6132-1 (707068), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Между тем, наличие такого рода сигналов известно всем. Более того, от них просто деваться некуда. Но называют их квазигармоническими, что само по себе ничего не меняет1, но зато как бы дает право настаивать на том, что они являются результатом интерференции.
Надо сказать, что здесь мы встретились с удивительным совпадением. Эта история практически полностью повторяет ту, что происходила в XIX веке при открытии электрического колебательного контура.
Первый колебательный контур был случайно реализован в 40-х годах XIX века Джозефом Генри (тем самым, чье имя носит единица индуктивности). Произошло это при исследовании процессов, возникающих при коротком замыкании конденсатора. Это было время, когда начались исследования новой субстанции - электрической жидкости, содержащейся в только что изобретенных гальванических элементах. Эксперимент заключался в том, что заряжался конденсатор (как тогда говорили, "лейденская банка") от гальванического элемента, а для регистрации процесса разряда Генри использовал праобраз амперметра - магнитную стрелку, многократно обвитую проводом. Провод был достаточно толстым, чтобы можно было не считаться с его сопротивлением. На этом основании Дж. Генри полагал, что разряд шел накоротко.
К его величайшему удивлению, стрелка при разряде многократно изменяла направление своего отклонения. Истолковано это было так, что электрическая жидкость при коротком замыкании лейденской банки не только вытекает из нее, но и втекает обратно.
Сначала эта публикация вызвала бурю негодования у всех действующих тогда физиков. Однако после того как оказалось, что описанный результат устойчив при повторении эксперимента, ученые нашли ему объяснение. Многократное изменение направления тока через конденсатор при коротком замыкании было воспринято как следствие интерференционных процессов, возникающих в "электрической жидкости", заполняющей лейденскую банку, в результате ее встряхивания, которому эквивалентно короткое замыкание. В таком виде это явление и существовало в учебниках и научных публикациях еще лет 30.
Второе открытие колебательного контура было сделано спустя 30 лет после этого лордом Кельвином. Он заинтересовался формой сигнала, возникающего при разряде конденсатора и, чтобы удовлетворить свое любопытство, изобрел осциллограф. Увидев же, что электрический ток, протекающий через лейденскую банку, имеет форму синусоиды, Кельвин сообразил, что имеет дело с неизвестной ранее колебательной системой.
И только еще через почти 10 лет электрический LC контур был открыт окончательно, когда Фергюсон осознал роль индуктивности2.
Проводя параллель с историей открытия электрического контура, можно сказать, что, найдя зависимость (1), я выполнил только первую часть - обнаружил наличие акустической колебательной системы в виде плоскопараллельной структуры (как частный случай). Однако при этом остался непонятен механизм преобразования импульса в гармонический сигнал, а также был неясен физический смысл числителя выражения (1).
Достаточно долгое время, уже используя на практике выражение (1) и аппаратуру "Резонанс", я, тем не менее, мог без труда доказать, что обнаруженный эффект существовать не может. В самом деле, при условии, что материал пластины однороден по вещественному составу и по акустическим свойствам, можно представить себе лишь один механизм - это прямолинейное распространение упругих колебаний внутри пластины и отражение их от границ. Результат многократного переотражения от поверхностей пластин короткого импульса - это отнюдь не гармонический процесс. В отличие от гармонического, такой процесс имеет очень широкий частотный спектр, и перепутать их невозможно.
Но однажды истину, изложенную в предыдущем абзаце, я воспринял иначе. Реакция на импульсное воздействие имеет вид гармонического сигнала, и это достоверно и однозначно доказывается средствами электроизмерений. Однородность вещественного состава материала пластины, по-видимому, тоже нет оснований подвергать сомнению. Следовательно, раз уж преобразование удара в гармонический процесс все-таки происходит, то должна же быть какая-то неоднородность... А что там у нас с однородностью акустических свойств материала пластины? А может ли оказаться скорость распространения упругих волн неодинаковой в различных точках объекта из однородного по вещественному составу материала?
На чувственном, интуитивном уровне этот вопрос воспринимается с трудом. В самом деле, уверенность в постоянстве скорости звука в однородных по вещественному составу средах, я думаю, рождается вместе с нами. Так же точно, как и некоторые другие аксиомы. Такие, как, скажем, утверждение о том, что параллельные линии не пересекаются в пространстве. Но, с другой стороны, нет такой аксиомы, которая не требовала бы проверки. Ведь, как сказал Лобачевский, аксиома - это не то, что не требует доказательства, а то, что никак не доказать (или не опровергнуть). Чем это кончилось, я имею в виду утверждение о непересекающихся параллельных, известно. Всего лишь, созданием нового типа геометрии.
Здесь я хотел бы немного отвлечься, чтобы показать, что все, что произошло дальше, ничуть от меня не зависело. В самом деле, казалось бы, если уж я получил инструмент для прогнозирования устойчивости кровли в угольных шахтах, то так ли обязательно было доискиваться до механизма того эффекта, на котором этот инструмент работает?.. Я ведь сам только что говорил, что физический эффект совсем не обязательно нужно понимать, чтобы его использовать... Но смотрите сами, ведь аппаратура "Резонанс" была предназначена для сохранения человеческих жизней в условиях шахт. Возможно ли использование в этих целях прибора, который работает на эффекте, которого в принципе быть не может? А если все те результаты, которые мы получали до этого, были результатом какого-то странного стечения обстоятельств, а в дальнейшем, когда использование прибора узаконится, таких обстоятельств больше не будет (или, что еще хуже, они не всегда будут), то наши рекомендации будут способствовать гибели людей, так ведь?
Когда я это осознал, то принял для себя решение аппаратуру шахтерам не давать до тех пор, пока не разберусь в физике используемых эффектов. Мое решение вызвало такую бурю негодования, от шахтных геологов и до самого Минуглепрома, что об этом нужно рассказывать отдельно. Но здесь важно то, что только тот стресс, в котором я оказался, помог мне пройти весь дальнейший путь поисков механизма эффекта преобразования ударного воздействия в гармонический отклик. Не даром у нас потом родился афоризм, что для того, чтобы в голову пришло что-то приличное, надо, чтобы по ней ударили. Вот гипотеза о непостоянстве скорости звука в однородных средах и возникла как результат удара по голове.
Способ проверки факта постоянства скорости звука в однородных средах оказался на удивление простым. Напомню только, что скорость движения какого-либо объекта V прямому измерению не подлежит. Она вычисляется делением отрезка пути 
r на время t, в течение которого пройден этот путь. Поэтому определяемая в эксперименте скорость всегда является средней, усредненной по отрезку пути r.
Эксперимент, направленный на проверку постоянства скорости звука в однородных по вещественному составу средах, имел следующую логику. Если это постоянство действительно имеет место, то при сквозном прозвучивании пластин величина определяемой скорости распространения упругих волн V не должна зависеть от толщины пластины h. При всей прозрачности этой логики, все же, первый цикл измерений зависимости V(h) был осуществлен на пластинах из оргстекла. Почему это было сделано. Дело в том, что измерение скорости звука в акустике твердых сред является очень серьезной проблемой. При всей кажущейся очевидности и простоте вопроса, результаты реальных измерений в простейших условиях порою настолько непонятны, что теоретикам показалось проще создать массу запретов, чем разобраться в этих неясностях. Так, если результаты ваших измерений не соответствуют каким-то существующим мысленным моделям, вам просто объяснят, что вы не имели права так измерять. Причем эти запреты настолько нечеткие, что в принципе, можно запретить любые измерения. Однако если мы берем два совершенно идентичных по своей геометрии образца из различных материалов, то если вас устроят результаты измерений на одном из них, то запрет точно таких же измерений на другом уже не будет убедительным.
График зависимости скорости распространения упругих колебаний от толщины прозвучиваемых пластин из оргстекла, показанный на рисунке (график 1), свидетельствует о том, что скорость распространения упругих колебаний в оргстекле действительно одинакова во всех точках этого однородного материала. Утолщение линии этого графика при уменьшении толщины пластины соответствует увеличению относительной погрешности определения скорости с уменьшением величины t. Итак, метрологическая корректность при проведении этих измерений может считаться приемлемой.
При точно таком же исследовании пластин из любого металла или сплава, керамики, стекла или горной породы зависимость V(h), как оказалось, имеет вид, подобный графику 2. Как истолковать такой результат?..
В принципе, подобная зависимость имела бы место, если бы мы таким же точно способом определяли скорость движения автомобиля при изменении расстояния между точками его начала движения и остановки. Средняя или крейсерская скорость любого средства передвижения уменьшается при уменьшении длины пути за счет неизбежного присутствия участков, где скорость сначала плавно увеличивается, а затем, перед остановкой плавно уменьшается.
Однако применительно к упругой волне, распространяющейся в однородном материале пластины, подобная модель была непредставима. Честно говоря, этот эксперимент готовился мною исключительно для того, чтобы раз и навсегда исключить даже сами мысли о возможности неодинаковости скорости в различных точках внутри объектов из однородной среды.
Вот уж никогда не думал, чтобы рядовое, в общем-то, измерение могло подействовать на меня столь эмоционально... Настолько подействовало, что когда аппаратура уже была готова для осуществления измерений, то я понял, что я сделать эти исследования не могу, и отложил их на следующий день.
Более того, результаты этого эксперимента сильнейшим и неожиданным образом подействовали на всех окружающих людей, так или иначе причастных к нашим работам. Некоторые ближайшие коллеги, с участием которых проводились первые измерения зависимости V(h), вдруг стали отказываться от своего в них участия, а родная кафедра внезапно повела курс на уничтожение лаборатории вместе с тем курсом, который я читал.
Впрочем, я тогда ничего вокруг не замечал, одержимый постановкой такого высокоточного измерения, которое могло бы закрыть это уж точно ошибочное, никому не нужное открытие. Однако чем изысканнее были исследования, тем яснее вырисовывалась картина. Да, действительно, звуковая волна, проникая в пластину из подавляющего большинства твердых сред, сначала разгонялась, а затем, при приближении ко второй границе плавно замедлялась. И вот тогда мне стало плохо по-настоящему.
Если многочисленные болельщики мучили меня вопросом, почему в оргстекле, в отличие от стекла, этот эффект отсутствует, то меня самого не отпускала другая, совершенно мистическая проблема:
откуда упругая волна знает, что приближается граница,
и что пора начать замедление своего движения?
Вот где было сумасшествие! Этот вопрос горел в моем замутненном сознании с настойчивостью маньяка, не отпуская ни на минуту... Вот уже более 20 лет прошло с тех пор, но этого состояния непрерывной и полной огорошенности забыть нельзя.
Ну, что тут скажешь, невольно начнешь верить в Провидение. Не знаю, чьей волей, но в руках у меня оказалась книга о жизни Ньютона, откуда я узнал, что с ним происходила примерно такая же история. При обсуждении закона всемирного тяготения его оппоненты, да и он сам были одержимы подобным же вопросом: где та "веревка", что заставляет взаимодействовать между собой планеты и прочие объекты? Так же, как и меня, его эта мука не отпускала года два. После чего его осенило, что закон должен отвечать не на вопрос "почему", а исключительно на вопрос "как"! В конце концов, если при метрологически корректном измерении эффект повторяем, значит, его нужно учитывать, с ним нужно считаться независимо от нашего понимания. Разве мало мы используем эффектов, не понимая их физики? Да хоть бы тот же закон всемирного тяготения...
И все, больше никаких мук. Принимаем как данность, что в подавляющем большинстве твердых сред скорость распространения фронта упругих колебаний снижается при приближении фронта к поверхности объекта. То есть в подавляющем большинстве твердых сред существует приповерхностный слой, толщина которого достигает 2 см, в котором скорость распространения фронта упругих колебаний имеет пониженное значение за счет уменьшения ее с приближением фронта к поверхности.
Отношение к этому эффекту как к доказанному факту позволило обнаружить еще некоторые новые эффекты. Кстати, один из них позволил ответить на тот злополучный вопрос, который я обвел рамочкой. Но наиболее интересным мне кажется эффект акустического резонансного поглощения (АРП). Суть его в следующем.
Если при сквозном прозвучивании пластин из любых материалов изменять частоту генератора, возбуждающего электроакустический преобразователь, то можно увидеть на некоторых частотах так называемый эффект монохроматора, известный в оптике еще как эффект просветления. Эффект этот заключается в том, что, в результате интерференционных (а в данном случае, это действительно так) процессов при многократном переотражении сигнала внутри слоя на некоторых частотах сигнал проходит через пластину целиком при абсолютном отсутствии отражения от нее. Условие эффекта монохроматора заключается в том, что на толщине пластины h должно укладываться целое количество полуволн продольных колебаний или, иначе говоря,
, где (2)
fмх - частоты, на которых наблюдается эффект монохроматора,
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
