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

Другая акустика

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
13 июля 2017, Санкт-Петербург

XIX столетие - век становления наук об электричестве. Примерно до 70-го года электричество рассматривалось как явления, возникающие при протекании постоянного тока. Были открыты законы Ампера, Ома, Кирхгофа, и создалось впечатление, что наука об электричестве завершила свое развитие.

Я думаю, что нет таких наук, которые бы не переживали момент, когда их развитие кажется завершенным. Как правило, после этого возникает рывок в их развитии, как бы напоминающий, что познание бесконечно, и нет такой области знания, где было бы возможно завершение ее изучения.

Как бы в подтверждение этого, в 70-х годах XIX столетия лорд Кельвин (Уильям Томсон) сделал важнейшее для развития человечества открытие в области электричества. Он открыл колебательный контур. В простейшем варианте, колебательный контур - электрическая колебательная система, которая представляет собой устройство, включающее в себя электрический конденсатор С и катушку индуктивности L. Конденсатор и катушка индуктивности (электромагнит) к тому времени были уже хорошо известны, и кто бы мог подумать, что простое соединение их приведет к смене парадигмы в науке об электричестве и даст такой толчок развития нашей цивилизации. При подаче на L-C колебательный контур короткого электрического импульса, на этом контуре возникает затухающий синусоидальный сигнал, что, как раз, и является признаком любой колебательной системы.

Дело в том, что синусоидальный сигнал является единственным по форме сигналом, который не может быть получен интерференцией. Единственным источником, позволяющим получать такой сигнал, является колебательная система.

Как и всякая колебательная система, L-C колебательный контур обладает собственной частотой f0. Собственная частота L-C контура определяется следующим соотношением:

Собственная частота L-C контура определяется следующим соотношением     (1)

Открытие колебательного контура привело к созданию радиосвязи и телевидения, без которых мы не мыслим своего существования.

Начиная с этого момента началась эпоха переменного тока, то есть другого электричества или, иначе говоря, электродинамики, в которую электричество постоянного тока входит как маленькая область знания, как частный случай.

В 1977 году, примерно сто лет спустя после открытия колебательного контура произошла примерно такая же история в акустике. Был обнаружен еще один тип колебательной системы - упругая колебательная система (УКС). Первым представителем УКС оказался породный слой, залегающий над угольным пластом и являющийся кровлей подземной выработки. Измерения проводились в условиях угольной шахты. Назначением измерений, которые привели к обнаружению УКС, были поиски признаков очень грозного явления - внезапного обрушения пород, залегающих в кровле угольного пласта.

При проведении измерений выяснилось, что на ударное воздействие породный слой реагирует затухающим синусоидальным сигналом, что, как уже говорилось, является признаком того, что породный слой проявляет свойство колебательной системы. При этом собственная частота этого сигнала f0 оказалась связанной с толщиной h породного слоя следующим образом:

f0 = k / h     или     h = k / f0     (2),

где k - коэффициент с размерностью скорости. k оказался равным 2500 м/с для всех горных пород.

Никто никогда не мог даже подумать, что породный слой может обладать свойствами колебательной системы. И уж тем более никто не подозревал, что УКС так сильно увеличит наши представления о земной толще.

Обнаружение УКС и соотношения (2) позволяет неразрушающим способом определять толщину породного слоя, что оказалось ключевой информацией при разработке методики прогнозирования устойчивости кровли подземных выработок.

Существование колебательной системы любого типа предполагает возможность явления, известного как резонанс. Резонанс возникает в том случае, если есть колебательная система, и на нее действует переменный сигнал, частота которого близка к собственной частоте колебательной системы. При этом амплитуда сигнала начинает плавно возрастать, достигая величины, во много раз большей, чем исходная амплитуда переменного воздействия.

По внешнему проявлению, резонанс выглядит весьма экзотично. Так, разрушение мостов под воздействием движения маршевым шагом подразделения военнослужащих воспринимается как нечто невозможное. В самом деле, когда несколько десятков военнослужащих разрушают многотысячетонный мост - это выбивается из привычных представлений. И запрет на переход моста маршевым шагом возник не потому, что механизм разрушения моста был осознан, а исключительно как результат опыта.

Электричество - это первая область знания, где физика резонансного разрушения была изучена. Резонанс в электрических цепях может возникнуть следующим образом. С тех пор, как все перешли на переменный ток, напряжение от электростанции идет по высоковольтным ЛЭП, а около потребителей снижается до стандартного уровня (127 или 220 Вольт). Для этого служат трансформаторные подстанции. Было замечено, что качество синусоиды и КПД трансформаторных подстанций возрастают, если обмотки трансформаторов шунтировать конденсаторами. Но ведь это же получается L-C контур! И вот если собственная частота этого контура приближается к промышленной частоте (50 или 60Гц), начинался рост напряжения, снимаемого с трансформатора.

Электрическое напряжение, которое мы подаем на контур, на резонансе возрастает во столько раз, чему равна добротность контура Q.

Q - параметр колебательной системы, который показывает, насколько быстро спадает амплитуда синусоидального затухающего напряжения на контуре, возбуждаемом импульсом. Для контуров среднего качества Q =100÷200. Значит, во столько же раз может возрасти напряжение, снимаемое с трансформатора. То есть, в розетки будет поступать не 220 вольт, а 20÷40 килоВольт. В результате чего пожар в доме у этого несчастного потребителя неизбежен.

В общем, лет за 40 контура были освоены достаточно, чтобы избегать аварий, связанных с их эксплуатацией. Этому способствовало то, что физика их исследовалась с самого момента их открытия всеми учеными передовых стран. А это, в свою очередь, было возможно потому, что уже на ранней стадии изучения электричества была создана метрологическая основа для этого. А именно, эталоны всех электрических параметров и соответствующие датчики.

Добротность УКС, залегающих в виде геологических структур в земной толще, находится в пределах 10÷200 и даже больше. Во всяком случае, амплитуда вибрации к моменту аварии на Саяно-Шушенской ГЭС согласно данным самописца, находящегося в машинном зале, возросла в 600 (!!) раз. Понятно, что при такой вибрации сорвет со стопоров всё что угодно.

Аварийность, вызванная залегающими в Земле УКС, объясняется тем, что большинство энергетических установок работает в режиме вибрации (электростанции, насосные станции, железные дороги). Все они находятся в группе риска, поскольку велика вероятность совпадения частоты их вибрации с собственной частотой УКС, залегающих в земной толще там, где они находятся.

Ну что же, казалось бы, поскольку физика аварий, обусловленных залегающими в Земле УКС, более или менее понятна, то можно было бы ожидать уменьшения аварийности на объектах, находящихся в группе риска. Однако этого не происходит. Аварийность не уменьшается, и, насколько мне известно, никто из ученых не стремится подхватить направление в физике, изучающее УКС. Почему же так происходит?

Дело в том, что акустическое поле (поле упругих колебаний), возникающее в совокупности колебательных систем, не подчиняется тем же законам, что привычная акустика, описываемая во всех учебниках. Так, при ультразвуковом прозвучивании любого образца, согласно этим учебникам, всё должно происходить так же, как при просвечивании прозрачных сред. Прохождение, отражение, угол полного внутреннего отражения... И так действительно происходит, но только в очень ограниченном количестве сред. К ним относятся оргстекло и еще некоторые пластики. А в стекле, металлах и сплавах, в горных породах (одним словом, в средах, объекты из которых являются резонаторами) падающий на образец поток поля упругих колебаний частично преобразуется в его собственное поле упругих колебаний, направление распространения которого изменяется в пространстве относительно падающего потока на 90°. То есть, появляется тангенциальная составляющая поля [1].

При нормальном (перпендикулярном) прозвучивании стеклянной пластины часть поля переориентируется в пространстве на 90° и идет вдоль пластины, частично выходя из нее через торцы, а частично, отражаясь от них. Если привычное для всех поле упругих колебаний создается излучателем, то собственное поле образца-резонатора излучателем только инициируется, а создается специфическими свойствами самого образца. Если бы речь шла об электромагнитном поле, то мы бы сказали, что электропроводность образца имеет мнимую составляющую. Для поля упругих колебаний понятием мнимости оперировать нельзя, так как для этого нет метрологической базы. Структура поля упругих колебаний, к сожалению, не может быть исследована с помощью аппаратуры, поскольку такой аппаратуры просто нет.

Для удобства повествования при чтении лекций студентам мне показалось удобным все звукопроводящие среды по акустическим свойствам разделить на группу стекла и группу оргстекла. Объекты из материалов ряда оргстекла резонаторами не являются, и их акустические свойства могут рассматриваться с общепринятых позиций, но вне лаборатории обеспечить такие условия крайне сложно, так как, как правило, все объекты становятся резонаторами за счет акустического контакта с объектами-резонаторами.

Акустические свойства объектов-резонаторов оказались весьма неожиданными. Так, оказалось, что в длинномерных объектах-резонаторах (т.е. из материалов группы стекла) поле упругих колебаний затухает крайне медленно, и (как, например, в водяных слоях-резонаторах [2]) распространяется с минимальным затуханием на тысячи километров. Так же точно, как в земной толще, когда распространение поля упругих колебаний при ударном воздействии на земную толщу происходит вдоль породных слоев.

В земной толще залегают исключительно геологические объекты-резонаторы, и распространяется исключительно то поле, которое является собственным полем этих объектов. Это доказывается тем, что все сейсмосигналы имеют вид затухающих синусоидальных сигналов. И других сейсмосигналов не существует.

Переориентация этого поля в пространстве искажает всю картину, столь привычную и знакомую из учебников по сейсморазведке. По этой причине, если и приходит эхо-сигнал при ударном воздействии на земную толщу, то приходит он не с ожидаемой стороны, то есть, не снизу, из глубины земной толщи, а сбоку. Понятно, что если при интерпретации результатов сейсморабот предполагается, что эхо-сигналы приходят снизу, и на этом стоят все принципы интерпретации, а они приходят сбоку, то сейсморазрез никак не может соответствовать реальному разрезу.

Поле упругих колебаний, возникающее при наличии объектов-резонаторов, подчиняется совершенно другими законам. То есть, имеет место другая акустика. Оба типа поля упругих колебаний можно рассмотреть отдельно, при наблюдении эффекта акустического резонансного поглощения (АРП).

Первый раз я встретился с наличием двух типов упругих колебаний очень давно, когда ставил лабораторную работу, позволяющую сравнивать звукопроводящие свойства пластины из стекла и оргстекла. На рис.1 показана схема этой лабораторной работы.

Первый раз я встретился с наличием двух типов упругих колебаний очень давно, когда ставил лабораторную работу, позволяющую сравнивать звукопроводящие свойства пластины из стекла и оргстекла. На рис.1 показана схема этой лабораторной работы.
Рис. 1

Модель - лист из стекла или оргстекла, толщиной 2 см и размерами 1 м на 1 м. измерения производятся на середине листа, чтобы можно было отстраиваться от отражений на границах. Измерение заключается в том, что в точке И осуществляется ударное воздействие. Самый удобный метод - это падение стального шарика диаметром 2мм (от шарикоподшипника). Приемники П - это, на самом деле, один сейсмоприемник на базе пьезокерамики, который после каждого удара перемещается по оси l.

Результаты измерения показаны на рис.2.

Результаты измерения показаны на рис.2
Рис. 2

График а показывает зависимость амплитуды ЭДС, снимаемой с пьезокерамического приемника, перемещаемого по листу из оргстекла. График b - то же самое, но при измерениях на стеклянном листе.

При проведении измерений на оргстекле всё полностью соответствует классическим представлениям. Сначала, при малых значениях l, когда расстояние от излучателя меньше толщины пластины h, фронт упругой волны имеет сферическую форму. Затем, при l>h, фронт волны становится цилиндрическим (h - высота цилиндра), и площадь цилиндрической волны увеличивается с увеличением l медленнее, чем площадь фронта сферической волны. Следовательно, при l>h скорость убывания амплитуды сигнала с увеличением расстоянием l уменьшается. На расстоянии l, равном 2÷3 h, амплитуда сигнала уменьшается до уровня помех.

Но вот при проведении измерений на стекле, когда зависимость амплитуды от l приобретает вид графика b, объяснить его долгое время казалось невозможным.

Это была самая популярная лабораторная работа. Во-первых, она очень проста в исполнении. А во-вторых, таких результатов просто не может быть. Не может быть, чтобы при удалении от источника сигнал не уменьшался, а на некотором отрезке l увеличивался. Также не может быть, чтобы при дальнейшем увеличении l сигнал практически не уменьшался. Поэтому самые дотошные из студентов приходили после окончания занятий, приводили своих знакомых, которые уверяли их, что этого не может быть, и перепроверяли эти результаты с пристрастием.

Надо сказать, что и я этого не понимал. Но мало ли что мы не понимаем. Если результаты измерений повторяются, и если измерения метрологически корректны, то наша обязанность их просто принять. Мы ведь очень многого не понимаем из того, что мы используем

И только сейчас стало понятно, почему график b на рис.2 имеет такой вид. Происходит следующее. При ударном воздействии на слой-резонатор возникают два вида поля упругих колебаний. Один вид - такой же, как при ударном воздействии на слой-нерезонатор. А второй - это колебательный процесс, который является затухающим гармоническим сигналом. Вид этого сигнала показан на рис.3.

Первый раз я встретился с наличием двух типов упругих колебаний очень давно, когда ставил лабораторную работу, позволяющую сравнивать звукопроводящие свойства пластины из стекла и оргстекла. На рис.1 показана схема этой лабораторной работы.
Рис. 1

Если суммировать зависимость а на рис.2 с процессом, изображенным на рис.3, то получим зависимость b, приведенную на рис.2. И всего-то понадобилось каких-то 40 с лишним лет, чтобы это понять.

Я отсчитываю начало развития «другой» акустики от лета 1977-го года, когда в результате исследования частотной характеристики затухания поля упругих колебаний в породном слое, залегающим над угольным пластом, было обнаружено, что этот породный слой проявляяет свойства колебательной системы. Здесь неизбежен вопрос - как могло получиться, что такое яркое явление оставалось незамеченным с самого начала ХХ века, то есть с тех пор как были осуществлены первые сейсморазведочные работы. Причина оказалась в сейсмоприемниках.

Все сейсмосигналы имеют вид затухающих синусоид или совокупности затухающих синусоид. Но чтобы это увидеть, нужно иметь сейсмоприемник, который не искажает частотный спектр сейсмосигналов. А для этого нужно, чтобы сейсмоприемник не имел в своем составе ни одной собственной колебательной системы.

Но так сложилось, что так называемая теория сейсмоприемников пошла с самого начала по не совсем верному пути. Согласно основам этой теории, если частотная характеристика сейсмоприемника такова, что собственные частоты сейсмоприемника далеко отстоят на оси частот от рабочего диапазона сейсмоприемника, то сейсмоприемник можно считать широкополосным, и он не искажает спектральный состав сейсмосигнала.

На самом деле, для того, чтобы сейсмоприемник не искажал сейсмосигналы, он не должен иметь ни одной собственной частоты. В случае, если в состав сейсмоприемника входит хотя бы одна колебательная система, то сейсмосигнал, регистрируемый таким сейсмоприемником, возбудит эту колебательную систему, и параметры электрического сигнала, снимаемого с сейсмоприемника, будет определяться в первую очередь параметрами входящей в сейсмоприемник колебательной системы.

Проверка на широкополосность очень простая, и заключается она в следующем. По рабочей поверхности сейсмоприемника следует нанести короткий удар. Это может быть результат от падения маленького стального шарика. Сейсмоприемник при этом должен быть подключен к цифровому осциллографу.

Если проделать это с любым из существующих сейсмоприемников, то на экране осциллографа можно увидеть затухающий колебательный процесс. Может быть, это будет одна затухающая синусоида, а может быть, несколько. Но в любом случае, это означает, что сейсмоприемник содержит одну или несколько колебательных систем.

Если сейсмоприемник в своем составе не имеет ни одной колебательной системы, то в результате ударного воздействия реакция будет представлять собой единичный короткий всплеск.

Использование по-настоящему широкополосного сейсмоприемника позволило получать с помощью поля упругих колебаний информацию, которую нельзя получить с помощью других методов. При условии отсутствия искажения сейсмосигналов удалось на основании выражения (2) разработать другую, альтернативную сейсморазведку. Имя ей - сейсморазведка спектральная. Или, что больше соответствует технологии ее осуществления, спектрально-сейсморазведочное профилирование (ССП).

Из наиболее интересных и значимых ее результатов является то, что с помощью ССП удалось обнаружить новый геологический объект - зоны тектонических нарушений (ЗТН) [3]. Изучение свойств ЗТН позволило решать задачи, жизненно важные для всех нас. Прогнозирование разного рода техногенных катастроф как наземных сооружений, так и подземных (шахт), а также карьеров и, наконец, разработка метода поисков родниковой воды и ряда других полезных ископаемых, что апробировано многолетней уже практикой.

В течение десяти последних лет проводится исследовательская работа, посвященная изучению причин, по которым различные научные организации отказываются принимать на вооружение фактически разработанную и доведенную до уровня практического применения работу. Причины оказались настолько интересными, что я посчитал возможным изложить их здесь.

Первая и чуть ли не основная причина заключается в том, что, как оказалось, знание по некоторым характеристикам является как бы живым организмом. Оно рождается, а по прошествии некоторого времени стареет и умирает. Так произошло с областью знания о колебательных системах. Родившись в эпоху лорда Кельвина, эта область знания достигла наибольшего расцвета в 50-х годах ХХ века, когда создавалась наука о колебательных контурах, когда буквально армии радиолюбителей занимались настройкой колебательных контуров...

К настоящему времени интерес к контурам утрачен. КВ и УКВ радиостанции стали цифровыми, как и телевидение. Частотно-избирательные цепи если и читают студентам, то в цифровом виде. И в результате, на сегодняшний день, люди просто не знают, что такое колебательные системы. И, естественоо, не понимают, что с того, что земная толща по акустическим характеристикам является совокупностью колебательных систем.

Следующая причина заключается в том, что разработчик этого направления не является иностранцем. Некоторые чиновники высшего уровня произносили вердикт на мои доклады как заклинание: «отечественные разработки даже не рассматриваются». Наши начальники - несчастные люди! Как можно управлять государством, людей которого считаешь настолько ничтожными, что есть уверенность в нашей неспособности разработать что-либо приличное?!

Уверенность в нашей ничтожности породила неписаный закон (который, как известно, исполняется более неукоснительно, чем писаные), который заключается в том, что ни в диссертациях, ни в статьях не должно быть ничего нового. В результате, люди просто боятся иметь собственные мысли. Украсть чужое и апробированное - вполне допустимое действо. Но вот создание чего-либо самостоятельно не допускается категорически.

Понимающие в этом люди советовали мне мистифицировать эту историю, и заявить, что эта разработка была мною украдена у какого-нибудь ученого с явно выраженной иностранной фамилией. Я бы и не возражал, но в наш век интернета подобная афера не пройдет.

Бывая довольно часто в заграничных командировках, я провел там немало семинаров, но то новое знание, которое я там предлагал, точно также не воспринималось. Причина та же. То, что разработано в России, воспринимать всерьез не следует, поскольку это наверняка обман. Надо сказать, что репутация наша во всем Мире просто ужасная.

И еще одна причина. Это страх перед результатами эксперимента. Дело в том, что метрологически корректно поставленный эксперимент - источник объективной информации. Но если результаты эксперимента не совпадают с общепризнанными положениями данной области знания, то произнесение вслух этих результатов может привести к большим неприятностям. Сколько талантливых людей похоронили свои научные находки, чтобы не быть непереизбранными, уволенными, недопущенными к защите...

Я общаюсь с очень интересными людьми, обладателями высоких научных степеней, и в разговоре с ними оказывается, что они придерживаются тех же взглядов, что и я. Однако в их публикациях мы этого не найдем. В публикациях ими излагаются исключительно общепризнанные мнения. Это результат страха того, что их уличат в отходе от генеральной линии официальной науки.

Вообще это ужасно. Наши ученые добровольно умирают при жизни. Подлаживаясь под мнение своего научного руководства, они добровольно теряют собственный голос, результаты собственной мысли. Квинтэссенция этого явления - требование отсутствия новизны в диссертациях. И человек, подчинившийся этому, навсегда теряет самостоятельность при занятиях наукой. Я имею основание утверждать, что подобная обстановка в научных организациях санкционирована сверху.

Хочется надеяться, что подобная атмосфера имеет место не во всех областях знания, но мне пока что ни разу не доводилось общаться с учеными, которые не испытывают подобного давления со стороны научного руководства. Для того, чтобы независимо от сложившейся обстановки полноценно заниматься научной работой наши ученые должны быть просто другими людьми.

Мне не страшно, что всё, что я сделал в акустике, не будет признано при моей жизни. Благодаря интернету, эти знания не умрут, и придет время, когда о непрогнозируемых техногенных катастрофах можно будет узнать только в научно-фантастических романах.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. Основы спектральной сейсморазведки. LAP LAMBERT Academic Publishing (2013-12-29 ) 232с., 2-5, с.51-55
  2. Гликман А.Г. Основы спектральной сейсморазведки. LAP LAMBERT Academic Publishing (2013-12-29 ) 232с., 3-3, с.94-97
  3. Гликман А.Г. Основы спектральной сейсморазведки. LAP LAMBERT Academic Publishing (2013-12-29 ) 232с., 5, с.115-147


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"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: