4.5. Об искусственном создании зон 
h
Как было показано, наличие приповерхностных зон 
h, в которых скорость распространения фронта упругих колебаний плавно уменьшается при приближении к свободной границе, является непременным условием возникновения собственных упругих колебаний.
Обнаружение зон h и характера звукопроводности этих зон имеет для акустики такое же значение, как обнаружение, в свое время, реактивного характера электропроводности индуктивности и емкости, образующих электрический контур, для объяснения его работы. В электротехнике это открытие привело к созданию теоретической электротехники, в которую существовавшая до того электротехника постоянного тока вошла как составная часть. Аналогичное сейчас происходит и в акустике в связи с открытием реактивной звукопроводности зон h, когда законы геометрической, лучевой акустики оказались справедливыми лишь в частном случае, при условии отсутствия этих зон.
До сих пор мы исследовали случаи, когда зоны h были сформированы самой Природой. В этом разделе мы посмотрим, что будет, если искусственно сформировать зоны для тех сред, в которых от природы зон h нет.
Исследованию будут подлежать трехслойные структуры, подобные показанной на рис.4-7, в которых в середине (h2) находится слой из материала ряда оргстекла, а по краям (h1 и h3) - ряда стекла. Суммарная толщина пакета - h.
Рис. 4-7
В данном варианте наружные, находящиеся у поверхностей пакета зоны h, присущие слоям h1 и h3, так же точно относятся и ко всему пакету, и при наблюдении эффекта АРП, кроме собственных частот, свойственных структурам h1 и h3 будет наблюдаться собственная частота f0h всего пакета по его толщине h даже несмотря на то, что слой h2 в отдельности является слоем-нерезонатором.
При этом величина собственной частоты f0h будет зависеть от значения скоростей Vsh, присущих всем материалам, входящим в состав трехслойной структуры, с учетом выражения (3), следующим образом:
(3)
Если при условии, что обкладки (h1 и h3) сделаны из одного и того же материала, имеющего скорость сдвиговых колебаний Vsh.13, обозначить h1+h3=h13, то, обозначив слой-нерезонатор h2 индексом (n-r), можем написать:
(4)
Отсюда следует, что скорость сдвиговых колебаний Vsh может быть определена и для тех сред, структуры из которых резонаторами не являются.
Из выражения (4):
(5)
В таблице 4-1 приведены полученные таким образом с помощью выражения (5) значения Vsh для стекла, оргстекла и, что самое интересное, для воды. Обкладки стеклянные, для которых:
Vsh.13 = 3600 м/с; h13 = 5 мм
Полученные результаты позволяют нам еще раз подтвердить то, что наличие двух зон с реактивной (мнимой) звукопроводностью h, расположенных так, как это показано на рис.4-7, является необходимым и достаточным условием для того, чтобы сформированная таким образом структура стала резонатором. При этом не имеет значения, к какому ряду относится находящаяся между этими зонами звукопроводящая среда - к ряду стекла или к ряду оргстекла, а также твердая она, жидкая или газообразная.
Это очень интересный вывод. Дело в том, что, работая в каменноугольных шахтах и зная уже, что уголь данного конкретного типа является материалом ряда оргстекла, мы не могли понять, почему в угольном пласте возникают собственные колебания. Сейчас стало понятным, что причина этого - наличие с двух сторон угольного пласта пород углевмещающей толщи.
табл. 4-1
N |
среда слоя h2 |
h2 (мм) |
f0h (кГц)
| Vsh слоя h2 (м/с) |
1 |
стекло |
4 |
400 |
3600 |
2 |
----//---- |
6 |
327 |
3594 |
3 |
оргстекло |
2 |
367 |
1497 |
4 |
----//---- |
4 |
246 |
1494 |
5 |
----//---- |
6 |
186 |
1505 |
6 |
----//---- |
8 |
149 |
1503 |
7 |
вода |
2 |
260 |
814 |
8 |
----//---- |
3 |
195 |
802 |
9 |
----//---- |
4 |
155 |
790 |
10 |
----//---- |
5 |
130 |
793 |
11 |
----//---- |
6 |
110 |
779 |
При возникновении зон h в толще воды, также образуются слои-резонаторы, и вода теряет свою звукопрозрачность при распространении звука поперек образовавшегося слоя. Гидроакустика при этом перестает функционировать, и это приводит иногда к очень тяжелым последствиям.
При возникновении зон h в воздухе точно также формируются слои-резонаторы, и это реализуется во многих музыкальных инструментах.
