《隨機堆積顆粒介質中聲波頻域濾波效應研究》是依託太原理工大學，由張祺擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：隨機堆積顆粒介質中聲波頻域濾波效應研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張祺
- 依託單位：太原理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
顆粒系統是複雜的離散多體耗散體系，隨機堆積的顆粒介質內部會形成應力分布不均勻的的力鏈網路結構。當聲波在顆粒介質中傳播時，這些複雜網路結構就會使顆粒介質形成獨特的導聲特性。本項目圍繞隨機堆積顆粒介質中頻域濾波效應，將實驗觀測和數值模擬工作相結合，研究以下科學問題：（1）三維隨機堆積顆粒體系中聲速色散關係的形式和特徵；（2）三維隨機堆積顆粒體系對不同頻率聲波的濾波效應；（3）體系近源區域和遠源區域飛行速度差異現象。本項目旨在揭示隨機堆積顆粒介質頻域濾波及色散效應的基本特徵和主要影響因素，闡明顆粒介質內部近源及遠源區域聲波飛行速度的行為變化及原因，進而對聲波探測法在實際資源勘探中的運用提供理論修正和充實。
結題摘要
顆粒介質是複雜的離散多體耗散體系.巨觀層面上顆粒介質表現為不均勻性和各向異性，但是微觀層面上顆粒介質又包含微剪下帶和力鏈等微觀有序結構。當聲波在顆粒介質中傳播時，這些複雜結構就會使顆粒介質形成獨特的導聲特性。因此利用原位無損聲波探測技術，深入分析結構特徵，特別是探測和表征顆粒介質的變形和能量耗散規律，是目前本領域具有挑戰性的難題。本項目的研究主要集中在近聲源場內顆粒介質的聲傳播特性以及頻域濾波效應和其機制。基於自主改進的隨機堆積顆粒介質聲傳播測量—分析平台，對不同厚度隨機堆積顆粒樣品的飛行速度進行了測量。結果表明特定樣品尺寸範圍內，顆粒的飛行速度隨樣品厚度增加而增大，這意味著等效介質理論成立條件受到樣品尺寸的影響。對透射波形進行小波分析發現低頻波以及高頻波在顆粒介質中傳播能力有明顯差異，並且兩者的傳播速度也不相同。兩者耦合作用導致上述現象產生。項目進一步研究了玻璃-橡膠二元混合顆粒體系的混合比例對體系聲速的影響。發現隨著橡膠顆粒增加，體系逐漸從類玻璃剛性行為轉變為類橡膠柔性行為。離散元模擬結果與實驗結果類似。此外，模擬顯示低橡膠顆粒占比樣品內主要由玻璃顆粒構成主力鏈結構。當橡膠顆粒占比較大時，玻璃顆粒和橡膠顆粒共同構成主力鏈網路結構，但顆粒間法向接觸力分布相對更為均勻。本研究認為橡膠顆粒占比較小時內部顆粒的變形相對均勻，材料近似滿足等應變假設，視為並聯彈簧模型；橡膠顆粒占比較大時混合材料近似滿足等應力假設，視為串聯彈簧模型。基於上述結果，提出了改進的等效介質理論，用於描述混合顆粒體系的聲傳播行為。以上研究結果可促進顆粒介質聲波探測技術的進一步發展，有利於人們更為直觀地了解混合顆粒材料聲傳播行為的變化規律，並對顆粒材料力學性能最佳化及其在廉價路基材料、建築材料、吸能材料、柔性浮力材料等領域的實際套用有一定的理論指導作用。
