใจถึงกระบวนการเคลื่อนที่ของคลื่นในแนวดิ่งบริเวณผิวโลก แต่อย่างไรก็ตามไม่จำเป็นเสมอไปที่คลื่นจะเคลื่อนที่ขึ้นมาข้างบน โดยเฉพาะการส่งผ่านของคลื่นในแนวราบ หรือ ground roll ซึ่งมักจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง ซึ่งมันสามารถรบกวนสัญญาณแบบอ่อนในแนวดิ่งได้ จากการศึกษาแนวการวางตัวขนาดใหญ่แสดงให้เห็นว่าความยาวคลื่นของ ground roll จะทำให้สัญญาณคลื่นหลักถูกลดทอนลง และสัญญาณคลื่นรองจะถูกเสริมขึ้น

เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือนเป็นเครื่องมือที่มีความอ่อนไหว ซึ่งสามารถตอบสนองต่อการสั่นสะเทือนที่ระยะไกลๆ เพราะพวกสัญญาณขนาดเล็กเหล่านี้จะถูกกลบโดยสัญญาณขนาดใหญ่ที่มีจุดกำเนิดที่ระยะทางไกลๆ มันเป็นเรื่องปกติถึงแม้ว่าการกลบของสัญญาณขนาดเล็กจะมีสาเหตุมาจากสัญญาณขนาดใหญ่แต่ระยะทางของเครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน มีความสัมพันธ์กับสัญญาณในแนวการวางตัวขนาดใหญ่ โดยสัญญาณที่ถูกบันทึกโดยเครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน บางตำแหน่งสามารถวัดมาจากสัญญาณขนาดเล็ก ซึ่งเกิดมาจากความแตกต่างของสภาพพื้นที่ หรือ การขาดหายไปของข้อมูล เราสามารถเปรียบเทียบได้ว่าสัญญาณขนาดเล็กที่ได้จากการบันทึกในทุกๆแนวการวางตัวของเครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน ขึ้นอยู่กับระยะทางและลักษณะของพื้นที่

ความสามารถของเครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน ในการสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าอยู่ที่ 30 โวลต์ ซึ่งสามารถใช้ได้ดีกับการตรวจวัดขนาดเล็กๆ และไม่เหมาะสมหากจะนำไปใช้แทนเครื่องตรวจจับคลื่นแผ่นดินไหว เพราะคลื่นที่เกิดจากแผ่นดินไหวมีพลังงานมหาศาล อาจทำให้เครื่องมือเสียหายได้

การประยุกต์ใช้เครื่องรับคลื่นไหวสะเทือน สามารถใช้ได้ดีกับการตรวจวัดระดับพื้นที่ ตัวอย่างเช่น การตรวจวัดภาคพื้นระยะไกล RGS

อ้างอิง