Переход на стартовую страницу книги Гликмана А.Г.
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En
 приобрести книгу 

III.2. Первая попытка измерения скорости продольных волн

     В соответствии с общепринятыми представлениями, продольные волны присутствуют практически во всех случаях распространения звука и являются самым быстрым упругим процессом. Следовательно, представляется логичным определять скорость распространения продольных волн, выявляя самую быструю часть процесса. Информацию же о скорости распространения самой быстрой части процесса можно получить, определяя скорость фронта волны Vфр, которую как раз и измеряют путем регистрации момента первого вступления. То есть момента времени, разделяющего состояния наличия и отсутствия сигнала.
     Измерения будем производить на пластинах из различных материалов. Для того, чтобы уменьшить погрешность при сквозных измерениях, желательно иметь пластину потолще. А для того, чтобы легче было отстроиться от краевых эффектов, желательно иметь ее достаточно протяженной. Листы, на которых мы осуществляли измерения, имели толщину 20 мм и прочие размеры 1,5 Х 1,5 м.


Рис. III.1

     Схема измерительной установки приведена на рис. III.1а. Ударное воздействие осуществляется с помощью пьезокерамического преобразователя, возбуждаемого коротким электрическим импульсом. Регистрация моментов первого вступления осуществляется в нескольких точках для того, чтобы выяснить, во-первых, возможное наличие анизотропии, а во-вторых, возможную зависимость определяемой скорости от величины измерительной базы. Значок "" означает, что измерение осуществляется в направлении, перпендикулярном плоскостям модели; а значок "=" - вдоль поверхности модели.
     Погрешность определения скорости V с уменьшением измерительной базы l увеличивается в связи с увеличением относительных погрешностей как l, так и t за счет уменьшения их абсолютных значений.
     Первые же измерения, выполненные на листовом стекле, дали совершенно неожиданные результаты. Оказалось, что величина скорости Vфр не остается постоянной, а зависит от условий измерения. А именно, от геометрии измерительной установки. Результаты этих измерений отражены на рис. III.1б зависимостью 1.
     Наибольшее значение имеет величина Vфр, то есть скорость, выявленная путем сквозного прозвучивания модели. Величина скорости Vфр оказалась примерно равной 6*103 м/с. То есть на первом этапе, мы можем предположить, что это есть скорость продольных волн. При профилировании вдоль поверхности модели, при наибольших значениях l величина Vфр= оказывается примерно вдвое меньшей, чем Vфр. Ну, здесь сразу можно было предположить, что это скорость поперечных волн. Однако при уменьшении измерительной базы l величина Vфр= не остается постоянной, а уменьшается. В пределе, определяемом допустимой погрешностью (в пределах 20%), величина Vфр= уменьшается до 103 м/с.
     Я специально не дал на графике конкретные цифры, поскольку, как оказалось независимо от абсолютных значений определяемой скорости характер кривой сохраняется для очень широкого ряда сред. Мы в своих исследованиях проверяли эту зависимость на металлах и сплавах, керамике, на ледяной поверхности замерзших водоемов, в шахтных условиях на геологически однородных слоях известняка и песчаника, и во всех этих случаях кривая 2 сохраняла свой характер.
     Естественно, возникает вопрос: скорость распространения каких процессов мы определяем такими измерениями?
     Надо сразу заметить, что полученные результаты не подлежат обсуждению на сколько-нибудь серьезном научном уровне, и вот почему.
     Изучение любой области физики предполагает наличие практических руководств, где описываются различные методы и приемы измерений тех или иных параметров соответствующего поля с обязательным анализом погрешностей этих измерений. Однако это не относится к теоретической акустике2, где всяческие упоминания об измерениях обязательно идут со ссылками на причины, по которым то или иное измерение делать нельзя. Применительно же к зависимости 1 рис.III.1, мы своими измерениями нарушили целый ряд запретов.
     Так, общеизвестен запрет на измерения скорости при малых значениях измерительной базы l (расстояния между источником зондирующего импульса и приемником). Дело в том, что в акустике предложено соотносить величину l с длиной волны l, и запрету стали подлежать измерения, при которых измерительная база имеет значения, меньшие, чем длина волны. Однако несмотря на безотказную действенность и убедительность этого аргумента, он на самом деле не имеет физического смысла. Ведь длиной волны можно характеризовать только периодический, а не импульсный сигнал, поскольку в общем виде, для любого волнового процесса есть отношение скорости распространения его С к частоте f:

      (III.2)

     Регистрируя же момент первого вступления, мы совершенно не интересуемся всеми теми колебательными процессами, которые, возможно, последуют за ним. Вполне может быть, что эти колебательные процессы действительно будут характеризоваться какими-то частотами и, соответственно, длинами волн, но к определению скорости распространения фронта Vфр они не имеют никакого отношения.
     В справедливости этого замечания нетрудно убедиться путем многократной регистрации момента первого вступления при использовании в измерительной установке для определения скорости звука поочередно нескольких пьезокерамических, магнитострикционных или электродинамических излучателей, различающихся по собственной частоте, но при неизменных прочих условиях измерений. При этом частота колебательного процесса, следующего за моментом первого вступления, может изменяться в сколь угодно широких пределах, местонахождение же на временной оси самого момента первого вступления останется неизменным. То есть определять скорость распространения фронта мы имеем право при любой величине l, и если при малой величине измерительной базы определяемая скорость Vфр все-таки оказывается зависящей от l, то это происходит не по причине некорректных измерений, а в соответствии с какими-то акустическими свойствами исследуемых сред.
     Впрочем, система всяческих запретов в акустике столь сильна, что предложенные возражения никто из специалистов в этой области знания даже читать не будет. Однако, на наше счастье, есть твердые среды, в которых описанные выше измерения дадут результаты, против которых никто возражать не будет.
     Так, если точно таким же исследованиям подвергнуть пластину из оргстекла (полиметилметакрилата), то в пределах погрешности измерений скорость Vфр окажется неизменной, и равной примерно 3000 м/с. Этому факту соответствует зависимость 2, на рис. III.1б. Следовательно, получается, что на пластине из оргстекла мы имеем право осуществлять все описанные измерения?..
     Описанные здесь результаты свидетельствуют о правомерности проведенных измерений, что в дальнейшем для нас будет очень важно. Отметим сразу, что материалов, в которых, как в оргстекле, скорость распространения упругих колебаний постоянна при любой геометрии измерительной установки, очень немного. Но наличие даже хотя бы одного такого материала уже позволяет нам проводить сравнительные измерения, а следовательно, объективно, и с учетом погрешностей выполнять акустические измерения даже вопреки известным запретам.
     И еще один момент, который нам неоднократно понадобится в дальнейшем. Оргстекло является самым популярным и чуть ли не единственным материалом при постановке лабораторных исследований в акустике.
     Таким образом, остается признать, что наличие или отсутствие постоянства определяемой скорости при изменениях геометрии измерительной установки является следствием акустических свойств исследуемой среды.
     Эксперимент, схема которого и результаты показаны на рис. III.1, представляет собой, по сути, модель сейсморазведочного исследования слоистой среды, в связи с чем в дальнейшем мы будем многократно к нему обращаться.
     Малое значение скорости при сейсморазведочных работах при малых величинах измерительной базы известно. Оно традиционно объясняется рыхлостью и выветрелостью приповерхностных пород. Наличием так называемой зоны малых скоростей. Однако, как видим, в случае сред, не имеющих приповерхностных рыхлых зон, эта зависимость сохраняется. Значит, дело не в наличии зоны малых скоростей?..
     Кроме того, также известно различие значений при измерениях скорости на образцах и в массиве (соответственно, Vфр  и Vфр=). Оно обычно объясняется также различием в плотности пород, поскольку, как считается, для образца берут породу плотную, а при профильных исследованиях влияние на результаты измерений оказывает приповерхностный рыхлый слой пород.
     Существуют как сами собой разумеющиеся утверждения о том, что значения скоростей для образцов пород и для пород в их естественном залегании в принципе не могут не различаться. Физического смысла в таком утверждении не видно, но, тем не менее, поскольку это действительно так, а объяснений этому до сих пор не было, с ними считаются.
     Одним словом, освободившись от давившего столько лет утверждения об обязательном постоянстве скорости звука в однородных средах как условии правильности выполняемых измерений и воспользовавшись общеизвестными метрологически корректными методами измерений, нам удалось увидеть, что в большинстве твердых однородных сред в зависимости от геометрии измерительной установки скорость распространения фронта Vфр может принимать значения, диапазон величин которых может достигать и даже превышать 600%. Кстати, если обратиться к справочникам, то можно увидеть именно такого порядка диапазон значений Vпр для горных пород. Правда, в качестве причины такого разброса указывается различие месторождений. Как мы теперь понимаем, причина разброса – в различии геометрии измерительных установок, использовавшихся при исследовании пород.
     В дальнейшем эти столь радикально различающиеся по акустическим свойствам две группы твердых сред будем называть группой оргстекла и группой стекла.


2 Здесь и далее, кроме особо оговоренных случаев, мы будем иметь в виду акустику твердых сред.


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: