Эффект акустического резонансного поглощения (АРП)
как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний1
А.Г. Гликман
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
Санкт-Петербург
Характер развития любой области физики зависит от уровня экспериментального обоснования соответствующей парадигмы. Непосредственно это развитие, как правило, и состоит в том, что происходит осмысление экспериментально выявленного физического эффекта. Однако иногда фундаментом целой области знания становится не эмпирически полученная информация, а некое, кажущееся абсолютно очевидным, утверждение. В таких случаях развитие может идти в тупиковом направлении.
Так сложилось, что основой парадигмы акустики твердых сред и основной ее ветви - сейсморазведки - стали утверждения, возникшие не в результате экспериментально установленного факта, а в силу их очевидности. Несомненно, наличие эхо-сигналов при использовании ударного источника зондирующего импульса и постоянство скорости распространения упругих волн в однородных по вещественному составу твердых средах - это такие очевидности, потребовать экспериментальной проверки которых можно только в силу каких-то особых обстоятельств.
Такие обстоятельства возникли практически сразу же после начала эры измерений, в 20-х годах XX века. Во-первых, не удалось обнаружить эхо-сигнал. Ведь отраженный от какого-то отражающего объекта сигнал (эхо-сигнал) по каким-то своим параметрам должен быть идентичным сигналу зондирующему. Однако тот сейсмосигнал, который возникает как отклик на ударное воздействие, нельзя считать эхо-сигналом, так как ни очертаниями на временной оси, ни спектрально - он не имеет ничего общего с зондирующим сигналом, и представляет собой длительный колебательный процесс необъяснимо большой амплитуды. С самого начала было предложено считать, что эти колебания - результат интерференции множества отраженных эхо-сигналов, и что более совершенной аппаратурой эхо-сигнал должен быть выявлен. В результате, вот уже более 80 лет идет борьба с длительными колебательными процессами и вплоть до сегодняшнего дня совершенствуется сейсморазведочная аппаратура. Но, как оказалось, принципиально это ничего не изменило. И, как и прежде, нет ни одного сейсмометода, с помощью которого можно было бы самостоятельно, без привлечения других геологических и геофизических методов получить какую бы то ни было геологическую информацию. Несамостоятельность метода говорит сама за себя2.
Первая же проверка спектрального состава сейсмосигнала (мы это сделали в 1977 году) показала, что длительные колебания, входящие в состав сейсмосигнала, в принципе не могут быть результатом интерференции. Дело в том, что, как оказалось, эти длительные колебательные процессы есть не что иное, как затухающие гармонические (синусоидальные) сигналы. Подобного рода сигналы могут быть получены одним-единственным способом - ударным возбуждением колебательных систем3.
Осознав, что принимаемые сейсмосигналы не являются эхо-сигналами, мы осуществили определенные исследования, в результате чего оказалось, что в подавляющем большинстве окружающих нас твердых сред отражения как таковые, а, следовательно, и эхо-сигналы - отсутствуют. Исключение составляют очень немногие твердые среды, к которым относится, в частности, оргстекло. А, стало быть, к проектированию, созданию и к эксплуатации методов, рассчитанных на регистрацию эхо-сигналов, следует относиться как не имеющим физического обоснования.
Во-вторых, никакими экспериментами не удалось доказать постоянство скорости распространения упругих волн даже в самых что ни на есть однородных средах. Как известно, результаты измерений скорости звука в первую очередь зависят от геометрии измерительной установки. Величина определяемой скорости изменяется при любых изменениях размеров образца и расстояния между излучателем и приемником. В одном и том же образце величина определяемой скорости может изменяться во много (до 10) раз. В конце концов, споры о том, как правильно измерять, чтобы определяемая в эксперименте скорость звука в однородных средах была постоянной и неизменной в пределах одного объекта, наконец-то завершились. Научная общественность приняла решение не считать это условие обязательным, так как однородных сред не бывает. Правда, не совсем понятно, что делать с некоторыми средами (к которым, в частности, относится оргстекло), в которых эта скорость остается неизменной при любых условиях измерений.
Разобраться с физической сущностью поля упругих колебаний в твердых средах удалось в результате экспериментального обнаружения ряда новых, неизвестных ранее физических эффектов и явлений, одним из которых является эффект акустического резонансного поглощения (АРП).
Эффект АРП заключается в том, что при нормальном прозвучивании гармоническим сигналом пластины, имеющей толщину h, на частоте 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 = Vсдв / h , (1)
где Vсдв - скорость поперечных (сдвиговых) волн.
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 пород4.
На рис.1 показана измерительная установка, с помощью которой возможно наблюдение эффекта АРП. 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 поэтому поле, отраженное от пластины 3, регистрируется пьезокерамическим диском 1. Та часть поля, которая проходит сквозь пластину 3, регистрируется пьезокерамическим дисковым приемником 4.
Рис.1
Отличие этой измерительной установки от стандартной состоит в том, что она содержит пьезокерамический диск 5, ориентированный ортогонально к ее основной оси (ось х). Форма зондирующего сигнала показана на рис.2а.
Измерения проводятся в воде или в любой другой приемлемой для материала образца жидкости, а для того, чтобы компенсировать отражения от стенок бассейна 6, бассейн повернут относительно главной измерительной оси x, а, кроме того, для этого применяются рассеиватели 7.
Анализатор информации - трехканальный осциллограф 8. 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 пластину 3. На канал III поступает сигнал d -, снимаемый с пьезокерамического приемника 55.
Первоначально, для калибровки измерительной установки, исследовались свойства прозвучиваемой пластины 3 как монохроматора. Монохроматор не является резонатором. Его работа описывается интерференцией и заключается в том, что на той частоте (fмх), когда на толщине слоя h укладывается целое количество (n) продольных полуволн (пр/2), происходит полное прохождение гармонического сигнала и полное отсутствие его отражения:
h = n пр / 2 или fмх = Vпр / (2h) , (2)
Небезынтересно отметить, что раньше эффект монохроматора в акустике никто не наблюдал. Математическое описание этого эффекта взято из оптики, а экспериментально, в чистом виде, в акустике его не видели. Дело в том, что это сделать невозможно, если не применить зондирующий сигнал особой формы.
Рис.2
Особенностью необходимого для этого сигнала (показан на рис.2а), является то, что, будучи ограниченным во времени, он при этом является узкополосным6. 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.
Эффект монохроматора наблюдается в пластинах из всех материалов, и проявляется он в следующем. На частоте монохроматора fмх отсутствует отражение сигнала от пластины 3, что проявляется отсутствием средней части сигнала b на время 2t, как это показано на рис.2b. При этом сигнал с идентичен по форме сигналу, приведенному на рис.2а, 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 fмх пластину 3 из бассейна, можно убедиться в том, что амплитуда сигнала с остается неизменной.
Такое соотношение коэффициентов отражения и прохождения на частоте fмх свидетельствует, во-первых, об отсутствии поглощения в материале пластины 3, а во-вторых, и это самое главное, о правомерности использования выбранной нами измерительной установки для дальнейшего использования ее при изучении эффекта АРП.
На частоте, несколько более высокой (процентов на 10÷15), чем fмх, можно наблюдать эффект, по сути, противоположный эффекту монохроматора. То есть когда отсутствует не отражение, а сквозное прохождение сигнала. Это происходит на частоте f0, равной собственной частоте слоя-резонатора. Исчезновение сигнала с проявляется на осциллографе 8 пропаданием средней части сигнала на время 2t так, как показано на рис.2b.
Но при этом и не увеличивается отражение от пластины 3 (амплитуда сигнала b), как, казалось бы, должно быть из соображений закона сохранения. Как оказалось, та часть сигнала, которая на других частотах проходит насквозь, на частоте f0 переориентируется в ортогональном направлении и излучается торцами пластины. Что и фиксируется пьезокерамическим приемником 5.
На рис.3 показаны частотные зависимости коэффициентов отражения (ß), прохождения (), а также величины эдс (U), снимаемой с приемника 5. Вдали от изучаемых резонансных явлений зависимости показаны неявно из-за различных неоднородностей частотных характеристик элементов измерительной установки.
Рис.3
Для того чтобы убедиться в том, что частота f0 есть не что иное, как собственная частота пластины 3, мы использовали в качестве пластины-резонатора пьезокерамический диск. При этом частотная зависимость снимаемой с пьезокерамической пластины 3 ЭДС полностью совпала с зависимостью U(f). А поскольку зависимость эта по своему виду является спектральным изображением затухающего гармонического сигнала, то наличие ее свидетельствует о том, что f0 есть не что иное, как собственная частота пластины-резонатора. Кстати, повторив измерения на пьезокерамической пластине после нагрева ее выше критической температуры (то есть, лишив ее пьезосвойств) мы получим точно такую же зависимость U(f). Из этого следует, что резонансные свойства керамики не зависят от наличия у нее пьезосвойств.
Совпадение собственной частоты колебательной системы с частотой внешнего воздействия (в данном случае, генератора 2) - это резонанс. То есть, на резонансе происходит переориентирование поля (как потом оказалось, не всего поля, а только его части) в ортогональном направлении.
По аналогии с другими известными в физике эффектами резонансного поглощения (парамагнитный, ядерно-магнитный, ферромагнитный, электронный резонансы), этот эффект был назван акустическим резонансным поглощением (АРП).
В результате исследования эффекта АРП оказалось, что наблюдается он только в слоях-резонаторах. В пластинах из оргстекла этот эффект не существует.
Здесь необходимо разобраться. 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 (Ī1), распространяющееся в направлении x, должно 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.
Если на резонансе мнимая составляющая поля переизлучается в направлении y, то реальная часть, в принципе, не должна была бы никуда исчезнуть, и мы должны были бы ее обнаружить с помощью приемника 4.
Обнаружить реальную составляющую удалось, когда в качестве приемника 4 была применена пьезопленка. При регистрации поля, проходящего через исследуемую пластину, с помощью пьезопленочного преобразователя никаких резонансных проявлений вблизи частоты f0 не видно. Частотная зависимость коэффициента прохождения при использовании пьезопленочного приемника 4 на рис.3 показана штриховой линией, помеченной значком "? (пленка)". То есть, если бы с самого начала в качестве чувствительного материала приемника 4 использовалась пьезопленка, то об эффекте АРП мы бы ничего не узнали.
Получается, что пьезокерамика в режиме приема работает как датчик мнимой составляющей поля, а пьезопленка - реальной. В режиме же излучения пьезокерамика, как видим, создает как реальную, так и мнимую составляющие поля упругих колебаний.
Если при прохождении через объект поле не просто уменьшается по амплитуде, но изменяется соотношение между составляющими его векторами, то это свидетельствует о том, что коэффициент прохождения через этот объект имеет комплексный характер. Коэффициент прохождения есть отношение амплитуды поля в зоне приемника 4 (Ī4) к амплитуде излучаемого поля (Ī1). Для того чтобы при комплексном характере поля I1 поле I4 не имело мнимой составляющей, коэффициент должен иметь комплексный характер:
Звукопроводящие свойства слоя-резонатора на резонансе таковы, что исходное поле разделяется на две его составляющие. Активная составляющая проходит сквозь этот резонатор и регистрируется пьезопленкой, а мнимую составляющую регистрируем с помощью пьезокерамического приемника 5. Пластина из оргстекла такими свойствами не обладает. Звукопроводность сред, подобных оргстеклу, имеет чисто активный характер и соотношения между реальной и мнимой составляющими поля не изменяет. И таким образом, получается, что звукопроводность подавляющего большинства твердых сред, и в том числе, горных пород, обладает звукопроводностью, имеющей комплексный характер. И именно поэтому земная толща представляет собой совокупность не отражающих поверхностей, а колебательных систем. Физические эффекты, объясняющие реактивный характер звукопроводности большинства твердых сред, описаны в работе /1/.
Следующим этапом исследований было совмещение пьезопленочного и пьезокерамического преобразователей, и такой комбинированный приемник использовался в качестве приемника 4. При этом оказалось, что регистрируемые этими двумя чувствительными элементами сигналы, соответствующие обеим составляющим поля, приходят к приемнику 4 одновременно (естественно, это касается измерений вне частоты f0). Следовательно, скорость распространения в жидкости обеих составляющих поля - реальной и мнимой - одна и та же.
Таким образом, можно считать доказанным, что поле упругих колебаний в общем виде состоит из реальной и мнимой части. Мнимая часть поля отвечает за формирование собственных колебаний. Возникает вопрос, имеем ли мы право называть реальную и мнимую составляющие поля соответственно продольными и поперечными волнами...
Если по признаку значений скоростей, которым удовлетворяют выражения (1) и (2), то можем. И тогда можем предложить следующие формулировки:
продольными волнами является реальная часть поля упругих колебаний, характеризуемая скоростью, определяемой по выражению (2), то есть с помощью эффекта монохроматора;
поперечными волнами является мнимая часть поля упругих колебаний, характеризуемая скоростью, определяемой по выражению (1), то есть с помощью эффекта АРП.
Но, с другой стороны, как мы видели, обе составляющие поля распространяются в жидкости с одинаковой скоростью. Дело здесь в следующем.
Между скоростями распространения и скоростями, указанными в выражениях (1) и (2), существует принципиальная разница. Скорость, характеризующая разного рода резонаторы либо объекты, работающие в режиме стоячих волн (как, например, монохроматор), не является скоростью распространения, поскольку данный конкретный процесс никуда не распространяется, а существует в замкнутом объеме, - это скорость фазовая. То есть, скорости Vпр и Vсдв - это фазовые скорости соответственно продольных и поперечных волн, и они-то как раз и являются характеристиками среды. Скорость же распространения и есть та самая скорость, которая, как указывалось выше, в зависимости от геометрии измерительной установки может изменять свое значение при измерениях в несколько раз7.
Нетрудно заметить, что все выше сказанное существенно расходится с общепринятыми подходами к кинематическим характеристикам продольных и поперечных волн. Но ведь и в самом деле, давно уже следовало отдать себе отчет, что характеризовать какой-либо тип упругих колебаний параметрами смещения колеблющихся частиц в упругой волне, как минимум, неправомерно, поскольку на сегодняшний день просто не существует технических средств, позволяющих эти параметры оценить. Ни для амплитуды смещения колеблющихся частиц, ни для скорости либо ускорения их смещения, ни для механического напряжения в упругой волне - датчиков не существует. По этой же причине совершенно неправомерны утверждения о пригодности каких бы то ни было сейсмоприемников для регистрации того или иного типа упругих волн. То есть понятия продольных и поперечных волн возникли чисто умозрительно, и не подкреплялись результатами измерений.
В свете рассмотрения свойств поля упругих колебаний с учетом эффекта АРП это уже и теряет свою актуальность. Сейчас стало ясно, что все сейсмосигналы, имеющие вид затухающего гармонического колебания, сформировались в результате возбуждения соответствующих геологических структур, проявивших свойства колебательных систем. И привлекать для их описания какой-либо тип упругих колебаний не имеет смысла.
Когда предлагаемая в настоящей работе точка зрения окажется общепринятой и будет принято считать реальную часть поля упругих колебаний продольными волнами, а мнимую поперечными, то будут пересмотрены и свойства субстанций, известных сегодня под этими названиями. Так, должна отойти в небытие легенда о том, что поперечные волны не распространяются в жидких и газообразных средах. И действительно, как показано в работе /1/, при определенных условиях резонаторы (на поперечных, естественно, волнах) формируются и в этих средах. И, наконец, о причинах необъяснимо низкого затухания сейсмосигналов в отдельных случаях. Не вдаваясь здесь в частности, отметим лишь, что поскольку сейсмосигналы формируются мнимой частью поля, то требовать исполнения закона сохранения при рассмотрении затухания нельзя8.
Любой физический эффект обладает огромной информационной емкостью. С одной стороны, он имеет множество различных следствий, а с другой, исследовательский метод, основанный на новом физическом эффекте, обязательно является источником принципиально новой информации. И эффект АРП не является исключением.
Следствия из эффекта АРП:
Слои из подавляющего большинства твердых сред являются колебательными системами.
Земная толща по акустическим свойствам является не совокупностью отражающих поверхностей, а совокупностью колебательных систем.
Зондирующий импульс не распространяется в земной толще, а спектрально преобразуется в соответствии со свойствами залегающих там колебательных систем.
Возникающие спектральные составляющие распространяются вдоль соответствующих колебательных систем.
Эхо-сигналы, принимаемые при сейсморазведочных работах, возникают при отражении от нарушений, ограничивающих породные слои-резонаторы. То есть отражение идет не снизу, а сбоку.
Традиционная сейсморазведка, основанная на регистрации отражения и прохождения зондирующего сигнала, является научным заблуждением.
Спектральная сейсморазведка основана на использовании экспериментально выявленных эффектов, и в этом ее отличие от традиционной. Переход от традиционной сейсморазведки к спектральной является переходом к новой парадигме.
Спектрально-акустические и спектрально-сейсморазведочные методы позволяют выявлять границы, которые раньше в физике даже не рассматривались. А именно, сомкнутые трещины в однородных материалах и как совокупность их - зоны повышенной микронарушенности. Это раскрывает колоссальные перспективы в материаловедении и дефектоскопии.
Спектральная сейсморазведка оказалась методом, с помощью которого стало возможным выявлять тектонические нарушения9 и зоны влияния этих нарушений на несущую способность грунта, и тем самым, на надежность инженерных сооружений. С помощью метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) возможно прогнозирование изменения несущей способности грунта, то есть даже до начала строительства может быть сделан прогноз надежности, и, в частности, характер разрушения еще не построенного здания. Таким образом, спектральная сейсморазведка - это первый (и пока единственный) метод инженерной геофизики. Дело в том, что формально методов инженерной геологии и геофизики существует немало, однако ни один из них до сих пор был не в состоянии дать конкретную и однозначную прогнозную информацию о состоянии инженерных сооружений.
Что касается разведочных геологических методов, то кроме тех месторождений, которые контролируются тектоническими нарушениями, метод ССП оказался незаменимым при поисках объектов типа алмазоносных структур (кимберлитовых и других трубок).
В науке существует правило этического плана, согласно которому нельзя отметать никакое направление, пусть даже тупиковое и ошибочное, до тех пор, пока не будет создано направление, заменяющее его. Однако уже перечисленные возможности спектральной сейсморазведки дают основание для того, чтобы считать эффект АРП фундаментом новой парадигмы акустики как раздела физики.
При смене парадигмы обычно происходит так, что новая парадигма включает в себя элементы парадигмы предыдущей. В данном случае, в новую парадигму войдет лишь теория распространения упругих волн в однородных жидких и газообразных средах, поскольку общепринятая теория роля упругих колебаний в твердых средах оказалась научным заблуждением.
В приведенной таблице представлены аргументы того, что в настоящее время происходит процесс смены парадигмы.
Традиционные сейсмометоды
Спектральная сейсморазведка
Ни одно из положений экспериментально не подтверждается.
Применяются только в двух случаях: либо когда геологическое строение
уже известно, либо когда результаты невозможно проверить. Ни одного результата, совпадающего с результатами бурения не существует.
В активе нет ни одного подтвержденного месторождения.
Все положения подтверждаются экспериментально.
Для осуществления не нужно никакой априорной информации. Результаты многократно проверены практикой - открытыми месторождениями, прогнозами аварий.
пр/2), происходит полное прохождение гармонического сигнала и полное отсутствие его отражения:
1t.
), а также величины эдс (U), снимаемой с приемника 5. Вдали от изучаемых резонансных явлений зависимости показаны неявно из-за различных неоднородностей частотных характеристик элементов измерительной установки.
