气泡线性振动对含气泡水饱和多孔介质声传播的影响

为了研究孔隙水含少量气泡时多孔介质中波的传播,本文在Biot模型的基础上,将孔隙水中气泡的体积振动融合到多孔介质的孔隙流体渗流连续性方程中,从而得到了考虑气泡体积振动的孔隙流体渗流连续性方程.在此基础上,根据气泡线性振动下气泡瞬时半径和介质背景压力的关系,以及多孔介质运动方程和流体介质运动方程,导出了受气泡影响下多孔介质位移矢量波动方程,建立了非水饱和多孔介质声速频散和衰减预报模型.气泡的存在增大了孔隙水的压缩率,导致含气泡水饱和多孔介质声速的降低.当声波频率等于气泡的共振频率时,在声波激励下,介质呈现高频散,且孔隙水中的气泡产生共振,吸收截面达到最大,使得多孔介质的声衰减也达到最大.文中数值分析验证了上述结论,表明了气泡含量、大小和驱动声场频率是影响声波在含少量气泡的水饱和多孔介质中传播的主要因素.     

多孔介质BISQ模型中的慢纵波

着重研究了多孔介质BISQ模型中慢纵波的基本特性.给出了BISQ模型下慢纵波速度 和衰减的低频近似公式.与Biot理论对比，BISQ模型中慢纵波的衰减随频率降低急剧增大， 且随喷射流长度的减小而增加；相速度随喷射流长度的减小而增加，其低频极限值不是零； 孔隙流体位移与固相骨架位移之比的幅值随喷射流长度的增加而减小，其相位特点与Biot模 型预测的不同；在流体与孔隙介质的边界上可产生更大的渗流.为对比，同时也给出快纵波 的行为.依据BISQ模型可推断：非黏滞流体饱和孔隙介质中不存在喷射流机理；BISQ模型中 关键词： 多孔介质 喷射流 慢纵波 动力协调     

孔隙地层井壁上的声波首波及其诱导电磁场的原因

声波测井时孔隙地层中的声波首波平行于井轴沿井壁传播，它既有轴向位移分量，又有垂直于井壁的位移分量.这种以快纵波速度传播的波, 不仅含有由快、慢纵波势给出的梯度场,而且还含有由横波势给出的旋度场.慢纵波势的梯度是渗流位移首波的主要构成成分, 也是声电效应测井响应中存在伴随声波首波电场的主要原因.首波包含有旋度位移场，是存在伴随声波首波磁场的原因. 关键词： 孔隙介质 声波首波 诱导电磁场 测井     

非均匀饱含黏性流体孔隙介质中声波传播及井孔声场分析

声波在饱含流体孔隙介质中的传播特性与流体的黏滞性及孔隙介质的非均匀性密切相关.本文在Biot理论基础上,考虑了孔隙流体的剪切应力及孔隙结构的非均匀性,采用含黏性流体孔隙介质中的波动理论,研究了孔隙介质中四种体波的频散和衰减特性,分析了慢横波对快纵波转换散射的影响,进一步推导了孔隙地层井孔中的模式波及其声场的解析解,研究了非均匀孔隙介质中井孔模式波和波列的特征.研究结果表明,含黏性流体孔隙介质中存在慢横波,慢横波的频散很强,其传播特征受到介质孔隙度、渗透率及孔隙流体黏度的影响.在非均匀孔隙介质中,与慢横波相关的剪切应力平衡过程不仅导致快纵波的频散和衰减,还会影响井孔伪瑞利波及斯通利波的传播特征.本文的工作完善了孔隙介质中声波传播的物理机制,为孔隙地层井孔声波的解释与应用提供了理论指导.     

孔隙介质中快纵波的衰减特性和动力协调现象

依据Biot理论并采用前人的骨架模量孔隙度关系,计算了弹性波在孔隙介质中的衰减曲线,发现快纵波存在零衰减点.为解释这种现象,分析了孔隙流体相对于骨架运动的特点.结果表明,存在快纵波动力协调介质,快纵波在这种介质中传播时,流体和骨架之间无宏观相对位移,因此无论频率多高,流体粘滞系数多大,快纵波都不衰减.一个引申的结论是,在动力协调的渗透性孔隙介质中,即使存在双电层,快纵波也不产生流动电势.     

流体饱和孔隙材料的Biot弹性常数的声学测量

本文研究用声学方法测量流体饱和孔隙介质的Biot4个弹性常数，4个弹性常数主要是通过测量水饱和的孔隙样品中的3种体波速度去计算的（流体压缩系数已知）。为了讨论和验证测量结果，我们还进行了两个实验，一是测量空气饱和样品的切变波速度和纵波速度，并求得框架的体积模量和切变模量；二是测量空气饱和样品中的慢纵波速度，并验证样品曲折度的大小。     

声波在水-含气沉积物界面的反射

含气泡海洋沉积物的声学特性是海底探测的重要问题。为了研究气泡存在对水-含气沉积物界面声反射系数的影响,本文基于气泡振动修正的Biot波动方程推导了气泡存在修正的Biot弹性模量,并结合水-沉积物界面的“开孔”边界条件推导了声波从水入射到水-含气沉积物界面的反射系数。数值分析表明气泡的振动导致反射系数呈现显著的频率特性。在气泡共振频率附近,由于气泡的共振引发的强散射和强衰减,使得反射系数很大,无论以何种角度入射,声波都很难进入含气泡的沉积物。本文研究结果表明,气泡半径、含量、声波频率以及入射角度都是影响水-含气沉积物界面反射系数的主要因素。      

声波在含气泡液体中的线性传播

为了探讨含气泡液体对声波传播的影响, 研究了声波在含气泡液体中的线性传播. 在建立含气泡液体的声学模型时引入气泡含量的影响,建立气泡模型时引用 Keller的气泡振动模型并同时考虑气泡间的声相互作用,得到了经过修正的气泡振动方程. 通过对含气泡液体的声传播方程和气泡振动方程联立并线性化求解,在满足 (ω R₀)/c << 1 的前提下,得到了描述含气泡液体对声波传播的衰减系数和传播速度. 通过数值分析发现,在驱动声场频率一定的情况下,气泡含量的增加及气泡的变小均会导致衰减系数增加和声速减小;气泡的体积分数和大小一定时, 驱动声场频率在远小于气泡谐振频率的情况下,声速会随驱动频率的增加而减小; 气泡间的声相互作用对声波传播速度及含气泡液体衰减系数的影响不明显.最终认为气泡的大小、 数量和驱动声场频率是影响声波在含气泡液体中线性传播的主要因素. 关键词： 含气泡液体 线性声波 声衰减系数 声速     

声波在含气泡液体中传播特性及产热效应*

该文对含气泡液体中的声波方程采用线性分析方法,研究了超声波在含气泡液体中的传播特性以及产热效应。当声波在含气泡液体中传播时,气泡的存在会影响声波的传播,在声波频率接近气泡共振频率的频段内,声信号在液体中传播时剧烈衰减,而在声波频率远远高于或低于气泡共振频率时,声波的传播基本不受影响。在接近气泡共振的频段内,声波耗散的能量最终转化为热能。同时液体中的气泡会在声波驱动下径向振动并辐射声波,伴随气泡壁在液体中的粘滞振动,热量随之产生。结果表明,两种产热机制分别在不同频段起主导作用。     

气泡体积分数对沙质沉积物低频声学特性的影响

由于有机物质分解等原因,实际的海底沉积物中存在气泡,气泡的存在会显著影响沉积物低频段的声学特性,因此研究气泡对沉积物低频段声速的影响机理具有重要意义.考虑到外场环境的不可控性,在室内水池中搭建了大尺度含气非饱和沙质沉积物声学特性获取平台,在有界空间中应用多水听器反演方法首次获取了含气非饱和沙质沉积物300—3000 Hz频段内的声速数据(79—142 m/s),并同时利用双水听器法获取了同一频段的数据(112—121 m/s).在声波频率远低于沉积物中最大气泡的共振频率时,根据等效介质理论,将孔隙水和气泡等效为一种均匀流体,改进了水饱和等效密度流体近似模型.模型揭示了气泡对沉积物低频段声学特性的影响规律,理论上解释了沉积物中声速的降低.通过分析模型预报声速对模型参数的敏感性,根据测量得到的声速分布反演得到了沉积物不同区域的气泡体积分数,气泡体积分数从1.07%变化到2.81%.改进的模型为沉积物中气泡体积分数估计提供了一种新方法.     

流体/准饱和多孔介质中伪Scholte波的传播特性

研究流体/多孔介质界面Scholte波的传播特性对于水下勘探、地震工程等领域具有重要意义.本文基于Biot理论和等效流体模型,采用势函数方法,推导了描述有限厚度流体/准饱和多孔半空间远场界面波的特征方程和位移、孔压计算公式.在此基础上,分别以砂岩和松散沉积土为例,研究了流体/硬多孔介质和流体/软多孔介质两种情况下,可压缩流体层厚度和多孔介质饱和度对伪Scholte波传播特性的影响.结果表明：多孔介质软硬程度显著影响界面波的种类、相速度、位移和水压力分布;有限厚度流体/饱和多孔半空间界面处伪Scholte波相速度与界面波波长和流体厚度的比值有关;孔隙水中溶解的少量气体对剪切波的相速度的影响不大,对压缩波相速度、伪Scholte波相速度和孔隙水压力分布影响显著.     

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.     

Nonlinear raman-type acoustic scattering in three-phase marine sediments

Stimulated Raman-type acoustic scattering by bubble oscillations in three-phase marine sediments, which consist of a solid frame, the pore water, and air bubbles, is considered. A model is developed for the case of the bubbles surrounded by water. The acoustic properties of the sediments are described on the basis of the Biot theory of sound propagation in a fluid-saturated porous medium. Nonlinear wave equations are obtained for marine sediments containing air bubbles. Expressions for the nonlinear scattering coefficient and the threshold intensity of the exciting sound wave are derived. A possibility of an experimental observation of the scattering process is discussed.     

含气孔裂隙地层的声波测井响应特征

本文以径向分层的孔、裂隙地层多极子井孔声场理论为基础,利用孔、裂隙介质弹性波动统一理论,数值模拟了井壁上有侵入时,单极和偶极声源激发的井孔声场随原状地层含气饱和度变化的特征和规律。结果表明：当原状地层裂隙发育时,相较于饱含水,饱含气时纵波幅度衰减严重,横波波至提前,波幅增大,斯通利波幅度变化不明显,低频时弯曲波到时提前,幅度增大;当原状地层裂隙不发育时,单极子、偶极子波形都对流体性质没有明显响应。可见,原状地层中裂隙的存在加剧了含气对纵波、横波的幅度以及到时的影响,而侵入带的存在使得斯通利波和高频弯曲波对原状地层流体性质变化不敏感。数值计算结果为利用声波响应特征识别致密气层提供了参考。     

Influence of the surrounding pressure on acoustic properties of slightly compressible porous media permeated with air-filled bubbles

The effective wave velocity, attenuation, and nonlinear properties of slightly compressible porous media permeated with air-filled bubbles are studied numerically by employing the nonlinear Hooke’s law for different surrounding pressures. Numerical simulations show that the acoustic properties of porous media are greatly affected by the surrounding pressure if the shear modulus of the elastic medium is very small due to the fact that the acoustic wave propagation in porous media are strongly influenced by the nonlinear oscillation of bubbles; moreover, the oscillation of a bubble depends on the equilibrium bubble radius, which is affected by the surrounding pressures. Published in Russian in Akusticheskiĭ Zhurnal, 2006, Vol. 52, No. 4, pp. 490–496. The text was submitted by the authors in English.     

A simple model of ultrasound propagation in a cavitating liquid. Part I: Theory, nonlinear attenuation and traveling wave generation

The bubbles involved in sonochemistry and other applications of cavitation oscillate inertially. A correct estimation of the wave attenuation in such bubbly media requires a realistic estimation of the power dissipated by the oscillation of each bubble, by thermal diffusion in the gas and viscous friction in the liquid. Both quantities and calculated numerically for a single inertial bubble driven at 20 kHz, and are found to be several orders of magnitude larger than the linear prediction. Viscous dissipation is found to be the predominant cause of energy loss for bubbles small enough. Then, the classical nonlinear Caflish equations describing the propagation of acoustic waves in a bubbly liquid are recast and simplified conveniently. The main harmonic part of the sound field is found to fulfill a nonlinear Helmholtz equation, where the imaginary part of the squared wave number is directly correlated with the energy lost by a single bubble. For low acoustic driving, linear theory is recovered, but for larger drivings, namely above the Blake threshold, the attenuation coefficient is found to be more than 3 orders of magnitude larger then the linear prediction. A huge attenuation of the wave is thus expected in regions where inertial bubbles are present, which is confirmed by numerical simulations of the nonlinear Helmholtz equation in a 1D standing wave configuration. The expected strong attenuation is not only observed but furthermore, the examination of the phase between the pressure field and its gradient clearly demonstrates that a traveling wave appears in the medium.