О нас | Услуги | Оборудование | Книги по теме | Примеры | Связь | Карта | Форум | Видео | En |
3. Резонансные эффекты в пластинах3.1. Эффект монохроматора Из рассказанного выше можно понять, что к некоторому моменту сложилась парадоксальная ситуация. С одной стороны, развивался и уже применялся метод спектральной сейсморазведки, а с другой, оставалась совершенно непонятной физика эффектов, лежащих в его основе. И, по сути, все лабораторные измерения, которые делались, чтобы приблизиться к пониманию этой физики, уводили от него еще дальше.
h = n l / 2 или fmh = n Vl / 2h (3-1) Но с чего-то же нужно же было начать изучение резонансных свойств, и поэтому мы начали с исследования монохроматора.
На рис.3-1 показана измерительная установка, с помощью которой предполагалось наблюдение этого эффекта. Пьезокерамический дисковый преобразователь 1 возбуждается генератором гармонического электрического напряжения 2. Преобразователь 1 имеет достаточную направленность, чтобы мы могли описывать излучаемое им поле параллельными лучами. Исследуемая пластина 3 толщиной h устанавливается нормально (перпендикулярно) направлению излучаемого поля. Пьезопреобразователь 1 используется как в режиме излучения, так и в режиме приема, и поле, отраженное от пластины 3, регистрируется пьезокерамическим диском 1. Та часть поля, которая проходит сквозь пластину 3, регистрируется пьезокерамическим дисковым приемником 4.
Однако на самом деле, спектр такого сигнала очень далек от спектра гармонического сигнала. Дело в том, что в моменты времени t0 и tT сигнал является удароподобным, то есть быстро изменяется по амплитуде от 0 до максимума, и поэтому является широкополосным. Стало быть, в эти моменты зондирующий сигнал возбудит как излучатель 1 (на его собственной частоте), так и прозвучиваемую пластину 3, если она обладает резонансными свойствами. И действительно, попытка наблюдать эффект монохроматора с помощью сигнала, изображенного на рис.3-2а, оказалась безуспешной.
Такое соотношение коэффициентов отражения и прохождения на частоте fmh является, по сути, проявлением закона сохранения энергии: все, что не отражается - проходит через пластину. А кроме того, свидетельствует об отсутствии поглощения в материале пластины 3, а также, и это самое главное, о правомерности использования выбранной нами измерительной установки для дальнейшего использования ее при изучении других эффектов, связанных с прохождением и отражением звука от пластины.
|
3.2. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) Подготавливая описанный 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 fmh, 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 2t так, как показано на рис.3-2с.
На рис.3-3 показаны частотные зависимости коэффициентов отражения (, кривая желтого цвета), прохождения (, красная штриховая линия), а также величины эдс (U, черная штриховая линия), снимаемой с приемника 8. Вдали от изучаемых резонансных явлений зависимости показаны неявно из-за различных неоднородностей частотных характеристик элементов измерительной установки.
f0 = Vsh / h, (3-2) где Vsh - скорость поперечных (сдвиговых) волн10.
6 Почему именно так, будет объяснено в дальнейшем. 10 Здесь мы опять немного забегаем вперед. Обоснование этого будет дано дальше. 11 С 1977 года это используется в спектральной сейсморазведке |
3.3. Первое использование пьезопленки История открытия эффекта АРП - это история сплошных поисков. Сначала в течение года велись поиски той (мнимой) части поля, которая потом обнаружилась с помощью пьезоприемника 8. А еще год велись поиски реальной части поля, которая должна была быть воспринята там, где стоит приемник 4. И опять на помощь пришел Случай.
|
3.3.1. Сравнение свойств пьезокерамики и пьезопленкиДля знакомства с пьезопленкой можно применять любую установку, в которой можно установить на некотором расстоянии l друг от друга два пьезопреобразователя - АЭП (акустоэлектрический) и ЭАП (электроакустический), и при этом менять пьезокерамические и пьезопленочные преобразователи, а также их режимы с излучения на прием в соответствии со схемой, приведенной на рис.3-4. В таблице 3-1. приведены коэффициенты передачи получившихся при этом четырехполюсников.
При наличии у преобразователей резонансных явлений коэффициент передачи изменяется в очень широких пределах, и поэтому пары, содержащие пьезокерамику, должны работать на частоте, существенно меньшей самой низкой собственной частоты. Табл. 3-1.
Как видно из этой таблицы, пьезопленка как в режиме излучения, так и в режиме приема не намного (всего лишь раз в 5) уступает по эффективности пьезокерамике, но это касается тех случаев, когда пленка работает в паре с керамикой. В случае пары пленка-пленка коэффициент передачи оказывается столь малым, что полезный сигнал на выходе выделить на фоне помех не удается. В связи с этим у меня возникла гипотеза, заключающаяся в том, что пьезопленка излучает один тип упругих колебаний, а принимает другой, ортогональный излучаемому.
Подчеркиваю, что пьезопленку мы использовали исключительно для того, чтобы при измерениях избавиться от резонансных свойств пьезоприемника. Однако, кроме того, что мы при этом действительно избавились от резонансных свойств пьезоприемника, обнаружилась реальная составляющая поля.
На самом деле, эта информация о свойствах пьезоматериалов относительно разных составляющих поля упругих колебаний далеко не полная, и является зародышем для совершенно нового подхода к физике этого поля. |
3.4. О комплексном характере звукопроводности, а также поля упругих колебаний Получается, что пьезокерамика в режиме приема не воспринимает реальную составляющую поля, то есть, работает как датчик мнимой составляющей поля, а пьезопленка - наоборот, воспринимает только реальную часть. В режиме же излучения пьезокерамика, как видим, создает как реальную, так и мнимую составляющие поля упругих колебаний.
Звукопроводящие свойства слоя-резонатора на резонансе таковы, что исходное поле разделяется на две его составляющие. Активная составляющая проходит сквозь этот резонатор и может быть зарегистрирована пьезопленкой на месте приемника 4, а мнимую составляющую регистрируем с помощью пьезокерамического приемника 5. Пластина из оргстекла такими свойствами не обладает. Звукопроводность сред, подобных оргстеклу, имеет чисто активный характер и соотношения между реальной и мнимой составляющими поля при их прозвучивании не изменяются. И таким образом, получается, что звукопроводность подавляющего большинства твердых сред, и в том числе, горных пород, обладает звукопроводностью, имеющей комплексный характер.
|
3.5. О скоростях продольных и поперечных волн. О фазовой скорости Таким образом, на основании изложенных выше экспериментов можно считать доказанным, что поле упругих колебаний в общем виде состоит из реальной и мнимой части. Мнимая часть поля отвечает за формирование собственных колебаний. Возникает вопрос, имеем ли мы право назвать реальную и мнимую составляющие поля соответственно продольными и поперечными волнами...
Но, с другой стороны, как мы видели, обе составляющие поля распространяются в звукопроводящей жидкости измерительной установки с одинаковой скоростью. Кстати, это противоречит известному утверждению о том, что поперечные волны в жидкостях не распространяются. Но как мы уже видели, очень многие утверждения о свойствах поля упругих колебаний базируются на очень ненадежном основании, так что пока что это противоречие оставим без комментариев.
|
3.6. Какой тип колебаний регистрируется сейсмоприемником Рассмотрение эффектов монохроматора и АРП можно осуществить еще под одним углом зрения. В обоих случаях имеет место режим стоячих волн. Только монохроматор – это режим стоячих продольных волн, а АРП - поперечных. Режим стоячих волн на поперечном процессе как раз и создает условия для синфазного колебания поверхности торцов прозвучиваемой пластины-резонатора. То есть, для направленного излучения в направлении, ортогональном первичному излучению.
|
3.S. Выводы по разделу 3 Как любой фундаментальный эффект, а эффект резонансного поглощения чего угодно (то есть либо электромагнитного, либо звукового поля) - безусловно фундаментальный эффект, - эффект АРП имеет множество следствий (и последствий), каждое из которых является составляющей новой парадигмы. В частности, следующее.
|
Обсудить статью |
При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна | Публикации о нас |
|
Реклама на сайте: |