1.7.1. О проблеме датчиков в физике

Научный уровень рассмотрения любой области физики определяется уровнем оснащенности соответствующими датчиками. Датчик - это устройство, на выходе которого считывается информация, которая должна быть соотнесена с конкретной физической субстанцией, эталон которой хранится в Палате Мер и Весов.

Например, весы являются датчиком массы. Считывая со шкалы весов значение, полученное при взвешивании эталона, мы можем оценить погрешность этого датчика.

Измерение - это сравнение с эталоном. Однако далеко не все субстанции, с которыми мы имеем дело в жизни, могут быть измерены. Познание развивается бесконечно, полностью проблема датчиков никогда не будет решена, и целый ряд физических характеристик на сегодняшний день просто еще не имеет своих эталонов.

Ну, скажем, такая популярная субстанция как биополе. Армия экстрасенсов исследует биополя, беседует о нашей с вами энергетике. И даже некоторые ученые участвуют в этих диспутах. При этом или забывая, или не зная о том, что датчика биополя, как и средства определения энергетики не существует. Грубо говоря, единственно правильный подход при изучении физики можно сформулировать так: нет датчика - нет научной проблемы.

Так вот, что касается акустики, то, к сожалению, как уже говорилось, не имеет своих эталонов ни один из базисных параметров поля упругих колебаний в твердых средах. Базисные параметры поля упругих колебаний - это аргументы волнового уравнения, которое является главным инструментом изучения этого поля. Базисные параметры поля упругих колебаний - это амплитуда и направление смещения колеблющихся в поле упругих колебаний упругих частиц, а также скорость и ускорение их смещения, а также величина механического напряжения в упругой волне. На сегодняшний день ни одна из этих субстанций не имеет своего эталона, и, стало быть, измерена быть не может. Я об этом уже говорил выше, но это заявление настолько важно для осознания проблем данной области знания, что его следует повторять, и как можно чаще.

Следствие такого положения дел заключается в том, что акустика твердых сред вообще и сейсморазведка в частности, не входят в компетенцию метрологических служб.

Неизбежно должно возникнуть недоумение: а что же сейсмоприемники?.. Ведь сейсмоприемники существуют, они снабжены паспортами, характеризуются чувствительностью и даже используются для регистрации определенных типов упругих колебаний.

Да, действительно, сейсмоприемники изготавливают и применяют очень широко. Даже существуют лаборатории, которые осуществляют метрологическую аттестацию сейсмоприемников. Но на самом деле, к метрологии это не имеет никакого отношения. От того, что кто-то получил неизвестно на каком основании право ставить печать о метрологической поверке, эталоны базисных параметров не появились, а стало быть, сейсмоприемники датчиками какого-либо параметра поля упругих колебаний не являются. Иначе говоря, какой физической субстанции пропорционально электрическое напряжение, снимаемое с сейсмоприемника, пока что никому неизвестно.

Очень важно понимать и всегда помнить, что математика является принадлежностью физики только в том случае, если аргументы уравнений могут быть определены в эксперименте. В данном же случае, в акустике твердых сред и сейсморазведке это невозможно. Из этого следует, что вся математическая база сейсморазведки к собственно сейсморазведке не имеет никакого отношения. Но ведь в так называемой теоретической сейсморазведке ничего кроме этой никому не нужной математики не существует... К сожалению, сейсморазведчики-теоретики - это, на самом деле, чистые математики, никогда в жизни не сделавшие ни одного самостоятельного измерения.

Представление о том, что ось электродинамического приемника должна совпадать с вектором смещения колеблющихся частиц, кажется настолько очевидным, что, собрав систему из трех взаимно перпендикулярных сейсмоприемников, осуществляют измерения траектории их движения. Увы, эти измерения не имеют под собой ни малейшей метрологической основы. И известное всем экспериментаторам отсутствие повторяемости результатов измерений, выполненных с помощью таких «трехкоординатных сейсмоприемников» (так называемых, 3d сейсмоприемников), не должно вызывать удивления.

Было бы неплохо, если бы с помощью сейсмоприемника можно было хотя бы определять спектральный состав сейсмосигнала, но, к сожалению, как оказалось, и для этого он не годится. Ну, чтобы быть точным, не годился до начала наших разработок [7].

Так сложилось, что все описанные в литературе свойства сейсмоприемников определены не в результате измерений, а путем математической обработки различных мысленных построений. Так, описание спектральных характеристик сейсмоприемников возникло из целого ряда очевидностей³. Как-то само собой, из каких-то логических построений, уже очень давно возникла уверенность, что если интересующий нас частотный диапазон находится достаточно далеко от собственной частоты сейсмоприемника, то в таком случае данный сейсмоприемник можно считать широкополосным и неискажающим спектр. Увы, измерения это не подтверждают.

На самом деле, как оказалось, все существующие сейсмоприемники имеют собственные частоты, то есть обладают собственной колебательностью или, иначе говоря, содержат в себе колебательные системы, и искажение спектра происходит при наличии колебательности сейсмоприемника при любых значениях его собственных частот.

Осознать этот момент можно с помощью аналогии с электротехникой. Эта аналогия заключается в следующем. Допустим, что входная цепь осциллографа содержит колебательный контур. Причем, это неизвестно тем, кто пользуется этим осциллографом. Если есть необходимость исследования колебательного контура, то при подключении его к такому осциллографу возникает система связанных контуров. При этом неизбежно взаимное влияние обоих контуров, из-за которого исследуемый контур изменит свои параметры. Это изменение зависит от такого количества факторов, что исчезает повторяемость измерения.

Вот это отсутствие повторяемости спектра при повторе сейсмоизмерений как раз и имеет место.

В отношении электродинамических (самых распространенных) сейсмоприемников также существует непонятно откуда взявшаяся уверенность в том, что применение различных демпферов (механического и электрического) уничтожает собственную колебательность сейсмоприемника. Это заблуждение снимается очень просто. Достаточно воздействовать на такой сейсмоприемник коротким ударом (падение на его поверхность с примерно 30-сантиметровой высоты 2-миллиметрового стального шарика), и посмотреть форму снимаемой при этом с сейсмоприемника ЭДС. Мы увидим длительный, медленно затухающий колебательный процесс, наличие которого однозначно свидетельствует о том, что данный сейсмоприемник является колебательной системой. Этого уже достаточно, чтобы понять, что такой сейсмоприемник нельзя использовать как источник информации о спектре сейсмосигнала.

Для осуществления спектрально-сейсморазведочных измерений оказалось необходимым создать сейсмоприемник, который не имеет собственной колебательности, а следовательно, гарантирует отсутствие спектральных искажений. Об этом речь пойдет далее.

3 Не откажу себе в удовольствии напомнить, что, как следует из методологии развития научного познания, очевидность в науке - это путь в тупик.