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
l
h.
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.