2.5. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП)

Подготавливая описанный выше эксперимент по наблюдению эффекта монохроматора для изучения его студентами на лабораторных работах, я обнаружил, что на частоте, несколько более высокой (процентов на 10÷15), чем f_mс , можно наблюдать эффект, по сути, противоположный эффекту монохроматора. То есть, такой эффект, когда отсутствует не отражение, а сквозное прохождение сигнала. Исчезновение сигнала с проявляется на осциллографе 7 пропаданием средней части сигнала на время δ₂t так, как показано на рис.2-6с. Частота, на которой коэффициент прохождения становится равным нулю, была обозначена как f₀ . Почему именно так, будет понятно в дальнейшем.

Эффект этот сразу вызвал недоумение, так как при исчезновении прохождения поля через пластину 3 коэффициент отражения от нее (амплитуда сигнала b) не увеличивается, что, казалось бы, должно быть из соображений закона сохранения, только что подтвержденного при наблюдении эффекта монохроматора.

Естественно, использование этого эксперимента в качестве студенческой лабораторной работы опять пришлось отложить. Опротестовывать закон сохранения энергии я не собирался, а как иначе объяснять студентам явный энергетический дефект, я не знал.

После года поисков недостающую часть сигнала удалось найти. Как оказалось, та часть сигнала, которая на других частотах проходит насквозь, на частоте f₀ переориентируется в ортогональном направлении и излучается торцами пластины.

Для регистрации этой части сигнала пришлось в установку, изображенную на рис.2-5, добавить пьезокерамический приемник 8. Осциллограф 7 при этом уже должен быть трехканальным с тем, чтобы на канал III поступал сигнал d -, снимаемый с пьезокерамического приемника 8⁵.

На рис.2-7 показаны частотные зависимости коэффициентов отражения (β), прохождения (α), а также величины эдс U (черная штриховая линия), снимаемой с приемника 8.

На рис.2-7 показаны частотные зависимости коэффициентов отражения (бетта), прохождения (альфа), а также величины эдс U (черная штриховая линия), снимаемой с приемника 8.
Рис. 2-7

Сразу обращают внимание на себя очертания зависимости U(f), которая соответствует, как было показано выше, изображению колебательной системы. То есть, получается, что эффект переизлучения первичного сигнала в ортогональном направлении указывает на то, что пластина 3 обладает свойствами колебательной системы с собственной частотой по толщине, равной f₀.

Для того чтобы выяснить физический смысл частоты f₀, был использован в качестве пластины 3 пьезокерамический диск-резонатор, применяемый, скажем, в эхолотах. При этом частота f₀ оказалась равной собственной частоте пьезорезонатора (по толщине), а частотная зависимость снимаемой с пьезокерамической пластины 3 ЭДС полностью совпала с зависимостью U(f), и это еще с одной стороны свидетельствует о том, что f₀ есть не что иное, как собственная частота пластины-резонатора. Совпадение же собственной частоты колебательной системы с частотой внешнего воздействия (в данном случае, генератора 2) - это резонанс. То есть переориентирование поля в ортогональном направлении происходит на резонансе.

Наличие пьезоэффекта в использованной в качестве прозвучиваемой пластины 3 пьезокерамике ничего не меняет в регистрируемых эффектах при исследовании резонансных свойств пластин. Так, я нагрел эту пьезокерамическую пластину до температуры, превышающей точку Кюри, она потеряла свои пьезосвойства, однако при повторном ее прозвучивании после такого нагрева в результатах прозвучивания ничего не изменилось.

Обнаруженный эффект нужно было как-то назвать. По аналогии с другими известными в физике эффектами резонансного поглощения (парамагнитный, ядерно-магнитный, ферромагнитный, электронный), этот эффект был назван акустическим резонансным поглощением (АРП). Особо отмечу, что резонансное поглощение не имеет никакого отношения к собственно поглощению поля в результате диссипативных потерь. Резонансное поглощение - это всегда либо переориентация в пространстве (ферромагнитный резонанс и АРП), либо преобразование спектра (электронный резонанс).

Итак, эффект АРП заключается в том, что при нормальном (перпендикулярном) прозвучивании гармоническим сигналом пластины-резонатора, имеющей толщину h, на собственной частоте f₀ этой пластины зондирующее поле переориентируется так, что переизлучается этой пластиной в ортогональном (относительно первичного) направлении через свои торцы. Связь между f₀ и h выражается соотношением (1).

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 в сейсморазведке 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 пород. С 1977 года это используется в спектральной сейсморазведке. Но до обнаружения эффекта АРП это делалось бездоказательно.

В результате исследования эффекта АРП оказалось, что наблюдается он только в слоях, материал которых - стекло, металлы и сплавы, керамика, горные породы. В пластинах из материалов ряда оргстекла этот эффект не существует.

Обнаружение эффекта АРП имело очень большое значение для развития спектрально-сейсморазведочного направления. Теперь уже мы имели моральное право внедрять методику прогнозирования горнотехнической ситуации в угольных шахтах, так как обнаруженный физический эффект явился доказательством правомерности наших утверждений о том, что строение породной толщи имеет непосредственную связь со спектром сейсмосигнала.

Однако и при наблюдении эффекта АРП было не все ясно.

В самом деле, ведь если бы исходное поле, распространяющееся в направлении x, характеризовалось только одним вектором, совпадающим с ним по направлению (а именно так и считалось всегда), то ни при каких условиях в случае нормального прозвучивания пластины 3 не смог бы произойти поворот этого поля на 90 градусов. Следовательно, исходное поле (₁), распространяющееся в направлении x, должно иметь ортогональную составляющую, то есть описываться двумя взаимно ортогональными составляющими (I_1x+ j_I1y). И, стало быть, вектор, характеризующий поле, распространяющееся в направлении x, по направлению не совпадает с направлением x.

Но если это действительно так, то, с одной стороны, становится понятным, что на резонансе в направлении y излучается мнимая составляющая поля. Но с другой стороны, реальная часть, по идее, не должна была бы никуда исчезнуть, и мы должны были бы ее обнаружить с помощью приемника 4.

5 Измерительная установка изображена схематично, и поэтому допущено искажение временных интервалов на осциллографе.