 |
 |
О нас | Услуги | Оборудование | Книги по теме | Примеры | Связь | Карта | Форум | Видео | En |
Физические эффекты в акустикеГликман А.Г.
Существует только то, что можно померить
Так сложилось, что первые мои самостоятельные шаги в науке совпали с моментом знакомства с методологией развития научного познания. Незадолго до этого у нас (в СССР) вышел труд Куна Т.С. [1], по которому я должен был написать реферат по философии. Это оказалось так интересно, что с того времени я стал все свои проблемы в науке сверять с мнением методологов. А кроме того, предмет, которым мне пришлось заняться, находился в жутком тупике, и без советов методологии выйти из этого тупика было невозможно. Предмет этот - геофизика, и в частности, сейсморазведка. С тех пор прошло без малого 50 лет. Я преодолел тот кризис, и с некоторых пор у меня появился страх, что, поскольку мне уже много лет, то как бы мне не уйти в Мир иной, и не унести с собой что-нибудь, без чего продолжать мое дело будет трудно. Поэтому я стараюсь публиковать на своем сайте всё, что у меня получилось. Время от времени в чем-то повторяюсь. Но думаю, что это лучше, чем если я что-нибудь не напишу. В основе любой области знания и (или) любого исследовательского метода в качестве фундамента должен существовать некий конкретный физический эффект (или несколько физических эффектов). При этом каждый физический эффект должен быть проверяемым. И, естественно, экспериментально проверенным. Казалось бы, следует ли говорить столь очевидные вещи. А оказывается, что следует. Дело в том, что, как показывает история физики, физический эффект может казаться очевидным настолько, что никому в голову не придет его проверять экспериментально. Но не зря в курсе методологии развития научного познания утверждается, что очевидность, недоказанная экспериментально - это путь в тупик. С предметом моих исследований - акустикой твердых сред - мне очень «повезло». В 1973-м году, когда я начал чтение лекций о шахтных геофизических методах для студентов 5-го курса в ЛГИ (ленинградском Горном институте), я обнаружил, что физические эффекты, на основе которых строятся сейсморазведочные методы, только декларированы, но экспериментально не доказаны. Это было тем более важно, что в условиях шахт из геофизики используется только сейсморазведка, и если эти эффекты не соответствуют истине, то получается, что в шахтных условиях вообще не существует ни одного эффективного геофизического метода. В дальнейшем это подтвердилось. Как известно, физика - это совокупность физических эффектов. Понятно, что это относится также и к геофизике. Поэтому основой курса по геофизике должны быть лабораторные работы, которые направлены на экспериментальную проверку утверждений, которые лежат в основе изучаемого предмета. Но к моему удивлению, курс сейсморазведки не имел ни одной лабораторной работы. Причем не только в ЛГИ, но и ни в одном ВУЗе как в нашей стране, так и за рубежом. Интересно, как же его читали? Рассмотрим известное положение, которое заключается в том, что поле упругих колебаний в твердых средах состоит из ряда типов упругих колебаний. Это, в первую очередь, продольные и поперечные волны. А кроме того, волны Рэлея, Стоунли, каналовые и многие другие. Но здесь получается неувязка. Дело в том, что каждый тип упругих колебаний характеризуется траекторией и скоростью движения колеблющихся в этом поле частиц, а также траекторией их движения относительно направления распространения поля упругих колебаний. Но ведь ни один из кажущихся известными типов волн не может быть определен в эксперименте. Есть только математические соотношения между различными типами упругих колебаний. Однако математические соотношения имеют смысл только при наличии экспериментальных данных. Но таковых, увы, не существует. Идея сейсморазведки возникла очень давно, когда еще нельзя было говорить о какой-либо аппаратуре. Ее идея возникла в результате аналогий с использованием акустики животными. Так, летучие мыши, слепые от рождения, излучая в воздух акустические импульсы в виде высокочастотного писка, получают эти же импульсы, отраженные от объектов, находящихся впереди по курсу их полета, и огибают эти объекты. То есть, Природа заложила в их организм способности, позволяющие использовать в воздухе принципы сейсморазведки. Точно то же самое происходит и у некоторых морских животных (киты, дельфины...), которые используют этот принцип в воде. О гидроакустике я уже не говорю. Если бы не работала гидроакустика, то подводных кораблей вообще не было бы. Так почему же человек не может использовать этот принцип в земной толще?! Я присутствовал на заседаниях головной сейсморазведочной организации, в ЛОМИ (ленинградское отделение математического института им. Стеклова) АН СССР, в отделе сейсморазведки и сейсмологии. И вот когда в этом отделе решали вопрос, чему следует учить студентов университета, будущих сейсморазведчиков, как говорили тогда, в 90-х годах, в свете перестройки, то я услышал из выступления Петрашеня Г.И., заведующего этим отделом, что за всё время существования сейсморазведки не было в Мире ни одного случая, чтобы сейсморазрез совпал с разрезом, полученным при бурении. Вообще-то это было известно, но позволить себе сказать вслух такое мог только Петрашень. Это был величайший на Земле ученый в области сейсморазведки и сейсмологии. И, таким образом, было решено учить студентов, будущих сейсморазведчиков математике, «потому что математика не подведет»... Здесь необходимо рассказать, почему и как так получилось, что совершенно нерабочий, несамостоятельный метод во всем мире считается самым эффективным геофизическим методом. Когда Пуассон написал свои уравнения, описывающие поле упругих колебаний, он сказал, что до тех пор, пока решения этих уравнений не будут подтверждены экспериментами, они являются не элементами теории, а гипотезами. А эксперименты могут появиться только тогда, когда будет создана геофизическая аппаратура. И вот, когда такая аппаратура появилась (в самом начале ХХ века), на нее возлагались очень большие надежды. Однако ожидаемые результаты, а именно, отраженные сигналы на сейсмограммах не появились. И тогда возникло предположение, что виновато в этом несовершенство существующей аппаратуры. Но чтобы создать более эффективную аппаратуру, нужны были деньги, которые, в свою очередь, могли появиться только при условии получения хотя бы каких-нибудь положительных результатов при использовании уже имеющейся аппаратуры. И такие результаты возникли. О них сообщил известный ныне всем студентам профессор Загребского университета Андрия Мохоровичич. В 1909 году он опубликовал статью, в которой утверждал, что с помощью имеющейся у него сейсморазведочной аппаратуры была получена информация о строении земной толщи на глубину до 60км. И тотчас же появились аналогичные заявления других ученых. И после этих сообщений во всем Мире начались денежные вливания в сейсморазведку. Вот эти вливания, которые продолжаются и по сей день, являются причиной того, что информация о неэффективности сейсморазведки засекречена. Кстати, возникает вопрос, от кого она засекречена... В интернете эта информация есть, и я не буду ее повторять. Но дело в том, что то, что было получено Мохоровичичем, невозможно получить даже сегодня, спустя 110 лет. Такое может произойти только если эти сообщения не соответствуют действительности. Это было понятно давно, но в науке существует закон, согласно которому любые научные сообщения не могут быть ни опровергнуты, ни изменены. Даже если там обнаружена ошибка или даже обман. Но вернемся к исходным положениям данной статьи. О каких физических эффектах, которые можно было бы проверить, может идти речь? О самых очевидных, о самых не подлежащих сомнению. Первый эффект заключается в том, что скорость распространения поля упругих колебаний в однородных, монолитных средах в различных направлениях одинакова. Неужели у кого-нибудь может возникнуть сомнение в этом? Но всё же я решил это подтвердить экспериментально. Вообще-то в научных статьях не принято писать от первого лица и касаться межчеловеческих отношений. Но я с этим не согласен. Научными проблемами занимаются конкретные люди, и судьбы научных результатов определяются также конкретными людьми. И судьбы людей, занимающихся наукой непосредственно связаны с теми людьми, которые при этом находятся рядом. Мои коллеги, от которых я не скрывал своих намерений, только качали головами и подносили палец к виску. Они не могли представить себе, что подобная очевидность нуждается в проверке. Я всегда интересовался историей физики, и знаю, что так же недоверчиво люди вначале относились ко многому, что сейчас для нас привычно. Но я-то и сам тогда был убежден, что скорость звука в однородных монолитных материалах во всех направлениях не может быть неодинаковой. Мне эта проверка была необходима для того, чтобы, читая свой курс, иметь хотя бы один результат эксперимента, подтверждающего идею сейсморазведки. Схему этого эксперимента можно увидеть на рис.1.
p-c - пьезокерамическая пластинка, которая может служить как излучателем, так и приемником поля упругих колебаний. Эти пластины прижимаются к образцу через смазку, и излучение поля происходит с помощью генератора коротких электрических сигналов, а регистрация прошедшего через образец сигнала - с помощью осциллографа. Как известно, скорость измерению не подлежит, а определяется как отношение соответствующего размера образца к длительности прохождения поля (по моменту первого вступления). Взяв пластину из оргстекла (самого популярного при лабораторном моделировании материала) размером 15Х60Х120мм, я померил скорость во всех трех направлениях и получил одинаковую скорость. Она была равна примерно 2600 м/с. Ну что ж, это хорошо, что в основе сейсморазведки лежит эффект, проверенный, наконец-то, экспериментально. Но когда я планировал эту лабораторную работу, я понимал, что какие бы результаты ни получались, они должны проверяться на всех группах твердых сред - на горных породах, на металлах, на стекле... И поэтому, чтобы мои измерения имели представительность, я заказал институтским камнерезам примерно одинаковые (по размерам такие, как из оргстекла на рис.1) пластины из основных горных пород - из песчаника, известняка, алевролита и аргиллита. Я был уверен, что ничего радикально нового я не получу, но, как и любой эксперимент, эти исследования должны были быть выполнены до конца. И ведь не зря методологи придают такое большое значение экспериментальным исследованиям. Эти результаты совершенно неожиданно могут оказаться такими, что вызовут резкий скачок в познании предмета. То, что у меня получилось в данном случае, вызвало резкий скачок, правда, не в познании, а в непонимании. Скорость распространения при поперечном прозвучивании образцов горных пород в виде пластин в направлении Z оказалась примерно одинаковой для всех образцов горных пород (что само по себе странно. Ведь справочники утверждают, что различные горные породы имеют весьма различающиеся скорости.), которая оказалась равной примерно 5000м/с. При прозвучивании вдоль образцов (в направлениях X и Y) скорость в образцах горных пород оказалась примерно в 2 раза меньше. То есть, примерно 2500м/с. Понять это было невозможно. Но пока я ломал голову, мне принесли стеклянную пластину, по размерам примерно такую же. И я стал прозвучивать ее. При поперечном (в направлении Z) прозвучивании стеклянного образца скорость оказалась равной примерно 6000м/с. При продольном прозвучивании (в направлениях X и Y) она имела значение, примерно равное 3000м/с. В образцах из металлов и сплавов получилось то же самое соотношение скорости с направлениями прозвучивания образцов, но диапазон скоростей оказался шире, чем в горных породах. Тогда я понял, что ничего не понял. Это был период в моей жизни, когда количество вопросов день ото дня росло, а ответов не было ни на один из них. Это мое состояние заняло примерно весь 1976-й год. В конце этого года была ликвидирована кафедра радиоэлектроники, на которой я числился, и меня перевели на кафедру РПМ (разработки пластовых месторождений, то есть, на кафедру, занимающуюся проблемами в угольных шахтах) Горного факультета ЛГИ. Там остро нуждались в радисте. И это понятно. Количество используемой аппаратуры увеличивалось, а обслуживать ее было некому. Оставаясь преподавателем-почасовиком, я получил на новом месте работы задание найти способ прогнозирования обрушения пород кровли в угольных шахтах. Ну кто же знал, что большего соответствия этого задания тематике лекций просто быть не могло. И в дальнейшем всё, что у меня получалось при шахтных измерениях, я рассказывал студентам. Проводить измерения в шахте в одиночку нельзя. И из соображений безопасности, и просто потому что одному не справиться. Да и заблудиться под землей неопытному человеку очень просто. Первый раз я спустился в шахту вместе с заведующим лабораторией при кафедре РПМ Овчаренко Борисом Петровичем (БП). Это был человек с огромным опытом работы в шахтах, и я, как мог, набирался у него ума и опыта. При первом же исследовании акустических свойств пород кровли в шахте я обнаружил, что импульсное воздействие (удар) на горные породы вызывает в них гармонический (синусоидальный) колебательный процесс, частота которого f оказалась связанной с толщиной (мощностью) h породного слоя следующим соотношением: f = 2500 / h или h = 2500 / f (1) Таким образом, если нанести удар по породному слою, то, имея прибор, называемый частотомером, можно определить толщину породного слоя. Эта информация очень важна для оценки устойчивости кровли. Но, вообще говоря, по сути, мы обнаружили неизвестную ранее акустическую колебательную систему. За 100 лет до этого нашего измерения лорд Кельвин обнаружил электрическую колебательную систему, колебательный L-C контур. Кельвин дал определение, что если при импульсном воздействии на объект реакция имеет вид затухающего гармонического (синусоидального) сигнала, значит, этот объект является колебательной системой. Или, иначе говоря, резонатором. То есть горные породы тоже оказались резонатором. Всё, что у меня получалось, я тотчас же рассказывал БП. Я не мог себе представить, что этот эффект до этого был неизвестен. БП сразу понял, что то, что у нас получилось, пахнет открытием. Он сказал только: «Ох, сожрут тебя». Но его реакция на это была мне непонятна. Обнаружение L-C контура породило новую парадигму в науке об электричестве, что, привело к созданию радиотехники, и это вызвало мощное развитие физики в целом. Обнаружение, по сути, того же в шахтных условиях, вызвало ненависть со стороны всех горных специалистов. И работающих со мной на одной кафедре, и в других горных коллективах. Дело в том, что всё, что совершается в горном массиве, объясняется напряженным состоянием. Которое, на самом деле, измерено быть не может. (см. эпиграф) Когда мы вернулись домой, в ЛГИ, я должен был сделать доклад о результатах командировки. Меня БП предупредил, чтобы я не произносил слово «открытие». Но коллеги по кафедре и сами всё поняли. И не было предела злобе, которая ими просто излучалась в моем направлении. И не ослабевала в течение всех 16 лет, что я там проработал. Я не понимал причин этого, и пытался выяснить у БП, в чем дело. Наконец, он сдался, и порекомендовал мне поинтересоваться содержанием диссертаций наших сотрудников по кафедре. Они ведь все лежали в нашей библиотеке. Я получил от этого неизгладимое впечатление. Большинство диссертаций было посвящено... прогнозированию обрушения пород кровли. Я к этому времени уже немного был в теме. Во всяком случае, настолько, чтобы понять, что это всё полная туфта. От начала и до конца. Я спросил у БП, зачем же они дали мне такое задание, когда я пришел на эту кафедру. Дело в том, что они были абсолютно уверены, что у меня ничего не получится, и я не буду для них конкурентом. Ознакомление с диссертациями было очень полезно. Потому что когда я дал своим коллегам понять, что читал их диссертации, они хотя бы затаились в своей ненависти. Сейчас-то я понимаю, что все они были несчастными людьми с неудавшейся судьбой. Дело в том, что в нашем отечестве самым главным требованием к диссертации является отсутствие в ней чего-либо нового. Выполняя это требование, они были вынуждены защищать липу. И предъявлять липовые документы об экономической эффективности и о значимости содержания своих диссертаций. А это уже уголовно наказуемое деяние. Защитив липу, они были привязаны к ней до самой смерти. Можно себе представить, как себя чувствуют люди, совершившие подлог, и всю жизнь бояться разоблачения. Ну, да Бог им судья... Но это было всё на уровне помех, неизбежных при любых исследовательских работах. У меня были замечательные помощники, из бывших моих студентов, и мы, используя обнаруженный эффект, столько интересного узнали, что шахты, на которые других людей с нашей кафедры было не загнать, были нам как дом родной. Обнаружив этот исходный эффект, мы сначала, первые 16 лет использовали его только в шахтах. Мы наносили совсем несильные удары по кровле в подземных выработках и определяли частоту возникающего колебательного процесса, чтобы определить толщину породного слоя, находящегося над нашей головой. А затем, заменив частотомер спектроанализатором, мы определяли мощности некоторого набора породных слоев, находящихся в кровле. В результате этой работы мы научились выявлять мелкослоистую кровлю, а эта слоистость оказалось признаком того, что кровля готова обрушиться. У меня были прекрасные отношения с людьми на всех шахтах, где я работал, до тех пор, пока не произошло некое ключевое событие. При измерениях в одном из штреков на шахте «Распадская» мы обнаружили, что некоторый участок кровли сложен однородными по составу, но мелкослоистыми породами. И я стал требовать срочного возведения крепи на этом участке штрека. По данным шахтных геологов, там крепь была не нужна, и мне пришлось написать требование возведения крепи на имя директора шахты. Это было воспринято как жуткое хамство с моей стороны, и меня с моими помощниками просто выгнали с шахты. Об этом руководство шахты уведомило руководство ЛГИ, и месяца 2 после этого нам никуда не подписывали командировки, и от нас требовали, чтобы мы уволились. А поскольку права на наше увольнение наши начальники не имели, то мы продолжали работать в институте. А потом произошло обрушение пород там, где мы настаивали на возведении крепи (которая всё-таки была возведена, поскольку свое требование я оформил по всем правилам бюрократии), и оказались спасенными 60 шахтеров, оказавшихся там в тот момент. Этот случай укрепил нашу уверенность в правильности того, что мы делали. Однако это еще больше увеличило ненависть к нам со стороны наших сотрудников и руководства ЛГИ. Но так складывалось, что всё, что они творили с нами и нашим научным направлением, каждый раз шло нам на пользу. Получив запрет на командировки, я с головой влез в лабораторные исследования. И за 2 месяца, что я вынужденно сидел дома, в лаборатории был обнаружен новый физический эффект без знания которого наша исследовательская работа остановилась бы всерьез и надолго. Эта лабораторная работа казалась совсем элементарной. Я решил проверить общеизвестное положение, которое заключалось в том, что при удалении сейсмоприемника от точки ударного воздействия (падения маленького, примерно двухмиллиметрового стального шарика) на лист, скажем, стекла, амплитуда акустического поля должна уменьшаться. Сначала я взял лист оргстекла, и получил ожидаемый результат (график а на рис.2). Но когда я взял лист стекла... Сначала всё было ожидаемо, и поле нормально уменьшалось при начальном удалении сейсмоприемника от точки падения шарика. Но потом, при дальнейшем удалении сейсмоприемника от точки излучения амплитуда сигнала начинала увеличиваться, достигая максимума при l, близком к толщине стекла. На рис.2 показаны зависимости амплитуды колебаний от удаления сейсмоприемника от точки ударного воздействия на лист оргстекла (а) и стекла b).
При дальнейшем удалении от точки удара по стеклу амплитуда сигнала уменьшалась, но крайне медленно. То есть, получается, что распространение поля вдоль слоя-резонатора характеризуется очень малым затуханием. Мнение всех свидетелей было едино - увеличение амплитуды поля с удалением от точки ударного воздействия может быть только в одном случае - если в акустике не исполняется закон сохранения энергии. У студентов мнение было такое же. Это было очень кстати, поскольку у студентов представления о принципах метрологии были на нуле, и я им после этого стал рассказывать о том, что такое метрология, и почему померить энергию невозможно. Но это что касалось принципов метрологии. А сам эффект, показанный графиком (b, на рис.2 мне самому был непонятен еще несколько лет. Но постепенно я стал понимать, что породные слои по акустическим свойствам - это, по сути, то же самое, что электрические контура по электрическим свойствам. Я об этом уже многократно писал. Дело в том, что когда я перешел на кафедру РПМ, я был в чистом виде радиоинженером, только что получившим диплом с указанной там квалификацией «общая радиотехника». У меня в памяти были свежи все принципы теории электрических колебательных систем, и когда я увидел при осуществлении измерений частотного спектра затухания поля упругих колебаний, который имел вид, показанный на рис.3 , я сразу понял, что частотная характеристика исследуемого нами породного слоя идентична частотной характеристике электрического колебательного контура. Для всех, кто знаком со спектрально-временными преобразованиями, график, приведенный на рис.3, представляет собой: а) спектральное изображение затухающего синусоидального сигнала; б) частотную характеристику электрического колебательного контура; в) проходную характеристику любого объекта, который является колебательной системой.
То есть, получается, что породный слой по акустическим свойствам представляет собой колебательную систему. Или, иначе говоря, резонатор. Обе оси абсцисс связаны между собой соотношением (1). В дальнейшем, объекты, имеющие свойства акустической колебательной системы были названы акустической колебательной системой (АКС). Таким образом, мы получили инструмент, позволяющий определять строение пород кровли, и тем самым, определять вероятность обрушения пород кровли. Однако перед нами встала проблема, без решения которой использовать эту идею было невозможно. Для любой известной колебательной системы известен механизм, который обеспечивает преобразование ударного воздействия в гармонический отклик. Для маятника, для пружины... Исключение составляет АКС, одним из вариантов которой является слой-резонатор, и, в частности, породный слой. И до тех пор, пока мы не найдем этот механизм, мы не имели права использовать обнаруженный нами метод прогнозирования обрушения. Ведь речь шла о сохранении человеческих жизней. И нам было необходимо иметь уверенность, что объекты из горных пород всегда являются резонаторами. И вообще, почему породный слой и другие объекты из горных пород, а также из стекла, керамики, металлов и сплавов являются резонаторами, а из оргстекла и ряда из некоторых пластиков и, кстати, почти всех сортов угля резонаторами не являются? Или иначе. Почему стекло при ударе звенит, а оргстекло - нет? Какое может быть различие акустических свойств резонаторов и нерезонаторов? Лет 5 я не мог ответить ни на один из этих вопросов. Но потом я сообразил, что мы же вообще-то ничего не можем померить из акустических свойств, кроме скорости распространения поля упругих колебаний... Так что искать ответ нужно здесь. Я уже не помню, что меня натолкнуло на мысль о том, что в объектах-нерезонаторах поле в однородных монолитных средах распространяется с постоянной скоростью, а в резонаторах при их прозвучивании скорость изменяет свою величину. Как изменяет? По-видимому, скорость уменьшается в приграничных областях. Я отдавал себе отчет в том, что это предположение идиотское. Но какая бы ни была дурацкая гипотеза, она должна быть проверена. Но как же ее проверить? Если она соответствует истине, то при прозвучивании образцов-резонаторов полученная скорость должна изменяться в зависимости от толщины образца. Я взял стальной пруток диаметром миллиметров 50, и на токарном станке отрезал три пластины. Толщиной примерно 5, 10 и 15мм. Надо сказать, что я почему-то так нервничал, что сам померить скорость в этих образцах не мог. И попросил сделать это своих коллег. А сам ушел в Эрмитаж. Я неоднократно использовал прогулку по залам Эрмитажа в качестве психотерапии. Когда я вернулся в ЛГИ, то застал моих коллег за исследованием этих образцов. Мне это показалось странным, так как больше 15 минут потратить на исследование всех трех образцов невозможно. Они же на меня набросились с вопросом, где я взял эти образцы. У них оказалась различной скорость распространения поля упругих колебаний при их прозвучивании. Я только спросил у коллег, действительно ли самый тонкий образец имеет самую маленькую скорость. Так оно и оказалось. Когда я им рассказывал о моей гипотезе об изменении скорости распространения поля при прозвучивании слоев-резонаторов, они это не услышали. Ведь люди могут услышать только то, что они готовы услышать. В таблице табл.1 приведены результаты измерений скорости распространения поля упругих колебаний методом регистрации момента первого вступления для пластин различной толщины из стекла и оргстекла. табл. 1
Колебания скорости в оргстекле бессистемные. Они определялись не совсем точным изготовлением образцов. А в стекле - вполне определенные, обусловленные толщинами образцов, которые, кстати, делали оптики. Здесь логика зависимости скорости от толщины образца аналогична зависимости средней скорости автомобиля от длины пути. Чем меньше длина пути, тем большее влияние на среднюю скорость оказывают участки плавного начала пути и столь же плавной остановки. Однако скорость движения чего угодно, и в том числе, распространения поля не может изменяться без притока (или оттока) энергии воздействия со стороны. Напомню, что на самом деле, мы измеряем не скорость распространения поля, а время, в течение которого момент первого вступления достигает сейсмоприемника. Но кто может гарантировать, что вектор поля прямолинеен и ортогонален плоскостям прозвучиваемого образца? И действительно, как оказалось, вектор этот изгибается в приповерхностных зонах dh. За счет этого в приграничных зонах возникают тангенциальные составляющие поля и поле, изначально направленное нормально (перпендикулярно) к плоскости образца, распространяется вдоль поверхностей образца. А я столько лет был уверен, что этот вектор остается прямым отрезком, перпендикулярным к поверхностям образца, и только притормаживается около этих поверхностей. Этот эффект очень хорошо виден при наблюдении эффекта АРП (акустического резонансного поглощения) [2]. Эффект АРП на самом деле показывает, что при сейсмоработах если и возникает отраженный сигнал, то он приходит не снизу, в чем всегда все были уверены, а сбоку. Понятно, что в этом случае результат сейсморазведки не может совпадать с реальным разрезом. Значит, что мы имеем. При прозвучивании протяженного слоя-резонатора в перпендикулярном ему направлении поле поворачивается на 90 градусов и распространяется вдоль этого объекта. Причем затухание поля будет минимальным, а скорость распространения его вдоль протяженной структуры будет равна примерно в 2 раза меньше, чем скорость поля в направлении, перпендикулярном этой протяженной структуры. Или, иначе говоря, в направлении, перпендикулярном поверхности слоя-резонатора, распространяется поле упругих колебаний, а вдоль - распространяется колебательный процесс. Вот вам и причина различия скоростей вдоль и поперек слоя-резонатора. Мне удалось померить скорость распространения поля вдоль породного слоя, в кровле, в натурных условиях, на шахте объединения Ленинградсланец (в городе Сланцы). Там в кровле залегает практически плоскопараллельный слой известняка. В небольшом образце известняка скорость распространения поля равна примерно 5000м/с. А вдоль пород кровли она равна примерно 2500м/с. Причем в непосредственной близости от точки удара скорость равна примерно 2000м/с, а при удалении она плавно увеличивается до 2500м/с. Сам сигнал, который возникал при ударном воздействии, представляет собой длительный гармонический процесс. Частота этого процесса соответствует выражению (1). Значит, что же получается. Поле, первоначально направленное перпендикулярно породному слою, в зоне ударного воздействия поворачивается на 90 градусов и сначала с ускорением, а затем с постоянной скоростью 2500м/с уходит по этому породному слою практически без затухания до первого препятствия (например, разрыва породного слоя-резонатора), после чего возвращается в виде эхо-сигнала к зоне удара. Затухание поля в породном слое оказалось очень малым. Поле в слое-резонаторе можно наблюдать только если сейсмоприемник касается этого слоя, так как это поле не выходит за пределы слоя-резонатора, чем и объясняется малое затухание. К моему большому удивлению, подобное явление, то есть, слой-резонатор, можно наблюдать и в воде. В воде, в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах на глубине порядка тысячи метров существует горизонтально залегающий канал в виде плоско-параллельной структуры, в которой, если создать ударное воздействие (например, взорвать небольшую глубинную бомбу), проявляются свойства акустической колебательной системы, в котором возникает и распространяется упругий импульс в виде затухающей синусоиды. Вдоль этого канала скорость распространения звука примерно в два раза меньше, чем просто в воде, как и в твердом слое-резонаторе. Этот канал сверхдальнего распространения звука возникает тогда, когда изменение скорости распространения поля по глубине на границах этого канала происходит плавно. Этот канал имеет вид плоского слоя-резонатора, и упругий импульс в виде гармонического затухающего сигнала распространяется в пределах этого плоского канала во все стороны, достигая берегов, как бы далеко до них ни было. При объяснении физики этих слоев-резонаторов принято ссылаться на рефракцию. Но ни рефракция, ни интерференция сами по себе не приведут к формированию монохроматического сигнала. И поэтому при рассмотрении этого процесса просто следует помнить, что физика его до сих пор остается неизвестной. Мы всегда считали, что вода, как и, скажем, оргстекло, резонатором не является. Но вот оказалось, что в водной толще при соответствующем изменении скорости звука в воде по глубине этот эффект можно получить. Как оказалось, водяной слой-резонатор может возникнуть не только на большой глубине. После шторма этот слой-резонатор возникает на некоторое время в приповерхностных зонах морей. При этом могут возникнуть два следствия. Первое - это когда в этом слое-резонаторе оказываются морские животные. Из-за акустической изолированности возникшего слоя-резонатора они не «видят» границы этого слоя-резонатора, и, достигая границ с сушей, не видят их, и выбрасываются на берег. И второе следствие - это когда этот слой-резонатор оказывается между подводной лодкой (п/л) и поверхностью воды. И тогда, в том случае, когда п/л должна всплыть, она не может «увидеть» надводный объект (например, корабль или судно), и может об него удариться. Такие случаи происходили на Земле в 60-х годах примерно один раз в год. Из того, что мне известно, в 1962 году сильный удар со стороны неизвестного объекта получил танкер. Когда он встал на ремонт в док гор. Николаева, на корпусе был обнаружен след удара. Как оказалось, этот танкер получил удар при всплытии п/л, которая в этом квадрате Атлантики несла боевое патрулирование, и пошла на всплытие для осуществление сеанса связи. Из-за находящегося в приповерхностной зоне слоя-резонатора гидроакустика п/л не увидела танкер, и от полученного удара п/л затонула. Я услышал об этом, когда на ходовых испытаниях п/л сам сидел на аппаратуре в рубке гидроакустиков. Когда мы пошли на всплытие, горизонт был чист. Ошибиться в этом невозможно. И когда мы всплыли, то просто чудом не столкнулись со сторожевым кораблем. Я думал, что командир п/л нас просто убьет. Но он только с глубоким вздохом сазал: «ребята, внимательнее надо». Вот тогда-то моряки и рассказали мне про эту проблему. Чем больше в морях и океанах плавсредств, тем чаще это происходит. И сейчас это происходит существенно чаще, чем в 60-х годах. 12-го августа 2000года п/л Курск при всплытии ударилась о корабль обеспечения, легла на дно на глубине 100 метров и погибла вместе со всем личным составом. Эту причину гибели лодки не называют, несмотря на следующие четкие факты: 1. Момент удара на корабле почувствовали все. Но весь личный состав предупредили об уголовном наказании, если они об этом ударе кому-нибудь сообщат. И 2. Момент соударения и точка, где этот удар произошел, был отмечен с помощью JPS. И именно по этой причине лодку на дне практически не искали. В противном случае ее искали бы очень долго, так как п/л, обклеенную спец. резиной, найти с помощью акустики очень трудно. В феврале 2001 года, примерно через полгода после Курска американская п/л при всплытии ударила японский сейнер. Тогда, к счастью, никто не погиб. Я поставил лабораторную работу, с помощью которой можно было показать физику этого явления, и метод обнаружения этого слоя-резонатора в воде, и предложил ее высшим офицерам академии им. Кузнецова, но они сказали, что все диссертации у них уже защищены, и этот физический эффект им не интересен...
При рассказе о различных физических эффектах в акустике я как-то упустил самый главный элемент всех акустических измерений - излучателе и сейсмоприемнике. Дело в том, что создать акустический короткий импульс с помощью электроакустического преобразователя невозможно. Существующие электромагнитные, пьезо и магнитострикционные преобразователи сами являются резонаторами, и при возбуждении их электрическим импульсом они излучают не импульс, а затухающую синусоиду. Оказавшись в режиме приема, они реагируют затухающим гармоническим электрическим сигналом, имеющим их собственный спектр. Или суммой гармонических сигналов, если в конструкцию сейсмоприемника входит не один, а несколько резонаторов. Все существующие сейсмоприемники ведут себя как плохой слушатель, который слышит только себя. И поэтому всякие там 3d и прочие сейсмоприемники таковыми не являются, и нереализуемы в принципе. Да, и еще. Я чуть не забыл объяснить, почему на графике b) рис.2 кривая сначала, после кратковременного ослабления увеличивается. Дело в том, что эта кривая представляет собой сумму двух процессов. Первый процесс - это амплитуда самого поля упругих колебаний, и она подобна полю в оргстекле. А амплитуда собственного колебательного процесса вначале возрастает быстрее, чем затухает само поле, и сумма их увеличивается при первоначальном удалении от точки удара. А затем, при дальнейшем удалении эта сумма практически не затухает. Физические эффекты в акустике, описанные в этой статье, позволили создать метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [3], и с его помощью обнаружить новый, ранее неизвестный геологический объект - зону тектонического нарушения (ЗТН), в результате исследования которого можно получать также ранее неизвестную информацию. Это метод обнаружения источников родниковой воды и нескольких типов месторождений. Метод ССП позволяет прогнозировать подавляющее большинство аварий, происходящих на Земле с инженерными сооружениями, в число которых входят и подземные выработки,. Об этом можно прочесть на моем сайте [4]. И за те 26 лет, что мы ищем воду, люди за счет этого получают воду в количестве нескольких объемов, необходимых Крыму. Как утверждают методологи, ненужных, бесполезных физических эффектов не бывает. При внимательном прочтении этой статьи можно обнаружить несколько новых, неизвестных ранее физических эффектов. Это незначительная часть от общего количества физических эффектов, явлений и свойств, обнаруженных мной за эти 50 лет. Каждое из этих событий явилось ключиком для понимания того или иного явления. Как утверждают методологи, каждое из этих событий (фактически, открытия) является началом зарождения нового знания. И мне непонятно, почему же преданы анафеме все, кто совершил хотя бы одно открытие. Когда на какой-нибудь конференции я говорил о том, что мною был открыт эффект, на котором основана тема моего доклада, это всегда вызывает взрыв возмущения. Я трижды делал доклады пред лицом академиков, и трижды основой доклада было какое-то новое физическое явление. И каждый раз это сопровождалось жутким возмущением. И только сейчас я понял, откуда эта ненависть к открытиям и людям, их сделавшим. Открытие нельзя придумать. Его можно либо обнаружить в результате эксперимента, либо украсть. Обычно, за рубежом. Так, эффект сверхдальнего распространения звука в море было открыто американскими учёными М. Ивингом и Дж. Ворцелем в 1944 году. А в 1946 году авторство этого явления было приписано Л. М. Бреховских и Л. Д. Розенбергу. Но дело в том, что Ивинг и Ворцель смогли обнаружить это явление благодаря наличию у Америки большой береговой линии. У нашей страны нет такой береговой линии, и поэтому авторство Бреховских и Розенберга практически невозможно. Единственный случай в моей практике, когда эффект уменьшения скорости в приграничных областях слоев-резонаторов обнаружился не в результате эксперимента, а в результате возникновения в моей голове гипотезы. Но и гипотеза должна возникнуть на каком-то основании. Здесь же никакого основания для столь сногсшибательного предположения я не помню. Она на меня как бы свалилась. Вы можете себе представить академика, осуществляющего экспериментальные исследования? Ну он же выше этого. Поэтому когда он узнаёт о чужом открытии, у него кроме злобы и зависти никаких других ощущений нет. И еще, о мелкослоистости горных пород. Если породный целик или инженерный объект попадает в зону тектонического нарушения (ЗТН), то этот объект начинает разрушаться. Процесс расслоения - это раскачка в ЗТН. Вот такое разрушение приводит к формированию мелкослоистости в материале целика или фундамента сооружения. А точка ЗТН - это и есть точка развития разрушения массива. Приступив к написанию этой статьи, я не ставил задачу описать ВСЕ обнаруженные нами акустические процессы. То, что не попало сюда, находится в статьях и книгах моего сайта [4].
Литература
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
