Еще раз об оргстекле

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
1 июня 2016, Санкт-Петербург

На нашем форуме возник вопрос: «Как вы думаете, почему в комплекты ультразвуковой аппаратуры входят образцы только из оргстекла?»

Да, действительно, так и есть. А вы попробуйте изготовить точно такие же образцы из каких-нибудь других материалов, и сравните результаты измерений в обоих случаях. Если образцы будут из металла, из стекла, керамики, из горных пород, то различие с оргстеклом будет огромным.

При прозвучивании образцов из оргстекла вы получаете отражение от образца и частичное прохождение поля сквозь образец. При этом в сумме коэффициент отражения и коэффициент прохождения обязательно равен единице. Это прекрасная иллюстрация закона сохранения.

При работе с образцами из стекла, из металлов и сплавов, из керамики, из горных пород так просто уже не получится. Во-первых, сам сигнал изменится по форме, во-вторых, изменение формы проходящего через образец сигнала будет происходить при изменении размеров образца. А уж о том, чтобы подтвердить закон сохранения, не может быть и речи.

То, что я написал, знают все, кто занимается ультразвуковыми измерениями, но о причине этого явления предпочитают не говорить. Поэтому используют образцы только из оргстекла, при работе с которыми проблемы подобного рода не возникают.

А возникают эти проблемы потому, что объекты из оргстекла являются абсолютно пассивными проводниками поля упругих колебаний, а объекты из подавляющего большинства материалов являются резонаторами. То есть, при прозвучивании их, кроме отражения и прохождения излучаемого поля, имеет место еще один процесс. А именно, собственный колебательный процесс прозвучиваемого объекта. Этот дополнительный процесс возникает сам. Мы его не создавали.

Вот смотрите, пьезокерамический диск, излучающий поле упругих колебаний, с помощью которого прозвучиваем образцы, возбуждается коротким электрическим импульсом. А поле упругих колебаний при этом имеет вид затухающей синусоиды. А откуда она берется? Ведь, казалось бы, если возбуждаем излучатель коротким электрическим импульсом, то и возникающее поле тоже должно иметь такую же форму...

Как известно, если реакция объекта на короткое (ударное) воздействие имеет вид затухающей синусоиды, значит, объект является колебательной системой (иначе говоря, резонатором). Значит, в данном случае, излучающая пьезокерамика (керамика же!) проявляет свойство колебательной системы.

Поле упругих колебаний в виде затухающей синусоиды, пройдя через оргстеклянный образец, не изменит свою форму, а только лишь амплитуду, потому что объект из оргстекла не является резонатором. Но вот при прозвучивании образца из других материалов будет меняться не только амплитуда, но и форма.

Почему это так, я не знаю. Таковы природные свойства различных материалов. Вас ведь не волнует вопрос, почему одни материалы электропроводны, а другие – нет. Так Природа захотела... А вы уж извольте это учитывать.

Вот те господа, которые на работе с ультразвуком собаку съели, всё это хорошо знают. Но молчат, как партизаны. Потому что отсюда всего один шаг до того, чтобы признать, что земная толща проявляет свойство совокупности колебательных систем (поскольку она состоит из совокупности породных объектов, каждый из которых является резонатором). А этого говорить нельзя, потому что, согласно утверждениям ученых-сейсморазведчиков, земная толща по акустическим свойствам является совокупностью отражающих границ. И не в коем случае, не совокупностью колебательных систем.

Вот если кто-то осмелится вместо оргстекла использовать другие материалы, то из-за этой малости рухнет все здание традиционной сейсморазведки. И при этом потеряют работу многие тысячи тех, кто сегодня существуют за счет сейсморазведки, которая на самом деле, не дает вообще никакой информации.

А я не знал (в 1973 году), что этого делать нельзя, и, получив совершенно с ног сбивающую информацию, за несколько лет пришел к тому, на чем сейчас основана спектральная сейсморазведка.

Это примерно так же, как в известной песне, где из-за гвоздя в подкове и лошадь погибла, и, в конце концов, всё государство.

Так что вот, извольте использовать объекты исключительно из оргстекла, и не вздумайте исследовать что-либо иное. А не то узнаете очень много нового, что знать вам не положено.

Второй вопрос с ветки форума "Образцы в ультразвуковой аппаратуре"

Про колебательные свойства : а что происходит, если длина волны того же ультразвука, например, оказывается значительно меньше размеров объекта? Грубо говоря, когда пытаемся пропустить ультразвук через достаточно большой камень. Или может быть существует частота, при которой кусок оргстекла подходящего размера тоже начнет проявлять резонансные свойства. С другой стороны, понятно, что в колоколе не могут распространятся волны низкой частоты, потому что он меньше, чем длина этих волн. Неужели Пуасcон и этого не осознавал тоже?

Да, это является стандартным возражением против нежелательных результатов измерений.

Длина волны – это величина, равная отношению скорости распространения волнового процесса к его частоте. Для материалов типа оргстекла длина волны не имеет физического смысла.

Если вы будете исследовать объекты из материалов типа стекла, металлов и т.п. (объекты-резонаторы), то вы обнаружите, что, скажем скорость распространения фронта в них зависит от их размеров. Вот тут теоретики и вспомнят о длине волны и заявят, что измерения неправомерны из-за соотношения размеров объекта с длиной волны.

Однако я дублировал лабораторные измерения таким образом, чтобы исследовать одновременно объекты-резонаторы и объекты-нерезонаторы (из оргстекла). Но тогда уже не получается, чтобы совершенно одинаковые измерения в одном случае были правомерными, а в другом – неправомерными.

Через большой камень типа, скажем, гранита ультразвук не пройдет потому что гранит – материал очень неоднородный, и он уничтожает направленность поля упругих колебаний. А кроме того, объект из горной породы – это резонатор, а гранитный камень из-за большого количества границ – это множество резонаторов.

Резонансные свойства – это как электропроводность. Они или есть, или их нет. В оргстекле их нет, и это не зависит от размеров образца. А в стекле они есть, и это тоже не зависит от размеров. Физика резонансных свойств немного описывается в моей книге [Основы спектральной сейсморазведки].

Для резонаторов размер равен длине волны. Если размеров много, то и длин волн столько же. И поэтому в спектре реакции на удар может возникнуть не одна частота, а несколько.

Что до Пуассона, то, как он сам говорил, его работа о поле упругих колебаний – это формализация мысленной модели этого поля. Он считал эту статью гипотетической, и поэтому не включил ее в свой двухтомник по теоретической механике. А вот если эксперименты подтвердят выводы этой статьи, то она станет теоретической. Это его слова. Как известно, ни один из выводов работы Пуассона не подтвердился. Но это не помешало современным ученым относиться к ней как к теоретической, и при этом как к фундаменту всей сейсморазведки.

Законен вопрос: может ли быть эффективным метод, если он базируется на гипотезе, ни одно из положений которой не может быть не то что доказано, но даже не может быть проверено...

Теперь о колоколе. Колокол является излучателем. Через него никто никогда не пропускает поле. Его возбуждают ударом, а уж какой спектр он излучает – это зависит от его геометрии.