6.1. Затухание звука при распространении его в слоистых средах
Во всяческих научных трактатах по акустике твердых сред и сейсморазведке на первом месте по популярности стоит скорость (кинематические характеристики поля упругих колебаний), а на втором - затухание. Способа определить уровень (величину) поля упругих колебаний не существует, а следовательно, не существует и метрологически корректных способов измерения затухания, и поэтому разного рода формулировок, мнений, запретов и т.п. - больше, чем достаточно. Так, любые непонятности в результатах акустических измерений можно не задумываясь объяснять своеобразием затухания, а еще лучше - поглощением, и никто возражать не будет.
То, что поглощение существует - бесспорно. Ведь любой акустический сигнал рано или поздно исчезнет, перейдя в тепло. Но вот оценить скорость этого перехода является серьезной, и пока еще неразрешенной проблемой. Для обычных звукопроводящих сред при небольшой протяженности измерительной базы затуханием как следствием поглощения можно пренебречь. О том, что для сред типа стекла и оргстекла это именно так, свидетельствует то, что в пластинах из этих материалов можно наблюдать эффект монохроматора. Наличие ощутимого поглощения привело бы к тому, что отражение на частоте монохроматора не исчезало бы.
При рассмотрении поля упругих колебаний в слоистой среде представляет интерес его затухание при распространении как вдоль, так и поперек поверхностей напластования.
На рис.6-1 приведены результаты исследований затухания звука при распространении вдоль слоев. График а иллюстрирует зависимость величины акустического сигнала от расстояния между излучателем и приемником в случае, когда и излучатель и приемник находятся на одной и той же поверхности листа из оргстекла.
Рис. 6-1
Источник ударного воздействия представляет собой устройство, с помощью которого маленький стальной шарик может падать на исследуемую пластину с одной и той же высоты, и в одну и ту же точку. Размеры исследуемой плоскопараллельной структуры должны быть такими, чтобы, работая примерно в середине ее, иметь расстояние от преобразователя до ближайшего края пластины существенно бóльшим, чем lmax. Это необходимо для того, чтобы отраженный от края пластины сигнал оказался разделенным с прямым сигналом, возникающим в результате ударного воздействия.
График а полностью соответствует существующим представлениям, и большая крутизна графика при l<h соответствует распространению сферических волн, а при l>h крутизна уменьшается, и скорость затухания (
A/l) становится соответствующим закону затухания волн цилиндрических. Здесь l0 - то минимальное значение измерительной базы, меньше которого погрешность измерений становится недопустимой. Значение амплитуды сигнала при l=l0 принято равным единице. На расстоянии от источника, равном (2÷3)h, сигнал уменьшается настолько, что воспринимается где-то на уровне помех. Такой результат показывает, что такое исследование затухания звука в слоях правомерно.
Совсем иное дело, когда подобные же исследования осуществляются на листе из материала ряда стекла. Это проиллюстрировано на рис.6-1 графиком б. Первоначально, при малых значениях измерительной базы, сигнал точно так же уменьшается с увеличением l. А затем, при дальнейшем удалении от источника, сигнал, вместо того чтобы уменьшаться - увеличивается, и при l
h график имеет положительный экстремум. При дальнейшем увеличении l сигнал несколько уменьшается, а затем остается по амплитуде примерно таким же, не уменьшаясь с удалением от источника. Здесь два момента, которые не укладываются в общепринятую картину.
Во-первых, наличие участка, на котором происходит увеличение сигнала с удалением от источника. На практике, этот момент известен. При сейсморазведочных работах, на малых базах этот экстремум наблюдается практически всегда. При сейсмоакустических измерениях в угольных шахтах, также на малых базах, мы неоднократно наблюдали зону, в которой звук при удалении от источника не уменьшается, а увеличивается. Кроме того, при испытательных подземных взрывах зачастую разрушаются дальние объекты при отсутствии разрушений в ближних.
Наличие острого экстремума на зависимости А(l) приводит к тому, что при небольших значениях измерительной базы наблюдаются крайне нестабильные и слабо повторяющиеся результаты измерения амплитуды сигнала. Ведь на самом деле, на практике, при сейсмоизмерениях действительное значение мощности породного слоя h во-первых, неизвестно, а во-вторых, оно и непостоянно. Ведь плоскопараллельность плоскостей напластования довольно относительна. И понятно, что при измерениях в зоне экстремума малейшее изменение места контакта сейсмоприемника приведет к значительному изменению амплитуды сигнала. Это тот эффект, который мы обнаружили при самом первом нашем шахтном измерении, но тогда еще мы его объяснить не сумели.
Чем больше добротность слоя-резонатора, тем острее экстремум, тем больше увеличение амплитуды сигнала при удалении от источника вблизи lh.
И второе. При значениях l>h в слоях-резонаторах звук в лабораторных условиях практически не затухает. А в природных условиях, затухает крайне медленно.
Отметим, что распространяющийся вдоль пластины-нерезонатора сигнал по очертаниям эквивалентен исходному, возникающему при падении шарика. То есть, вдоль слоя-нерезонатора распространяется сам зондирующий импульс. В отличие от этого, в слое-резонаторе сигнал имеет очень большую длительность, и по очертаниям не имеет ничего общего с сигналом, наблюдаемом при исследовании слоя-нерезонатора, поскольку распространяется вдоль слоя-резонатора не исходный (зондирующий) сигнал, а вызванный им собственный колебательный процесс слоя-резонатора.
Результаты по своему характеру не изменятся, если вместо падающего шарика использовать в качестве излучателя возбуждаемую коротким электрическим импульсом пьезокерамику.
Затухание поля при распространении вдоль слоя-резонатора при r>h столь незначительно, что становится понятной физика одного используемого испокон веков эффекта.
Речь о том, что, приложив ухо к земле, можно услышать топот лошадей значительно раньше, чем их увидеть. Но одно здесь необходимо отметить. Мы при этом слышим не сам топот, а возбуждаемые им собственные упругие колебания, распространяющиеся вдоль породных слоев-резонаторов. С учетом этого становится понятным, почему топот конницы слышен в виде звонкого низкочастотного гула: это соответствует распространению собственного звучания вдоль слоев-резонаторов большой мощности.
Наличие эффекта локального усиления (как он назван в предыдущих моих публикациях), как и чрезвычайно низкое затухание при больших измерительных базах, дополнительно свидетельствуют о том, что собственные колебания объектов-резонаторов следует рассматривать на мнимой оси. Реальная часть поля упругих колебаний не может увеличиваться при удалении от источника, так как это действительно противоречило бы закону сохранения энергии.
Теперь о затухании при распространении поля упругих колебаний поперек напластования. В рамках общепринятой теории, рассматриваются коэффициенты отражения и прохождения через границы между соседними слоями, и на основании величин этих коэффициентов судят о звукопрозрачности слоев. Однако если слоистая среда состоит из слоев-резонаторов, то картина совершенно иная.
Собственный упругий колебательный процесс, распространяющийся вдоль слоя-резонатора, не выходит за его пределы независимо от величин коэффициентов отражения и прохождения. Это свойство слоев-резонаторов оказалось очень ценным при разработке метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП).
Несмотря на то, что с описанными здесь эффектами так или иначе встречаются все специалисты, занимающиеся практическими измерениями, в литературе о них прочесть нельзя, так как есть боязнь заронить недоверие к закону сохранения энергии, потому что считается, что с позиции этого закона, таких эффектов быть не может.
Вот в этой боязни скрывается глубокая методологическая неграмотность. Не нам с вами судить, может некий эффект существовать или нет. Главное, чтобы результаты измерений были повторяемы, и чтобы сами измерения были метрологически корректны, а понимаем мы наблюдаемый эффект или нет - не имеет никакого значения.
Теперь что касается ссылок на закон сохранения энергии.
