Акустика и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

Акустика как раздел физики

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
30 октября 2018, Санкт-Петербург

Моя встреча с акустикой (в 1973-м году) очень удачно совпала с началом моего увлечения методологией развития научного познания [1]. Надо признаться, что если бы я не получил на кафедре философии ЛГИ (ленинградского Горного института) задание на реферат по этой теме, то общение с акустикой тогда бы и закончилось.

Дело в том, что к тому времени акустика считалась областью знания, уже завершившей свое развитие. Такое мнение не соответствует утверждению философии, согласно которому познание бесконечно, и областей знания, завершивших свое развитие, просто не существует.

Из истории развития физики известно, что как только какая-то область знания объявляется закончившей свое развитие, обязательно возникают обстоятельства, которые показывают, что эта область знания требует полного пересмотра всех своих основ. Естественно, что мне, младшему научному сотруднику, только что завершившему обучение по специальности «общая радиотехника» в ЛВИМУ (Ленинградское высшее инженерное морское училище имени адмирала С. О. Макарова), и в страшном сне не могло привидеться, что этим пересмотром придется заниматься именно мне.

Летом 1973-го года штатного преподавателя курса шахтной геофизики, доцента кафедры радиоэлектроники ЛГИ срочно вызвали в Москву на 6-ти месячную переподготовку. До первого сентября оставалось совсем немного, а найти кого-нибудь, кто взял бы на один семестр этот курс, не удавалось. На кафедре радиоэлектроники было много ученых, которые в принципе могли бы справиться с этой задачей, но когда заходил разговор на эту тему, очередной уговариваемый произносил весьма для меня таинственную фразу: «Нет, там сейсморазведка, и я с этим связываться не буду».

Можно представить себе безвыходность ситуации, если этот курс предложили мне, молодому и неопытному. А ведь читать надо было 5-му курсу... В общем, я согласился. В конце концов, я до этого 6 лет занимался ремонтом и настройкой гидроакустической аппаратуры на кораблях Северного флота. Гидроакустика или сейсморазведка - какая разница, принцип один.

Первым делом я решил поставить лабораторные работы. Мне показалось странным, что по сейсморазведке не было ни одной лабораторной работы. Ни в ЛГИ, а также ни в одном ВУЗе России и за ее пределами. Ведь геофизика - это тоже физика, а физика - это совокупность физических эффектов. И без лабораторных работ, когда студенты могут пообщаться с этими эффектами, читать этот курс совершенно немыслимо. Мне же штатный преподаватель оставил в помощь свой конспект по этому курсу, который представлял собой сплошную математику. Да какую математику! Математику без всякого физического смысла. То есть, без ссылок на какие-либо измерения.

Насколько я понимаю, и согласно методологии, математика может оказаться только лишь подспорьем при описании практических измерений. Вот если бы была хотя бы одна исследовательская работа, можно было бы и математику применить. А так, на пустом месте, математически описывать мысленные эксперименты... Нет, так нельзя.

Строго говоря, условием применения математики в физике является наличие возможности метрологически корректного определения граничных условий используемых уравнений. Но таких возможностей в акустике не существует.

Итак, двигаясь от простого к сложному, я решил начать с постановки простейшей лабораторной работы, с помощью которой можно было бы показать экспериментально, что скорость распространения поля упругих колебаний в однородном материале во всех точках одинакова. Это одно из фундаментальных утверждений сейсморазведки. Здесь всё представлялось предельно простым.

Были заказаны стеклянные образцы из одного куска стекла. Образцы имели вид пластин с размерами 40 на 60мм, различной толщины h. От 2 до 20мм. Сомнений в том, что скорость распространения поля упругих колебаний V при прозвучивании этих пластин будет неизменна, не было. А если это так, то определяемая путем прозвучивания этих образцов скорость не должна зависеть от толщины этих пластин. Меня все отговаривали от постановки этой лабораторной работы. Зачем, дескать, проверять то, что и так понятно?

Как известно, измерить скорость невозможно. Ее можно только вычислить на основании измерений протяженности (в данном случае, толщины) объекта l (в данном случае, h) и времени пробега t, которое определяется путем регистрации момента первого вступления. Поделив l на t, получим среднюю по толщине образца h скорость распространения фронта в объеме модели. Это прямой метод, который является аналогом определения скорости V бегуна (велосипедиста, автомобиля etc).

Предполагалось, что зависимость V от h будет подобна зависимости 1 на рис.1.

Так вот, как оказалось, зависимость скорости V от толщины прозвучиваемого образца из стекла, которое представляется как идеально однородная среда, зависит от h (!) и имеет вид, приведенный на рис.1 графиком 2.

Предполагалось, что зависимость V от h будет подобна зависимости 1 на рис.1. Но оказалось, зависимость скорости V от толщины прозвучиваемого образца из стекла, которое представляется как идеально однородная среда, зависит от h (!) и имеет вид, приведенный на рис.1 графиком 2.
Рис. 1

Здесь минимальная V2 равна примерно 4000м/с, а максимальная - 6000м/с.

Примерно такая же зависимость получается, если взять подобные образцы из стали, дюралюминия, бронзы, а также из горных пород. А вот в оргстекле скорость V оказалась постоянной. То есть, для точно таких же пластин из оргстекла зависимость V(h) будет иметь вид графика 1. Результат, конечно, интересный, но дать такую лабораторную работу студентам я не мог, потому что и сам не понимал, как такое может быть.

С 1973-го по 1977-ой годы я продолжал делать многочисленные попытки, чтобы оснастить курс лабораторными работами, с помощью которых можно было бы проиллюстрировать свойства поля упругих колебаний при использовании его в сейсморазведке. Некоторые лабораторные установки были собраны, но результаты исследований, которые получались на этих установках, шли вразрез с положениями сейсморазведки.

Пока я экспериментировал только с образцами из стекла, приходившие в лабораторию специалисты утверждали, что мои измерения метрологически некорректны. Они ссылались на то, что не выдержано правильное соотношение между размерами образца и величиной длины волны. Однако когда измерения стали производиться одновременно на стекле и на оргстекле, аргумент о некорректности измерений отпал.

И какие бы я лабораторные работы ни пытался поставить, ни одна из них не подтверждала фундаментальные положения сейсморазведки.

В общем, время шло, а у студентов по этому курсу лабораторных работ, подтверждающих принципы сейсморазведки, так и не было. Потому что то, что у меня получалось (на моделях из стекла), никак не подтверждало идею сейсморазведки. В этом состоянии я находился до 1977-го года, когда кафедра радиоэлектроники была расформирована, и меня перевели на Горный факультет, на кафедру разработки пластовых месторождений (РПМ).

Курс мой (по шахтной геофизике) остался при мне, а новый мой шеф, зав. лабораторией на кафедре РПМ, Овчаренко Б.П., узнав, что именно я читаю студентам, дал мне задание сделать аппаратуру для определения затухания звука в горных породах, залегающих в кровле подземных выработок. Идея этого задания заключалась в следующем.

Как известно, наибольшая опасность для шахтеров во всем Мире заключается в том, что время от времени происходит обрушение пород кровли горных выработок, и при этом травмируются и погибают люди, находящиеся в этих горных выработках. Эти обрушения происходят внезапно, и все попытки найти способ прогнозирования обрушений терпели неудачи. По замыслу БП (как мы его называли), вероятность обрушения пород кровли должна быть связана со степенью трещиноватости этих пород. Нетрещиноватые породы, по идее, не должны обрушаться. А трещиноватость эта должна быть связана, также по идее, с затуханием поля упругих колебаний, распространяющихся в кровле. И, значит, измерения затухания звука в породах кровли должны вывести на прогноз их обрушения.

На первый взгляд, эта гипотеза имела смысл, и я сделал требуемую аппаратуру. Ну, как это часто бывает, при реализации идеи, кажущейся на первый взгляд простой, возникают совершенно неожиданные трудности и неясности. Так и здесь получилось. Чтобы определять затухание, нужно иметь генератор зондирующего сигнала, имеющий какую-то частоту. А какова должна быть эта частота, было непонятно.

В литературе по этой области знания не было (и до сих пор нет) никаких конкретных параметров поля упругих колебаний. О том, что затухание поля увеличивается с увеличением его частоты, было всегда понятно (на уровне очевидности). А как на самом деле? Какую частоту считать низкой, а какую высокой? Усилительный канал сейсмостанций имеет фильтры, не пропускающие сигналы с частотой выше одного килогерца. Считается, что более высокочастотные сигнала в горных породах просто не распространяются. Но исследований на эту тему я не встречал. То есть, решение о фильтрации оказалось принятым опять же только на основании очевидности.

Здесь очень важно понимать, что то, что нам кажется очевидным, далеко не всегда является соответствующим действительности. Примеров тому сколько угодно. И в строении вселенной, и в законах физики. Собственно, сам процесс познания и заключается в том, чтобы постоянно, в каждой области знания переходить от очевидностей к знаниям, основанным на метрологически корректных измерениях.

Итак, я сделал генератор синусоидальных сигналов с изменяющейся частотой в диапазоне 20Гц ÷ 20КГц. Естественно, в шахтном исполнении. Разбив этот диапазон на 60 поддиапазонов, я в процессе первого своего шахтного исследования определял затухание поля упругих колебаний на каждой из этих частот. Так что одно измерение осуществлялось на всех 60 частотах по очереди при постоянном напряжении на выходе генератора, и при неподвижных излучателе и приемнике. Таким образом, оказалось возможным определять частотную зависимость затухания.

По своей сути, на самом деле, отношение сигнала на некотором расстоянии от излучателя к сигналу в точке излучения является проходной характеристикой тракта, в который входит излучатель (пьезокерамический), участок пород кровли, и приемник (в точности тождественный излучателю).

Опять же, на уровне очевидности, предполагалось, что характер зависимости проходной характеристики будет иметь вид, по характеру подобный графику а) на рис.3. Ну, потому что должно же затухание увеличиваться с частотой!

Но на самом деле, в результате измерений оказалось, что характер проходной характеристики этого тракта геометрически подобен графику b на рис.2., где Imax - максимальная амплитуда сигнала, I - амплитуда сигнала на каждой частоте, f0 - собственная частота породного слоя-резонатора.

Вот здесь начинается самое, пожалуй, главное во всей этой истории. Потому что если частотная зависимость проходной характеристики любого тракта, любого устройства, любой схемы имеет характер, приведенной на рис.2, то это значит, что этот объект является колебательной системой.

Частотная зависимость проходной характеристики, имеющая форму, геометрически подобную графику b, приведенному на рис.2, является спектральным изображением затухающей синусоиды.
Рис. 2

В прошлом веке студентам, которые учились на радиотехнических факультетах, читали раздел математики, который описывает спектрально-временные преобразования. Согласно этому разделу математики [2] частотная зависимость проходной характеристики, имеющая форму, геометрически подобную графику b, приведенному на рис.2, является спектральным изображением затухающей синусоиды.

С другой стороны, если некий объект реагирует на ударное воздействие затухающей синусоидой, то этот объект является колебательной системой или, иначе говоря, резонатором.

Но если это так, то рассматривать прохождение звука через резонатор так, как мы рассматриваем прохождение звука в воздухе или в воде, неправомерно. При падении поля упругих колебаний на резонатор сам этот сигнал исчезает, преобразуясь в затухающий синусоидальный сигнал. Как, например, в музыкальных инструментах. При ударе по струнам сам удар ведь не слышен, а слышна только сама нота, возникающая в результате удара.

На рис.3 показаны временное и спектральное изображения затухающего синусоидального сигнала. Эти два изображения являются как бы синонимами друг другу и содержат одинаковую информацию.

Приведенное на рис.3b спектральное изображение затухающей синусоиды имеет две оси абсцисс, связанные друг с другом обратно пропорциональной зависимостью:

h = k / f      (1)

Это значит, что слой-резонатор толщиной h при ударном на него воздействии реагирует гармоническим затухающим сигналом с частотой f0. Или, иначе говоря, если при ударном воздействии на резонатор возникает сигнал с частотой f0, значит, он имеет толщину, равную h.

Здесь коэффициент k имеет размерность скорости и характеризует скорость звука в изучаемой среде и равен половине скорости распространения фронта упругих колебаний. Для горных пород k с погрешностью, не превышающей 10%, равен 2500м/с. Для меня было полной неожиданностью то, что для всех горных пород величина k одна и та же. Ну что же, если при многократных измерениях в различных геологических условиях величина V имеет примерно одинаковое значение, значит, с этим придется смириться несмотря на данные, приводимые в справочниках.

Таким образом, имея частотный спектр сигнала, возникающего в результате ударного воздействия на земную толщу, можно изучать залегающие в земной толще структуры, о которых раньше просто ничего не было известно. Ни об их существовании, ни, тем более, об их размерах.

На рис.3 показаны временное и спектральное изображения затухающего синусоидального сигнала. Эти два изображения являются как бы синонимами друг другу и содержат одинаковую информацию.
Рис. 3

Я на собственном опыте ощутил, что знания - как и живые существа, рождаются, развиваются и умирают. Сегодня колебательные контура и вообще колебательные системы стали для людей тайной за семью печатями. Мне за те 40 лет, что пролетели с тех пор, как я обнаружил упругую колебательную систему (УКС), не удалось найти ни одного человека, который знал бы, что такое колебательная система. За исключением тех, кто в прошлом веке изучал радиотехнику.

И когда я говорю, что земная толща, и наша планета в целом, по акустическим свойствам является совокупностью не отражающих границ (как утверждает сейсморазведка), а колебательных систем, то люди не понимают, хорошо это или плохо. Они не понимают, что сам этот факт означает необходимость создания аппаратуры, реализующей соотношение (1), то есть, аппаратуры спектральной сейсморазведки. И кроме того, это хорошо объясняет, почему лучевая традиционная сейсморазведка не дает вообще никакой информации. Да потому что она в целом является научным заблуждением.

Колебательная система в любой области физики имеет отдельное применение. Так, колебательные системы незаменимы при изготовлении музыкальных инструментов. Не исключаю, что изготовители музыкальных инструментов не знают физических законов, согласно которым их изделия создают звуки различных частот. Они их нащупали за время развития нашей цивилизации, и очень эффективно используют.

В радиотехнике L-C контур используется для создания частотно-избирательных устройств. Открытие электрических колебательных систем (L-C контуров) привело к созданию радиотехники, электродинамики, и мы обязаны этим устройствам существованием всего, без чего не можем обходиться. Это телевидение, телефония и т.п.

А какой смысл в открытии УКС, можно понять из рис.3. В простейшем случае, с помощью свойств колебательной системы стало возможно определение строения и размеров скрытых от наших глаз объектов типа структур, залегающих в геологических массивах. Так, жизнь шахтеров зависит от строения горного массива, находящегося над их головами. И именно с этого мы начали освоение обнаруженных свойств колебательных систем в виде породных слоев. Созданная еще в 1977-м году аппаратура, известная под названием «Резонанс» спасла немало шахтерских жизней. С помощью «Резонанса» можно было определять толщину (мощность) породного слоя, залегающего над головами шахтеров. Так, при толщине этих пород, равной, скажем, 5 или более метров и монолитности, беспокоиться не о чем. Такая кровля никогда не рухнет. А вот если такой породный слой в каком-то месте подземной выработки оказался расслоенным, то в этом месте горную выработку следует подкрепить. Именно этим мы и занимались (определением строения кровли) первые 16 лет после обнаружения УКС.

Общим для колебательных систем любого типа свойством является возможность возникновения резонансных явлений. Прежде всего, человечество познакомилось с резонансом при пресловутом разрушении мостов в результате прохождении по ним военных людей («в ногу»). Но само по себе это знакомство не привело к пониманию физики резонанса.

Резонансное явление возникает в том случае, если на колебательную систему воздействует вибрация, частота которой близка к собственной частоте колебательной системы. При этом возникает плавный рост амплитуды вибрации. Для того, чтобы возник резонанс, необходимо иметь колебательную систему. Или, иначе говоря, если вдруг начинает расти амплитуда вибрации вибрирующего устройства, значит, существует колебательная система.

Здесь количественным параметром колебательных систем является их добротность Q, которая показывает, во сколько раз может возрасти амплитуда колебаний при наступлении резонанса. Так, при аварии на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009-м году амплитуда вибрации опор в машинном зале возросла в 600 раз. Это показал самописец, находящийся в машинном зале. Это значит, что добротность колебательной системы, виновной в этой аварии, была не меньше 600.

То есть при определенной скорости вращения турбины частота вибрации совпала с собственной частотой колебательной системы, роль которой исполнял породный слой, который служил основанием этой турбины, и начала расти амплитуда этих колебаний. Но современные физики (и геофизики) стоят на том, что колебательных систем в земной толще нет. И они настолько уверены в этом, что даже пошли на фальсификацию показаний самописца, который фиксировал амплитуду колебаний [3], сократив эти показания с 600 до 1,5.

Как оказалось, свойствами колебательных систем (резонаторов) обладают не только горные породы, но и объекты из почти всех твердых сред. Стекло, металлы и сплавы, керамика, лед ... А нерезонаторы - объекты из оргстекла и многих пластиков. Мы с этим феноменом встречаемся ежедневно. Если постучать, скажем, карандашом по стеклянной или металлической посуде, услышим звон. Так звучит затухающий синусоидальный процесс. Задумайтесь: ведь это не вы легким постукиванием создаете этот звон. Вы его только инициируете. Создает его резонатор, которым является ваша посуда.

А объекты из пластика при постукивании не звенят. То есть, там слышен только сам удар. Тогда как при ударе по резонатору сам удар не слышен, а слышен только звон.

Занимаясь первую половину жизни радиотехникой, я вижу, сколько общего между радиотехникой и акустикой. Это касается и истории их развития и целого ряда их физических эффектов.

Обе области знания пережили свою смену парадигмы в связи с обнаружением колебательной системы. Лорд Кельвин в 70-х годах XIX века обнаружил колебательную систему в виде колебательного L-C контура. С тех пор электротехника стала называться электродинамикой. А акустика начала свою новую жизнь в связи с тем, что спустя примерно 100 лет после этого была обнаружена упругая колебательная система (УКС).

У них (у электродинамики и акустики) есть даже общий родственник. Так, практически во всех радиоэлектронных изделиях важнейшим элементом являются кварцы. А ведь кварц, будучи источником стабильного по частоте электрического напряжения, является акустическим резонатором и одновременно обладает пьезоэффектом, который позволяет эти свойства увидеть с помощью осциллографа.

На протяжении данного повествования нетрудно заметить противостояние того, что воспринимается на уровне очевидности и того, что получено в результате эксперимента. Дело в том, что если предмет относится к физике, то в нем не должно быть ничего, что воспринималось бы на уровне очевидности, и при этом не было бы доказано экспериментально. Очевидность без доказательства - это гипотеза. Однако так сложилось, что сейсморазведка (лучевая сейсморазведка) возникла и существует исключительно на уровне очевидности и ни одно ее положение не может быть доказано экспериментально.

Методологи часто цитируют Ньютона, когда он говорил, что гипотез он не изобретает. Скорее всего, это не точный перевод, так как гипотезы - это строительные леса для возведения здания теории, и без гипотез в науке жить нельзя. Но вот относиться к недоказанной экспериментально гипотезе как к теории будет неправильно.

Это понимал и основоположник сейсморазведки математик Пуассон. Однако к провозглашенным им продольным и поперечным упругим волнам, существование  которых является гипотетическим, поскольку выделить их невозможно, во всем Мире относятся как к реальности. К ним прибавилось еще множество других типов упругих колебаний, которые точно так же не могут быть выявлены, но зато оказывают помощь при необходимости подогнать сейсморазрез к реальному строению земной толщи, полученному с помощью разведочного бурения. То есть, являются элементами наукообразия.

Ситуацию с полем упругих колебаний вообще и с акустикой в частности мне разъяснили ученые ВНИИМа им. Менделеева. И оказалось, что эта область знания даже не входит в компетенцию метрологических служб.

Эта область знания не имеет собственного эталона в Палате Мер и Весов.

Поскольку измерение - это сравнение с эталоном, измерения в принципе невозможны. Далее, ни один из существующих сейсмоприемников не является датчиком какого-либо параметра этого поля. Такое положение дел является залогом того, что сейсморазведка в принципе не может дать никакой объективной информации, что на самом деле мы и видим. Ни один сейсморазведчик в Мире не согласится делать сейсмику, если ему не предоставить паспорт скважины, пробуренной в данном месте.

Обнаружение упругих колебательных систем - это первое движение к тому, чтобы акустики нашли общий язык с метрологами.

Для того, чтобы акустика стала полноценным разделом физики, из ее арсенала следует убрать все физические эффекты, которые существуют исключительно по причине их очевидности и экспериментально не выявлены. Результаты эксперимента можно не понимать (что, как мы видели выше, не редкость), но один несложный метрологически корректный эксперимент стоит гораздо больше, чем целые тома, содержащие непроверенную экспериментами информацию, даже если она получена с помощью математики.

График 2, изображенный на рис.1 , объясняется тем, что в материалах, объекты из которого являются резонаторами, скорость распространения фронта упругих колебаний уменьшается при приближении фронта к граница объекта. Подробнее это явление описывается в моих книгах, которые висят на нашем сайте [4].

Переход от акустики, аппарат которой основан на очевидностях, к законам физики, основанным на экспериментальных данных, означает переход от одной парадигмы к другой. Этот переход всегда происходит с большими трудностями и, как показывает история развития физики, он длится примерно 50 лет. Так что не так уж много времени осталось до того времени, когда акустика уверенно войдет в физику.

Литература.

  1. Кун Т. Структура научных революций. Перевод с англ. яз. И. З. Налётова. М., 1975.
  2. Харкевич А.А. Спектры и анализ. 4-е издание. — М.: Физматгиз, 1962. — 236 с.
  3. www.youtube.com/watch?v=gIdoscBQdWc
  4. www.newgeophys.spb.ru


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"

Реклама на сайте: