Акустика в вопросах и ответах

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
8 декабря 2014, Санкт-Петербург

Время от времени я по просьбе студентов читаю лекции студентам-выпускникам, будущим геофизикам. Делаю это изредка и негромко, так как их преподаватели грозят отчислением только за вопрос о спектральной сейсморазведки. Так что если кто узнает, что они со мной общались, то им наделают всяческих гадостей.

В данном случае ребята оказались весьма подготовленными,  содержимое нашего сайта знают лучше меня. Некоторые их вопросы ко мне показались достаточно интересными, чтобы их опубликовать.

 

1.вопрос. Да, действительно, временное и спектральное изображение сигналов идентичны друг другу. Но ведь временное - привычнее, нагляднее. Зачем вы используете именно спектральное, непривычное изображение?

1.ответ. По временному изображению сейсмосигналов можно понять их параметры, если колебательная система, возбуждаемая ударным воздействием, только одна. А представьте себе, если одновременно возбудить несколько колебательных систем. Так, собственно почти всегда и бывает. При этом временная картинка получается такая, что вообще ничего не понять. А в спектральном виде понятно и количество возбуждаемых колебательных систем, и параметры (f₀ и Q) каждой из них.

 

2.вопрос. Вы в 1977 году обнаружили гармонический характер сейсмосигнала. Как получилось, что за предыдущие 77 лет существования сейсморазведки этого никто не заметил?

2.ответ. То, что вместо единичного эхо-сигнала сейсмоприемники принимают какие-то затухающие колебательные процессы, увидели и поняли сразу. При этом сразу нашли объяснение. Дескать, границ в земной толще много, и эхо-сигналов, стало быть, великое множество. Интерферируя, эти эхо-сигналы образуют затухающий колебательный процесс. Чтобы понять, что эти колебательные затухающие процессы являются гармоническими, нужно иметь сейсмоприемник, не имеющий собственных колебательных процессов. А вот таких сейсмоприемников раньше не было. Первый такой сейсмоприемник был сконструирован нами.

А что касается интерференции, то она много раз приходила на помощь. Как только люди сталкиваются с каким-то непонятным процессом, часто объявляют причиной его интерференцию, и на этом обычно вопросы заканчиваются. Работу электрического колебательного контура тоже первые 30лет после первого его открытия объясняли этим волшебным словом.

И еще одна причина. Изготовители геофизической аппаратуры никогда сами не осуществляют измерений с помощью этой аппаратуры. Если бы измерения делал не я, а какой-нибудь НЕрадист, этот эффект остался бы незамечен.

 

3.вопрос. Не могу себе представить, чтобы за 37 лет нельзя было никому доказать, что Земля - совокупность колебательных систем. Что, совсем не было на вашем пути умных людей? Ни одного?

3.ответ. Давайте допустим, что вы уже признанные ученые, маститые, с внуками, члены Ученых Советов... И вот, вы пришли в мою лабораторию и увидели представительные и доказательные эксперименты, демонстрирующие то, что я вам рассказываю. И вы понимаете, что это противоречит тому, на чем вы поднялись в своей карьере. Что вы будете делать по выходе из этой лаборатории?.. Признаете, что всю жизнь шли ошибочным путем и пустите под откос всю свою карьеру?

Что будете делать именно вы, я не знаю, как и вы не знаете. Но вот что делали те реально существующие (или существовавшие) люди, которые именно в этой ситуации побывали, я знаю. Они ВСЕ говорили, что они в моей лаборатории не были, а если и были, то ничего не видели и не поняли. А ведь среди них были люди такого высокого уровня, что выше уже не бывает. Сначала я думал, что я тихо-тихо схожу с ума. Потом, когда в числе этих людей оказались некоторые мои сотрудники, с которыми мы вместе ставили эти лабораторные работы и отмечали каждое событие типа обнаружения нового эффекта, я отказался от знакомства с ними. Как назвать поведение этих людей, я не знаю до сих пор. Но предполагаю, что кто-то чем-то им пригрозил.

Любой новый физический эффект - это серьезнейшее событие в жизни физики, но он неизбежно перечеркивает какую-то часть уже существующего знания. И стало быть, самым неблагоприятным образом влияет на судьбы реальных людей... Вот поэтому-то серьезные находки в науке принимают только после смены одного-двух поколений.

 

4.вопрос. Вот вы говорите, что электрическую или там радиосхему можно создать в уме, и если вы ее, созданную в уме, спаяете, она так и заработает, как вы ее задумали. А с акустической схемой, скажем, эксперимента, это не проходит. Обязательно получится что-то не то. Я не понимаю, почему так.

4.ответ. Нельзя сказать, что в электротехнике, в радиотехнике познание завершено. Таких областей знания, где бы познание было завершено, просто не существует. Познание бесконечно. Но в отсутствии каких-то нетривиальных случаев электрические схемы - это ремесло. Вы знаете какую-то логику, какие-то приемы, и мысленный эксперимент допустим, поскольку соответствует реальному эксперименту.

Акустика до такого состояния не дошла. Какие-то практические наработки существуют. Скажем, в гидроакустике, в музыкальной акустике. И там мысленный эксперимент может быть полезным. Но в акустике твердых сред до меня практически не было никаких реальных экспериментов, никаких измерений.

Вот смотрите, мне нужно было найти зависимость между частотной зависимостью затухания поля упругих колебаний в горных породах и уровнем их нарушенности. Это была моя первая работа на угольной кафедре, и необходимо было найти какие-то признаки надвигающегося обрушения пород кровли.

Сначала надо было решить эту задачу мысленно. Иначе ведь не сделать аппаратуру, не задать параметры этой аппаратуре. Чтобы задать пределы чувствительности усилителя, надо было знать хотя бы порядок величины затухания. Нигде, ни в каком источнике - никаких цифр. Далее, пределы изменения частоты. В сейсморазведочной литературе можно найти, что верхний предел частоты сейсмосигнала - 1кГц. Ну хоть это есть. А нижний?

В общем, графическое изображение предполагавшегося решения этой задачи приведено на рис.1.

Рис. 1

I/I_max - относительная величина ЭДС на клеммах сейсмоприемника;

1 - ожидавшийся характер зависимости и частоты при меньшей трещиноватости пород;

2 - ожидавшийся характер зависимости и частоты при большей трещиноватости

3 - реальная зависимость от частоты

Ведь это же представлялось так логично. Чем больше нарушенность, тем больше затухание. Далее, чем больше нарушенность, тем больше затухание на высоких частотах. Разве такая модель не представляется очевидной? Ну кто мог предположить, что график частотной зависимости затухания поля упругих колебаний в породном слое окажется геометрически подобным спектральному изображению затухающей синусоиды?

Я тогда еще не знал, что очевидность в физике - путь в тупик. Ничто в физике не должно оставаться недоказанным экспериментально.

И поскольку ни одно положение акустики твердых сред (и сейсморазведки) не может быть доказано экспериментально, то чуть ли не каждая попытка поставить какое-либо измерение заканчивалось у меня обнаружением нового физического эффекта.

Я полагаю, что период экспериментального исследования поля упругих колебаний только начинается, и поэтому время соответствия мысленной модели результату реального измерения еще не пришло.

И кстати, насчет верхнего предела частотного диапазона. 1 килогерц назвали просто наобум, и теперь верхний предел частотного диапазона сейсмостанций ограничивают фильтрами одним килогерцем. Смешно?

 

5.вопрос. Вы, я так понимаю, напрочь отвергаете все упругие типы волн. У вас нет понятия ни продольных, ни поперечных, ни каких-либо вообще... Непонятно, с какими же скоростями оно всё распространяется?

5.ответ. Все известные из литературы понятия типов упругих колебаний и скоростей их распространения опираются так или иначе на параметры колебаний колеблющихся частиц. Но что это такое - колеблющиеся частицы? Их кто-нибудь видел? Огромное количество типов волн и их скоростей придуманы не для того, чтобы их выявлять и мерить, а для того, чтобы при подгонке сейсморазреза к геологическому разрезу, полученному при бурении, было что подставлять.

На сегодняшний день нет возможностей идентифицировать ни один тип упругих волн.

По результатам измерений, получается так, что существует два типа упругих волн. Первый - это то, что считалось раньше продольными волнами. Это поле распространяется от источника к приемнику. Скорость его распространения - наибольшая. Скажем, для стекла - 6000м/с. Это активная часть поля упругих колебаний. Представляет интерес только при лабораторных измерениях.

Второй тип упругих колебаний - это мнимая часть поля. Он возникает за счет наличия колебательных систем. Источник поля упругих колебаний инициирует возникновение собственных упругих колебаний, которые затем и распространяются. Эта часть поля упругих колебаний имеет двоякое значение. Скорость, характеризующая мнимую часть поля, примерно вдвое меньше скорости распространения активного поля. Это та часть поля, которую было принято считать поперечной. Мнимая часть поля возникает в колебательных системах, и частота его f₀ определяется соотношением:

f₀=V_ph/h, где V_ph - фазовая скорость, которую раньше воспринимали как скорость поперечных волн. h - размер структуры, исполняющей роль колебательной системы.

Возникшее в колебательной системе поле распространяется вдоль этой структуры, причем с непостоянной скоростью. С удалением от точки возбуждения, скорость распространения собственных колебаний увеличивается, достигая величины V_ph.

В горном массиве имеет место только один тип колебаний - это мнимая составляющая поля.

 

6.вопрос. Как вы считаете, когда ваши наработки возьмут на вооружение?

6.ответ. Думаю, что если и возьмут, то не скоро. В науке работает закон маленьких шагов. Любой шаг в направлении нового знания обязательно противоречит каким-то устоявшимся взглядам. И следовательно, вызывает отрицательное отношение со стороны людей, находящихся в науке. Чем больше шаг, тем больше обиженных развитием знаний людей, тем сильнее противодействие. Именно поэтому главное требование к диссертациям состоит в том, что там не должно содержаться ничего нового.

Будет ли принята научная разработка, зависит от того, скольким людям она помешает в их работе. Я этого не знал. Глупый человек, я радовался каждому новому моему открытию, я гордился тем, что вряд ли на Земле есть человек, у кого на счету столько сделанных открытий. На самом деле, я копал себе яму. Каждый эффект, обнаруженный мной, увеличивал количество недовольных. Количество людей, которым я перешел дорогу, давно уже превысило критическую величину. Поэтому очень странно, что я до сих пор жив, что я каким-то образом не нейтрализован.

Больше всего от меня пострадала сейсморазведка, потому что в ней работает больше всего народа. Да, сейсморазведка - это и заблуждение, и обман. И эффективность ее  равна нулю - всё так. Но сколько народу она кормит! Если геофизическая компания ко всем видам геофизики добавит сейсморазведку, то стоимость заказов на проведение работ увеличится в 20 раз.

 

7.вопрос. Если бы было возможно всё начать с начала, вы бы изменили свое поведение в науке?

7.ответ. Думаю, что нет. От моей воли ведь ничего не зависело. Не мог же я не отреагировать на то, что породный слой проявил свойство колебательной системы! Не мог же я на этом остановиться, если при этом мог доказать как дважды два, что пластина из однородной среды не может быть колебательной системой. Ну, и так далее.

 

8.вопрос. Скажите, когда человек обнаруживает новый эффект, что он чувствует?

8.ответ. Ну, это когда как. Когда я обнаружил свой первый эффект, увидел, что породный слой является колебательной системой, никаких эйфорических ощущений не было. Я понял, что нашелся ключик для прогнозирования обрушения кровли. Собственно, в поисках этого ключика я  и спустился в шахту. Вот это было действительно здорово. Решить такую проблему - это высокий класс. Правда, меня крепко били за это на кафедре. Я об этом уже писал в [1]. А что до самого этого эффекта...

Понимаете, это было настолько просто. Вот эти измерения, которые привели к тому, что я обнаружил этот эффект, они были вполне в пределах моей квалификации. Ведь простым кажется то, что сам умеешь. Я был абсолютно убежден, что это все знают, и я, что называется, изобрел велосипед. Я же не мог себе представить, что до меня в этой области знания никто никогда не делал вообще никаких измерений.

Ну да, люди уже много лет использовали сейсмоаппаратуру, но это же не исследовательские измерения. Это вы делаете вполне определенные действия, получаете определенную картинку, но от этого ваши познания не увеличиваются.

То, что я действительно обнаружил новую колебательную систему, я понял спустя много времени, после того как меня сколько-то лет били за то, что такого эффекта нет и быть не может. А по-настоящему значение этого эффекта я начал понимать сравнительно недавно. И понимаю, что значение его ничуть не меньше, чем открытие электрического колебательного контура.

Вот обнаружение эффекта замедления упругих волн около границ, вот для таких моментов стоит жить. Это единственный из всех обнаруженных мною эффектов, который не возник случайно, а был обнаружен в результате логического построения.

Как я уже говорил, обнаружив колебательные свойства породного слоя, а затем и других объектов, я был убежден, что этого не может быть. В идеально однородном материале (например, стекле) нет и быть не может механизма, обеспечивающего преобразование ударного воздействия в гармонический отклик. То есть, при ударном воздействии на такие объекты откликом должен быть сигнал, представляющий собой затухающую по амплитуде последовательность коротких импульсов. Так написано во всех учебниках.

И тем не менее, пластины из подавляющего большинства материалов, согласно тщательнейшего аппаратурного исследования, являются резонаторами по толщине. Лет 5 это не давало мне жить. Уже вовсю работала шахтная аппаратура для прогнозирования обрушения пород кровли, основанная на этом моем злосчастном эффекте, а я мучился от того, что работает она «не по науке».

И вот когда шахтные геологи потребовали, чтобы я начал передавать им в пользование эту аппаратуру, я понял, что это невозможно. Ведь эта аппаратура была предназначена для сохранения жизней шахтеров, а если вдруг она сработает по науке, то к чему это может привести, даже подумать жутко.

Возник страшный скандал и видимо, мой стресс стимулировал работу мозга, и мне пришла совершенно бредовая мысль, которая заключается в том, что неодинаковость скорости во всех точках материала пластины-резонатора могла бы оказаться основой механизма преобразования удара в синусоиду. Этого настолько не может быть, что я и сам понял, что со мной что-то не то, и сотрудники мои просто испугались моего сумасшествия.

Но нет такой гипотезы, которую не следовало бы проверить. Я примерно месяц готовил лабораторную установку для проверки этого, и при этом молился, чтобы эта мысль не подтвердилась. Потому что неодинаковости скорости в однородном материале (скажем, в стекле) быть не может. Но, увы, так и оказалось. В подавляющем большинстве твердых сред в приповерхностных зонах имеет место уменьшение скорости распространения поля упругих колебаний. А если такие зоны создать искусственно в газах и жидкостях, то тогда объекты и из этих сред становятся резонаторами.

Вот при обнаружении этого физического эффекта было всё, что положено. И пограничное состояние моей психики, и прочие глупости. Осмелюсь повторить, что ради таких моментов стоит жить.

 

1. Гликман А.Г. В науке всегда есть место обману