Основы спектральной сейсморазведки и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

 приобрести книгу 

2.4.1. Эффект монохроматора

Строго говоря, монохроматор не является резонатором, поскольку его работа связана не с наличием у пластины собственных колебательных свойств, а описывается интерференционными процессами. Эффект монохроматора заключается в том, что на той частоте (fmc), когда на толщине слоя h укладывается целое количество (n) продольных (l) полуволн (λl/2), происходит полное прохождение гармонического сигнала и полное отсутствие его отражения:

h = n λl / 2 или fmc = n Vl / 2h      (2-2)

Но с чего-то же нужно было начать изучение резонансных свойств, и поэтому я начал с исследования монохроматора.

На рис.2-5 показана измерительная установка, с помощью которой предполагалось наблюдение этого эффекта.

На рис.2-5 показана измерительная установка, с помощью которой предполагалось наблюдение этого эффекта.
Рис. 2-5

Пьезокерамический дисковый преобразователь 1 возбуждается генератором гармонического электрического напряжения 2. Преобразователь 1 имеет достаточную направленность, чтобы можно было 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, установка повернута 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.2-6а и представляет собой гармонический сигнал, заключенный в огибающую прямоугольной формы.

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.2-6а, оказалась безуспешной.

эффект монохроматора в акустике
Рис. 2-6

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.2-6b. 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 Δ1t.

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 Δ2t.

И еще один момент. Описываемые здесь измерения впервые осуществлялись в начале 80-х годов ХХ века. Тогда генераторы гармонических сигналов, так называемые, генераторы стандартных сигналов (ГСС-6, Г4-19) были действительно источниками гармонических сигналов. Они в своей схеме содержали перестраиваемые колебательные контура. Сейчас же выпускаются генераторы с аналогичными характеристиками, но на самом деле, современные генераторы не являются источниками гармонических сигналов. Сигналы, которые они генерируют, синтезируются цифро-аналоговыми преобразователями, и синусоидальными они являются лишь на временной оси, при недостаточно внимательном их рассмотрении. На самом деле, они зубчатые. Спектр таких сигналов является линейчатым, и для спектральных исследований такие генераторы не годятся.

Сейчас уже трудно находить генераторы типа Г4-19, но другого выхода я не вижу.

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 fmc отсутствует отражение сигнала от пластины 3, что проявляется отсутствием средней части сигнала b в течение времени Δ2t, как это показано на рис.2-6с. При этом сигнал, прошедший через пластину 3, идентичен по форме зондирующему сигналу, приведенному на рис.2-6b, 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 fmc пластину 3 из бассейна, можно убедиться в том, что амплитуда сигнала с при этом остается неизменной.

Таким образом, коэффициенты прохождения α и отражения β на частоте fmc соотносятся следующим образом:

коэффициенты прохождения альфа и отражения бетта на частоте fmc соотносятся следующим образом:

Такое соотношение коэффициентов отражения и прохождения на частоте fmc является, по сути, проявлением закона сохранения энергии: все, что не отражается от пластины, проходит через нее, а всё, что не проходит - отражается. А кроме того, это 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 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 положений, которые могут быть экспериментально подтверждены. Но, пока что, единственным.


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: