Переход на стартовую страницу книги Гликмана А.Г. "Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия"
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En
 приобрести книгу 

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


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: