ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ ПОПЕРЕЧНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫВ ГАЗЕ
С.Б. Каравашкин и О.Н. Каравашкина
Специализированная лаборатория фундаментальных исследований СЕЛФ
e-mail: selftrans@yandex.ru, selflab@mail.ru
Рассмотрены результаты эксперимента, проведенного с целью выявления и первичного исследования свойств поперечной акустической волны в газовой среде. Представлено теоретическое обоснование существования такой волны в газовой среде, где отсутствует способность передавать поперечную деформацию. Этот эффект возможен при противофазных продольных колебаниях источников. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что в результате такого наложения формируется волна, обладающая всеми свойствами волнового процесса в свободном пространстве. Поперечная акустическая волна обладает ближней и дальней зоной и присущими им характерными свойствами. Результат такой суперпозиции может рассматриваться как независимый волновой процесс в дальней зоне, поскольку его свойства принципиально отличаются от свойств интерференции, которая основывается, как известно, на принципе колебательной суперпозиции. В этой зоне экспериментально установлена устойчивая фаза запаздывания сигнала, а также присутствие поляризационной плоскости и исчезновение инверсии сигнала, типичной для ближней зоны и интерференции.
Ключевые слова: волновая физика, акустика, генерирование и распространение акустических волн, методика генерирования поперечных акустических волн, поляризационный метод в исследовании акустических волн.
Введение
Общеизвестно, что “ни в газах, ни в жидкостях невозможна поперечная сдвиговая деформация, необходимая для поперечных волн” [1, с. 157]. Иначе говоря, “в жидкостях и газах не существует упругого сопротивления поперечным смещениям частиц, но лишь изменению объёма, т.е. сжатию и разрежению. Поэтому в таких веществах могут распространяться только продольные волны…”[2, с. 114].
Приведенное условие столь жёстко устанавливает запрет, что экспериментальная проверка возможности возбуждения поперечных волн в газе и жидкости официально не проводилась. Во всяком случае, в литературе описания подобных экспериментов нет. Как подсказал одному из авторов проф. Доак (Institute of Sound and Vibration, Southampton, UK), "в 1823 г. мр. Витстоун упоминал "поляризацию" акустических волн, но это было за много лет до того, как последующие физики поняли, что акустические волны в потоке могут быть наилучшим образом описаны одиночным скалярным акустическим потенциалом скорости. (Статья Витстоуна появилась в Annals of Philosophy, № 20, август 1823г.)" [3].
| Вместе с тем, из общей физики также известно, что поперечные волны не обязательно должны возбуждаться источником поперечных колебаний. Так, например, в случае ЭМ поля, для которого характерны именно поперечные волны, источником служат два противофазно изменяющихся заряда диполя, каждый из которых в отдельности может возбуждать только продольное поле. “Действительно, электрический диполь, заряды которого под действием стороннего источника периодически меняются во времени, можно представить в виде системы двух металлических шариков, соединённых проводником, в середину которого включён источник… Периодическое изменение зарядов диполя эквивалентно переменному току в соединяющем проводнике… Вследствие этого поле, создаваемое электрическим диполем с переменным моментом, будет совпадать с полем, создаваемым проводником длиной l, по которому протекает сторонний ток… Излучение поля такого диполя позволяет решать задачи анализа и синтеза антенн, поскольку последние можно рассматривать как системы диполей” [4, с. 96- 97]. Таким образом, в рассмотренном примере поперечная ЭМ волна, по сути, является результатом суперпозиции двух продольных электрических полей, возбуждаемых переменными во времени электрическими зарядами, составляющими диполь. Так и для поперечной волны в газовой среде. Следуя известной аналогии (см., например [5, с. 207- 211]), для её возбуждения нет прямой необходимости в том, чтобы газовая среда обладала способностью к сдвиговой деформации. Вполне достаточно, чтобы источником её возбуждения служили две противофазно излучающие акустические мембраны, как это показано на рис. 1. |
|
| Рис. 1. Общая блок-схема устройства, излучающего поперечную акустическую волну в газовой среде |
| Это дополнительно подтверждается известными физическими свойствами волновых процессов в газе. Во-первых, как в газе, так и жидкости при наложении двух и более волн не происходит их компенсация, а возникает интерференционный процесс. Он свидетельствует о сохранении энергии в направлении распространения каждой их наложившихся волн. Следовательно, в модели процесса на рис. 1 результирующая поперечная волна должна наблюдаться с затуханием по амплитуде на неограниченном расстоянии от источника сигнала, поскольку эта модель, к тому же, находится в полной аналогии с базовой моделью ЭМ волн. В этом несложно убедиться, заменив акустические излучатели источниками электрического поля. Во-вторых, акустические волны как в газе, так и в жидкости имеют свойство “отрываться” от источника сигнала и распространяться в материальном континууме даже после прекращения излучения волн. В-третьих, на больших расстояниях от источника сигнала акустический излучатель, как и элементарный электрический диполь, обладает степенью затухания в пространстве, равной 1/ r. Это свидетельствует о наличии у акустической волны волновой зоны. |
| Действительно, “выражение для скорости u в сферической волне имеет вид |
| (1) |
где A - некоторая постоянная, k - волновое число, r - расстояние от излучателя до приёмника.
Это выражение представляет собой сумму двух членов, роль которых различна на разных расстояниях от излучателя: вдали от излучателя, при kr >> 1 (волновая зона) основную роль играет второй член, пропорциональный 1/ r. В этой области поле пульсирующей сферы можно заменить полем точечного источника с производительностью, равной объёмной скорости на поверхности реального источника. Мощность точечного источника пропорциональна квадрату его производительности. Вблизи источника (kr << 1) становится существенным первый член, пропорциональный 1/ r2. В этой области нельзя говорить о волновом движении – среда может считаться “несжимаемой” [6, с. 38]. “Звуковое поле имеет различный характер на разных расстояниях от излучателя. Это справедливо для любых акустических излучателей независимо от их формы: на расстояниях r >> d 2/  (где d - длина акустического диполя, - авт.) поле практически любого акустического излучателя можно считать сферическим, т.е. звуковое давление спадает по закону 1/ r. В этой области, часто называемой зоной Фраунгофера, распространение энергии в пространстве определяется характеристикой направленности. Поле вблизи источника при r  d 2/ (зона Френеля) вследствие интерференции звука носит сложный характер” [там же, с. 39]. Исходя из этого следует ожидать, что суперпозиция противофазных акустических волн на больших расстояниях от источника также будет обладать степенью затухания 1/ r, которая свойственна акустической волне в свободном пространстве.
Сущность физического процесса, на основе которого суперпозиция двух продольных акустических волн может рассматриваться как поперечная волна, заключается в том, что при наложении двух продольных динамических давлений, в некоторой локальной области, согласно построению на рис. 1, формируется результирующее локальное динамическое давление, направленное поперёк направления распространения волны. Это в свою очередь приводит к локальному смещению молекул газа в направлении результирующего давления, – т.е. в поперечном направлении к распространению волны. Само по себе данное смещение не может индуцировать поперечное смещение следующих молекул, как, например, это происходит в твёрдых телах, поскольку в газе для этого отсутствуют необходимые упругие связи. Тем не менее, если само направление распространения поперечной акустической волны будет сформировано источниками продольного акустического поля, то результирующие колебания молекул газа будут иметь поперечный характер во всей области распространения волны, в то время как само распространение такой волны, как и затухание в пространстве, будет определяться продольными акустическими волнами, излучаемыми полувибраторами. Причём следует особо отметить, что указанные поперечные смещения молекул будут носить локальный характер, в полном соответствии с локальным характером динамического давления, возбуждающего эти колебания. Обычной мембраной, используемой для приема продольных акустических волн, если она не имеет асимметрии, данные колебания воздействия производить не будут, т.к. результирующее продольное давление равно нулю. Локальное поперечное давление будет приводить только к развороту мембраны, поскольку наличие данного поперечного давления будет означать появление областей разрежения – сжатия газовой среды, чередующееся наподобие вихревой дорожки Кармана [7]. Поэтому данную волну можно зафиксировать только приемником поляризационного типа, который бы мог реагировать на наличие сжатия – разрежения в направлении, поперечном распространению волны, то есть акустическим диполем. Именно вследствие этого можно отождествлять исследуемый тип волн с поперечной (поляризационной) волной.
|
Само понятие акустического диполя (излучатель 1-го порядка) с точки зрения излучения продольной акустической волны достаточно хорошо известно в акустике. “Такой акустический излучатель эквивалентен двум пульсирующим сферам, колеблющимся в противофазе. Поле диполя зависит от направления, его диаграмма направленности имеет форму восьмёрки. Потенциал акустического поля вблизи диполя имеет вид   cos  / r 2, где - угол между осью диполя и направлением на точку наблюдения (см. рис. 2), а в волновой зоне cos / r ” [там же, с. 39].
|
|
| Рис. 2. Общепринятая модель акустического диполя (по [6, с. 39]) |
| Однако во всех существующих теоретических и прикладных расчётах (см., например, [8], [9], [10]) исследуется, как правило, не пульсирующая, а колеблющаяся сфера. Для продольной акустической волны данная замена несущественна, поскольку для этого случая обе модели эквивалентны. Но с точки зрения поперечной акустической волны различие принципиально. Колеблющаяся сфера в поперечном направлении не создаёт направленного излучения, в то время как поперечная акустическая волна, согласно представленному выше исследованию, может сформироваться только в результате суперпозиции двух продольных волн. В ЭМ полях этой особенности не уделялось внимания по той причине, что продольное поле зарядов само по себе эквивалентно пульсирующей сфере и сделать его направленным, как давление в газовой динамике, мы не можем. Наоборот, в теории ЭМ полей существует проблема излучения/приёма продольной ЭМ волны, что, конечно же, следует отнести к особенностям сравниваемых физических явлений. Тем не менее, возможность формирования плоскости поляризации в акустической волне приводит к появлению новых свойств волнового процесса в газовой динамике, отличающихся от простой суперпозиции двух акустических источников. Как и в случае поперечной ЭМ волны, следует ожидать, что при взаимодействии с отражающими объектами или в преломляющих средах свойства плоскости поляризации будут существенно зависеть от характеристики взаимодействия. Например, возможно выявление угла поляризации, аналогичного углу Бюстнера, плоскость поляризации может вращаться при прохождении волны через турбулентные, неоднородные или слоистые среды, а также через среды, обладающие поляризующими неоднородностями. Это означает, что с появлением источников/приёмников поперечной акустической волны у исследователей появляется мощный инструмент для исследований в области гидро- и аэродинамики, появляются новые для исследователей свойства сред, проявляющиеся при взаимодействии с поперечной акустической волной. К тому же с появлением плоскости поляризации в акустической волне появляется дополнительный параметр, изменением которого можно обеспечить передачу информации на расстояние. Это значительно расширяет интерес к исследуемому явлению за рамки акустики, позволяет говорить об особенности явления поперечной акустической волны в газе как о самостоятельном физическом явлении и делает важными исследования, результаты которых представлены в данной работе. Тем более, что до сих пор полностью отсутствуют какие-либо исследования, в которых исследовалась бы именно суперпозиция противофазных волн и в качестве приёмника использовался бы прибор поляризационного типа. |
2. Описание экспериментальной установки
2.1. Общая схема эксперимента
Как известно (см. [11, сс.23-24]), поперечность ЭМ волн эффективно экспериментально устанавливается в опытах с современными системами СВЧ. “Пусть приемник излучения представляет собой определенным образом ориентированный рупор, соединенный с кристаллическим детектором и волноводом. Заметим, что такая система пропускает электромагнитную волну с вполне определенным направлением колебаний (с определенной линейной поляризацией). При провороте излучателя (клистрона) относительно приемника на  /2 мы будем наблюдать полное исчезновение сигнала. Этот опыт иллюстрирует излучение клистроном линейно поляризованной волны (если бы излучение было не поляризовано, то проворот на /2 никак не сказался бы на величине сигнала). Но в то же время он свидетельствует об отсутствии продольной составляющей электромагнитной волны, так как при наличии таковой никак нельзя было бы погасить ее вращением источника и приемника радиации в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны” [11, с. 23- 24]. При этом следует подчеркнуть, что “при определенных условиях эксперимента может возникать сложная картина, при истолковании которой легко ошибиться. Речь идет о распространении волны при наличии каких-либо ограничивающих экранов, отражающих зеркал и других аналогичных устройств” [11, с. 24].
|
|
| Рис. 3. Общая схема экспериментальной установки для излучения/приема поперечной акустической волны в газовой среде |
| Для фиксации поперечной акустической волны в газе за основу была взята вышеописанная экспериментальная схема, общий вид которой показан на рис. 3. В данной схеме электрические синусоидальные колебания генератора 1 возбуждали специально разработанный для этого эксперимента источник поперечной акустической волны 2 и принимались также специальным приемником поперечной акустической волны 3, конструкция которого полностью идентична конструкции излучателя. Принятый сигнал усиливался усилителем 5 и фиксировался электронно-лучевым осциллографом 6, работающим в режиме ждущей развертки от генератора 1. Последнее необходимо было для измерения фазовых характеристик процесса излучения/приема поперечной акустической волны. Для создания направленной волны и во избежание искажений, связанных с паразитным отражением, излучатель и приемник были помещены в специальные рупоры 4. |
Основной целью эксперимента было получение четырех характеристик:
· зависимости амплитуды принимаемого сигнала Am от угла 
наклона плоскости поляризации излучателя к плоскости поляризации приемника;
· зависимости фазы m принимаемого сигнала от угла наклона плоскости поляризации излучателя к плоскости поляризации приемника;
· зависимости амплитуды принимаемого сигнала Am от расстояния r между излучателем и приемником;
· зависимость фазы запаздывания сигнала d от расстояния r между излучателем и приемником.
Первая и вторая характеристики необходимы для экспериментальной проверки возможности излучения/приема поперечной акустической волны в газе, т.к. сама по себе амплитудная характеристика хотя и дает подтверждение наличия исследуемого эффекта, но не полностью. Если же в дополнение к этому при провороте плоскости поляризации приемника фаза сигнала сместится на 180о, то это безусловно будет свидетельствовать о наличии поперечной акустической волны.
Вторая пара характеристик была включена в экспериментальное исследование с целью изучения поведения поперечной акустической волны в пространстве.
Исходя из того, что основной целью данного эксперимента являлась фиксация поперечной акустической волны, он рассматривался как установочный эксперимент, и соответственно удовлетворительными считались погрешности измерений, соответствующие данному условию, т.е. в пределах 5-8%.
Конструкция излучателя и приемника поперечной акустической волны
Как было сказано выше, при подготовке эксперимента была поставлена задача не только излучать поперечную волну, но и принимать это излучение приемником, который реагировал бы именно на волну данного типа. В связи с этим приемник и излучатель были изготовлены конструкционно идентичными.
В качестве базы была естественно выбрана система диполя.
Для конструкционного решения поставленной задачи необходимо было удовлетворить следующим основным требованиям:
§ максимальная координация колебаний обоих половин вибратора;
§ максимально возможная параллельность излучения акустической волны обеими половинами вибратора; обе поверхности излучения должны находиться в одной фазовой плоскости излучения для возможности эффективного суммирования волн, создаваемых полувибраторами;
§ максимальная компенсация паразитной, в данном случае, продольной волны и минимизация обертонов;
§ излучатель даже без направляющего рупора должен давать четко выраженную однонаправленность излучения.
| В результате проведенных исследований было установлено, что предъявленным требованиям наиболее полно удовлетворяет конструкция электростатического типа, вид которой представлен на рис. 4 а, б. |
§
|
§
| Рис. 4. Общий вид излучателя/приемника поперечной акустической волны: а - конструкция излучателя/приемника; b - вид спереди в сборе |
§
| В данной конструкции излучатель/приемник состоял из стеклотекстолитового основания 1, на которое наклеивалась пластина линолеума 2 для подавления паразитного излучения. В пластинах делались прорезы, через которые выводились клеммы медных неподвижных обкладок 3. Подвижной обкладкой излучателя служила токопроводящая мембрана 5, которая натягивалась при помощи пластин-токоподводов 6 на прокладку 4 с двумя окнами, разделенными перегородкой. При этом поперечное сечение мембраны было сделано несколько меньшим соответствующего размера окон, чтобы обе ее половины могли совершать чисто поперечные колебания. Вид излучателя спереди в сборе приведен на рис. 4 б. Размер окон полуизлучателей был выбран из расчета эффективной работы в диапазоне 6- 10 кГц. Для увеличения направленности излучателя, как было сказано ранее, излучатель и приемник помещались в рупоры трапецеидальной формы с плоскими стенками, параллельными плоскости поляризации волны. Снаружи рупоры дополнительно экранировались звукопоглощающим материалом и экранировались от электрических наводок. Рупор излучателя был помещен на подвижное основание, с помощью которого можно было изменять расстояние между излучателем и приемником, а также угол между их плоскостями поляризации. 2.3. Электрические схемы обеспечения противофазного излучения/приема акустических колебаний В дополнение к специально разработанной конструкции излучателя/приемника, рассчитанного на излучение/прием поперечной акустической волны, были разработаны специальные электрические схемы подвода мощности к излучателю и снятия противофазного сигнала с приемника поперечных акустических волн. Это способствовало получению более четких характеристик исследуемого явления. |
|
| Рис. 5. Схема цепи, генерирующей поперечную акустическую волну (а) и принимающей противофазные акустические колебания (b) |
|
Электрическая схема возбудителя излучения приведена на рис. 5 а. Схема представляет собой вариацию двухполупериодного выпрямителя, состоящего из повышающего трансформатора T 1 и двух высоковольтных выпрямительных диодов VD 1 и VD 2.
Согласно схеме, на подвижную мембрану излучателя 1 подается постоянное, по отношению к заземлению, напряжение 2 кВ, а на неподвижные пластины 2 и 3 подается переменное напряжение той же амплитуды. При этом в положительный полупериод пластины 1 и 2 заряжены положительно и отталкиваются друг от друга, а пластины 1 и 3 заряжены противоположно и, следовательно, притягиваются друг к другу. В отрицательный полупериод взаимодействие между мембраной и неподвижными пластинами меняется на обратное. Максимальную симметрию описанных процессов удалось достичь благодаря строгой симметризации повышающего трансформатора T 1.
Электрическая схема приемника сигнала приведена на рис. 5 б. Она состоит из повышающего трансформатора T 1, высоковольтного балансного выпрямителя VD 1 - VD 4 с фильтрами C 1, C 2, на вход которых подавалось переменное напряжение 300 В, 50 Гц, и избирательного контура, состоящего из трансформатора T 2 и спаренных емкостей C 3. Контур непосредственно подключался к неподвижным пластинам приемника, а средней точкой – к мембране.
Выпрямитель использовался для подачи высокого напряжения ( 2 кВ) на обкладки конденсаторов Cr, образуемого мембраной и неподвижными пластинами приемника. При этом на мембране также был положительный потенциал, как и в схеме излучателя.
При противофазных колебаниях половин мембраны на входе избирательного контура появлялась удвоенная разность потенциалов, которая снималась со вторичной обмотки трансформатора T 2. При синфазных же колебаниях половин мембраны в обмотках w 1 и w 2возбуждалась встречная эдс, что приводило к компенсации паразитного, в данном случае, эффекта, который мог создаваться продольной составляющей акустической волны.
С выхода указанной схемы приемника сигнал поступал на стандартный усилитель с потенциальным входом. Коэффициент усиления усилителя ky = 30, входное сопротивление не менее 3 МОм, минимальный уровень входного сигнала 50 мкВ, входная емкость 10 пФ, номинальная нагрузка 1 кОм, максимальный уровень выходного сигнала 7 В. Эффективное подавление паразитной продольной составляющей достигалось симметризацией первичных обмоток трансформатора T 2.
В качестве регистрирующего прибора использовался электронно-лучевой осциллограф С1-94 с разрешающей способностью по частоте до 10 МГц. Пределы по усилению сигнала и развёртке луча были оттестированы и устанавливались в соответствии с уровнем сигнала и выполняемыми задачами.
|
| 3. Методика проведения эксперимента
Как было сказано ранее, в задачи эксперимента входила фиксация факта существования поперечной акустической волны и нахождение четырёх зависимостей Am (), m (), Am (r), d (r). Эксперимент осуществлялся на частоте 7,4 кГц при расстояниях между излучателем и приёмником от 75 до 900 мм.
При нахождении зависимостей Am ()и Am (r) главный интерес представляла не абсолютная амплитуда сигнала, а её изменение в зависимости от угла и расстояния r. Это значительно облегчало метрологическое обеспечение эксперимента, поскольку при этом ряд систематических погрешностей становились несущественными и величину амплитуды можно было измерять в некоторых условных единицах (что и делалось).
В зависимости d (r) основной интерес также представляет изменение фазы запаздывания с расстоянием между излучателем и приёмником, поскольку для скорости распространения волны, определявшейся на основе данной характеристики, важна именно разность фаз между отсчётными значениями, хотя измерения уже нельзя было проводить в условных единицах. Поэтому в данном случае систематические погрешности также не влияли на результаты измерений. Кроме того, за нулевое значение фазы запаздывания правомерно было принять её значение при минимальном расстоянии между приборами.
Аналогично и для зависимости m (), с той лишь разницей, что необходимо было чётко фиксировать параллельность излучателя и приёмника в качестве отсчётной точки. Хотя и в этом случае, поскольку измерения осуществлялись в пределах полного периода изменения , малые ошибки в определении параллельности плоскостей поляризации не могли повлиять на констатацию факта поперечности акустической волны.
Измерение фазы запаздывания осуществлялось по горизонтальному смещению синусоиды на экране осциллографа, работающего, как было уже сказано, в ждущем режиме развёртки, при изменении положения излучателя по отношению к приёмнику.
Для вычисления фазы использовалось выражение:
|
| (2) |
где  f x - смещение синусоиды, измеренное по экрану осциллографа; pf - калиброванный коэффициент развёртки; f - частота сигнала.
Так как весь комплекс измерений проводился при неизменной частоте f, то погрешность измерения фазы определяется погрешностью коэффициента развёртки  pf и погрешностью отсчёта значений смещения синусоиды на экране осциллографа f x:
|
| (3) |
| Согласно паспортным данным, отношение pf / pf не превышало 5%. Отношение же f x/ f x в выражении (3) можно сделать малым при использовании в измерениях максимально возможной развёртки сигнала. Практически / не превышало 8%, что вполне достаточно для установочного эксперимента. Хотя при малых значениях амплитуды сигнала, где уровень шума был велик, погрешность, естественно, возрастала и доходила до 15- 20%. но это были малые участки, неспособные повлиять на картину исследуемых процессов в целом. Последнее же и было поставлено основной задачей эксперимента.
|
| Для измерения амплитуды принимаемого сигнала также использовался принцип максимального усиления сигнала. Для этого между приёмником сигнала и осциллографом был введен дополнительный усилитель сигналов. Погрешность калиброванных коэффициентов вертикального отклонения осциллографа, согласно паспортным данным, не превышала 5%. Правда, в случае измерения амплитуды нельзя в полной мере добиться уменьшения погрешности измерения, как в случае измерения фазы (и это существенно отразилось на результатах измерений), но учитывая установочный характер эксперимента и взаимоподтверждаемость результатов при измерении амплитуд и фаз принимаемого сигнала, завышенная погрешность измерения вполне удовлетворяла поставленным задачам. Скорость распространения волны между всеми соседними экспериментальными точками рассчитывалась как |
| (4) |
| где r - расстояние между двумя соседними положениями излучателя, в которых измерялась задержка фазы d.
Для избежания искажения результата при измерении амплитуды и фазы, особое внимание уделялось параллельности излучателя приемнику.
Наконец, принимая во внимание то, что в ходе эксперимента мы исследовали относительные характеристики, мы принимали за начальную точку отсчета фазы d ее значение при минимальном расстоянии между излучателем и приемником, равном 75 мм, причем измерялось расстояние между концами рупоров.
|
| 4. Экспериментальные результаты и их анализ На рис. 6 а и 6 б помещены две фотографии экспериментальной установки - при параллельной и перпендикулярной ориентации поляризационных плоскостей излучателя (слева вверху) и приемника (справа вверху). |
 
а) б)
|
| Рис. 6. Общий вид экспериментальной установки при параллельном (а) и перпендикулярном (б) расположении поляризационных плоскостей излучателя и приемника |
| На экране осциллографа (справа внизу) видно, что когда источник сигнала повернут на 90o, сигнал исчезает. Когда излучатель поворачивается медленнее, синусоида на экране медленно уменьшается до уровня шума при смещении фазы на 90o, а при смещении на 180o синусоида увеличивается до максимума. При дальнейшем вращении эта картина повторяется; диаграммы m () и Am ()на рис. 7 а и 7 б это подтверждают. Измерения проводились на расстоянии между излучателем и приемником, равном 99 мм (рис. 7 а) и 620 мм (рис. 7 б). Как мы покажем в дальнейшем, эти расстояния соответствуют ближней зоне (зоне Френеля) и дальней (зоне Фраунгофера). С точностью до погрешности эксперимента, в обоих случаях при повороте излучателя на 180o фаза сигнала изменялась тоже на 180o, а амплитуда имела форму восьмерки в направлении, параллельном плоскости поляризации, как обычно в поперечной волне.
|
|
| Рис. 7. Экспериментальные диаграммы зависимостей амплитуды Am и фазы m поперечной акустической волны от угла между поляризационными плоскостями излучателя и приемника в ближней (а) и дальней (б) зонах
|
| Сравнивая полученные результаты для ближней и дальней зоны, мы видим, что при переходе к дальней зоне диаграмма фазы идет круче, а диаграмма амплитуды сглаживается. Это связано с возрастанием влияния паразитного отражения на результаты эксперимента с ростом расстояния между излучателем и приемником. В целом, полученные результаты недвусмысленно свидетельствуют, что экспериментальная установка излучала и принимала поперечную волну в газовой среде. |
| Для исследования свойств экспериментально выявленной поперечной волны мы провели эксперименты, определяющие закономерности затухания и задержки фазы этой волны в пространстве. Результаты этого исследования представлены на рис. 8 а и 8 б. |
|
| Рис. 8. Экспериментальные графики амплитуды Am (а), фазы запаздывания d (b) и средней скорости v распространения поперечной акустической волны (c) от расстояния r между излучателем и приемником
|
| Из графиков Am (r) и d (r) видно, что характер распространения волны четко делится на две зоны. Ближняя зона - от 75 до 320 мм - характеризуется быстрым затуханием амплитуды Am с расстоянием и более быстрым ростом задержки фазы d. В этой зоне амплитуда периодически уменьшается до нуля. В точках ее исчезновения фаза сигнала прыгает на 180o, т.е. происходит инверсия волнового процесса. Точки инверсии показаны на рис. 8 б вертикальными штриховыми линиями. Мы также определили экспериментально, что с ростом расстояния между излучателем и приемником инверсия фазы может происходить без падения амплитуды до нуля. Если пренебречь в расчетах этой инверсией, задержка фазы возрастала с расстоянием довольно плавно и быстрее, чем в дальней зоне. Это не означает, что в дальней зоне устанавливаются стоячие волны, а поперечная волна, как известно, имеет реактивный характер. Факта инверсии для этого недостаточно, поскольку рост задержки фазы с расстоянием был зафиксирован вполне отчетливо.
|
При переходе к дальней зоне, степень затухания амплитуды существенно уменьшается, а также рост запаздывания фазы, и где-то около 320- 340 мм (для данной установки и данной частоты) процесс полностью стабилизируется. Запаздывание фазы растет полностью пропорционально. Экспериментальные точки дают гладкую прямую линию. Инверсия волны полностью прекращается. Единственно, амплитуда сигнала изменяется очень неустойчиво; возможно, это связано с установочным характером эксперимента. Выявленное отличие закономерностей распространения волны