被孔隙介质约束的弹性杆中的导波*

为了研究导波在被孔隙介质约束的弹性杆结构中的传播规律,分析孔隙参数对导波传播特性的影响,本文建立了无限大孔隙介质包裹圆柱体的理论模型,利用孔隙介质弹性波动理论,分析了导波的频散曲线,以及圆柱半径和孔隙参数对于导波传播特性的影响。结果表明,在该结构中传播的纵向导波存在频散特性。内部圆柱半径的改变影响波导结构,从而影响导波传播。外部孔隙介质的渗透率对于导波频散的影响较小,孔隙度的改变影响孔隙介质体波波速,从而影响导波频散曲线的截止频率。同时,导波存在较小的衰减,且衰减随孔隙度增大而增大。这些结果对于后续开展无限大介质包裹弹性杆结构的超声无损评价提供了一定的理论参考。     

无限流体中孔隙介质圆柱周向导波的传播特性

为研究无限大流体约束的孔隙圆柱中周向导波的传播规律,分析孔隙参数对导波传播特性的影响,建立了无限流体中孔隙介质圆柱的理论模型,利用孔隙介质弹性波动理论,建立了周向导波频散方程,通过数值模拟计算得到无限流体中孔隙介质圆柱的频散曲线,探讨了圆柱半径和孔隙参数对导波传播特性的影响,并对导波的衰减特性进行了分析;通过数值计算,得到了周向导波的时域波形,讨论了孔隙参数对波形的影响.结果表明,孔隙介质圆柱半径的改变影响圆柱尺度,孔隙度的改变影响孔隙介质中体声波的波速,都对周向导波频散曲线产生一定的影响,所得到的频散曲线特征及衰减曲线与时域波形吻合.研究结果对开展无限流体中孔隙介质圆柱的超声无损评价提供了一定的理论参考.     

液态金属快堆主管道中超声导波传播特性研究

讨论了钠冷快堆(Sodium-cooled Fast Reactor,SFR)主管道的整体温度和内部液态金属钠流动速度的变化对管道导波传播特性的影响。推导了充液管道中导波频散方程的一般形式,并给出了管道内液态金属钠处于流动状态下的导波频散方程。采用数值计算方法获得了管内液态金属钠处于不同温度和不同流速时的导波纵向模式频散曲线和导波时域波形。结果表明,温度变化对基阶纵向模式的影响较小,但对高阶纵向模式的影响较大;液态钠流速增大会使导波频散曲线向高频轻微移动,但在实际检测中可以忽路管内液体流动速度的影响。通过对时域接收波形的模拟计算,进一步考察了液态金属钠的温度及流动速度变化对导波传播的影响,并通过对比不同模态的激发特点和不同频段的导波时域波形特点,结合导波频散曲线,给出了适用于SFR管道超声无损检测的导波模态和声源激发频段选择方案。      

流体-孔隙介质圆柱界面波传播特性

研究流体-孔隙介质圆柱界面波传播特性,分析孔隙介质孔隙率等参数对频散曲线的影响。理论上建立了无限大流体包裹孔隙介质圆柱界面波的模型,利用孔隙介质弹性波动理论,通过数值模拟计算得到流体-孔隙介质圆柱的频散曲线及时域波形,并分析了孔隙介质为开孔和闭孔状态下孔隙介质圆柱半径、孔隙率及渗透率对频散曲线的影响。结果表明,时域上斯通利波可以被明显区分开,孔隙介质圆柱半径的变化改变了圆柱尺度,孔隙率的变化改变了孔隙介质的纵、横波波速,因此对于斯通利波频散曲线的影响较大。而渗透率的变化既不改变圆柱的尺度也不改变孔隙层的纵、横波速度,因此对斯通利波频散曲线影响较小。      

曲线坐标系下孔隙介质圆柱纵向表面波的传播特性

为了研究孔隙介质圆柱纵向表面波的传播规律,分析其频散和衰减特性,在正交曲线坐标系下建立了表面波的频散方程,通过数值计算得到频散曲线,将纵向导波最低模态与表面波进行对比,并分析了曲率半径及孔隙参数对表面波频散和衰减的影响。结果表明,当频率足够大时,导波最低模态的频散曲线与表面波近似;在同一频率下,表面波的相速度随曲率半径的增大而增大,随孔隙度的增大而减小;表面波的衰减随孔隙度的增大而增大。研究结果为开展孔隙介质圆柱结构的超声无损评价提供了一定的理论参考。     

含孔隙分层半空间中瑞利波的传播特性研究

为了研究含孔隙介质分层半空间中瑞利波的传播规律,分析孔隙介质参数对瑞利波频散曲线的影响,本文进行了数值模拟研究。采用传递矩阵算法,计算了含孔隙分层半空间中一定频率范围内瑞利波所有模式的频散及激发强度曲线,并与均匀弹性固体分层半空间情况作了类比分析,在含孔隙覆盖层的两层模型和含低速孔隙夹层的三层模型下,详细研究了孔隙度、渗透率、层厚度等参数对瑞利波各模式的影响,发现孔隙度及层厚度的变化对频散曲线影响较大,而渗透率的变化对频散曲线影响较小。      

带粘弹性包覆层充液管道中的超声导波纵向模态

理论分析和实验研究了超声导波纵向模态在带粘弹性包覆层充液管道中的传播特性。得到了纵向模态的频散曲线。以此确定了适合带粘弹性包覆层充液管道缺陷检测的一定频带的纵向模态。经分析认为,频散小,衰减低的频带0～50 kHz的L(0,1)模态和未受干扰的L(0,2)模态分支部分,如频带170～210 kHz的L(0,4)模态,适合检测外直径25 mm,壁厚1．2 mm,外壁涂覆0．35 mm厚环氧树脂的充水钢管中的缺陷。而频散和衰减大,能量主要在水或环氧树脂粘弹性层中传播的纵向模态则不适合检测该类管道中的缺陷。     

基于Biot-喷射流统一模型Maxwell流体饱和孔隙介质中的弹性波

推广Biot-Tsiklauri声学模型的同时借鉴Dvorkin和Nur的工作,建立了具有任意孔径分布并顾及喷射流动机制的非牛顿流体饱和孔隙介质声学模型,研究了非牛顿流体(Maxwell流体)饱和孔隙介质中的弹性波的衰减和频散特性.着重讨论充孔隙Maxwell流体的非牛顿流效应对弹性波的频散和衰减的影响.研究表明,饱和流体的非牛顿流效应和喷射流动机制均是引起弹性波波频散和衰减的重要因素.依据非牛顿流体(Maxwell流体)饱和各向同性孔隙介质的Biot-喷射流声学模型,喷射流动只影响纵波的频散和衰减,而饱和流体的非牛顿流效应不仅影响纵波,而且还影响横波的频散和衰减.     

无限液体介质内管道轴对称纵向导波激发与传播特性研究

利用声-结构耦合有限元法,分别对轴对称分布径的向及轴向外力作用在无限液体介质内未充液及充液管道内壁所激发导波进行了模拟,并进一步利用短时傅里叶变换技术对瞬态波形作时频分析,在此基础上,结合色散及衰减曲线,探讨了外力分布特征对导波激发的影响。研究表明,无限液体介质内未充液管中L(0,2)模式及充液管中L(0,3)~L(0,4)模式皆具有高群速度、弱色散且弱衰减频带,适宜用于缺陷探测,而通过控制轴对称分布外力的频率,并令其沿轴向作用于管内壁或外壁,可实现上述导波模式的高效激发。      

黏弹介质包裹的充液管道中低频轴对称波传播特性

研究埋地充液管道中低频轴对称波传播特性。将土壤考虑为黏弹介质,结合Kennard薄壳方程和Kelvin-Voigt线性黏弹性模型,引入土壤载荷矩阵,推导出土-管滑移情形下流体主导波和管壁压缩波的相速度表达式。通过数值模拟计算得到流体主导波和管壁压缩波的频散和衰减曲线并进行可靠性验证,分析两种波引起的管壁径向位移之比,讨论厚径比和品质因子对流体主导波传播的影响。结果表明,黏弹介质对流体主导波和管壁压缩波的相速度影响较小,但对衰减影响较大;流体主导波对管壁径向位移有较大的影响,是泄露噪声传播的主要载体;厚径比越大,流体主导波的相速度越大,衰减越小;而品质因子越大,流体主导波的频散和衰减都越小。研究结果可为埋地充液管道的泄漏检测提供一定的理论参考。      

Propagation characteristics of guided waves in a liquid filled pipe embedded in a porous medium

A model of a liquid-filled pipe embedded in a porous medium is built to research its wave propagation characteristics,and to analyze the effect of the parameters of porous media on the dispersion.The dispersion equations are established on the basis of the elastic-dynamic theory of the liquid-saturated porous solid.The characteristic of dispersion and the time domain waveform in pipes of different thicknesses and with different porous-medium parameters are discussed theoretically and numerically.Results reveal that the porosity has little impact on dispersion,and the attenuation of guided wave increases with porosity,whilst the porosity influences the displacement amplitude of the time domain waveform.It is hard to detect the permeability variation of the media by the dispersion.The drawn conclusion can provide some theoretical instruction and guidance for the nondestructive testing of buried pipe.     

Interface wave propagation characteristics of liquid-immersed porous cylinder

This paper devotes to investigate the propagation characteristics of the interface wave on the liquid-immersed porous cylinder, and special emphasis is paid on the dependence of the dispersion relation on the porous media parameters. A model of liquid-immersed porous cylinder is established theoretically. Based on the elastic-dynamic theory of liquid-saturated porous solid and wave theory, the dispersion curves and transient response of open-pores and sealed-pores are simulated numerically, and their dependence on the cylinder radius and porous medium parameters are analyzed. The results show that the Stoneley-Scholte wave can be clearly distinguished with other waves in the time domain, and the Stoneley-Scholte wave dispersion relates intimately with the porosity of the porous medium and cylinder radius, whilst the permeability of the media has little effect on the dispersion property.     

Nonlinear wave processes in porous waterlike media containing a system of capillaries partially filled with a viscous liquid

A nonlinear dynamic state equation of waterlike porous material that contains a system of cylindrical capillaries partially filled with viscous liquid was received. It is shown that an acoustic nonlinearity of such media contains the relaxation elastic and inelastic components due to the nonlinear dependence of the capillary and viscous pressure in fluid on the capillary diameter. For the medium, theoretical study of such nonlinear phenomena as generation of the second harmonic and a difference frequency wave, self-demodulation of high-frequency pulses as well as the change in the propagation velocity and absorption coefficient of a test wave being under an action of static loading have been carried out. The frequency dependences of medium nonlinearity parameters for these processes were determined.     

Acoustical estimation of parameters of porous road pavement

In the simplest case, porous road pavement of a known thickness is described by such parameters as porosity, tortuosity, and flow resistance. The problem of estimating these parameters is investigated in this paper. An acoustic signal reflected by the pavement is used for this. It is shown that this problem can be solved by an experiment conducted in the time domain (i.e., the pulse response of the media is recorded). The incident sound wave is thrown at a grazing angle to the surface between the pavement and the air to improve penetration into the porous medium. The procedure of computing of the pulse response using the Morse-Ingard model is described in detail.     

含少量气泡流体饱和孔隙介质中的弹性波

考虑孔隙流体中含有少量气泡,且气泡在声波作用下线性振动,研究声波在这种孔隙介质中的传播特性.本文先由流体质量守恒方程和孔隙度微分与流体压力微分的关系推导出了含有气泡形式的渗流连续性方程;在处理渗流连续性方程中的气体体积分数时间导数时,应用Commander气泡线性振动理论导出气体体积分数时间导数与流体压强时间导数的关系,进而得到了修正的Biot形式的渗流连续性方程;最后结合Biot动力学方程求得了含气泡形式的位移场方程,便可得到两类纵波及一类横波的声学特性.通过对快、慢纵波的频散、衰减及两类波引起的流体位移与固体位移关系的考察,发现少量气泡的存在对快纵波和慢纵波的传播特性影响较大.