Физики избавились от влияния стенок при лабораторных сейсмических измерениях

Физики впервые экспериментально реализовали метод модельных сейсмических и акустических измерений, не ограниченных по частоте используемых волн в условиях ограниченного объема. Для этого ученые использовали источники вторичного поля давления на стенках экспериментальной установки, которые подавляют отражение волн от стенок, делая их виртуально прозрачными. До этого такой метод был разработан лишь теоретически, использовать его на практике удалось впервые, пишут ученые в Physical Review X.

Распространение акустических волн по жидкой или твердой среде используется для большого количества различных исследовательских целей: для определения глубины водоемов, обнаружения подводных лодок, медицинского анализа, исследовании земной мантии или предсказания землетрясений. Однако проанализировать полученный акустический сигнал иногда бывает непросто — при этом необходимо учесть переотражение упругих волн, их взаимодействием между собой. Чтобы упростить этот процесс, ученые моделируют распространение акустических волн по жидкой или твердой среде в небольших лабораторных экспериментах, но в этих опытах на результаты сильно влияет ограниченный объем установок: избавиться от влияния отраженных волн удается лишь в исключительных случаях для отдельных длин волн.

Группа физиков из Швейцарии, США и Саудовской Аравии под руководством Теодора Беккера (Theodor S. Becker) предложила для решения этой проблемы использовать подход, который не применялся ранее. Чтобы избежать ненужного влияния упругих волн, отраженных от боковых стенок экспериментальной установки, физики использовали метод иммерсивных граничных условий (immersive boundary conditions). Этот подход основан на использовании, кроме самого акустического сенсора, дополнительных источников вторичных волн. Эти источники устанавливаются на стенках системы и за счет интерференции полностью подавляют те волны, которые должны попасть на боковые стенки. Таким образом удается избежать ненужного отражения, а общая картина поля давления после этого соответствует такой, которая была бы при отсутствии стенок. То есть за счет испускания собственных упругих волн стенка фактически становится прозрачной, а экспериментальная установка превращается в виртуально бесконечную.

Теоретическая основа этого метода была заложена более 30 лет назад, но в последние годы он был значительно доработан, а реализовать его на практике удалось впервые только сейчас. Для этого ученые разработали одномерную систему — звуковую трубку, разделенную на несколько зон разной ширины, в определенной точке которой был установлен источник волн. Для этой геометрии трубки ученые сначала построили численную схему, которая позволяет найти вторичное поле давлений, необходимое для подавления отражений упругих волн от случайного источника. После этого с помощью измерений поля давления с включенным источником вторичного поля и без него ученые показали, что этот метод действительно позволяет избавиться от отражения.

По словам авторов работы, метод иммерсивных граничных условий можно применять для установок небольших объемов с любой заранее известной геометрией. Поэтому наиболее полезен такой подход будет для относительно компактных экспериментов именно в лабораторных условиях. Пока эта технология была полностью реализована только для одномерной системы, однако авторы работы также предложили схему, позволяющую проводить подобные эксперименты также и в двумерных и трехмерных системах.

Ученые отмечают, что благодаря этому подходу модельные сейсмические эксперименты можно проводить и с источниками звуковых волн частотой больше одного килогерца, что не удавалось сделать ранее. В частности, в рамках данного исследования были использованы источники частотой 2 и 5,6 килогерца. При этом физики утверждают, что никаких ограничений по частоте волн в диапазоне от 1 до 60 килогерц нет.

Исследователи отмечают, что особенно полезным такой метод может быть для измерений распространения волн в пористых средах (в том числе при моделировании земной коры), для которых, например, не применим подход, основанный на изменении частоты используемых акустических волн — из-за пористости измерения оказываются очень чувствительны даже к небольшим изменениям частоты.

Сейсмические измерения — один из важнейших инструментов при исследовании структуры мантии Земли. В частности, именно с помощью данных сейсмических измерений был составлен полный атлас литосферных плит, в разное время утонувших в субдукционных зонах и плавающих сейчас в мантии.

Александр Дубов