II. ОБ ИСТОЧНИКАХ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ПОЛЯ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ
О наличии или отсутствии упругих колебательных процессов можно узнать при наличии соответствующего датчика. В простейшем случае, при регистрации звуковых колебаний в воздухе таким датчиком может служить ухо, но такая информация имеет субъективный характер. Для получения объективной информации о параметрах регистрируемых колебательных процессов в этом простейшем случае используют микрофон с последующими измерениями параметров снимаемого с него электрического сигнала.
Если среда жидкая, то акустоэлектрические преобразователи (аэп) называют гидрофонами, а если твердая, то, в зависимости от назначения, аэп называют сейсмоприемниками, геофонами, датчиками акустической эмиссии и т.д.
Для акустоэлектрического преобразования обычно применяют пьезо - и магнитострикционный эффекты, а кроме того, аэп могут быть электромагнитными, магнитоэлектрическими, конденсаторными и другими.
С позиций метрологии аэп для твердых сред всех известных систем объединяет одно: ни один из них не является датчиком каких бы то ни было параметров поля упругих колебаний.
Поясним, что это значит.
Как известно, датчиком какого-либо параметра исследуемого физического поля является преобразователь, выходной сигнал которого находится в определенной зависимости от этого самого параметра. Выполнимо это условие только в том случае, если характеристики или параметры поля могут быть эталонированы, как это имеет место, скажем, для электрического напряжения и тока, напряженности магнитного поля, поля радиации, светового потока и так далее. Характеристики же поля упругих колебаний – механическое напряжение и параметры смещения колеблющихся частиц - на сегодняшний день померить невозможно. Они неэталонированы, и в эксперименте определены быть не могут.
Следствием этого факта является отсутствие возможностей определить в эксперименте какой бы то ни было параметр поля упругих колебаний, а следовательно, и тип имеющих место упругих колебаний. Ведь различие между типами упругих волн, по определению, заключается в различии траекторий смещения колеблющихся частиц относительно направления распространения этих волн. Понятно, что не имея информации об этих траекториях, мы не в состоянии разделить поле по типам составляющих его колебаний.
Известные из литературы заявления о свойствах некоторых сейсмоприемников воспринимать какой-то конкретный тип волн или создание с этой целью систем из нескольких сейсмоприемников, сориентированных взаимно ортогонально, основаны исключительно на умозрительных представлениях, метрологически не обоснованы, и приниматься во внимание не должны до тех пор, пока их объявленные свойства не будут доказаны экспериментально, и при этом на метрологически корректном уровне.
Надо сказать, что существуют поверочные лаборатории, которые дают свидетельства о метрологической аттестации сейсмоприемников. Но созданы эти лаборатории на чисто волевом уровне, без выполнения метрологических требований. А стало быть, справки, которые они выдают, к поверке не имеют никакого отношения.
И еще один момент. Так сложилось, что никогда не ставился вопрос о соотношении спектра электрического сигнала, снимаемого с сейсмоприемника, со спектром акустического сигнала в точке акустического контакта сейсмоприемника с исследуемым массивом. Наши исследования, о которых речь впереди, показали, что соотношение это носит случайный характер. Проиллюстрировать эту ситуацию можно следующим образом. Допустим, что при использовании микрофона (а это такой же, по сути, аэп) мы обнаружим, что голос певца искажается до неузнаваемости, и при этом, каждый раз по-разному.
Таким образом, получается, что надежной информацией, получаемой с помощью аэп, является лишь момент, разделяющий отсутствие сигнала и его наличие. Момент этот обычно называют моментом первого вступления. Здесь источники погрешности известны. Это неизбежное наличие помех (или, по терминологии теории информации, некое конкретное значение отношения сигнал/помеха), а также ограниченность быстродействия регистрирующего устройства. То есть все, что мы имеем при акустических и сейсмоизмерениях, является информацией чисто электрического характера, не связанной непосредственно с какими бы то ни было конкретными параметрами поля упругих колебаний.
В соответствии с вышесказанным необходимо обозначить свое отношение к основному инструменту современной теоретической акустики - к волновому уравнению.
Для однородной по вещественному составу изотропной среды при простейшем, одномерном рассмотрении поля волновое уравнение имеет следующий вид:
, (II.1)
где V - скорость распространения упругих волн; 
- механическое напряжение, возникающее в упругой волне.
Точно так же выглядело бы волновое уравнение, аргументом которого было бы не а 
- смещение частиц, колеблющихся при прохождении упругой волны, которое связано с напряжением известными соотношениями теории упругости. Смещение частиц и механическое напряжение - это базисные параметры поля упругих колебаний.
Как известно, волновое уравнение имеет бесчисленное множество решений. Конкретное решение возможно лишь в том случае, если заданы граничные условия, то есть значения выбранного аргумента на границе. Но дело в том, что современными техническими сред-ствами экспериментально определить ни один из базисных параметров поля упругих колебаний не представляется возможным, поскольку акустоэлектрические преобразователи – единственный источник информации о поле упругих колебаний – для этой цели не годятся.
При таком положении вещей не может не возникнуть сомнение в правомерности использования для описания поля упругих колебаний уравнения, ни аргументы которого, ни граничные условия в эксперименте неопределимы.
Как известно, волновое уравнение используется также и для описания электромагнитного поля. Однако там картина совершенно иная, поскольку все аргументы этого поля без проблем определяются в эксперименте. Напряженность электрической или магнитной составляющих электромагнитного поля могут быть измерены на метрологически корректном уровне. Соответственно, и граничные условия также определяются экспериментально. Поэтому волновое уравнение в электродинамике по праву является основным исследовательским инструментом.
Из сопоставления этих двух областей физики приходится сделать вывод о неправомерности или, как минимум, о преждевременности использования волнового уравнения для описания поля упругих колебаний.
В связи со всем выше сказанным видим, что, используя в качестве датчика поля упругих колебаний электроакустические преобразователи, мы можем предъявлять к ним только одно метрологически корректное требование, которое заключается в отсутствии искажений принимаемого сейсмосигнала. То есть, при необходимости анализа параметров акустического сигнала возникает требование к сейсмоприемнику, которое состоит в том, что между электрическим сигналом, снимаемым с него, и сигналом акустическим в точке измерения должно быть минимальное различие по форме и по спектральному составу.
Естественно, здесь сразу должен возникнуть вопрос о том, как в этом удостовериться. Несколько забегая вперед, отметим, что вопрос этот удалось решить, и что выполнение этих требований, в конце концов, дало возможность определять и некоторые параметры поля упругих колебаний, и даже выявлять отдельные типы колебаний. Сейчас же, для того, чтобы изложить путь решения этой проблемы, обратим особое внимание на информативные аспекты при изучении и обработке различных сигналов.
