Путешествие по акустике

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

Как всегда, при первом знакомстве с предметом кажется, что всё там тривиально, всё уже изучено, и, собственно, изучать там уже нечего. Но довольно быстро, начиная вникать, понимаешь, что ничего не понимаешь, и основное желание на этом периоде – бросить всё и найти себе другое занятие. Состояние духа на втором этапе очень тяжелое, и длится оно годы. Завершается второй этап ощущением, что что-то, кажется, становится понятным, но непонятного ощутимо больше. И далее пребываешь в этом состоянии всю оставшуюся жизнь. Таков алгоритм постижения любой области знания.

Предмет, в котором я увяз 45 лет назад – акустика твердых сред. Входил я в него не плавно, изучая сначала азы, а с размаху, как всегда вхожу в воду. И ни больше, ни меньше, как в качестве преподавателя главной ветви этой части физики – сейсморазведки. Так получилось не по моей воле, а в силу обстоятельств. В 1973-м году штатному преподавателю пришлось уехать в Москву на полгода на переподготовку, а все находящиеся на кафедре ученые от преподавания этой дисциплины отказались. И вот, я, имевший до этого опыт общения с гидроакустическими приборами на кораблях Северного флота, посчитал, что этого опыта мне хватит для быстрого освоения принципов сейсморазведки, и принял предложение читать этот курс. Просмотрев существовавшие в библиотеке ЛГИ (ленинградского Горного института) источники информации по этой дисциплине, я не увидел никаких препятствий для того, чтобы начать готовиться к чтению лекций.

Первая проблема, которую я встретил, заключалась в отсутствии лабораторных работ в курсе сейсморазведки. Их не было ни в ЛГИ (на кафедре геофизики), ни в ЛГУ (СПб университете), и ни в каком-либо другом учебном или исследовательском заведении как нашей страны, так и других стран. Я такого даже представить себе не мог. А когда я обращался к ведущим ученым-сейсморазведчикам с просьбой поделиться со мной идеей какой-нибудь лабораторной работы, они  встречали эту просьбу с большим удивлением. Дескать, сам предмет сейсморазведки настолько прост и логичен, что не требует лабораторного изучения.

И действительно, как я в дальнейшем убедился, идея сейсморазведки настолько проста, что может быть придумана людьми, не имеющими вообще никакого образования. В самом деле, возникновение поля упругих колебаний, направленного вглубь земной толщи в результате ударного воздействия на нее, в силу своей очевидности не требует какого-либо доказательства. Точно так же не требует доказательства сам факт отражения этого (зондирующего) поля от находящихся в земной толще геологических объектов. То есть, налицо условия, предполагающие реализацию принципа локации, применяемого в гидролокации и радиолокации.

Так сложилось, что к моменту начала моей преподавательской деятельности у меня как-то сами собой образовались некоторые увлечения, которые потом многократно и всю жизнь мне помогали и помогают. Во-первых, это история развития физики. Разбирая заблуждения и находки предыдущих поколений ученых, мы встречаем аналогии с сегодняшними проблемами.

А во-вторых, недавно (на тот момент времени) переведенная на русский язык книга Куна [1] по методологии развития научного познания. Этой книгой тогда зачитывались многие молодые люди. Под влиянием Куна я узнал, что очевидность, не подкрепленная экспериментально – это путь в тупик, и что аксиомы – это не то, что не требует доказательства (потому что такого, что не требует доказательства, просто не существует), а то, что доказать не удается. И поэтому я принял решение всё-таки ставить лабораторные работы по акустике, а пока что дать студентам в качестве лабораторной работы что-то элементарно простое, которое можно было бы развернуть на лекциях в виде основы сейсморазведки.

Мне показалось очень простым определение скорости распространения зондирующего импульса в образцах геометрически правильной формы. Камнерезы мне дали несколько пластин различной толщины из различных прочных пород, и прежде чем дать их студентам, я сам померил скорость звука в них с помощью стандартной ультразвуковой аппаратуры.

Получив результаты, доказывающие постоянство скорости звука в однородной монолитной среде (что является одной из основ сейсморазведки), можно было бы подтвердить, что отношение к скорости распространения поля упругих колебаний в земной толще при сейсмоработах как к постоянному коэффициенту, правомерно. Но, к моему удивлению, этого постоянства не было. Средняя скорость по толщине в пластинах из одного и того же материала при изменении их толщины изменялась (!). [2] Такое студентам не покажешь.

Это было первое мое непонимание. И я вспомнил, что на всех конференциях, на которых я побывал к тому времени, этот вопрос всплывал. Но не на самих конференциях, а, что называется, в кулуарах. Постоянно возникали ожесточенные споры о том, как правильно измерять скорость, чтобы она имела одинаковое значение. В докладах ничего подобного не было. Там было всё гладко и правильно. А ведь определение скорости распространения поля упругих колебаний методом регистрации первого вступления – это единственное метрологически корректное измерение, которое возможно в акустике…

Ну что ж, можно что-нибудь и попроще придумать. Например, посмотреть характер убывания амплитуды поля при удалении сейсмоприемника от точки ударного воздействия. Уж здесь никаких неожиданностей быть не должно. У меня был толстый лист стекла 2 на 2 метра. Ничего более однородного, чем стекло, придумать невозможно. Позаботившись об отсутствии краевых эффектов, я приступил к этому эксперименту. То, что график зависимости амплитуды I от удаления сейсмоприемника от точки ударного воздействия l будет примерно подобным графику (а, приведенному на рис.1, сомнения не вызывало.

Но на самом деле, график оказался геометрически подобным зависимости (b.

Рис. 1

В самом начале всё, вроде, происходило ожидаемо. Сначала сигнал уменьшается при удалении от точки ударного воздействия. Но дальше, при приближении сейсмоприемника к значению l, примерно равному h, сигнал вдруг начинает ощутимо возрастать, достигая значения, превышающего значение амплитуды в точке удара, после чего он всё-таки уменьшается с увеличением l, но... при дальнейшем удалении сейсмоприемника от точки удара уменьшение сигнала весьма незначительно.

Я уже понимал, что не имеет значения, что там нам кажется, потому что единственным критерием должно быть только то, что получено с помощью эксперимента.

Но вместе с тем, как объяснить студентам, что при каком-то значении l амплитуда сигнала с удалением от точки удара не уменьшается, а увеличивается?! А как объяснить, что при дальнейшем увеличении l уменьшение сигнала практически прекращается?

Один из моих студентов увидел этот эффект, и в лабораторию началось паломничество. Все хотели посмотреть, как сигнал увеличивается при удалении от точки удара.

Всё это продолжалось до 1977-го года, когда мне было поручено сделать аппаратуру, позволяющую определять затухание сигнала в породном слое, в так называемой непосредственной кровле в угольной шахте. Непосредственная кровля – это породный слой, залегающий непосредственно над угольным пластом. При извлечении угольного пласта, под этим породным слоем находятся механизмы, извлекающие уголь (комбайн, конвейер и крепь), а также шахтеры, занимающиеся извлечением угля.

Количество шахтеров, гибнущих при внезапном обрушении непосредственной кровли, запредельно во всем Мире. И надо было найти признаки этого обрушения, чтобы оно перестало быть внезапным.

Из общих соображений предполагалось, что вероятность обрушения кровли определяется уровнем трещиноватости непосредственной кровли. Ведь нетрещиноватая кровля, по идее, обрушиться не должна. А трещиноватость породного слоя, также из общих соображений, должна быть связанной с затуханием поля упругих колебаний в нем. Для экспериментальной проверки этой логической линии была изготовлена аппаратура, позволяющая оценивать затухание поля упругих колебаний в породном слое. Естественно, в шахтном исполнении.

При планировании этих измерений нужно было сначала понять, какая частота зондирующего сигнала является оптимальной. Как ни странно, в литературе по этому поводу информации не было. Как, собственно, и сейчас ее нет. Для того, чтобы получить эту информацию, был сконструирован генератор синусоидального сигнала, частота которого могла изменяться от 20Гц до 20КГц. Весь этот диапазон был разбит на несколько десятков частотных интервалов, и в каждом из этих интервалов производилось измерение затухания поля упругих колебаний. Излучение и прием поля упругих колебаний осуществлялись на фиксированном расстоянии l с помощью двух совершенно идентичных пьезокерамических преобразователей из комплекта измерителя вибрации и шумов корпуса корабля (ИВПШ).

То, что из этого получилось, показано на рис.2.

Рис. 2

I/Imax – амплитуда сигнала в относительных единицах.

На мое счастье, у меня к тому времени были познания в области радиотехники, и я знал, что означает такая зависимость амплитуды от частоты. Я встречал геометрически подобные зависимости в трудах по горному делу, и они объяснялись тем, что на некоторой частоте не соблюдается закон сохранения энергии или еще тем, что на некоторой частоте имеет место аномально высокое значение напряженного состояния горных пород.

К этим заявлениям я относился очень осторожно, потому что, как следует из истории развития физики, ни один приличный ученый даже самому себе не признается, что он чего-то не понимает. А кроме того, напряженное состояние горных пород, вокруг которого объединены все усилия горной науки, не имеет в Палате Мер и Весов собственного эталона, и следовательно, никакими измерениями оценено быть не может. Что же касается законов сохранения энергии, то такое заявление может свидетельствовать только о растерянности при получении таких результатов.

Однако, как следует из курса теоретической радиотехники [3], если график зависимости амплитудной характеристики любого устройства от частоты (то есть, спектральная характеристика) геометрически подобен графику, изображенному на рис.2, то это устройство есть не что иное, как колебательная система. Это утверждение нетрудно доказать математически, что и сделано в книге [3].

Сама же зависимость I(f), имеющая вид, геометрически подобный графику, приведенному на рис.2, является спектральным (частотным) изображением единичного колебательного процесса, то есть затухающего синусоидального сигнала. Иначе говоря, получив график, показанный на рис.2, я понял, что оказалась обнаруженной новая, неизвестная ранее колебательная система, свойствами которой обладает, в частности, породный слой. Напомню, что колебательная система – это объект, который на ударное воздействие реагирует затухающим гармоническим (синусоидальным) сигналом.

Я, конечно, был в курсе представлений о единстве материального мира, но, с другой стороны, где свойства горных пород и где радиотехника?! А именно так отреагировали на заседании кафедры разработки пластовых (угольных) месторождений, на которой я тогда работал, когда я доложил о полученных результатах.

Буквально сразу я понял, что частота сигнала f₀ должна быть связана обратной пропорцией с толщиной породного слоя h и поэтому на графике I(f) может быть проведена еще одна ось абсцисс I(h), что и показано на рис.2.

Экспериментально было установлено, что связь между f₀ и h имела следующий вид:

h = k / f₀     (1)

Таким образом, при ударе по породному слою, мы получим в качестве отклика затухающий колебательный сигнал, частота которого f₀ однозначно связана с толщиной (или, как говорят геологи, с мощностью) h породного слоя. И, следовательно, для получения информации о мощности породного слоя h необходимо всего лишь нанести удар по этому породному слою и с помощью прибора (измерителя частоты) получить значение f₀, а следовательно, h.

Дело в том, что мощность непосредственной кровли h является ключевой информацией при рассмотрении проблемы прогнозирования обрушения пород непосредственной кровли. Но получить эту информацию можно было только путем бурения из подземных выработок, снизу вверх, что в шахтах практически невозможно. Теперь эта проблема перестала существовать.

Однако это еще не всё. Дело в том, что, согласно определению лорда Кельвина, колебательная система – это объект, который на ударное (импульсное) воздействие реагирует сигналом, который представляет собой затухающую синусоиду. Из известных колебательных систем наиболее востребован электрический колебательный L-C контур (открытый в 70-х годах XIX века лордом Кельвином). То, что я обнаружил в 1977-м году, также является колебательной системой, но упругой колебательной системой (УКС). Так вот, определение колебательной системы можно немного видоизменить. Например, так: колебательная система – это объект, который содержит в себе механизм преобразования импульсного сигнала в синусоидальный. Для всех известных колебательных систем этот механизм известен, а вот для УКС – нет. И не только неизвестен, но нетрудно доказать, что его просто не может быть.

Когда я начал лабораторное моделирование УКС, то наиболее яркими представителями оказались образцы из стекла. Стекло – это наиболее однородный материал. А следовательно, не имеющий никаких неоднородностей, которые могли бы служить механизмом преобразования удара в синусоиду. Получается парадокс: преобразование есть, а механизма преобразования нет.

И я начал тормозить передачу шахтным геологам сделанную нами аппаратуру, которая, используя обнаруженный нами физический эффект, позволяет оценивать устойчивость кровли и прогнозировать ее обрушение. Я считал, что аппаратура, предназначенная для повышения безопасности шахтеров, не должна быть основана на физическом эффекте, которого не может быть. Потому что если, не приведи Бог, эта аппаратура однажды сработает по науке, то это может способствовать не повышению, а понижению безопасности.

И только где-то в 81-м – 82-м году я нашел условие, при котором может существовать обнаруженный в 1977-м году физический эффект. Уточняю. Сам механизм преобразования удара в синусоиду мне неизвестен до сих пор, а известно лишь условие существования этого механизма.

Находясь несколько лет в состоянии постоянного поиска какой-нибудь неоднородности в монолитном и однородном материале, я как-то вдруг понял, что нас должны интересовать только акустические неоднородности. Ведь мы же в акустике на метрологически корректном уровне ничего кроме скорости не можем определять. Значит, необходимо найти какие-то неодинаковости скорости распространения фронта упругих колебаний V_fr. И они были найдены. Как оказалось, в стеклянных и прочих объектах-резонаторах (из металлов и сплавов, из керамики и горных пород) в приграничных зонах происходит замедление скорости распространения фронта поля упругих колебаний V_fr.

И тогда стало понятно, почему в образцах из одного и того же материала изменялась скорость в пластинах при изменении их толщины. 

На рис.3b) показано, как изменяется скорость распространения фронта внутри отдельного прозвучиваемого образца толщиною h. Изменяя толщину этого образца, мы изменяем вклад приповерхностных зон Δh в значение средней по толщине скорости V.

Рис. 3

И и П – соответственно, пьезокерамический излучатель и приемник.

В дальнейшем стало известно, что образцы не из всех твердых сред являются резонаторами. Так, образцы из оргстекла резонаторами не являются. При воздействии на них акустическим импульсом их собственный колебательный процесс не образуется. Но при этом и скорость V_fr в образцах из оргстекла постоянна (!). Сознаюсь, что некоторое время после обнаружения этого эффекта мне казалось, что теперь мне всё понятно. Но это время оказалось очень кратким, потому что до меня дошло, что скорость сама, без внешнего воздействия изменяться не может.

И опять у меня наступил длительный период уверенности, что этого не может быть. Ну не может скорость движения (распространения) чего бы то ни было уменьшаться или увеличиваться при отсутствии внешнего воздействия!

Много прошло времени, пока я не осознал, что для того, чтобы получить зависимость, показанную на рис.3, совсем не обязательно, чтобы скорость изменялась по величине. Ей было бы достаточно изменяться только по направлению… допустим, что вектор скорости вблизи границ искривляется. А мы-то определяем не собственно скорость, а ее проекцию на ось Х! Я не ощущаю как физическую субстанцию искривляющийся вектор скорости. Но мало ли что я не ощущаю! Есть достаточно экспериментальных данных, которые подтверждают эту модель.

Во-первых, если вектор скорости изменяет свое направление в зонах Δh, значит, при нормальном (перпендикулярном) прозвучивании пластины-резонатора возникает тангенциальная составляющая поля. И это прекрасно подтверждается при наблюдении эффекта акустического резонансного поглощения (АРП), [4].

То, что замедление скорости V_fr в приграничных зонах действительно является условием формирования УКС, доказывается тем, что если создать такие вот зоны Dh в оргстекле или воздухе или в воде, то объекты из этих материалов также будут иметь свойства резонаторов [5].

Обнаружение УКС высветило еще одну проблему. Дело в том, что любое измерение в области акустики предполагает наличие сейсмоприемника. И очень важно, чтобы этот сейсмоприемник не содержал в себе свою собственную УКС. Эта проблема известна в радиотехнике, когда мы вынуждены исследовать колебательный контур с помощью аппаратуры (осциллографа), имеющей во входной цепи собственный колебательный контур. При этом собственная частота исследуемого контура будет искажаться, и далеко не всегда это удается учесть.

Так вот, все существующие сейсмоприемники имеют в своем составе собственные УКС. Во-первых, это металлический корпус. Во-вторых, свойствами УКС обладают сами чувствительные элементы. Либо это пьезокерамика, либо катушка на пружинных подвесках. В этом очень легко убедиться. Для этого по сейсмоприемнику следует нанести короткий удар (уронить на его корпус маленький стальной шарик). Возникающий при этом электрический сигнал будет иметь вид длительного гармонического сигнала. Задачу удалось решить, создав специальный сейсмоприемник для осуществления спектрально-акустических измерений [6], в котором чувствительным элементом служит пьезопленка, не являющаяся резонатором, а корпусом является оргстекло.

Я до сих пор не сказал, что такое коэффициент k с размерностью скорости в выражении (1). Чисто эмпирически оказалось, что величина этого коэффициента равна 2500м/с с погрешностью, не превышающей 10% для всех горных пород. Сначала это вызвало шок. Дело в том, что согласно данным, опубликованным в различных справочниках по физическим свойствам горных пород [7], все горные породы характеризуются очень различающимися значениями скоростей. И даже одни и те же породы имеют различные скорости в зависимости от месторождения. И это известно всем (из литературы). Тогда я стал сам измерять скорость распространения фронта упругих колебаний в примерно одинаковых по геометрии образцах.

Так вот, я утверждаю, что круглые образцы толщиной примерно 20мм и диаметром примерно 80мм всех основных горных пород (как терригенных, так и карбонатных) имеют скорость распространения фронта упругих колебаний V_fr, примерно равную 5000м/с.

То есть k = 0,5 V_fr или k = 2500м/с. И до сих пор, когда мне приходится делать доклады по физике поля упругих колебаний в горных породах, слушатели категорически возражают против этого. И мне никуда не деться от диспута на тему типов упругих колебаний, и когда я говорю о том, что даже если бы и существовали различные типы упругих колебаний, то выявить их невозможно, а потому и утверждать об их существовании недопустимо [8]. Изменение стереотипов в мышлении – это задача не для слабонервных.

Итак, выражение (1) правильно было бы записывать в следующем виде:

h = V_fr / 2f₀ = 5000 / 2f₀     (1)

Но сути это, конечно же, не меняет.

C учетом обнаруженного в 1977-м году эффекта, можно сказать, что земная толща по акустическим свойствам представляет собой совокупность колебательных систем, а не отражающих границ, как утверждает традиционная сейсморазведка. И наиболее часто эти колебательные системы представляют собой более или менее плоскопараллельные протяженные слои-резонаторы. Эти объекты, как оказалось, имеют весьма своеобразные свойства. При ударном воздействии на них, в них возникает колебательный процесс, показанный на рис.4.

Рис. 4

 Этот волновой пакет распространяется вдоль породного слоя-резонатора при минимальном затухании, не выходя за пределы этого породного слоя, до границы этого слоя-резонатора. Отразившись от этой границы, он идет в обратном направлении и воспринимается сейсмоприемником как эхо-сигнал. Скорость распространения этого сигнала вдвое меньше, чем V_fr. Есть результаты эксперимента (при излучении с помощью вибросейса), где сигнал вдоль породного слоя распространялся без ощутимого затухания на тысячи км.

Таким образом, при излучении в земную толщу сейсмосигнал и эхо-сигнал распространяются не поперек, как утверждает сейсморазведка, а вдоль напластования, что объясняет отсутствие положительных результатов при осуществлении сейсморазведки.

Разрешение одного за другим непониманий позволило научиться решать самые невероятные задачи. Первенство среди них держит прогнозирование аварий в подземных выработках на любых глубинах без спуска в шахту. Так, когда геофизики из Хромтау (Казахстан), использующие нашу методику уже 12 лет, сообщили об этом на конференции, разразился скандал, потому что все присутствующие были уверены, что это невозможно. Промышленный горизонт на этом руднике  находится на глубине 600 – 700м. Скандал этот вызвал интерес у всех владельцев соседствующих рудников, что привело к тому, что аппаратура спектральной сейсморазведки теперь работает круглые сутки на всех рудниках в Хромтау. И сейчас никакая подземная работа не осуществляется в Хромтау без предварительного обследования с поверхности с помощью аппаратуры ССП.

В настоящее время эта разработка используется также и на германских рудниках.

Использование рассматриваемой здесь разработки в горном деле позволяет снять проблему травмирования горнорабочих в шахтах и в карьерах. Не исключаю, что со временем эта разработка будет применяться даже в РФ.

Вторым нашим достижением является разработка методики поиска точек водопритока. С помощью аппаратуры спектрально-сейсморазведочной сейсморазведки (ССП) [9] создан метод надежного поиска точек притока родниковой воды. И сейчас мы можем утверждать, что безводных зон на Земле не существует.

Таким образом, обнаружение в 1977-м году УКС привело к смене парадигмы в акустике, что вполне соответствует представлениям методологии развития научного познания. И теперь у акустики есть шанс развиваться в соответствии с законами методологии, и я даже представить себе не могу, что это область знания еще даст человечеству.

Все результаты исследований по рассмотренной проблеме можно найти на моем сайте [10].

Литература

1. Кун Т.С. Структура научной революции М., 2009. — 310 с
2. Гликман А.Г. Основы спектральной сейсморазведки. раздел 2-2-1
3. Харкевич А.А. Основы теоретической радиотехники. Монография. — 4-е издание. — М.: Физматгиз, 1962. — 236 с.
4. Гликман А.Г. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний
5. Гликман А.Г. Основы спектральной сейсморазведки. раздел 3-3
6. Патент  № 2059266.  Сейсмоприемник./ А.Г. Гликман, И.А. Симанский,  А.А.  Стародубцев.- Приор.  28.12.92. Опубл. Б.И. № 12 1996 г.Патентообладатель Гликман А.Г.
7. Дортман Н.Б. Физические свойства горных пород 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1984. - 455 с.
8. Гликман А.Г. Типы упругих колебаний. 
9. Гликман А.Г. Поиск воды с помощью спектральной сейсморазведки
10. Сайт www.newgeophys.spb.ru