FR2564600A1 - Dispositif pendulaire de longue periode, a oscillations verticales et a suspension symetrique - Google Patents

Abstract

LE DISPOSITIF PENDULAIRE DE LONGUE PERIODE, A OSCILLATIONS VERTICALES ET A SUSPENSION SYMETRIQUE SELON L'INVENTION COMPREND DEUX PENDULES 1 IDENTIQUES EN FORME DE SECTEUR QUI SONT SUPPORTES PAR DES RESSORTS 8 A LAMES CROISEES, DE MANIERE SYMETRIQUE AUTOUR DE DEUX AXES 0 SITUES DANS UN MEME PLAN HORIZONTAL, DE SORTE QUE CHAQUE PENDULE 1 PUISSE OSCILLER AUTOUR DE SON AXE 0, LES SURFACES EN FORME DE SECTEUR DES PENDULES 1 ETANT RELIEES L'UNE A L'AUTRE PAR DES FILS METALLIQUES FLEXIBLES SE CROISANT MUTUELLEMENT 16, 16, ET CHAQUE PENDULE 1 COMPORTE UNE MASSE MOBILE 2 ET UN PROLONGEMENT RIGIDE 1A. UN RESSORT A BOUDIN 10 RELIE LES PROLONGEMENTS RIGIDES 1A DES DEUX PENDULES 1, QUI ONT CHACUN DES MOYENS 3, 4, 4, 5, 6 PERMETTANT DE REGLER LA POSITION DU CENTRE DE GRAVITE M DE CE PENDULE EN DEPLACANT LADITE MASSE 2, AINSI QUE DES MOYENS 11, 12, 13, 14, 15 PERMETTANT DE REGLER LA POSITION DES JONCTIONS A DU RESSORT A BOUDIN 10 AUX PROLONGEMENTS RIGIDES 1A. APPLICATION A LA REALISATION DE SISMOGRAPHES.

Description

La présente invention se rapporte à des moyens pendulaires à oscillations

verticales destinés à la mesure de vibrations ou de secousses telluriques en sismologie

et en génie sismique, et l'invention concerne.plus particu-

lièrement des moyens pendulaires à oscillations verticales ayant une réponse stable et précise aux composantes de

longue période de secousses sismiques.

D'une manière générale, des moyens pendulaires ayant une longue période naturelle, de l'ordre de plusieurs secondes à plusieurs dizaines de secondes, ont été utilisés en sismologie comme instrument destiné à fournir une mesure

précise de secousses sismiques, et de tels moyens pendu-

laires ont joué un rôle important dans l'étude de la structure interne de la terre et du procédé de formation de sources sismiques. Afin de faciliter de telles études, différents artifices ont été réalisés- jusqu'à présent pour produire des pendules relativement petits ayant une période naturelle suffisamment longue. Dans le cas de pendules à oscillations verticales, la suspension du poids

du pendule lui-même nécessite une considération particu-

lière. Les dispositifs conventionnels typiquement destinés à la suspension de pendules à oscillations verticales sont celui proposé par Sir J. A. Ewing (auquel il sera fait ci-dessous référence comme étant une suspension de type Ewing) et celui proposé par Lucian LaCoste (auquel

il sera fait référence ci-dessous comme étant une suspen-

sion de type LaCoste).

De manière générale, les environs d'une source sismique d'un tremblement de terre de forte intensité sont exposés à de fortes secousses du sol et des dommages considérables sont causés dans cette zone. Lorsqu'un tel tremblement de terre de magnitude importante se produit, la plupart des pendules conventionnels ayant une période naturelle longue deviennent instables ou n'ont pas une

échelle de mesure suffisante, de sorte qu'une mesure satis-

faisante ne peut pas être obtenue à l'aide de pendules à période longue. En conséquence, on a développé, en génie sismique, un sismographe à mouvement brusque et de type accélérnotrique ayant une période naturelle très courte, inférieure à 0,1 s, et l'usage de tels sismographes s'est

actuellement répandu sur toute la terre.

De nombreuses secousses sismiques de forte intensité ont une accélération maximale avec des composantes ayant une période de l'ordre d'une seconde ou plus faible encore, de sorte que le sismographe à mouvement brusque et de type accélérométrique présenté ci-dessus et d'usage courant, peut mesurer avec une bonne précision de telles

composantes de courte période des secousses sismiques.

Cependant, le sismographe de type accélérométrique présente un inconvénient dans la mesure o sa précision de mesure de composantes de longue période des secousses sismiques

est faible.

D'un autre côté, il existe un besoin pressant de pouvoir mesurer et enregistrer de manière précise les composantes de longue période de secousses sismiques de forte intensité, car le nombre des structures ayant des périodes naturelles d'oscillations longues, telles que

les bâtiments très haut (gratte-ciel, tours) et les réser-

voirs de pétrole de grande capacité, a récemment augmenté dans de larges proportions. Afin de satisfaire à un tel besoin, un certain nombre de perfectionnements au sismographe à déplacement brusque ont été proposés, Par exemple, les inventeurs de l'invention faisant l'objet

de la présente demande ont développé un sismographe per-

fectionné à déplacement brusque et du type sensible à la vitesse, qui est décrit danAs la demande publiée de

brevet Japonais n 138.774/83.

Les caractéristiques essentielles du sismographe perfectionné à déplacement brusque et du type sensible à la vitesse proposé par les inventeurs résidaient dans une structure comportant deux pendules symétriques disposés horizontalement et reliés l'un à l'autre par des fils métalliques flexibles se croisant mutuellement, Dans la

dernière structure mentionneeci-dessus, des forces s'exer-

çant dans des directions différentes de la direction de déplacement des pendules sont annulées, de sorte qu'une telle structure constitue des moyens pendulaires de faible

taille ayant une période d'oscillation naturelle relati-

vement longue et étant stable vis-à-vis d'une forte vibra-

tion sismique.

Il doit également être noté que des moyens pendu-

laires à oscillations horizontales comportant deux pendules disposés l'un au-dessus de l'autre et reliés par des fils métalliques flexibles se croisant mutuellement ont déjà été proposés. Cependant, dans l'agencement vertical des deux pendules, le pendule situé du côté inférieur ou le pendule situé du côté opposé tend à être tourné sous l'effet de son poids propre autour de son axe d'oscillation, et si l'axe d'oscillation est constitué par un ressort à lame, le pendule situé du côté inférieur devient instable, alors. que s'il est supporté à pivotement, la précision est considérablement détériorée par le frottement solide au niveau du pivot. En consequence, un tel agencement vertical de deux pendules symétriques n'a jamais été

utilisé dans des sismographes.

Dans le sismographe à déplacement brusque et du

type sensible à la vitesse, mentionné ci-dessus, l'agen-

cement horizontal des deux pendules symétriques reliés

l'un à l'autre par des fils métalliques flexibles se croi-

sant mutuellement remédie aux inconvénients liés au- pen-

dule situé du côté inférieur d'un agencement vertical.

En fait, le sismographe -à déplacement brusque et de type

sensible à la vitesse conçu par les inventeurs a été uti-

lisé pour des mesures de champ réel en immergeant les pendules symétriques disposés horizontalement et reliés

l'un à l'autre par des fils métalliques flexibles se croi-

sant mutuellement dans une huile très visqueuse de manière à lui appliquer un amortissement très important, et un certain nombre d'enregistrements sismiques excellents ont déjà été obtenus à l'aide de ce dispositif, de sorte qu'il a contribué à reculer la limite des connaissances dans l'étude de la prévision de déplacements importants

du sol.

Cependant, pour ce qui concerne la composante ver-

ticale du sismographe à déplacement brusque du type sensi-

ble à la vitesse présenté ci-dessus, les masses des deux pendules disposés horizontalement sont suspendues par la suspension du type dit Ewing, comme représenté sur la figure 1, de sorte que sa période naturelle est limitée et est au plus de l'ordre d'une seconde, et sa précision est insuffisante pour la mesure de vibrations sismiques de longue période. En conséquence, il subsiste un besoin justifiant le développement de moyens pendulaires ayant une période naturelle plus longue, sans que leur stabilité

soit sacrifiée, afin de permettre une diffusion de l'uti-

lisation de moyens pendulaires pour la mesure des secousses sismiques. En conséquencel'invention a pour objet de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus des dispositifs

de l'état de la technique en réalisant des moyens pendu-

laires à oscillations verticales comportant deux pendules symétriques disposés horizontalement et reliés l'un à l'autre par des fils métalliques flexibles se croisant mutuellement, et de telle sorte que ces moyens pendulaires présentent une période naturelle longue allant jusqu'à environ -5 s, tout en maintenant une grande stabilité, de manière à. améliorer la précision dans la mesure et l'enregistrement des composantes de longue période des

secousses telluriques.

Le but consistant à obtenir une période naturelle d'environ 5 s, qui pouvait être obtenue par des moyens pendulaires conventionnels à oscillations horizontales

à l'aide de pendules reliés par des fils métalliques flexi-

bles se croisant mutuellement, a été atteint par les inventeurs, pour des. moyens pendulaires à oscillations verticales, grâce à l'utilisation d'un nouvel agencement

de suspension symétrique.

A partir du moment o l'on a réalisé des moyens pendulaires à oscillations horizontales et des moyens pendulaires a oscillations verticales ayant les périodes naturelles longues souhaitées, on peut produire facilement un sismographe présentant les excellentes caractéristiques suivantes en ajoutant à celui-ci une résistance d'amortis-

sement convenable.

(1) Un sismographe unitaire qui peut mesurer et enregistrer des vibrations sismiques sur une large bande,

allant d'une oscillation de faible amplitude à une oscil-

lation de grande amplitude, et de composantes de courte période à des composantes de longue période. On peut s'attendre à ce qu'un tel sismographe facilite l'étude

de la déduction du déplacement brusque, difficile à enre-

gistrer, de tremblements de terre de grande intensité de la faible vibration du sol, facile à enregistrer, due

à des tremblements de terre de faible intensité.

(2) Un sismographe unitaire ayant une telle préci-

sion de mesure élevée dans la bande des longues périodes qu'il puisse permettre l'observation des tremblements

de terre sur une base globale en enregistrant les vibra-

tions du sol provoquées par des tremblements de -terre dans des zones éloignées. Un tel sismographe perfectionné peut constituer un renfort important ou même un dispositif de substitution aux sismographes actuellement utilisés dans le cadre du réseau mondial de stations sismologiques

standardisées (en anglais World Wide Standardized Seis-

mograph Network ou WWSSN), de façon à promouvoir et à

faciliter encore l'étude des tremblements de terre.

Les moyens pendulaires de longue période, à oscil-

lations verticales et à suspension symétrique faisant l'objet de la présente invention ont été développés en

modifiant une suspension de type Ewing des moyens pendu-

laires à oscillations verticales antérieurement proposés

par les inventeurs et en l'adaptant à des pendules symé-

triques disposés- horizontalement et reliés par des fils

métalliques flexibles se croisant mutuellement à une sus-

pension symétrique, et en imaginant les conditions permet-

tant de produire une période naturelle d'oscillation

longue dans des moyens pendulaires à oscillations vertica-

les et à suspension symétrique par l'intermédiaire d'une

analyse théorique de leur comportement dynamique, lesquel-

les conditions sont remplies en faisant en sorte que le centre de gravité de chaque pendule soit réglable par

l'intermédiaire d'une masse mobile montée sur lui.

Un mode de réalisation avantageux des moyens pendu-

laires de longue période à oscillations verticales et à suspension symétrique conforme à l'invention comporte

un socle qui suspend symétriquement deux pendules identi-

ques en forme de secteur à deux axes alignés horizontale-

ment de telle sorte que les pendules peuvent osciller verticalement dans un plan sensiblement vertical et commun,

autour respectivement de leur axe de suspension.

Chacun des pendules a une surface en forme de sec-

teur dont le centre de courbure est situé sur son axe de rotation. Les surfaces en forme de secteur des deux pendules sont disposées de façon à se faire face et sont reliées l'une à l'autre par des fils métalliques flexibles

se croisant mutuellement.

Chaque pendule comporte un prolongement rigide formé d'une seule pièce avec lui de manière à s'étendre

vers le bas, et une masse qui est montée mobile sur lui.

Un ressort à boudin relie symétriquement les prolongements

rigides des deux pendules.

Des premiers moyens de réglage sont montés sur les pendules de façon à régler la position du centre de gravité de chaque pendule en déplaçant la masse de celui-ci, tandis que des seconds moyens de réglage sont montés sur les prolongements rigides des pendules de manière à régler ou à ajuster la position des raccordements au ressort à boudin. De la sorte, la période naturelle d'oscillation

des moyens pendulaires à oscillations verticales est allon-

gée. La présente invention sera mieux comprise à l'aide d'un exemple particulier de réalisation décrit ci-dessous, à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en élévation schématique

de moyens pendulaires conventionnels à oscillations verti-

cales, comportant des pendules disposés symétriquement et horizontalement, et reliés par des fils métalliques flexibles se croisant mutuellement, lesquels pendules

sont suspendus par un ressort fixe en utilisant la suspen-

sion de type Ewing, - la figure 2 est une vue en élévation schématique d'un mode de réalisation des moyens pendulaires conformes à la présente invention et à longue période, à oscillations verticales et à suspension symétrique, - la figure 3 est une représentation schématique du principe de fonctionnement des moyens pendulaires- à longue période, à oscillations verticales et à suspension symétrique selon l'invention,

- la figure 4 est une courbe représentant les carac-

téristiques de fonctionnement d'un mode de réalisation des moyens pendulaires à longue période à oscillations verticales et à suspension symétrique selon l'invention, et - la figure 5 est un graphique représentant les

plages de mesure des sismographes, y compris les sismogra-

phes qui utilisent les moyens pendulaires de longue période,

à oscillations verticales et à suspension symétrique con-

forme à l'invention.

Sur les différentes figures des dessins, SP1 et SP2 sont des pendules en forme de secteurs, TS1 et TS2 sont des fils métalliques flexibles (des cordes à piano), FR est une ossature, CS est un ressort à boudin, M est le centre de gravité d'un pendule sur lequel une masse est montée, M' est le centre de gravité d'une masse, A est un raccord ou une jonction entre le pendule et le ressort à boudin, 0 est un axe autour duquel le pendule oscille, 1 est un pendule en forme de secteur, 2 est une masse, 3 est un cadre, 4 et 4' sont des vis de serrage,

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, 6 et 14 sont des fentes,) est le centre de revte d'un pendule, 8 est un organe en forme de ressort a amet croisées, 9 est un socle, 10 est cn ressort a botdi.n, 11 est un organe réglable, 12 est une corde à piano, 23 et 15 sont des vis de réglage, 16 et 16' sont des fi2s

métalliques flexibles, 17 est un convertisseur déplacement-

tension électrique, et 18 est un enroulement de cblie d'alimentation. L'invention sera décrite ci-dessous de manière détaillée en se référant au mode de réalisation avantageux

représenté sur les dessins annexés.

La figure 2 représente la structure détaillée de

moyens pendulaires à longue période, à oscillations verti-

cales et à suspension symétrique conformes à l'invention

Comme représenté sur cette figure, la structure du dispo-

sitif selon l'invention est symétrique latéralement par rapport à un plan central et vertical, de sorte que seule la moitié latérale de gauche des moyens pendulaires sera décrite ci-dessous, les noms des parties analogues et leurs références étant évidemment applicables à la moitié

de droite de ces moyens pendulaires.

Dans le mode de réalisation représenté, un pendule 1 en forme de secteur présente une surface en forme de secteur disposée verticalement. Une masse 2 ou contre-poids est montée sur un cadre 3 qui est monté mobile sur le pendule 1 en forme de secteur. Le cadre 3 comporte des vis de serrage 4 et 4' engagées dans une fente verticale et dans une fente horizontale 6 du cadre respectivement. La position verticale de la masse 2 par rapport au pendule 1 en forme de secteur peut être réglée en déplaçant la masse 2 le long de la fente verticale 5 du cadre 3, et la masse 2 peut être fixée dans une position verticale souhaitée en serrant la vis de pression 4. La position horizontale de la masse 2 par rapport au pendule 1 en forme de secteur peut également être réglée en déplaçant

le cadre 3 le long d'un bras horizontal du pendule 1.

La masse 2 et le cadre 3 peuvent tous deux être fixés dans une position horizontale souhaitée par rapport au

pendule i en serrant la vis de pression 4'.

Ainsi, la position de la masse 2 par rapport au pendule 1 peut être réglée dans un plan vertical. Le centre de gravité 7 du pendule 1 en forme de secteur combiné avec la masse 2 ainsi positionnée tombe dans la position représentée, et la masse nette M du pendule 1 et de la masse 2 peut être considérée comme étant concentrée au

centre de gravité 7.

Un organe 8 formant ressort à lames croisées est constitué d'un ressort à lame verticale et d'un ressort à lame horizontale qui se croisent mutuellement, et le pendule 1 en forme de secteur est suspendu à une partie fixe d'un socle 9 par la traction d'un tel organe 8 formant ressort à lames croisées. Ainsi, la ligne de croisement O des lames croisées du ressort 8 fait office de jonction entre le pendule 1 et le socle 9, et elle fait également

office d'axe de rotation autour duquel le pendule 1 oscille.

L'axe O coupe le plan de la figure 2 à angle droit, et le point O de la figure 2 représente l'intersection de

l'axe et du plan de la figure 2.

Le pendule 1 comporte un prolongement rigide la s'étendant vers le bas, et un ressort à boudin 10 relie les deux prolongements rigides la des deux pendules 1,

comme représenté sur la figure 2. Dans le mode de réalisa-

tion représenté, le ressort à boudin 10 est relié à la partie du bout d'un organe réglable 11 par l'intermédiaire d'une courte corde à piano 12, et l'organe réglable 11

est porté par le prolongement rigide la du pendule 1.

Dans la description qui suit, le point central A en direc-

tion longitudinale de la corde à piano 12, entre les bords se faisant face du ressort à boudin 10 et d'une vis de réglage 15 portée par l'organe réglable 11, est considéré comme étant la jonction entre le pendule 1 et le ressort à boudin 10. L'organe réglable 11 est monté verticalement

coulissant le long d'une fente 14- ménagée dans le prolon-

gement rigide la du pendule 1, et cet organe réglable 11 coulisse en réponse à la rotation d'une vis de réglage 13 vissée dans une partie taraudée du prolongement rigide la,. Ainsi, la position de la jonction A peut être ajustée verticalement en tournant la vis de réglage 13 sur le prolongement rigide la et cette position peut également être ajustée horizontalement en tournant la vis de réglage

sur l'organe réglable 11,.-

Les surfaces opposées en forme de secteur des deux pendules 1 disposés horizontalement sont reliées l'une à l'autre de manière symétrique par des fils métalliques flexibles 16 et 16' se croisant mutuellement. Les fils métalliques flexibles 16 et 16' sont constitués de fils métalliques flexibles mais non extensibles tels que des

cordes à piano,.

La fonction des fils métalliques flexibles 16 et 16' se- croisant mutuellement et reliant l'un à l'autre les deux pendules 1 en forme de secteur est la même que dans les moyens pendulaires conventionnels à oscillation verticale de la figure 1. Plus particulièrement, après

que les deux pendules 1 aient été ainsi reliés, des trac-

tions F et F' sont exercées dans les fils métalliques flexibles 16 et 16' se croisant mutuellement, et un système de coordonnées orthogonales X-Z ayant une origine sur l'axe O est défini, de sorte que les coordonnées de la jonction A sont données par ( e, -a) et les coordonnées du centre de gravité M' de la masse 2 considérée isolément

sont données par (b,c).

L'abscisse horizontale c de la jonction A peut être annulée en tournant la vis de réglage 15, tandis que l'ordonnée verticale -a de la- jonction A peut être ajustée en tournant la vis de réglage 13 afin de faire en sorte que l'organe réglable 11 coulisse le long de la fente 14 du prolongement rigide la,. Les coordonnées (b,c) du centre de gravité M' de la masse 2 peuvent être

ajustées respectivement par le mécanisme de réglage coulis-

sant constitué du cadre 3, des vis de pression 4 et 4'

et des fentes 5 et 6.

Les deux pendules 1 en forme de secteur ainsi assemblés avec les fils métalliques flexibles 16 et 16' se croisant mutuellement peuvent être maintenus dans des positions sensiblement horizontales en équilibrant la force de la gravité qui sollicite les pendules 1 à l'encon- tre de la traction du ressort à boudin 10, Lorsqu'une secousse sismique telle qu'une vibration produite par un tremblement de terre de forte intensité est appliquée

aux moyens pendulaires ainsi assemblés, le mouvement verti-

cal relatif des pendules en forme de secteur 1 peut être

détecté par un convertisseur 17 déplacement-tension élect-

trique, et le signal de sortie d'un tel convertisseur 17 peut être transmis à l'extérieur du dispositif par des enroulements de câbles conducteurs 18, de façon à mesurer et à enregistrer une telle secousse sismique, Sur la figure 2, les parties hachurées représentent des

organes fixes qui sont solidaires du socle 9. Sur un proto-

type réel préparé par les inventeurs, la distance entre les axes 0 des deux pendules 1 est de 216 mm,

Les principes de fonctionnement des moyens pendu-

laires à période longue, à oscillations verticales et à suspension symétrique conformes à l'invention et ainsi

assemblés seront décrits ci-dessous.

Les points essentiels dans la réalisation des moyens pendulaires à longue période, à oscillations verticales et à suspension symétrique conformes à l'invention résident dans le fait que les deux pendules 1 sont suspendus d'une manière totalement symétrique tout en équilibrant les poids des pendules 1 reliés par les fils métalliques 16

et 16' par la traction du ressort à boudin 10 étiré hori-

zontalement, et dans le fait que la position du centre de gravité 7 du pendule 1 est ajustée dans une position convenable en déplaçant la masse 2, grâce à quoi la période naturelle des moyens pendulaires à oscillations verticales est allongée. La figure 3 ne représente que des paramètres essentiels, et les détails des principes de fonctionnement de l'invention seront décrits en référence à la figure Sur la figure 3, les lignes en traits interrompus représentent les positions occupées lorsque les pendules 1 sont au repos, et les lignes en trait plein représentent les positions occupées lorsque les pendules ont tourné vers le haut d'un angle 6. Comme la symétrie parfaite de l'ensemble pendulaire à oscillations verticales est maintenue même pendant le mouvement des pendules 1, seul le mouvement de la moitié de gauche des moyens pendulaires

sera décrit.

Lorsqu'une accélération verticale z et une accélé-

ration horizontale x sont simultanément appliquées au pendule 1 de gauche dans la direction verticale Z et dans la direction horizontale X, l'équation du mouvement du pendule 1 de la moitié de gauche peut être donnée par:

é = N..... (1)

N = Pasina-M(g-ï)Hcos(y+6)-KO -R6+RUHsin(y+O)+FL-F'L..... (2) dans lesquelles, I est un moment d'inertie. du pendule, & est un déplacement angulaire, positif dans le sens anti-horaire, N est une force de rotation autour de l'axe 0, P est une traction du ressort à boudin, P -.= (-Yi), e est une constante représentant le coefficient de résistance à la déformation élastique du ressort à boudin,

ú est la longueur du ressort à boudin pour le déplace-

ment angulaire 9 (lorsque O:= 0, Z), o Qi est la longueur initiale du ressort à boudin, à=0A est la distance entre l'axe O de rotation et la jonction A du ressort à boudin avec le pendule, È= OAA (lorsque G-= 0, ci) , oM est la masse du pendule plus celle de la masse M est la masse du pendule plus celle de la masse ou contrepoids rapporté et représente également la position du centre de gravité du pendule et de sa masse rapportée sur la figure 3, g est l'accélération de l'attraction gravitationnelle, 2 est l'accélération sismique au sol dans la direction verticale Z, H=OM est la distance entre l'axe de rotation O et centre de gravité M, y est l'angle d'élévation MOO du centre de gravité M dans la position d'équilibre au repos, KG est la force de rappel du ressort 8 à lames croisées formant 1' axe O pour le déplacement angulaire 0, Ré est une force de résistance visqueuse de, par exemple, l'huile dans laquelle les moyens pendulaires sont immergés, proportionnellement à la vitesse angulaire e,

x est l'accélération sismique dans la direction hori-

zontale X, F et F' sont des tractions appliquées aux pendules de la moitié de gauche à partir des fils métalliques flexibles se croisant mutuellement, et L est la distance de l'axe O à la surface du pendule en forme de secteur, c'est-à-dire plus précisément

le rayon de courbure de la surface en forme de sec-

teur du pendule,, En ce qui concerne la force de rappel du pendule, les contraintes de flexion des fils métalliques 16 et 16' se croisant mutuellement et de la corde à piano 12 formant la jonction A existent, mais de telles contraintes

de flexion sont négligeables.

Lorsque la composante dans la direction X de l'accé-

lération sismique X s'exerce vers la droite sur la figure 3, les forces d'inertie sollicitant les centres de gravité M des deux pendules sont dirigées vers la gauche, de sorte que les forces F et F' appliquées du pendule de droite

au pendule de gauche par l'intermédiaire des fils métalli-

ques flexibles se croisant mutuellement sont données par l'expression: F = -MiHsin(y+e)/L, F' 0 Lorsque la composante dans la direction X de l'accélération sismique X s'exerce vers la gauche, les forces d'inertie sont de ce fait annulées par la traction F' de l'un des câbles métalliques flexibles se croisant mutuellement, tandis que l'autre force de traction F est nulle, Ainsi, la somme des trois derniers termes de la partie de droite de l'équation (2-) est toujours nulle, En bref, l'accélération sismique horizontale x ne produit aucune force rotationnelle dans les pendules en raison de la présence des fils métalliques flexibles se croisant

mutuellement et qui relient les deux pendules.

En outre, si la composante horizontale de l'accé-

lération sismique est nulle, c'est-à-dire si x.= 0, alors

les tractions sur les fils métalliques flexibles se croi-

sant mutuellement deviennent également nulles, c'est-à-dire E=F'=0. Ainsi, sur le diagramme fonctionnel de la figure 3 et dans les équations du mouvement (1) et (2), il est suffisant de considérer seulement les forces d'inertie

dues.à l'accélération sismique verticale ï.

La force de rappel des pendules basée sur les équa-

tions du mouvement mentionnées ci-dessus, dans les condi-

tions d'oscillation libre, sans accélération verticale z, sera à présent considérée, En se référant à l'équation (2), qui donne la force de rotation N sollicitant le pendule de la moitié de gauche, si les trois derniers termes à annuler par la liaison

avec les fils flexibles métalliques se croisant mutuel-

lement sont négligés, la somme Q(9) du premier terme représentant la forcede rotation due à la traction du ressort à boudin et du second terme représentant la force de rotation due à la gravitation peut être donnée par la fonction suivante du déplacement angulaire 0: Q(e) = (Pa) sina-(MgH)cos(y+8)..... (3) Sur la figure 2, si le déplacement du pendule par rapport à la position du transformateur différentiel ou du convertisseur 17 déplacement-tension électrique est supposé être inférieur à 1 mm, comme la distance séparant l'axe de rotation 0 du convertisseur 17 déplacement-tension

électrique est de l'ordre de 100 mm, le déplacement angu-

laire 0 est dans la plage suivante:.

e < (1 mm/100 mm) = 10-2 " 1. .... (4 (4) En gardant à l'esprit la grandeur du déplacement angulaire, si l'équation (3) est développée en utilisant les séries de Taylor, l'équation suivante (5) peut être dérivée. Q(e)=Q(O)+Q'(O).O+(1/2)Q,,(O).82+(l/6)Q,,,(O).3+.....e (5)

Le premier terme de la partie de droite de l'équa-

tion (5) est la valeur de Q(G) dans les conditions de repos, avec 9=0, de sorte que la condition:

Q(O):= 0....(6)

représente la condition d'équilibre de la force de rotation due à la gravitation par la force de rotation due à la

traction du ressort à boudin.

Le second terme de la partie de droite de l'équation (5) a une valeur proportionnelle au déplacement angulaire 6, et ce terme représente la force de rappel lorsque son

coefficient Q'(O) est négatif.

Le troisième terme de la partie de droite de l'équation (5) est proportionnel à Q2, de sorte que ce terme représente une force unidirectionnelle indépendamment

de ce que le déplacement angulaire 0 soit positif ou néga-

tif. Une telle force unidirectionnelle n'est pas souhaita-

ble du point de vue de la précision dans le fonctionnement du pendule. Ainsi, l'annulation du coefficient Q"(O) du troisième terme représente la condition nécessaire pour obtenir que la force de rappel du pendule soit précisément proportionnelle au déplacement angulaire 0, de sorte que

Q"(0).=O peut être appelé la condition linéaire.

Le quatrième terme ainsi que les autres termes de la partie de droite de l'équation (5) sont également indésirables pour le pendule de mesure, mais la valeur numérique de chacun de ces termes devient inférieure à -6 grâce à la relation de l'équation (4), de sorte qu'ils

peuvent être négligés.

Il doit être noté que lorsque le coefficent Q'(O) est négatif, le pendule est rappelé de manière stable, mais plus sa valeur est faible, plus la force de rappel est faible et plus la période du pendule est longue, En conséquence, Q'(O0=O peut être appelé la condition de période longue, En résumé, la condition de stabilité est

Q'(O) < 0Q...(7)

la condition de période longue est

Q'(O):= O,... (8)

et la condition linéaire est

Q"(O) = O... (9)

L'une des caractéristiques marquantes des' moyens pendulaires à longue période, à oscillations verticales et à suspension symétrique conformes à l'invention est que les moyens pendulaires peuvent être construits de telle sorte que les conditions des équations (6), (8) et (9) peuvent être simultanément remplies. Dans ce cas, la force de rotation de l'équation (2) est donnée seulement par les deux termes -KG-RQ, et la substitution de telles

conditions dans l'équation (1) permet d'aboutir à l'équa-

tion (10) suivante, qui représente la période naturelle To des moyens pendulaires: To = 2t41/K.. (10)

Ainsi, la période naturelle To des moyens pendulai-

res peut être allongée d'une manière stable et fiable en utilisant de fines lames élastiques du ressort à lames croisées 8 qui suspend les moyens pendulaires tout en

définissant l'axe de rotation 0.

Les conditions des-équations (6), (8) et (9) seront

décrites en termes plus pratiques en se référant au dia-

gramme fonctionnel de la figure 3.

Pendant le fonctionnement des moyens pendulaires selon l'invention, le ressort à boudin 10 est toujours maintenu horizontal, de sorte que l'angle OAA= a (lorsque le déplacement angulaire 8=0, a) sur le ressort à boudin o

est donné par l'équation suivante (11).

ca(0) = a +0..... (11) o

Ainsi, la longueur ú du ressort à boudin 10 (lors-

que le déplacement angulaire Q=0, 9.) peut être donnée o par la fonction suivante de l'angle a en la développant

jusqu'au terme en 03.

ú(>)=Qo-2(acosao-aCosa) =-o2asinao0O-acoso.602-(a/6)sinao.e3... (12) En conséquence, la tension P(G) du ressort à boudin est donnée par P(8):(Qúi)*-fi(o-Qi)-2pasinao'8 (3 _-acosa.O02.(p/6)asinao. SS..... (13)

Afin de simplifier cette expression, on utili-

sera ci-dessous la substitution suivante.

P(O) = P(o -i) = Po..... (14j Les équations ci-dessus (6), (8) et (9) dans certaines conditions de fonctionnement peuvent être réécrites en

utilisant les équations (11), (12), (13) et (14).

Q(O)=PoasinaO-Mghcosy=O..... (6') QI(O)=-2pa2sinao+Poacosa+Mghsiny=O..... (8') Q"(O)=-6pa2cosaosinao-Poasina o+Mghcosy=O..... (9') L'équation de la condition d'équilibre (6) doit toujours être remplie, et la substitution de l'équation (6') dans l'équation (9') donne: Q"(O) = -6a2sinaoCOSao = O et comme 5a2sinao00,, alors cosao=0.. De ce fait, l'équation (9') se réduit à: a = 90 ..... (15) L'équation (15) ci-dessus est la condition linéaire dans le dispositif pendulaire conforme à l'invention. L'équation de la condition de longue période (8') peut être simplifiée dans l'équation suivante (16) en utilisant l'équation de la condition linéaire (15), l'équation de la condition d'équilibre (6') et l'équation

(14).

Q'(O) = -2pa2+MgHsiny = MgHcosy[tany-2a/( o-2i)].... (16)

En conséquence, les conditions de période longue devien-

nent tany = 2a/(%o-i1) (17) De manière similaire, l'équation suivante de la condition

de stabilité peut être dérivée de l'équation (16).

tany < 2a/(eo-úi)....(18) * Dans le mode de réalisation de la figure 2, la valeur initiale DO de l'angle à la jonction entre le ressort à boudin 10 et le pendule 1 est fixée à 90 , et

* la condition d'équilibre de l'équation (6') et la condi-

tion de longue période de l'équation (17) peuvent être remplies en réglant la distance a entre l'axe de rotation O et la jonction A du ressort à boudin 10 avec le pendule 1, la distance H entre l'axe de rotation O et le centre de gravité M et l'angle d'élévation du centre de gravité M. Plus particulièrement, il y a trois parties réglables pour remplir les conditions des deux équations, de sorte que l'une des trois parties réglables peut être fixée dans une position souhaitée. Ainsi, le réglage est très facile. La disponibilité d'une partie réglable pour

une mise en position arbitraire est avantageusement uti-

lisée lorsqu'on effectue un réglage à l'encontre de la poussée hydrostatique qui s'exerce lorsque les moyens pendulaires selon l'invention sont immergés dans de l'huile

lorsqu'on réalise un sismographe.

La condition linéaire mentionnée ci-dessus et la condition de période longue des moyens pendulaires à longue période, à oscillations verticales et à suspension

symétrique conformes à l'invention seront à présent com-

parées à la condition linéaire et à la condition de période longue de la suspension de type Ewing à ressort fixe,

comme représenté sur la figure 1, et aux conditions analo-

gues de la suspension de type LaCoste, qui a été considérée comme étant la meilleure pour des moyens pendulaires de

période longue et à oscillations verticales. Plus précisé-

ment, un triangle OAB dans la suspension de type Ewing conventionnelle de la figure 1, avec un sommet situé sur l'axe de rotation O du pendule SPl, un sommet à la jonction A entre le ressort à boudin CS et le pendule SP1, et un sommet sur la jonction B entre le ressort à boudin CS et l'ossature FR, est comparé à un triangle OAB dans

les moyens pendulaires de la figure 2, conformes à l'in-

vention, avec des sommets situés sur l'axe de rotation O du pendule 1, sur la jonction A entre le ressort à boudin 10 et le pendule 1 et sur le point central B du ressort à boudin 10. Dans le cas d'une suspension de type LaCoste, elle comporte seulement un pendule, et on peut considérer un triangle similaire au triangle OAB mentionné

ci-dessus d'une suspension de type Ewing.

La suspension symétrique conforme à la présente invention est caractérisée en ce que le point central B du ressort à boudin n'est pas fixe, et cependant le point central B se déplace à peine si la valeur initiale A_

de l'angle OAA est de 90 , c'est-à-dire si ae=90 .

En ce qui concerne la condition linéaire, la En ce qui concerne la condition linéaire, la suspension symétrique de la présente invention nécessite que l'angle du point de jonction OAA soit égal à a et à 90 , tandis que la suspension conventionnelle de type Ewing nécessite que l'angle de jonction soit de 90 , c'est-à-dire H=90 , et la suspension conventionnelle de type LaCoste nécessite que la longueur initiale du ressort à boudin soit nulle, c'est-à-dire '=0O En ce qui concerne la condition de période longue, la suspension symétrique de l'invention nécessite une certaine valeur de l'angle d'élévation, c'est-à-dire tany=2a/(2OQ-i) et la suspension de type Ewing nécessite que l'angle du point de jonction soit nul, c'est-à-dire A=O ce qui est impossible à réaliser, et la suspension de type LaCoste nécessite que l'angle du point de jonction =O0 . En bref, en ce qui concerne le triangle OAB, la suspension symétrique de l'invention a pour condition

linéaire que l'angle du point de jonction 1=0' la suspen-

sion de type Ewing a pour condition linéaire que l'angle du point de jonction E=90 , et la suspension de type LaCoste a pour condition de longue période que l'angle

du point de jonction O-=90.

Les caractéristiques et la performance des moyens pendulaires de longue période, à oscillations verticales et à suspension symétrique de l'invention seront à présent

décrites en référence à des exemples pratiques de réalisa-

tion, Dans une structure telle que représentée sur la figure 2, lorsque l'organe 8 constituant un ressort à lames croisées destiné à suspendre le pendule 1 et formant l'axe de rotation O est réalisé en utilisant un ressort

à lame en béryllium de 0,07 mm d'épaisseur ayant une lar-

geur de 5 mm, on a obtenu une période naturelle de 8 s.

Une période naturelle de 5,8 s a été établie en adoptant une certaine tolérance par rapport aux valeurs mentionnées ci-dessus. Les moyens pendulaires ont été immergés de

manière étanche dans une huile de silicone ayant une visco-

sité de 1000 cs. La caractéristique de la sensibilité en fonction de la période de moyens pendulaires ainsi immergés a été mesurée, et les résultats sont représentés sur la figure 4. Sur cette figure, l'ordonnée représente le rapport entre la tension électrique de sortie du transformateur différentiel ou du convertisseur déplacement- tension électrique et la vitesse de vibration du socle, tandis que l'abscisse représente la période de la vibration

du socle.

En général, une table vibrante ne présente pas une bonne précision sur une large bande de période. En conséquence, dans le cas des essais mesurés et représentés sur la figure 4, une bobine de détection de la sensibilité

et un aimant furent fixés au socle et au pendule respecti-

vement, et la vibration a été produite en appliquant.

un courant oscillatoire provenant d'un oscillateur, Ainsi,

la valeur portée en ordonnées sur la figure 4 a été déter-

minée en convertissant le courant d'entraînement en vitesse de vibration du socle. Dans les résultats d'essai de la figure, la courbe de sensibilité est complètement symétrique de part et d'autre de la période naturelle de 5,8 s, sur une large bande de période allant de 0,2 s à 100 s, et les caractéristiques de réponse sont bien en accord avec

l'analyse théorique.

En bref, les moyens pendulaires à oscillations verticales et à suspension symétrique de l'invention et

selon la structure de la figure 2 ont prouvé qu'ils présen-

taient de bonnes caractéristiques de réponse par rapport à une vibration externe, avec une précision élevée sur une bande de période ayant la largeur souhaitée. En ce qui concerne l'amplitude minimum de la vibration du pendule, on peut s'attendre à ce que les moyens pendulaires répondent correctement à une vibration externe jusqu'à ce que le déplacement du pendule soit aussi faible que 10 6 mm. Une

telle amplitude minimum peut être prouvée en faisant fonc-

tionner les moyens pendulaires dans un endroit suffisamment tranquille. Les caractéristiques de sensibilité des moyens pendulaires dans le cas de la période naturelle de 2s

et d'une viscosité de l'huile de 80 000 cs ont été calcu-

lées à partir des données opératoires de la figure 4.

Le résultat montre que les moyens pendulaires constituent un cinémomètre (mesurant la vitesse) avec une constante d'atténuation de 160 et une caractéristique de sensibilité plate sur une large bande de période allant de 0,02 s à 200 s. Les secousses sismiques enregistrables vont d'un maximum de 100 cm/s à un minimum de 10- 4 cm/s. La limite

d'une vibration due à une secousse tellurique est considé-

rée comme étant de l'ordre de 100 cm/s, actuellement.

Dans un but de comparaison, le sismographe ayant la caractéristique de sensibilité' mentionnée en dernier lieu et utilisant les moyens pendulaires conformes à

l'invention est appelé ci-dessous sismographe (S) à dépla-

cement brusque et du type à large bande de vitesse, tandis

que le sismographe utilisant les moyens pendulaires con-

forme à l'invention et ayant la caractéristique de sensibi-

lité représentée sur la figure 4 est désigné ci-dessous comme étant un sismographe (L) de grande sensibilité et

à longue période. La figure 5 est un graphique logarith-

mique représentant la caractéristique de la vitesse de vibration en fonction de la période du sismographe,. Sur cette figure, l'ordonnée représente la vitesse de la

vibration sismique z (en cm/s)- qui correspond à l'ampli-

tude d'oscillation maximum du sismographe ou le déplacement

du pendule de 1 mm au niveau de la position d'un trans-

formateur différentiel ou du convertisseur déplacement-

tension électrique, tandis que l'abscisse représente sa période. Les lignes en trait plein S et L représentent

une telle caractéristique pour le sismographe (S) à déplace-

ment brusque et du type à large bande de vitesse, et pour le sismographe (L) à sensibilité élevée et de longue période. Les lignes S' et L' en trait interrompu sur la

figure 5 représentent les mouvements sismiques qui cor-

respondent au déplacement du pendule de 10-6 mm des sismo-

graphes respectivement mentionnés ci-dessus. -

En plus des sismographes (S) et (L) mentionnés ci-dessus et utilisant les moyens pendulaires conformes à l'invention, la figure 5 représente également les plages

enregistrables d'autres sismographes conventionnels couram-

ment utilisés, tels que les sismographes à déplacement brusque de type accélérométrique (types SMAC, AR-240,

SSRZ), des sismographes à mouvement brusque du type à.

déplacement (types JAM-l, OOMORI), et des sismographes

à sensibilité élevée et à longue période (type WWSSN).

En outre, les plages de mouvement sismique pour les échel-

les d'intensité des tremblements de terre allant de la

classe I à la classe VI, conformément à l'agence météoro-

lique du ministère des transports japonais sont également

indiquées sur la figure 5.

Comme on peut le voir sur la figure 5, en ce qui concerne les composantes de longue période, de quelques secondes ou plus, de celles des secousses telluriques qui ont une intensité comprise dans la plage allant de

la classe IV à la classe.VI de l'échelle mentionnée ci-

dessus, les sismographes conventionnels à mouvement brusque et du type à déplacement sont tous hors d'échelle, tandis que les sismographes conventionnels à mouvement brusque et de type accélérométrique ont une faible précision de mesure. D'un autre côté, on peut s'attendre à ce que le sismographe (S) à mouvement brusque et du type à large bande de vitesse utilisant les moyens pendulaires de longue

période, à oscillations verticales et à suspension symé-

trique conformes à l'invention enregistre de telles compo-

santes de longue période des secousses telluriques avec une précision élevée. La limite inférieure L' de la plage mesurable par le sismographe (L) de haute sensibilité et à longue période utilisant les moyens pendulaires de longue période, à oscillations verticales et à suspension symétrique selon l'invention, comme représenté par la ligne en trait interrompu sur la figure 5, est sensiblement la même que la limiteinférieure de la plage mesurable des sismographes conventionnels à sensibilité élevée et

de longue période du type WWSSN, de sorte que le sismo-

graphe (L) s'est avéré être utilisable comme sismographe

de sensibilité élevée et à longue période. La limite supé-

rieure de la plage mesurable du sismographe (L) est bien plus élevée que celle des sismographes conventionnels de type WWSSN, de sorte que l'on peut s'attendre à ce que l'utilisation des moyens pendulaires de longue période à oscillations verticales et à suspension symétrique selon

l'invention trouve une très large gamme d'applications.

Comme déjà décrit dans ce qui précède, le point essentiel dans la réalisation des moyens pendulaires de longue période à oscillations verticales et à suspension symétrique selon l'invention réside dans le fait que deux pendules symétriques disposés horizontalement et reliés

l'un à l'autre par des fils métalliques flexibles se croi-

sant mutuellement sont suspendus d'une manière symétrique tandis que les parties inférieures des pendules sont

reliées l'une à l'autre par un ressort à boudin horizontal.

Deux effets remarquables sont obtenus par la réalisation

de l'invention. Premièrement, la connexion des deux pendul-

les par les fils métalliques flexibles se croisant' mutuel-

lement dans les moyens pendulaires conformes à l'inven-

tion, élimine l'influence des composantes non verticales des vibrations externes, alors que cette influence était inévitable dans les moyens pendulaires de longue période conventionnels constitués d'un unique pendule, de sorte que les moyens pendulaires de l'invention peuvent mesurer précisément et enregistrer précisément des composantes

de longue période de secousses sismiques importantes.

Deuxièmement, par comparaison avec la suspension conventionnelle de type Ewing de deux pendules reliés

par des fils métalliques flexibles se croisant mutuelle-

ment, la suspension symétrique selon l'invention permet de vérifier facilement la condition de longue période mentionnée ci-dessus, telle que la condition de l'équation (17), en réglant la position du centre de gravité des

pendules, de sorte que les moyens pendulaires de l'inven-

tion peuvent mesurer d'une manière stable les composantes de longue période des vibrations sismiques. De la sorte, la réponse de sismographes à des composantes de longue période de secousses telluriques peut être améliorée en utilisant les moyens pendulaires selon l'invention.

Avec les moyens pendulaires conformes à l'inven-

tion, il est possible de réaliser un tel sismographe pou-.

vant précisément mesurer et enregistrer non seulement les fortes secousses sismiques sur une bande de période suffisamment large, mais également les composantes faibles à longue période des secousses telluriques de tremblements

de terre de faible intensité. En particulier, l'améliora-

tion de la caractéristique de réponse aux composantes de longue période de secousses sismiques obtenue grâce à l'invention facilitera la réalisation de sismographes qui pourront précisément mesurer des secousses provenant de parties suffisamment distantes de la terre, de sorte que l'observation globale des tremblements de terre puisse

être entreprise à la place des sismographes de type WWSSN.

Bien que l'invention a été décrite avec un certain nombre de particularités, il doit être bien compris que

la présente description n'a été donnée qu'à titre d'exem-

ple seulement et que de nombreuses modifications de détail peuvent être apportées à la réalisation ainsi qu'à la combinaison et à l'agencement de parties du dispositif

décrit sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (1)

REVENDICATION

1. Dispositif pendulaire de longue période, à oscillations verticales, et à suspension symétrique,

caractérisé en ce qu'il comprend un socle (9), deux pendu-

les (1) identiques en forme de secteur, supportés par des ressorts (8) à lames croisées,- qui sont les axes de rotation (O), et s'étendant dudit socle (9) selon deux axes horizontalement alignés d'une manière latéralement symétrique de sorte que lesdits pendules (1) puissent osciller verticalement dans un plan sensiblement vertical et commun respectivement autour de leur axe, chacun desdits pendules (1) ayant une surface en forme de secteur dont le centre de courbure est situé sur ledit axe (O) de ce pendule, les surfaces en forme de secteur des deux pendules (1) étant disposées de manière à se faire face et étant reliées l'une à l'autre par des fils métalliques flexibles se croisant mutuellement (16,16'),chaque pendule (1) ayant un prolongement rigide (la) qui lui est solidaire de manière à s'étendre vers le bas, et une masse (2) montée mobile sur le pendule (1) correspondant, un ressort à boudin (10) reliant lesdits prolongements rigides (la) des deux pendules (1), des premiers moyens de réglage (3,4,4',5,6) montés sur lesdits pendules (1) de manière à régler la position du centre de gravité (M) de chaque pendule (1) en déplaçant ladite masse (2) de ce dernier, et des seconds moyens de réglage (11,12,13,14,15) montés sur lesdits prolongements (la) desdits pendules (1) de manière à régler la position dEs jonctions(A) dudit ressort

à boudin (10).