Seismometer

A.    Pengertian Seismometer

            Seismometer merupakan alat yang dirancang untuk merekam atau

mencatat gerakan tanah (bumi) dalam arah tertentu. Alat mekanik merekam

pergerakan tanah yang diperkuat sedangkan alat elektromagnetik merespon

terhadap kecepatan gerak tanah. Prinsip fisika dari kebanyakan jenis seismograf

berdasarkan gerak gaya pendulum baik vertikal maupun horizontal. Ketika tanah

bergerak hingga kedatangan gelombang seismik, menghasilkan perpindahan dari

bingkai pendulum dengan bergantung pada massa inersianya. Gerak ini yang

diperkuat, direkam sebagai fungsi waktu. Dari perpindahan relatif, kita dapat

mengetahui gerak tanah.

B.     SEJARAH PERRKEMBANGAN SEISMOMETER

·         Seismometer pertama kali ditemukan oleh Zhan Heng di Cina tahun 132 M (Dinasti Han), alat ini disebut Hoefung Didong Yi.

·         Meskipun China tidak mengatakan dgn pasti bagaimana sebuah gempa diukur dgn skala richter (skala richter belum ditemukan sampai 1935) ,mereka tercatat berhasil menciptakan detector gempa pertama didunia, yaitu sesmograf. Penemu seimograf adalah Zhang Heng seorang astronom, matematik, engineer dan pelukis pada masa pemerintahan Dinasti Han awal abad kedua.

·         Kreasi seismograf Zhang Heng adalah berbentuk sebuah bejana perunggu yg berat dgn dihiasi 9 ekor naga yg menghadap kebawah dan 9 ekor katak yg menghadap keatas

·         Didalam bejana tergantung pendulum dlm keadaan diam sampai ada getaran yg menggerakkannya. Kesimpulannya, ayunan pendulum mengatur tuas gerakan internal seismograf. Hal ini akan memicu pelepasan bola di mulut naga yang menghadap ke arah episentrum gempa bumi. Bola kemudian akan langsung jatuh ke dalam mulut katak di bawah. Sistim kerja seismograf ini sangat sederhana, tetapi negara2 barat baru dapat mengembangkannya setelah 1500 tahun seismograf Zhang Heng tercipta.

Broadband seismometer

Broadband seismometer dapat mendeteksi gerakan melalui berbagai (atau band) frekuensi dan biasanya lebih dari berbagai macam amplitudo (rentang dinamis) menanggapi. Broadband sensor untuk frekuensi paling dari 0,01 Hz ke 50 Hz. Untuk seismologi regional, rentang frekuensi bunga ,05-20 Hz karena itu; sensor broadband yang paling berguna untuk merekam peristiwa gempa bumi regional dan teleseismic.

BROADBAND SEISMOMETER MODEL EP-300

EP300 ini merupakan generasi baru dari kebisingan rendah yang sangat broadband seismometer sama-sama cocok untuk stasioner, lapangan dan OBS (versi daya dikurangi) aplikasi.

Sensor canggih Force-balancing memberikan umpan balik untuk rentang dinamis diperpanjang, stabilitas bagus dan linieritas di seluruh passband. instrumen ini digunakan tiga transduser elektrokimia berpemilik dengan tanggapan identik mount orthogonally sepanjang N, E, dan sumbu-Z. Transduser ini memiliki banyak keuntungan lebih dari sensor elektromekanik tradisional. Secara khusus, mereka memiliki gerak-lebih besar ke tegangan rasio konversi tanah banyak yang menghasilkan suara kurva berbentuk unik yang pada dasarnya datar dari beberapa Hertz periode terpanjang.

Seperti seismometer kami yang lain, EP300 tersebut sangat kasar yang membuatnya ideal untuk penggunaan lapangan.Seismometer ini tidak memerlukan kunci massa, massa berpusat, atau peralatan instalasi khusus atau prosedur. Memiliki konsumsi daya rendah, beroperasi pada rentang temperatur yang luas; adalah tahan air sampai kedalaman satu meter, dan tetap operasional dalam berbagai instalasi miring. Menyediakan biaya kepemilikan yang rendah, tidak memerlukan pemeliharaan selama umur instrumen tersebut. Pilihan termasuk 5-inch diameter () paket lubang bor, dengan inclinometers internal. Tiga dan jaminan diperpanjang lima tahun yang tersedia.

C.     Prinsip Seismometer

Berdasarkan pada rancangannya, seismometer merespon gerakan tanah

pada arah vertikal atau gerak horizontal. Beberapa alat elektromagnetik

dikonstruksi untuk merekam simultan gerak tiga komponen ortogonal.

Kebanyakan rancangan menggunakan variasi pada prinsip pendulum.

a.       Seismometer gerak vertika

            Jenis mekanik seismometer vertikal (Gambar 2.a), sebuah massa besar

terletak di atas batang yang menggantung pada sebuah poros sehingga batang

hanya dapat bergerak pada garis horizontal. Sebuah pena terpasang pada batang

tulis dalam drum putar yang sesuai dengan kerangka (housing) alat. Batang

terletak pada posisi horizontal terhadap pegas. Hal ini menjamin loose coupling

antara massa dan kerangka terhubung kuat dengan tanah. Gerak vertikal tanah

dirasakan selama gelombang seismik menjalar. Gerak ini merupakan gerak yang

dipancarkan terhadap kerangka tetapi tidak untuk massa inersia dan pena yang tak

bergerak. Pena menuliskan jejak gerak vertikal dari kerangka pada kertas yang

terpasang pada drum putar. Jejak ini adalah gerak vertikal seismogram dari

gelombang seismik.

            Seismometer elektromagnetik merespon terhadap gerak relatif antara

magnet dan lempeng (coil) kawat. Salah satunya terpasang pada kerangka alat dan

karena itu terhadap bumi. Yang lain tergantung oleh sebuah pegas dan

membentuk inersia. Dua rancangan dasar mungkin. Dalam jenis gerak magnet,

lempeng terpasang pada kerangka dan mgnet yang inersia. Pada jenis lempeng

yang bergerak, putarannya berkebalikan (Gambar 2.b). Lempeng dari kawat

terpasang pada massa inersia adalah tergantung antara kutub dalam magnet kuat

yang dalam putaran tanah oleh kerangka tegar (rigid housing). Gerak lain dalam

lempeng sampai di medan magnet yang mengalirkan tegangandalam lempeng

proporsional terhadap rata-rata perubahan fluks magnetik. Selama kedatangan

seismik, getaran tanah relatif terhadap tegangan listrik oleh induksi dalam

lempeng. Tegangan diperkuat dan dipancarkan melalui sirkuit elektrik terhadap

perekam.

b.      Seismometer Gerak Horizontal

            Prinsip dari jenis mekanik seismometer gerak horizontal serupa dengan

alat vertikal. Massa inersia terletak dalam batang horizontal tetapi fulcrum

tergantung hampir vertikal sehingga massa dibatasi untuk sisi ayun dalam garis

horizontal. Sifat dalam sistem serupa dalam gate (gerbang) ketika tergantung ke

luar arah vertikal. Jika sumbu gantung sedikit miring ke depan , posisi stabil gate

adalah pusat massa pada titik terendah. Pada pergerakan lain dari gate, gaya

gravitasi pemulih mencoba untuk dalam posisi stabil. Hal serupa, seismometer

horizontal berayun sekitar posisi eqilibriumnya seperti pendulum (kenyataannya

kerangka alat bergerak dan bukan massa inersia). Pada seismometer vertikal, pena atau tabung cahaya (light beam) dipasangkan pada massa inersia tak berubah yang menulis pada drum putar (pada hal ini memiliki sumbu horizontal dan merekam gerak relatif antara massa dan kerangka alat. Jejak gerak

tanah diketahui dengan alat ini adalah seismogram dari gelombang seismik.

Rancangan dari seismometer horizontal elektromagnetik serupa dengan

jenis vertikal, dengan pengecualian bahwa sumbu bergerak (lempeng atau

magnet) adalah horizonta

c.       Seismometer Regangan/ Strain

            Pendulum seismometer digambarkan sebagai alat inersia, yang berdasarkan tahanannya dalam pasangan massa (loosely coupled mass) yang hilang terhadap perubahan dalam momentumnya sendiri. Pada waktu yang sama, dikembangkan seismograf inersia dengan juga mengadopsi percobaan seismograf strain primitive yang mengukur perubahan dalam jarak antara dua tempat selama penjalaran gelombang seismik. Seismograf buatan Milde ini memiliki keunggulan yang minim. Tahun 1933, H. Benioff menemukan seismogaf strain yang sensitif yang menjadi awal versi modern.

            Prinsip alat ini ditunjukkan dalam gambar 4. Seismometer strain merekam

hanya perpindahan horizontal. Dua batang horizontal terbuat dari campuran

kuarsa yang tidak sensitif terhadap perubahan suhu yang dipasangkan untuk tiang

sekitar 20 m saling terpisah, terhubung dengan tanah. Batang terpisah dengan

jarak kecil. Perubahan dalam jarak dari dua tiang, menghasilkan perubahan luas

gap (jurang) pemisah yang dideteksi melalui transduser variabel-reduktansi atau

kapasitansi. Pada alat modern, variasi dalam luas gap diamati secara optik dengan

menggunakan interferensi antara tabung sinar laser yang direfleksikan kaca yang

dipasangkan pada sisi berlawanan terhadap gap. Alat strain mudah memisahkan

regangan.

D.    PERKEMBANGAN SEISMOLOGI

Seismologi adalah ilmu yang mempelajari tentang gempa bumi dan struktur dalam bumi dengan menggunakan gelombang seismik yang dapat di timbulkan dari gempa bumi atau sumber lain

 Pada hakikatnya seismologi lahir sejak manusia tertarik untuk mengkaji fenomena alam yang  berupa gempa bumi. Dari rasa ketertarikan ini mereka berusaha untuk mengungkap tentang mengapa, bagaiman, maupun untuk apa  gempa bumi itu terjadi. Seirang dengan tinggak peradaban ilmu, muncul kajian-kajian khusus tentang gempa bumi, seperti mekanisme terjadinya gempa bumi, dampak yang di timbulkan gempa bumi, perancangan alat perekam gempa bumi, diskripsi teoristik melaluai pemodelan, maupun pemanfaatan informasi yang di indikasikan oleh gempa bumi. Seismologi telah berkembang tidak hanya mempelajari tentang gempa bumi semata, tetapi mengkaji tentang gelombang-gelombang yang di bangkitkan oleh gempa bumi atau gempa buatan da n juga kajian tentang perameter-parameter yang dapat disimpulkan dari pelajaran gelombang-gelombang tersebut.

Berdasrakan posisi sumber gempa terhadap lokasi seismograf, secara umum gempa bumi diklarifikasikan, menjadi dua katagori yaitu:

a.         Gempa bumi dekat atau lokal

            Gempa lokal adalah gempa dengan jarak episenternya terhadap stasiun pencatat  tidak melebihi dari beberapa ratus kilometer, sehingga kkelengkungan bumi dapat diabaikan, gempa lokal di manfaatkan untuk mengetahui struktur permukaan bumi termaksut di dalamnya adalah gempa  buatan yabg dilakukan terhadap seismik eksplorasi

b.            Gempa bumi jauh atau teleseimik

       Telesesmik adalah gempa dengan jarak episenternya terhadap stasiun pencatat lebih dari 1000 kilometer katagori gempa ini memberikan peranan  penting dalam penentuan struktur bagian dalam bumi, seperti yang di bahas  dalam paper ini.

E.       BEBERAPA ISTILAH DALAM SEISMOLOGI.

Ada beberapa istilah yang seting di gunakan dalam pembahasan seismologi, diantaranya:  

a.       1Hiposenter adalah puast gempa di dalam bumi yang biasa juga disebut titik fokus gempa .

b.      Episenter adalah proyeksi hiposentar kebidang permukaan 

c.       Origin time atau waktu asal  adalah waktu saat terjadadinya hiposenter.

d.      Travel time atau waktu tempuh adaah waktu yang dibutuhkan oleh gelombanng gempa untuk menjalar dari hiposenter ke waktu pencatat

e.       trevel time di tentukan   dari waktu tiba (arival time) gelombang seismograf di kurangi  dengan original time.

f.       Seismometer, seismograf dan seismogram.Seismometer  adalah alat yang digunakan untuk merespon getaran tanah akibat gempa bumi. Seismograf adalah gabungan antara seismometer dan alat pereka. Seismogram hasil rekaman seismograf

F.      .Efek Redaman

            Gerak tanah disebabkan oleh gelombang seismik yang mengandung spektrum broad dari frekuensi.  menunjukkan bahwa responseismometer terhadap frekuensi sinyal berbeda adalah kuat berdasarkan nilaifaktor redaman l. Seismometer tak teredam memiliki l= 0, dan untuk nilai kecil dari l merespon seismometer dikatakan underdamped ( di bawah redaman).Seismometer tak teredam dan teredam memperkuat sinyal dekat frekuensi alami, dan sayangnya tak dapat membuat rekaman akurat dari gerak tanah. Alat tak teredam akan meresonansi pada frekuensi natural wo. Untuk seluruh factor redaman l < 1/Ö2, alat merespon fungsi yang memiliki sebuah puncak yang mengindikasikan penguatan dalam frekuensi khusus.  Nilai l=1 berhubungan dengan redaman kritis sehingga disebut karena melukiskan dua jenis berbeda dalam respon seismometer terhadap ketiadaan gaya getaran. Jika l < 1, redaman seismometer bebas merespon gangguandengan ayunan periodik dengan menurunkan amplitudo sekitar posisi diamnya. Jika l ³1, seismometer terganggu menjadi aperiodik, gerakan mulus kembali ke posisi diamnya. Jika redaman terlalu keras ( l >> 1), alat kelebihan redaman dan seluruh frekuensi dalam gerak tanah tertahan.  l dalam respon seismik terhadap frekuensi sinyal yang berbeda. Redaman kritis  l=1. Kepuasan operasi berhubungan dengan faktor redaman antara 0,7 dan 1. Sifat optimum seismometer membutuhkan alat yang merespon jangkauan(range) luas dari frekuensi dalam gerak tanah, tanpa penguatan yang diinginkan atau batas supresi dari frekuensi. Hal ini membutuhkan faktor redaman sebaiknya dekat dengan nilai kritis. Hal ini biasanya dalam range 70 %sampai 100 % dari redaman kritis (1/Ö2 £ l < 1) dari seismometer terhadap sinyal respon gangguan periodik dengan frekuensi w diberikan :)(cos

G.    Tipe-tipe Seismometer

a.       Seismometer Periode Panjang dan Periode Pendek Periode

          natural (2π/ω o) dalam seismometer adalah faktor penting dalam menentukan rekaman yang tepat. Dua contoh yang berhubungan dengan alat yang memiliki periode natural sangat panjang dan sangat pendek. Seismometer periode panjang adalah alat yang frekuensi resonansi ω o sangat kecil. Untuk semua tetapi frekuensi terendah ditulis ω o > ω, beda fase ∆ menjadi kecil dan persamaan (3.8) menjadi :

 ω2 1 && U = 2 A cos (ωt − ∆) = − 2 q …………………………..(3.9)

 ωo ω0 Persamaan (3.9) menunjukkan bahwa perpindahan seismometer periode pendek adalah proporsional terhadap percepatan tanah, dan alat ini disebut accelerometer. Ini dirancang untuk merespon frekuensi seismik 1-10 Hz (periode 0,1 s.d 1 s). Accelerometer hanya cocok untuk merekam kuat gerak gempa bumi ketika amplitudo gerak tanah akan mengirimkan jenis normal perpindahan seismometer off-scale.

b.       Seismometer Broadband

            Seismometer periode pendek beroperasi dengan periode 0,1-1 s dan

periode panjang lebih besar dari 10 s. Resolusi sinyal seismik dengan frekuensi

tengah 0,1-1 Hz ( periode 1-10 s) adalah penghalang pada range natural dari

gangguan latar belakang seismik. Gangguan datang dari penggantian berdekatan

berkelanjutan dari pergerakan kecil tanah yang disebut mikroseismik. Beberapa

gannguan mikroseismik adalah lokal setempat, berhubungan dengan beberapa

efek sebagai kendaraan lalu lintas, hujan, gerak pohon akibat angin, dan lain-lain.

Namun, sumber yang penting adalah gelombang badai dari laut yag mudah

dideteksi dalam rekaman seismometer daerah pedalaman yang jauh. Drum dari

gelombang kasar pada garis pantai dan interferensi dalam gelombang laut melelui

kedalaman air menjadi prinsip akibat gangguan mikroseismik.

Gangguan mikroseismik memiliki amplitudo rendah dalam seismogram,

tetapi mungkin menjadi sinyal kuat atau lemah dari jarak gempabumi, yang tidak

dapat diperkuat secara selektif tanpa gangguan pembesaran. Gangguan diperburuk

dengan range dinamik terbatas dari seismometer perode pendek atau panjang.

Alat dengan medan periode pendek merekam dominasi frekuensi tinggi ketika alat

periode panjang melemah, memberikan hanya rekaman dengan frekuensi lemah.

Range antara sinyal terkuat dan terlemah direkam tanpa distorsi dengan alat yang

diberikan disebut jangkauan dinamis. Jangkauan dinamis diukur dengan daya

(atau rapat energi) dari sebuah sinyal dan diungkapkan dalam satuan desibel (dB).

Sebuah desibel didefinisikan sebagai 10 log 10 (daya). Daya proporsional terhadap kuadrat amplitudo sehingga satu dB sama dengan 20 log10

(amplitudo). Jadi untuk contoh, jangkauan 20 dB dalam daya berhubungan dengan variasi faktor 10 dalam percepatan, dan jangkauan dinamik dari 100 dB yang berhubungan dengan variasi10 s dalam amplitudo.

            Seismometer periode pendek dan periode panjang jangkauan dinamik sempit karena dirancang untuk memberikan tampilan optimum dalam range frekuensi terbatas, di bawah atau di atas band gangguan tanah. Gangguan diatasi oleh rancangan seismometer broadband yang memiliki sensitifitas tinggi melebihi range dinamis luas.Seismometer broadband memiliki dasar rancangan jenis pendulum inersia, dengan menambah kemampuan sistem gaya balikan (feedback). Usaha ini mengaplikasikan gaya proporsional terhadap perpindahan dari massa inersia untuk mencegah bergerak secara signifikan. Jumlah gaya balikan yang diterapkan adalah ditentukan dengan menggunakan transducer listrik untuk menyetarakan gerakan massa ke dalam sinyal listrik. Gaya dibutuhkan untuk manahan massa diam yang berhubungan dengan percepatan tanah sinyal digitalisasi dengan 16-24 resolusi bit, sinkronisasi dengan sinyaL waktu yang tepat, dan merekam dalam perekam magnetik. Elektronika feedback kritis untuk sukses dalam alat ini, yang sumber yang penting adalah gelombang badai dari laut yag mudah dideteksi dalam rekaman seismometer daerah pedalaman yang jauh. Drum dari gelombang kasar pada garis pantai dan interferensi dalam gelombang laut melelui kedalaman air menjadi prinsip akibat gangguan mikroseismik. Gangguan mikroseismik memiliki amplitudo rendah dalam seismogram, tetapi mungkin menjadi sinyal kuat atau lemah dari jarak gempabumi, yang tidak dapat diperkuat secara selektif tanpa gangguan pembesaran. Gangguan diperburuk dengan range dinamik terbatas dari seismometer perode pendek atau panjang. Alat dengan medan periode pendek merekam dominasi frekuensi tinggi ketika alat periode panjang melemah, memberikan hanya rekaman dengan frekuensi lemah. Range antara sinyal terkuat dan terlemah direkam tanpa distorsi dengan alat yang diberikan disebut jangkauan dinamis. Jangkauan dinamis diukur dengan daya (atau rapat energi) dari sebuah sinyal dan diungkapkan dalam satuan desibel (dB). Sebuah desibel didefinisikan sebagai 10 log10 (daya). Daya proporsional terhadap kuadrat amplitudo sehingga satu dB sama dengan 20 log10 (amplitudo). Jadi untuk contoh, jangkauan 20 dB dalam daya berhubungan dengan variasi faktor 10 dalam percepatan, dan jangkauan dinamik dari 100 dB yang berhubungan dengan variasi 10 s dalam amplitudo. Seismometer periode pendek dan periode panjang jangkauan dinamik sempit karena dirancang untuk memberikan tampilan optimum dalam range frekuensi terbatas, di bawah atau di atas band gangguan tanah. Gangguan diatasi oleh rancangan seismometer broadband yang memiliki sensitifitas tinggi melebihi range dinamis luas. Seismometer broadband memiliki dasar rancangan jenis pendulum inersia, dengan menambah kemampuan sistem gaya balikan (feedback). Usaha ini mengaplikasikan gaya proporsional terhadap perpindahan dari massa inersia untuk mencegah bergerak secara signifikan. Jumlah gaya balikan yang diterapkan adalah ditentukan dengan menggunakan transducer listrik untuk menyetarakan gerakan massa ke dalam sinyal listrik. Gaya dibutuhkan untuk manahan massa diam yang berhubungan dengan percepatan tanah sinyal digitalisasi dengan 16-24 resolusi bit, sinkronisasi dengan sinyaL waktu yang tepat

H.    Seismograf Elektromagnetik

            Fondasi seismograf meliputi penambahan koil pada masa pendulum yang bergerak dalam medan magnet atau sebuah magnet efek yang sama diproduksi jika bagian bergerak adalah magnet didalam koil. Pada kedua kasus gerak relatif dari koil dalam medan magnet menghasilkan arus listrik dalam koil yang proporsional terhadap kecepatan gerak relatif dalam koil dan magnet. Arus listrik melewati galvanometer yang defleksinya direkam secara grafik. Gambar 7. Seismometer elekromagnetik vertikal Kita mempelajari kasus ideal dari pendulum vertikal dengan koil bergerak dan magnet. Gaya F yang beraksi di atas massa pendulun hingga gerak koil dalam medan magnet B dari magnet menurut hukum Biot-savart:

 F= I B l……………………………………..(3.10)

dengan I adalah arus dalam koil, l = 2πrN adalah panjang koil ( r adalah radius dan N adalah jumlah lilitan), dan B adalah amplitudo dari induksi magnetik. Jika z adalah perpindahan relatif dari koil dan magnet, kerja dilakukan oleh gaya Fz dan & daya F z . Dalam sirkuit elektrik (Gambar 8.4), daya terdisipasi oleh resistansi total Ro+R (Ro adalah resistansi koil dan R adalah resistansi tambahan dalam paralel. Daya dalam sirkuit diberikan oleh IV, dengan V adalah beda dalam arus potensial,
DAFTAR PUSTAKA

Lowrie, William. Fundamentals of Geophysics. United Kingdom : Cambridge university press. Udias, Agustin vallina. Principles of Seismology. United Kingdom : Cambridge university press.