3. Резонансные эффекты в пластинах
3.1. Эффект монохроматора
Из рассказанного выше можно понять, что к некоторому моменту сложилась парадоксальная ситуация. С одной стороны, развивался и уже применялся метод спектральной сейсморазведки, а с другой, оставалась совершенно непонятной физика эффектов, лежащих в его основе. И, по сути, все лабораторные измерения, которые делались, чтобы приблизиться к пониманию этой физики, уводили от него еще дальше.
Наконец, на каком-то этапе, было принято решение исследовать в лабораторных условиях резонансные свойства слоев (пластин, плоскопараллельных структур и т.п.).
Как следовало из литературы, единственный резонансный эффект, характерный для пластин - это многократные отражения звука между их плоскостями, и как частный случай - эффект монохроматора.
Строго говоря, монохроматор не является резонатором, поскольку его работа связана не с наличием у пластины собственных колебательных свойств, а описывается интерференцией. Эффект монохроматора заключается в том, что на той частоте (fmh), когда на толщине слоя h укладывается целое количество (n) продольных (l) полуволн (l / 2), происходит полное прохождение гармонического сигнала и полное отсутствие его отражения:
h = n l / 2 или fmh = n Vl / 2h (3-1)
Но с чего-то же нужно же было начать изучение резонансных свойств, и поэтому мы начали с исследования монохроматора.
Рис. 3-1
На рис.3-1 показана измерительная установка, с помощью которой предполагалось наблюдение этого эффекта. Пьезокерамический дисковый преобразователь 1 возбуждается генератором гармонического электрического напряжения 2. Преобразователь 1 имеет достаточную направленность, чтобы мы могли описывать излучаемое им поле параллельными лучами. Исследуемая пластина 3 толщиной h устанавливается нормально (перпендикулярно) направлению излучаемого поля. Пьезопреобразователь 1 используется как в режиме излучения, так и в режиме приема, и поле, отраженное от пластины 3, регистрируется пьезокерамическим диском 1. Та часть поля, которая проходит сквозь пластину 3, регистрируется пьезокерамическим дисковым приемником 4.
Измерения могут проводиться в воде или в любой другой приемлемой для материала образца жидкости, а для того, чтобы компенсировать отражения от стенок бассейна 5, бассейн повернут так, что главная измерительная ось x совпадает с его диагональю а, кроме того, для этого применяются рассеиватели 6.
Для наблюдения эффекта монохроматора необходимо, чтобы сигнал, возбуждающий пьезокерамическую пластину 1, будучи гармоническим и изменяющимся, при необходимости, по частоте, имел бы ограниченную длительность, то есть был одновременно и импульсным. В противном случае, разделить зондирующий и отраженный сигнал невозможно. В литературе рекомендуется применять для этого так называемый радиоимпульс, который изображен на рис.3-2а и представляет собой гармонический сигнал, заключенный в огибающую прямоугольной формы.
Рис. 3-2
Однако на самом деле, спектр такого сигнала очень далек от спектра гармонического сигнала. Дело в том, что в моменты времени t0 и tT сигнал является удароподобным, то есть быстро изменяется по амплитуде от 0 до максимума, и поэтому является широкополосным. Стало быть, в эти моменты зондирующий сигнал возбудит как излучатель 1 (на его собственной частоте), так и прозвучиваемую пластину 3, если она обладает резонансными свойствами. И действительно, попытка наблюдать эффект монохроматора с помощью сигнала, изображенного на рис.3-2а, оказалась безуспешной.
Обратившись к ученым, рекомендовавшим для изучения эффекта монохроматора радиоимпульс, я понял, что сами они этому совету не следовали. И, как оказалось, раньше, до нас, эффект монохроматора в акустике действительно никто не наблюдал. Математическое описание этого эффекта взято из оптики, а экспериментально, в чистом виде, в акустике его не видели.
Наиболее подходящим для наблюдения эффекта монохроматора оказался импульсно-гармонический сигнал, показанный на рис.3-2b. Будучи ограниченным во времени, он при этом является узкополосным. Это достигается тем, что как нарастание амплитуды гармонического заполнения, так и спад происходят не мгновенно (удароподобно), а по экспоненте, в течение времени 1t.
На самом деле, узкополосным является не весь зондирующий сигнал, а только средняя его часть, где амплитуда остается неизменной. И судить об изменении коэффициентов отражения и прохождения звука при прозвучивании пластины 3 следует по изменению только средней части зондирующего сигнала, то есть в течение времени 2t.
Визуализатор информации - осциллограф 7. На канал I приходят с пьезокерамики 1 сигналы a и b. Сигнал a - зондирующий, с генератора, а сигнал b - отраженный от пластины 3, и сдвинутый во времени относительно сигнала a. На канал II приходит сигнал с, прошедший сквозь прозвучиваемую пластину 3.
Эффект монохроматора наблюдается в пластинах из всех материалов, и проявляется он в следующем. На частоте монохроматора fmh отсутствует отражение сигнала от пластины 3, что проявляется отсутствием средней части сигнала b в течение времени 2t, как это показано на рис.3-2с. При этом сигнал, прошедший через пластину 3, идентичен по форме зондирующему сигналу, приведенному на рис.3-2b, и имеет такую же амплитуду, как если бы никакого объекта между пьезопреобразователями 1 и 4 не было. Факт полного прохождения сигнала через пластину 3 устанавливается очень просто. Извлекая во время измерения на частоте fmh пластину 3 из бассейна, можно убедиться в том, что амплитуда сигнала с при этом остается неизменной.
Таким образом, коэффициенты прохождения и отражения на частоте fmh соотносятся следующим образом:
Такое соотношение коэффициентов отражения и прохождения на частоте fmh является, по сути, проявлением закона сохранения энергии: все, что не отражается - проходит через пластину. А кроме того, свидетельствует об отсутствии поглощения в материале пластины 3, а также, и это самое главное, о правомерности использования выбранной нами измерительной установки для дальнейшего использования ее при изучении других эффектов, связанных с прохождением и отражением звука от пластины.
Также можно отметить, что эффект монохроматора оказался действительно идентичным этому эффекту в оптике. И, таким образом, с этого момента уже нельзя было говорить, что ни одно положение теоретической акустики твердых сред не может быть подтверждено экспериментально. Эффект монохроматора оказался первым среди этих положений. Но, пока что, единственным.