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

О типах упругих колебаний

Адам Григорьевич Гликман,
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
31 августа 2012, Санкт-Петербург

Первый раз о возможности существования различных типов упругих колебаний предположил Пуассон. В своей статье в 1829 году он предложил решения волнового уравнения для двух типов граничных условий. Как известно, без задания граничных условий волновое уравнение конкретного решения не имеет. Пуассон задал одно граничное условие, соответствующее совпадению по направлению вектора смещения колеблющихся частиц в упругой волне и вектора распространения упругого процесса, а другое - для ортогонального соотношения этих векторов.

Эти граничные условия Пуассон трактовал как соответствующие двум типам упругих колебаний - продольным и поперечным. Чисто умозрительно он предположил, что в твердых средах возможно распространение как продольных волн (объемных волн или волн сжатия), так и поперечных - волн сдвига. При этом он сознавал и неоднократно заявлял, что задание граничных условий и разделение поля упругих колебаний на продольные и поперечные - это чисто мысленная конструкция, это гипотеза, поскольку технических средств для выяснения каких бы то ни было параметров поля упругих колебаний тогда не было.

С тех пор много что изменилось. Появились сейсмоприемники и излучатели поля упругих колебаний, разного рода усилительные устройства... Но средств и способов определения каких бы то ни было параметров поля упругих колебаний так до сих пор создать и не удалось. Не существует датчиков ни параметров смещения колеблющихся частиц, ни давления в упругой волне. Так что, и на сегодняшний день так же вот, путем мысленного задания граничных условий при решении волнового уравнения сформировалось мнение о существовании множества типов упругих колебаний, различающихся траекториями движения колеблющихся частиц относительно направления распространения поля упругих колебаний (которые, повторяю, экспериментально определить невозможно) и фамилиями математиков, формализовавших эти свои мысленные конструкции.

Нельзя не упомянуть еще одно мнение, заключающееся в том, что все типы упругих колебаний, кроме продольных волн, могут существовать только в твердых средах. В газообразных и жидких средах, согласно этому мнению, присутствуют только продольные (объемные) волны.

Понятно, что все эти мнения являются также чисто гипотетическими, поскольку экспериментального им подтверждения не существует.

Это вступление было необходимо, чтобы перейти к описанию экспериментов, позволяющих всё-таки сделать некоторые выводы о действительном существовании различных типов упругих волн.

Первоначально, первые лет 30 своей жизни в физике поля упругих колебаний я исходил из того, что поскольку нет возможности получить экспериментальным путем информацию о различных типах волн, то и упоминать их мы не имеем права. Это один из основополагающих принципов физики. Не можешь померить - молчи.

Первый сигнал о существовании различных типов упругих волн был получен при исследовании эффекта акустического резонансного поглощения (АРП) [1]. Этот эффект был обнаружен следующим образом.

В 1977 году в ходе сейсмоизмерений в условиях угольных шахт было обнаружено, что при ударном воздействии на породный слой, залегающий в кровле подземной выработки, возникает затухающий гармонический (синусоидальный) сигнал. Тогда же было обнаружено, что частота этого сигнала f0 следующим образом связана с толщиной  (мощностью) породного слоя h, по которому был нанесен удар:

f0 = k / h,       (1)

где k - коэффициент с размерностью скорости. Для всех горных пород k≈2500 м/с.

Такая реакция на удар свидетельствует о том, что породный слой является колебательной системой, и что, следовательно, земная толща представляет собой совокупность колебательных систем.

Эту информацию я излагаю практически во всех своих статьях, потому что это физическое явление является одним из важнейших для дальнейшего развития науки о Земле. А то, что мои современники этого не осознают, ничего не меняет, за исключением того, что разрабатывать эту тему мне приходится без их участия.

Я же осознал значение этого физического эффекта только потому, что, будучи по образованию радиоинженером, и зная историю и значение открытия электрического колебательного контура, увидел аналогию между этими событиями.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту физического явления, обнаруженного в 1977 году, с позиции уровня знаний тех лет, этого явления не должно быть категорически. Область знания, к которой относится обнаруженное явление, находится в компетенции сейсморазведки, а по мнению ученых этой области знания, в результате ударного воздействия на поверхность горного массива должен возникнуть короткий упругий импульс, который, опять же, должен распространяться от точки удара во все стороны в земной толще, отражаться и преломляться в соответствии с законами геометрической оптики.

Да я и сам так думал, и даже рассказывал именно в этом ключе студентам с 1973 года в курсе шахтной геофизики. Но одно дело - читать лекции по чужим книжкам, и совсем другое, когда сам делаешь измерения и видишь то, что происходит на самом деле. Дело в том, что синусоидальный сигнал, будь он затухающий или незатухающий, невозможно перепутать ни с каким другим сигналом. Это знают и математики, и электрики, и радиофизики, и даже старшие школьники. Подробнее это написано в работе [2].

По определению, данному еще Кельвином, объект, реагирующий на удар гармоническим сигналом, является колебательной системой. Следование этому определению позволило открыть электрический колебательный контур.

На сегодняшний день известно несколько колебательных систем. Это маятник, струна, колебательный электрический контур... Для того, чтобы существовала колебательная система, должен существовать механизм преобразования ударного воздействия в синусоиду. Этот механизм для всех перечисленных колебательных систем известен и изучен. Для плоскопараллельной структуры из монолитного, однородного, изотропного материала механизма преобразования удара в синусоиду нет, и поэтому не может быть и самого преобразования. Реакция на удар, согласно существующему мнению, должна иметь вид последовательности убывающих по амплитуде коротких импульсов.

Однако по факту, плоскопараллельные структуры из подавляющего большинства твердых сред (стекло, керамика, металлы и сплавы, горные породы) являются колебательными системами, и в поисках физики их работы было принято решение исследовать их колебательные свойства путем нормального (то есть, под прямым углом) прозвучивания синусоидальным сигналом на различных частотах.

Идея такого прозвучивания заключалась в том, чтобы внимательно исследовать такое общеизвестное явление, как монохроматор. Его аналог в оптике - эффект просветления. Эффект заключается в том, что при определенном соотношении между длиной волны и толщиной прозвучиваемой пластины, в результате многократного переотражения внутри пластины и интерференционного процесса между этим переотражением и прямым излучением полностью исчезает отражение от пластины и становится 100-процентным прохождение поля через нее. Монохроматор является чисто интерференционным процессом, к собственным колебательным процессам не имеет никакого отношения, но другие явления, которые могли бы возникнуть при таком исследовании, были на тот момент неизвестны.

На рис.1 показана схема простейшей установки, с помощью которой предполагалось наблюдать эффект монохроматора. Однако помимо ожидавшегося эффекта, когда исчезает отражение и весь сигнал проходит сквозь пластину, был обнаружен совершенно противоположный эффект, когда наоборот, исчезает прохождение сигнала.

Исчезновение сигнала с пьезокерамического приемника 3 происходит на собственной частоте f0 прозвучиваемой пластины-резонатора, которая процентов на 15-20 больше, чем частота монохроматора fmc. Эффект этот был назван эффектом акустического резонансного поглощения (АРП). Суть эффекта АРП заключается в том, что при сквозном нормальном прозвучивании пластины-резонатора 1 на его собственной частоте, то есть, на резонансе, сигнал не проходит сквозь пластину, а переориентируется в ортогональном направлении и переизлучется этой пластиной через ее торцы.

схема простейшей установки, с помощью которой предполагалось наблюдать эффект монохроматора
Рис. 1

Пьезокерамические дисковые преобразователи (2 - излучатель и приемник, а 3 и 4 - приемники), а также сама пластина-резонатор 1 находятся в звукопроводящей жидкости (в воде). При прозвучивании пластины часть излучаемого поля проходит насквозь и регистрируется приемником 3, а часть - отражается и поступает на излучатель 2, который в режиме приема регистрирует отраженный сигнал. И только на частоте f0, являющейся собственной частотой пластины-резонатора 1, сквозь нее, как первоначально казалось, ничего не проходит. То есть, эдс на разъеме пьезокерамического приемника 3 на частоте f0 равна нулю.

Первое же использование лабораторной установки, приведенной на рис.1 (когда приемника 4 на этом месте еще не было), позволило увидеть, как на частоте f0 (при использовании пьезокерамики в приемнике 3) исчезает прохождение поля через пластину. Но вот куда исчезает эта часть поля - долгое время было неясно. На частоте монохроматора fmc полное прохождение поля через пластину соответствует полному отсутствию отражения от нее. Это соответствует известному эффекту монохроматора и является проявлением и подтверждением закона сохранения. А вот в отсутствии прохождения поля на частоте f0 отражение не увеличивается. Как выяснилось, на резонансе первичное поле переизлучается исследуемой пластиной-резонатором в ортогональном направлении, что видно с помощью пьезокерамического приемника 4.

Как оказалось, в пластинах-резонаторах можно наблюдать и эффект монохроматора, и эффект АРП. Но есть и такие материалы, объекты из которых резонаторами не являются. Это оргстекло, некоторые пластмассы, некоторые сорта угля. В пластинах из этих материалов можно наблюдать только эффект монохроматора.

Понятно, что в объектах из однородных по акустическим свойствам материалов механизма  преобразования ударного воздействия в гармонический отклик быть не может. Но поскольку по факту это преобразование всё-таки происходит, то, следовательно, в объектах из однородных монолитных сред должна присутствовать какая-то акустическая неоднородность, и найти её было просто необходимо.

То, что какая-то неоднородность есть, свидетельствует тот факт, что в слоях-резонаторах на резонансе, при нормальном прозвучивании происходит поворот поля на 900. В пластине из оргстекла такого поворота нет.

Очень интересно то, что при движении вдоль слоя-резонатора, скорость распространения собственного колебательного процесса в горных породах равна также 2500м/с, как и в выражении (1). Это легко определить при проведении измерений в условиях шахт, где в кровле залегает известняк. Известняковая плита в условиях естественного залегания представляет собой идеальный объект для исследования акустических свойств единичного слоя-резонатора.

Получается, что существует какой-то отдельный тип упругих колебаний, ответственный как за формирование собственных упругих колебаний в слоях-резонаторах, так и за распространение этих колебаний вдоль этих слоев.

И опять возвращаемся к поискам акустических неоднородностей, которые отвечают за формирование слоев-резонаторов. Я исходил из того, что из всех известных параметров поля упругих колебаний метрологически корректному определению подлежит только один - скорость распространения фронта. Поэтому в поисках акустической неоднородности нам ничего другого не остается, как искать её среди кинематических характеристик поля.

Как всем известно, скорость распространения фронта упругих колебаний в однородных по вещественному составу, монолитных, изотропных средах имеет одно и то же значение во всех точках объекта. Это утверждение находится на уровне аксиомы. Но согласно положениям методологии, в физике нет утверждений, не требующих доказательства. В связи с этим, была поставлена задача проверить это утверждение экспериментально.

Скорость распространения фронта упругих колебаний Vfr определяется отношением протяженности пути l к времени t, в течение которого фронт волны пройдет это расстояние. Момент прохождения фронта волны - это так называемый момент первого вступления. Он разделяет собою два состояния - одно состояние, когда фронт волны еще не достиг точки регистрации, а другое - когда фронт уже достиг этой точки. Регистрация момента первого вступления аналогична регистрации момента пересечения линии финиша.

При усилении, позволяющем регистрировать этот момент на фоне собственных шумов усилителя, погрешность измерений определяется погрешностью определения пути пробега волн и ценой деления времяизмерительной аппаратуры. Логика измерений была следующая. Если скорость Vfr  постоянна во всех точках образцов, то при определении ее путем прозвучивания пластин различной толщины h скорость будет изменяться только в пределах погрешности. Если же это не так, то зависимость Vfr(h) будет как-то коррелировать с изменяющейся толщиной пластин.

Для осуществления этих измерений материал пластин выбирался как можно более однородный по вещественному составу. Мы посчитали, что этим требованиям удовлетворяет стекло. Стеклянные пластины изготавливались оптиками с максимально возможной тщательностью. На рис. 2 показан характер получившейся при этом зависимости (график 1).


Рис. 2

Величина скорости при показанном диапазоне толщин пластин изменяется (в стекле) от 5240 до 5800м/с. Увеличение толщины графика с уменьшением h отражает увеличение относительной погрешности измерений.

Контрольные измерения на пластинах из оргстекла показали отсутствие зависимости скорости Vfr от толщины пластин (график 2). То есть, скорость Vfr в оргстекле с изменением толщины пластины не изменяется. Подобные же исследования в металлических пластинах (сталь, дюралюминий, латунь) дали такой же характер зависимостей Vfr(h), как и для стекла, но с бóльшими разбросами значений. Надо полагать, из-за бoльшей неоднородности металлов по сравнению со стеклом.

На основании полученных результатов было сделано предположение о том, что подобная зависимость Vfr(h) могла бы иметь место в пластинах-резонаторах в том случае, если бы в приповерхностных зонах имело место снижение скорости распространения фронта. Как оказалось, это действительно так, что было доказано различными способами [3].

С тех пор, как был обнаружен этот эффект, прошло уже больше 30 лет, но я хорошо помню состояние стресса, когда подтвердилась догадка, что в объектах-резонаторах скорость не является одинаковой во всех его точках. Несколько лет после этого я прилагал все силы для того, чтобы доказать, что этого эффекта не существует и что на самом деле скорость во всех точках слоя-резонатора одинакова. Мне это не удалось.

Как показали эксперименты, скорость Vfr в объектах-резонаторах действительно уменьшается при приближении к границе так, как это показано на рис.3.

Как показали эксперименты, скорость Vfr в объектах-резонаторах действительно уменьшается при приближении к границе так, как это показано на рис.3
Рис. 3

Ну что поделаешь, результат эксперимента превыше всего. Превыше любой очевидности. Но когда я уже окончательно смирился с этим эффектом и с наличием зон Δh, я вдруг осознал, что этого действительно не может быть. Не может скорость распространения поля упругих колебаний изменяться в однородной звукопроводящей среде.

Трудно делать какие-либо умозаключения в условиях полного отсутствия метрологической базы. Но я исходил из того, что поле упругих колебаний является безусловно материальной субстанцией, а для любой материальной субстанции обязательно выполнение закона сохранения количества движения. Не может объект изменить скорость своего движения без притока/оттока энергии извне. И если уменьшение скорости можно представить себе за счет трения, то немотивированное увеличение скорости никак невозможно. Однако график на рис.2 свидетельствует о том, что зоны Δh в приграничных зонах существуют, и что они симметрично расположены относительно центральной оси..

Впрочем, этот график будет иметь место, даже если скорость Vfr будет постоянна по величине. Скорость - величина векторная, и кроме величины, характеризуется направлением. И если в зонах Δh происходит поворот вектора скорости без изменения его величины, то мы это воспримем как изменение скорости Vfr, поскольку определяем лишь x-составляющую вектора скорости. Уменьшение x-составляющей скорости при постоянстве модуля вектора скорости свидетельствует о появлении y-составляющей скорости.

Появление y-составляющей вектора поля при отсутствии ее в первичном, излученном поле полностью соответствует эффекту АРП, когда мы наблюдаем переизлучение поля через торцы пластины-резонатора.

Итак, возвратимся к теме типов упругих колебаний.

Непосредственное обнаружение ранее неизвестных типов упругих колебаний началось при исследовании эффекта АРП. Дело в том, что при использовании лабораторной установки, показанной на рис.1, возникло одно осложнение. Оно заключалось в том, что пьезокерамические пластины, будучи резонаторами, имеют характеристики (в частности, чувствительность), сильно зависящие от частоты. Это вызывает сложности при получении частотных характеристик коэффициентов отражения и прохождения для прозвучиваемой пластины.

Для того, чтобы избежать этих частотных неравномерностей, была сделана попытка использовать вместо пьезокерамического приемника 3 приемник пьезопленочный, поскольку пьезопленка представляет собой как бы полиэтилен, резонансными свойствами не обладающий. И тут выяснилось следующее. Как оказалось, при использовании пьезопленочного приемника в качестве приемника 3 эффект АРП не виден. То есть, на частоте f0 сигнал, снимаемый с пьезопленочного приемника 3, не исчезает.

На рис.4 показаны частотные зависимости коэффициента отражения β от пластины 1 и коэффициента прохождения α сквозь пластину 1. Участки зависимостей, показанные штриховкой, содержат неустойчивые неоднородности, обусловленные собственными резонансными явлениями в пьезокерамике.

На рис.4 показаны частотные зависимости коэффициента отражения B от пластины 1 и коэффициента прохождения a сквозь пластину 1
Рис. 4

При использовании пьезокерамического приемника 3 частотная зависимость коэффициента прохождения показана красным цветом. На частотах, не превышающих частоту монохроматора (fmc) зависимости αpc и αpf совпадают[1]. На частоте монохроматора (fmc), как и положено, наблюдается отсутствие отражения (β=0) и полное прохождение сигнала (α=1).

На рис.5 приведена схема комбинированного пьезопленочно-пьезокерамического приемника, который при получении зависимостей, показанных на рис.2, стоял на месте приемника 3.

На рис.5 приведена схема комбинированного пьезопленочно-пьезокерамического приемника, который при получении зависимостей, показанных на рис.2, стоял на месте приемника 3
Рис. 5

Таким образом, получается, что пьезокерамический излучатель 2 излучает поле, содержащее две составляющие. Одна из них участвует в формировании эффекта АРП, и ее воспринимает пьезокерамический приемник. Назовем эту составляющую поля Ppc. Вторая составляющая поля, излучаемая пьезокерамикой, в формировании эффекта АРП не участвует, и ее воспринимает пьезопленочный приемник. Назовем эту составляющую поля Ppf.

Это что касается сравнительных свойств приемников из пьезокерамики и пьезопленки. Теперь о сравнительных свойствах этих двух составляющих поля упругих колебаний - Ppc и Ppf.

Во-первых, эти две составляющие распространяются совершенно одинаково как в твердых средах, так и в жидкости. А во-вторых, они имеют при распространении в жидкости (при отсутствии прозвучиваемой пластины-резонатора) одинаковую скорость. То есть, они достигают обоих пьезоэлементов комбинированного приемника 3 одновременно. Эта скорость равна скорости распространения поля упругих колебаний в жидкости. Для воды - это примерно 1400м/с.

Если использовать в качестве прозвучиваемого объекта пластину из оргстекла (нерезонатор), то скорость распространения этих двух составляющих поля также одинакова. То есть, и в этом случае первое вступление при регистрации пленкой и керамикой происходит в один и тот же момент.

При прозвучивании пластины-резонатора pf- составляющая поля достигает приемника 3 раньше, чем pc - составляющая. Разница во времени при регистрации момента первого вступления весьма невелика. Она составляет примерно 1мкс, но она имеет место. Это различие в скорости распространения pf и pc-составляющих обусловлено наличием зон Δh в слоях-резонаторах.

Как сейчас стало ясно, это происходит только с pc-составляющей поля. Скорость распространения pf-составляющей поля в зонах Δh не изменяется. То есть, pf-составляющая поля не участвует в формировании собственного колебательного процесса объекта-резонатора, и на зоны Δh не реагирует.

Считается, что продольные волны - это самая быстрая часть поля упругих колебаний, и скорость их распространения определяют путем регистрации момента первого вступления. Оставив традиционную терминологию неизменной, представляется правомерным на основании вышесказанного придти к выводу о том, что продольные волны имеют две составляющие pc и pf.

Обозначение скорости продольных волн целесообразно также оставить прежним - Vl.

При стремлении уменьшить погрешность измерений скорости Vfr, увеличивают чувствительность установки так, чтобы, по возможности, точнее определить момент, разделяющий наличие и отсутствие сигнала. То есть выявить момент первого вступления на фоне собственных шумов усилителя.

Так вот, при увеличении усиления вдруг возникает эффект, когда момент первого вступления скачком перемещается влево примерно на 1мкс. Возникает вопрос - что же это за часть поля упругих колебаний, которая распространяется быстрее, чем продольные волны. Сейчас стало понятно, что это pf-составляющая поля, которую всё-таки воспринимает пьезокерамика. Получается, что пьезокерамика принимает pf-составляющую поля, но чувствительность пьезокерамики к этой составляющей на 2-3 порядка меньше, чем у пьезопленки.

Самая быстрая из этих двух составляющих продольных волн - pf-составляющая. Она не замедляется зонами Δh, через которые проходит поле на своем пути. И если ставится задача определить скорость продольных волн, то следует использовать пьезопленочные приемники.

Вторая составляющая продольных волн - pc-составляющая. Она взаимодействует с зонами Δh при преобразовании в собственный колебательный процесс. На резонансе, при совпадении частоты первичного излучения с собственной частотой прозвучиваемого слоя-резонатора pc-составляющая продольных волн полностью преобразуется в собственный колебательный процесс слоя-резонатора.

При ударном воздействии на объект, возможно содержащий отдельные объекты-резонаторы, pc-составляющая продольных волн проходит насквозь, замедляясь каждой зоной Δh, находящейся на ее пути.

Из этого следует, что, определяя при прозвучивании скорость распространения фронта, можно по разнице моментов первого вступления pc и pf-составляющих оценивать количество зон Δh, которые встретились на пути фронта. Или, иначе говоря, количество границ, что можно рассматривать и как показатель трещиноватости материала образца.

Здесь необходимо внести ясность в понятие границ.

В отсутствии собственных колебательных процессов границами являются поверхности, на которых имеет место скачок значения акустической жесткости (ρV) соседствующих сред.

При наличии собственных колебательных процессов границей между слоями-резонаторами является поверхность, по которой возможно взаимное проскальзывание соседствующих объектов.

Понятно, что в земной толще, которая представляет собой совокупность колебательных систем, первое, классическое определение границ неактуально. Наиболее четкими границами в земной толще являются поверхности, разделяющие терригенные и карбонатные породы, поскольку они не прилипают друг к другу. Есть и другие случаи столь же четких границ. Например, углистые, слюдяные и мергелистые прослойки в терригенных породах.

Для того, чтобы при нормальном (в перпендикулярном направлении) прозвучивании пластины поле переориентировалось на 900, коэффициент звукопроводности пластины-резонатора должен содержать показатель мнимости j. То есть, получается, что звукопроводность объектов-резонаторов имеет мнимый (реактивный) характер.

Параметры любого физического поля определяются свойствами среды, в которой это поле распространяется. Если упругое пространство не содержит зон с реактивной звукопроводностью, то излученное поле будет распространяться в таком пространстве в соответствии с параметрами излучателя (например, его направленностью) и геометрией границ, залегающих в этом пространстве. В таком случае можно говорить о прямолинейном распространении в соответствии с законами геометрической оптики.

Если объекты, находящиеся в упругом пространстве, имеют приграничные зоны с реактивной звукопроводностью, то звукопроводность таких объектов носит мнимый характер, и поле также приобретает мнимый характер. При этом затухание в пределах слоев-резонаторов резко падает, и возникают эффекты, несвойственные активной части поля упругих колебаний.

Так сложилось, что функции комплексного переменного нашли свое рабочее применение только в электротехнике. Там угол α между векторами тока и напряжения может быть измерен, и при величине этого угла, равном 900, электрическая мощность является мнимой или, иначе говоря, реактивной, поскольку P=UIcosφ=jUI. Такая ситуация возникает при использовании электрических колебательных L-C контуров. Индуктивность L и емкость C обладают мнимой (реактивной) электропроводностью, и энергетика контура рассматривается на мнимой оси.

Мнимый характер электропроводности электрического контура, а также энергетики электромагнитного поля, излучаемого контуром, обуславливает чрезвычайно низкое затухание этого поля при распространении его в пространстве. Настолько низкое, что с помощью передатчика мощностью всего 1 ватт осуществляется связь практически в пределах всего земного шара.

Надо сказать, что все известные колебательные системы работают на мнимой оси. Так, у обычного маятника направление движения всегда ортогонально прикладываемой силе, направленной в направлении нити. И при отсутствии трения, маятник качался бы бесконечно долго.

В механике мнимость также имеет свой смысл. Так, работа А есть произведение силы F на путь S и на косинус угла между этими двумя векторами.

Насколько я понимаю, остался незамеченным тот момент, что поперечные волны являются мнимым процессом также и согласно определению, данному Пуассоном, так как вектор траектории колеблющихся частиц в поперечных волнах ортогонален вектору направления их распространения. Это интересное предвидение Пуассона.

Представляется целесообразным сохранить также и термин поперечных волн. И сформулировать их как мнимый процесс собственных колебаний объектов резонаторов. Свойства их очевидны. Они возникают в результате взаимодействия pc-составляющей продольных волн с зонами реактивной звукопроводности Δh, и скорость, их характеризующая (в числителе выражения (1) и скорость их распространения) в горных породах равна 2500м/с. По соотношению скоростей продольной и поперечной предлагаемые здесь типы волн близки к предложенному Пуассоном. Обозначение сохраним также прежнее - Vsh (share - скольжениие).

Что касается затухания поперечных волн, то оно очень мало, как и должно быть для мнимой составляющей поля. В случае если плоскопараллельная структура-резонатор (скажем, ледяной слой замерзшего озера или породный слой) прозвучивается не так, как это показано на рис.1, а возбуждается ударным точечным воздействием, возникший в этом слое собственный упругий процесс с частотой f0 распространяется вдоль слоя-резонатора с чрезвычайно низким затуханием.

Здесь уместно рассказать о случайно полученных результатах при проведении силами института Геофизики Сибирского отделения АН РФ эксперимента с использованием средств вибросейса.

Излучение гармонического сигнала осуществлялось с помощью одного из излучателей, находящихся на полигоне этого института в пос. Быстровка (под Новосибирском). Прием этого сигнала осуществлялся в Казахстане, на расстоянии от точки излучения, составлявшем примерно 1000км. Цель эксперимента заключалась в том, чтобы экспериментально доказать правильность идеи сейсморазведки. Предполагалось, что сигнал, излученный в Быстровке, достигнет какой-то залегающей в земле отражающей поверхности, и отраженный от этой поверхности, достигнет точки приема.

Предполагалось, что определяя фазовый сдвиг между принимаемым и излучаемым сигналами, при изменении частоты излучаемого сигнала, можно было бы определить и путь, пройденный упругими колебаниями (а следовательно, глубину залегания отражающей поверхности), и скорость распространения этого поля.

Одним из результатов этого эксперимента был некоторый эффект, который, вместо того, чтобы подтвердить правильность идеи сейсморазведки, показал ее НЕправильность. И потому в отчет не попал. Суть этого эффекта заключается в следующем.

При медленном и очень плавном изменении частоты излучаемого сигнала, было отмечено несколько значений частот, при которых в точке приема сигнал исчезал.

Но это же очень понятно и правильно! Вдоль земной поверхности будет распространяться на как угодно большие расстояния сигналы, частоты которых равны собственным частотам залегающих горизонтально породных слоев-резонаторов, мощности которых соответствует выражению (1). Понятно, что таких слоев очень много. Но не бесконечно много, и следовательно, есть такие частоты, для которых нет соответствующих породных слоев. И вот на этих-то частотах и будет отсутствие прохождения сигнала.

Этот эксперимент дал прямое и убедительное доказательство того, что поле упругих колебаний в земной толще распространяется не вглубь массива, а вдоль породных слоев. А следовательно, если при проведении сейсморазведки проявляется эхо-сигнал, то приходит он не из глубины земной толщи, а откуда-то сбоку, распространяясь вдоль породных слоев.

И кстати, о затухании поля упругих колебаний при распространении его вдоль плоскопараллельных структур. Согласно общепринятым представлениям, при точечном воздействии на слой, возникает сферическая волна, которая при удалении от точки воздействия, при l≈h переходит в цилиндрическую - по форме фронта. В соответствии с этими представлением, сначала, при l<h идет резкий спад амплитуды сигнала, а при l>h скорость спада уменьшается. Это иллюстрирует график 1 на рис.6.


Рис. 6

 График 1 показывает зависимость амплитуды сигнала от расстояния до источника в пластинах из оргстекла. И совершенно иное дело, когда испытуемая пластина - из стекла (или из металла, керамики, горных пород и т.д.). То есть, слой-резонатор. Первоначальный спад (график 2) почти совпадает с графиком 1, но затем начинается подъем, и при l≈h имеет место положительный экстремум, после чего происходит некоторый спад. При дальнейшем увеличении l амплитуда сигнала практически не изменяется.

При испытании слоя-нерезонатора на расстояниях, больших, чем 2÷3xh амплитуда сигнала уменьшается до уровня шумов, тогда как в слоях-резонаторах не только с удалением от источника сигнал не уменьшается, так еще есть участок, на котором сигнал с удалением от источника увеличивается(!).

Наличие экстремума при l≈h я объяснить не могу, но различие в затухании при l>h понятно. В слое-нерезонаторе распространяется сигнал от источника, и закон затухания определяется увеличением площади фронта (сначала сферического, а затем цилиндрического). В слое-резонаторе распространяется не сигнал от источника, а возбуждаемый этим источником собственный колебательный процесс резонатора.

Далее, график 1 характеризует затухание продольных волн, реальной части поля упругих колебаний. График 2 - это характеристика затухания поперечных волн, мнимой части поля.

Таким образом, получается, что исходное поле упругих колебаний носит активный характер, и могло бы распространяться со скоростью продольных волн. Однако наличие границ с приграничными зонами Δh приводит к преобразованию поля в соответствии с геометрией этих границ.

Таким образом, поле упругих колебаний формируется наличием и конфигурацией зон Δh. Плавное изменение скорости распространения поля принято рассматривать только с позиций рефракции (изгибания лучей). Однако, как оказалось, наличие двух зон с плавно изменяющейся скоростью подобно тому, как это показано на рис.3, приводит к формированию объекта-резонатора. Причем, не имеет значения, в центре структуры имеет место максимум скорости или минимум.

Это происходит не только в твердых, но и в жидких и газообразных средах.

В 1944г американские ученые М. Ивинг и Дж. Ворцель обнаружили в океанах канал сверхдальнего распространения звука (СРЗ). Глубина этого канала - около 1000м. На этой глубине имеет место минимум скорости распространения звука  в воде. Этот минимум возникает в результате того, что при уменьшении глубины скорость растет из-за увеличения температуры воды, а при увеличении глубины скорость растет из-за увеличения гидростатического давления.

Скорость распространения звука при распространении его вдоль канала СРЗ примерно вдвое меньше обычной скорости звука в воде. При этом звук не выходит за пределы этого канала. Затухание звука при распространении вдоль канала ничтожно, и звук, созданный в этом канале (допустим, с помощью глубинного взрывного устройства), достигает берега при любом расстоянии до него. Вплоть до тысяч километров. При распространении вдоль этого канала первоначально импульсный сигнал превращается в длительный колебательный процесс синусоидального характера.

Физику работы канала СРЗ принято объяснять рефракцией, то есть изгибанием лучей в зоне плавного изменения значения скорости. Однако для возникновения колебательной системы (а именно эти свойства проявляет канал СРЗ) необходима не рефракция, а формирование зон реактивной звукопроводности. Наподобие зон Δh.

Все эти факты, а также значение скорости распространения поля вдоль канала, примерно вдвое меньшее, чем обычная скорость звука в воде, позволяет считать этот упругий процесс поперечными волнами. Таким образом, канал СРЗ есть не что иное как слой-резонатор.

Подведем итоги:

Все сейсмосигналы, имеющие вид затухающих колебательных процессов, сформированы поперечными волнами, и спектр их связан со строением земной толщи следующим выражением:

f0i = Vsh / hi

Литература

  1. Гликман А.Г. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний
  2. Гликман А.Г. Гимн синусоиде
  3. Гликман А.Г. О физике слоя-резонатора

[1] индекс pc означает пьезокерамику (ceramics), а pf - пьезопленку (film)


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: