3.2. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП)
Подготавливая описанный эксперимент по наблюдению эффекта монохроматора для изучения его студентами на лабораторных работах, я обнаружил, что на частоте, несколько более высокой (процентов на 10-15), чем fmh, можно наблюдать эффект, по сути, противоположный эффекту монохроматора. То есть такой эффект, когда отсутствует не отражение, а сквозное прохождение сигнала. Исчезновение сигнала с проявляется на осциллографе 7 пропаданием средней части сигнала на время 
2t так, как показано на рис.3-2с.
Частота, на которой коэффициент прохождения становится равным нулю, была обозначена как f06.
Однако эффект этот сразу вызвал недоумение, так как при исчезновении прохождения звука через пластину 3 коэффициент отражения от нее (амплитуда сигнала b) не увеличивается, как, казалось бы, должно быть из соображений закона сохранения, только что подтвержденного при наблюдении эффекта монохроматора.
Естественно, использование этого эксперимента в качестве студенческой лабораторной работы опять пришлось отложить. Опротестовывать закон сохранения энергии я не собирался, а как иначе объяснять студентам явный энергетический дефект, я не знал.
После года поисков, недостающую часть сигнала удалось найти. Как оказалось, та часть сигнала, которая на других частотах проходит насквозь, на частоте f0 переориентируется в ортогональном направлении и излучается торцами пластины.
Для регистрации этой части сигнала пришлось в установку, изображенную на рис.3-1, добавить пьезокерамический приемник 8. Осциллограф 7 при этом уже должен быть трехканальным с тем, чтобы на канал III поступал сигнал d -, снимаемый с пьезокерамического приемника 87.
Рис. 3-3
На рис.3-3 показаны частотные зависимости коэффициентов отражения (
, кривая желтого цвета), прохождения (
, красная штриховая линия), а также величины эдс (U, черная штриховая линия), снимаемой с приемника 8. Вдали от изучаемых резонансных явлений зависимости показаны неявно из-за различных неоднородностей частотных характеристик элементов измерительной установки.
Сразу обращают на себя очертания зависимости U(f), которая соответствуют, как было показано в разделе 2, изображению колебательной системы. То есть, получается, что эффект переизлучения первичного сигнала в ортогональном направлении указывает на то, что пластина 3 обладает свойствами колебательной системы.
Для того чтобы выяснить физический смысл частоты f0, мы использовали в качестве пластины 3 пьезокерамический диск-резонатор, применяемый, скажем, в эхолотах. При этом частота f0 оказалась равной собственной частоте пьезорезонатора (по толщине), а частотная зависимость снимаемой с пьезокерамической пластины 3 ЭДС полностью совпала с зависимостью U(f), и это еще с одной стороны свидетельствует о том, что f0 есть не что иное, как собственная частота пластины-резонатора. Совпадение же собственной частоты колебательной системы с частотой внешнего воздействия (в данном случае, генератора 2) - это резонанс. То есть переориентирование поля в ортогональном направлении происходит на резонансе.
Использование в качестве прозвучиваемой пластины 3 пьезокерамики ничего не меняет в регистрируемых эффектах при исследовании резонансных свойств пластин8. Это свидетельствует о том, что сам по себе пьезоэффект ничего к резонансным свойствам пластин не добавляет, а служит лишь для того, чтобы эти свойства могли быть зарегистрированными.
Обнаруженный эффект нужно было как-то назвать. По аналогии с другими известными в физике эффектами резонансного поглощения (парамагнитный, ядерно-магнитный, ферромагнитный, электронный)9, этот эффект был назван акустическим резонансным поглощением (АРП).
Итак, эффект АРП заключается в том, что при нормальном прозвучивании гармоническим сигналом пластины-резонатора, имеющей толщину h, на собственной частоте этой пластины по толщине f0 часть зондирующего поля переориентируется так, что переизлучается этой пластиной в ортогональном (относительно первичного) направлении через свои торцы. Связь между f0 и h выражается следующим соотношением:
f0 = Vsh / h, (3-2)
где Vsh - скорость поперечных (сдвиговых) волн10.
Частота f0 - это собственная частота, которой характеризуются гармонические затухающие колебания, возникающие в результате ударного воздействия на пластину-резонатор толщины h. То есть тот колебательный процесс, который всегда воспринимали как помеху при выделении эхо-сигнала, на самом деле, спектрально связан с размерами прозвучиваемого объекта, а, стало быть, может использоваться, в частности, при определении геологического строения массива горных пород11.
В результате исследования эффекта АРП оказалось, что наблюдается он только в слоях, материал которых - стекло, металлы и сплавы, керамика, горные породы. В пластинах из оргстекла этот эффект не существует.
Обнаружение эффекта АРП имело очень большое значение для развития спектрально-сейсморазведочного направления. Теперь уже мы имели моральное право внедрять методику прогнозирования горнотехнической ситуации в угольных шахтах, так как обнаруженный физический эффект явился доказательством правомерности наших утверждений о том, что строение породной толщи имеет непосредственную связь со спектром сейсмосигнала.
Однако и при наблюдении эффекта АРП было не все ясно.
В самом деле, ведь если бы исходное поле, распространяющееся в направлении x, характеризовалось только одним вектором, совпадающим с ним по направлению, то ни при каких условиях в случае нормального прозвучивания пластины 3 не смог бы произойти поворот этого поля на 90 градусов. Следовательно, исходное поле (I1), распространяющееся в направлении x, должно иметь ортогональную составляющую, то есть описываться двумя взаимно ортогональными составляющими (I1x+ jI1y). И, стало быть, результирующий вектор, характеризующий поле, распространяющееся в направлении x, по направлению не совпадает с направлением x.
Но если это действительно так, то, с одной стороны, становится понятным, что на резонансе в направлении y излучается мнимая составляющая поля. Но с другой стороны, реальная часть, в принципе, не должна была бы никуда исчезнуть, и мы должны были бы ее обнаружить с помощью приемника 4.
6 Почему именно так, будет объяснено в дальнейшем.
7 Измерительная установка изображена схематично, и поэтому допущено искажение временных интервалов на осциллографе.
8 Если пьезокерамическую пластину нагреть до точки Кюри, она потеряет свои пьезосвойства. Однако при повторном ее прозвучивании после такого нагрева не изменится ничего.
9 Вопреки укоренившемуся мнению, исчезновение поля при наблюдении любого эффекта резонансного поглощения происходит не из-за собственно поглощения (перехода в тепло), а из-за преобразования - пространственного, как в случае АРП или ферромагнитного резонанса, или спектрального, как в случае электронного резонанса.
10 Здесь мы опять немного забегаем вперед. Обоснование этого будет дано дальше.
11 С 1977 года это используется в спектральной сейсморазведке
