II.6. О типах упругих колебаний
Понятия продольных и поперечных волн предложил Пуассон, в первой трети ХIХ века. Согласно кажущейся очевидной мысленной модели, носителями упругих колебаний являются минимально возможные частицы, из которых формируется материя. Модель эта предполагала следующую схему. При рассмотрении одномерной модели упругая продольная волна распространяется вдоль цепочки, состоящей из неких шариков (атомов) и пружинок между ними, роль которых выполняют межатомные взаимодействия. Цепочка, состоящая из последовательно соединенных масс и упругостей, является колебательной системой и обладает вполне конкретной собственной частотой. При частоте воздействия, превышающей эту частоту, упругое воздействие вдоль этой цепочки не распространяется. Расчеты, выполненные еще в начале ХХ века, показали, что частота эта не превышает одного мегагерца. И в учебниках, написанных до 30-х годов, утверждалось, что когда технические возможности акустики позволят достичь мегагерцовой части частотного диапазона, то мы все убедимся в том, что на этих частотах поле упругих колебаний распространяться в реальных средах не может.
Но вот уже магнетронные акустические излучатели достигли частот 108Гц, но никаких физических ограничений для распространения упругих колебаний не ощущается. Отсюда следует вывод о том, что модель атомов с "пружинками" не соответствует физике акустического поля. И рассматривать поле упругих колебаний как совокупность смещений колеблющихся частиц неправомерно. Видимо следует признать, что как и в случае электромагнитного поля, нам неизвестны носители поля упругих колебаний. И так же, как в электродинамике, поле упругих колебаний следует характеризовать не траекториями движения неких частиц, а какими-то векторами, которые и следует в дальнейшем изучать. Но тогда лишаются смысла утверждения о том, что сейсмоприемники воспринимают какие-то определенные составляющие смещения колеблющихся частиц.
Более того, при таком положении дел представляется логичной невозможность метрологической аттестации сейсмоприемников как датчиков неких траекторий смещения колеблющихся частиц.
Первыми (хронологически) были придуманы волны продольные и поперечные. Пуассон высказал гипотезу о том, что, поскольку в жидких и газообразных средах сдвиговые деформации не передаются, то в этих средах могут распространяться только продольные (объемные) волны. В твердых же средах должны распространяться еще и поперечные (сдвиговые) волны. По мнению Пуассона, в продольных волнах направление распространения совпадает с вектором смещения колеблющихся частиц, а в поперечных эти направления взаимно ортогональны. Сам Пуассон совершенно справедливо считал эти положения не теоретическими, а гипотетическими, поскольку экспериментально их проверить было невозможно. И именно поэтому свою математическую разработку о поле упругих колебаний он не поместил в вышедший спустя 3 года (в 1832 году) двухтомник теоретической механики.
Однако последующие математики на этот труд Пуассона опирались уже как на теоретический, и, решая волновое уравнение для мысленно заданных граничных условий, уже настаивали на том, что полученные результаты этих решений непременно соответствуют физическим свойствам новых типов упругих волн. Так, в 1885 году Релей получил решение волнового уравнения для поверхностных волн, когда колеблющиеся частицы на границе (дневной поверхности) описывают эллиптическую траекторию. Вдоль границы между твердой средой и жидкостью, что называется, на кончике пера примерно тогда же были "открыты" поверхностные волны Лява и Стонли. Лэмб решил волновое уравнение для распространения упругих волн в направляющих структурах (волноводные эффекты).
Эти, и ряд других типов волн были описаны задолго до начала эры акустических измерений. Когда проведение измерений и осуществление экспериментов стали возможны, ничего, по сути, не изменилось. Простого и ясного эксперимента, позволяющего выделить какой-нибудь хотя бы один конкретный тип упругой волны поставить не удалось. Как известно, двигаться в познании следует от простого к сложному, поскольку если поставленный эксперимент недостаточно прост, то и истолкование его результатов может оказаться неоднозначным. Но тут, надо сказать, среди ученых, занимающихся теоретической акустикой и сейсморазведкой, появилась новая профессия. Это так называемые экспериментаторы, которые время от времени публикуют информацию о якобы подтвержденных опытным путем результатах теоретической акустики.
Поскольку в таких сообщениях ученые-теоретики (а по сути, математики) очень заинтересованы, то проверять их никто не будет. Таким образом, в литературе можно найти сообщения об экспериментальном подтверждении практически всех теоретических положений теоретической акустики твердых сред и сейсмики. А если появляются некие экспериментальные данные, не описанные теорией, то, как правило, возникают сообщения об открытии новых типов упругих колебаний. Так, например, "появились" конические волны, трубные волны, а также некие сверхмедленные волны, распространяющиеся в твердых средах со скоростями порядка 100 м/с.
Процесс открытия новых типов упругих колебаний идет и по сей день. Так, г-н Крауклис П.В., д-р ф-м наук, ознакомившись с некоторыми нашими разработками, просто и элегантно в работе [4] предложил объяснить получаемые нами результаты новым типом волн. Он их назвал kr-волнами (следует понимать – Крауклис-волны). Ну, что ж, может быть, это и так, но настораживает то, что в той же статье он замечает, что гармонический колебательный сигнал есть результат интерференции… Комментарии, я думаю, излишни.
В связи с этим, мы с коллегами запретили себе всяческое упоминание о каких бы то ни было типах упругих колебаний. По крайней мере, до тех пор, пока не удастся доказать их наличие простым и надежным экспериментом. Забегая вперед, скажу, что в результате обнаружения эффекта АРП было получено доказательство существования продольных и поперечных волн, но свойства этих субстанций оказались совершенно не такими, как это предполагается в общепринятой теоретической акустике.
Главным образом, это коснулось поперечных волн. Получив возможность идентифицировать продольные и поперечные волны, мы убедились, что действительно, поперечные упругие колебания имеют скорость, примерно вдвое меньшую, чем скорость продольных волн. Но при этом оказалось, что рассмотрение и изучение поперечных волн должно осуществляться на мнимой оси.
