Введение к работе
Актуальность теин. Исследование нелинейных акустических
эффектов в средах с неоднородной внутренней структурой как самостоятельное направление нелинейной акустики начало формироваться около is лет назад и наиболее интенсивно развивается в последние годы. Влияние микроструктуры, обусловленной наличием пузырьков, пор, трещин и других подобных включений приводит к тому, что нелинейные свойства подобных сред, как правило, сильно отличаются от хорошо изученных свойств однородных материалов. Вообще говоря, сильная зависимость физических характеристик среды от особенностей ее структуры проявляется в самых различных эффектах. Так, хорошо известно, что дисперсия звуковых волн, практически отсутствующая в однородных средах, легко достигается при появлении в среде характерного пространственного (периодические структуры) либо временного масштаба (присутствие осцилляторов, например, пузырьков газа в жидкости). В качестве другого известного примера можно привести явление аномально высокого поглощения звуковых волн в поликристаллических средах по сравнению с поглощением в веществе каждого отдельного кристаллита. Оно обусловлено появлением в такси среде внутреннего масштаба, характеризующего локальную теплопроводность среды и, имеющего порядок характерного размера зерна поликристалла.
Аналогичным образом, наличие малого масштаба, характеризующего неоднородность механических свойств среды, может приводить к возникновению локально высоких значений относительных деформаций, попадающих в существенно нелинейную область локальной связи "напряжение - деформация", что в целом для образца означает появление аномально высокой нелинейности при малых средних
деформациях.
Из большого разнообразия типов структурно- неоднородных сред достаточно детально были проанализированы механизмы упругой негинейности пузырьково- содержащих жидкостей, описание нелинейности других микронеоднородных сред ограничивалось, в основном, феноменологическим подбором вида связи "напряжение-деформация". В связи с этим изучение нелинейных акустических эффектов в структурно- неоднородных средах с целью создания физических моделей нелинейной упругости таких сред является актуальной научной проблемой.
Далее, интерес к нелинейной акустике структурно-неоднородных сред в значительной степени связан с возможностью разработки на ее основе новых методов акусто- и сейсмо-диагностики. Идеи использования нелинейных акустических эффектов для целей диагностики внутренней структуры материалов высказывались уже довольно давно. Накопленные к настоящему времени данные о существовании тесной связи нелинейных акустических параметров среды с ее структурой и внутренними свойствами убедительно свидетельствуют о перспективности использования нелинейных эффектов для создания новых диагностических методов.
Известные методы измерения нелинейных параметров, как правило, рассчитаны на использование однородных образцов материалов и не позволяют получать пространственного распределения нелинейных характеристик. Значительный прогресс в этом направлении связан с работами японских исследователей, предложивших и развивших, в основном для медицинских приложени!., идею акустической томографии нелк.пейного параметра, основанную на измерении искажений акустических волн при их прохождении через исследуемую область. Перспективность применения метсдсв томографии нелинейного параметра к решению диагностических задач несомненна, но . чтобы расширить круг их приложений от маломасштабной медицинской диагностики и на другие области, например, для индустриальных и сейсмических применений (что является очень актуальной задачей) необходима существенная доработка теории методов с учетом специфических особенностей дефектов, расходимости зондирующих волн, их затухания, присутствия шумового фона и ряда других фактороь, не
рассматривавшихся ранее.
Необходимо отметить, что общей особенностью этих методов, которая в ряде случаев усложняет их практическое использование, является их "двухсторонность", т. е. необходимость расположения приемника и источника на противоположных концах трассы зондирования. Свободными от этого недостатка могли бы быть схемы, основанные на использовании обратно рассеянного нелинейного сигнала. Известные экспериментальные реализации эффекта нелинейного обратного рассеяния относятся к наличию в среде сильно нелинейных рассеивателей - пузырьков газа в жидкости. Наблюдение подобного эффекта и в других ситуациях может послужить существенным продвижением в создании очень удобных (например, для био-медицинских приложений) "односторонних" диагностических схем.
Еще одно направление развития методов нелинейной акустической диагностики основано на использовании нелинейного рассеяния звука для выделения отдельных рассеивателей, обладающих повышенными нелинейными свойствами. К настоящему времени такие методы развиты и успешно апробированы для диагностики газовых пузырькоз в жидкости. Другим примером сильно нелинейных рассеивателей, очень важным с точки зрения практических приложений, являются трещины, нелинейные методы диагностики которых практически отсутствуют.
Таким образом, в нелинейной акустике микронеоднородных сред имеется ряд проблем, требующих как теоретического, так и экспериментального исследования: во многих случаях не ясны сами механизмы возникновения "микроструктурной" нелинейности, теоретические построения для которых ограничены, в основном, феноменологическими моделями; недостаточно примеров последовательного сопоставления теоретических и экспериментальных результатов; методы пространственной реконструкции нелинейных параметров в основном развиты применительно к узкой области диагностики биотканей. Решению задач, относящихся именно к этим направлениям, и посвящена настоящая диссертация.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное
изучение "структурных механизмов" происхождения аномальной нелинейности микронеоднородных сред нз примере упругих материалов, содержащих полости, и материалов с зеренной структурой. Ставилась также цель развития методов реконструкции
пространственного распределения нелинейных параметров структурно-неоднородных сред для различных областей возможных приложений и различных видов нелинейных рассеивателей, имеющих как плавно-неоднородное распределение, так и локализованных. Научная новизна работы состоит в следующем.
і. Экспериментально исследованы нелинейные свойства упругих резиноподобкых сред с полостями различной формы (сферическими, цилиндрическими). В результате исследований впервые создан стабильный высоконелинейный пористый полимерный материал с заданными нелинейными характеристиками.
2. Построены теоретические модели нелинейности зернистых сред (в
том числе при наличии жидкого порозаполнения) и экспериментально
исследованы нелинейные свойства таких сред.
3. Предложены и проанализированы схемы сейсмо-акустической
томографии для пространственной реконструкции нелинейных
параметров среды, основанные на приеме прошедших через среду
волн, с использованием нелинейного взаимодействия как
непрерывных, так и импульсных сигналов.
-
Проведено экспериментальное исследование эффекта нелинейного когерентного обратного рассеяния на искусственном образце, параметр квадратичной нелинейности которого соответствует типичным характеристикам реальных биологических тканей. Продемонстрирована возможность использования эффекта нелинейного обратного рассеяния для профилирования пространственного распределения нелинейного параметра среды.
-
Предложены и проанализированы схемы, нелинейной акустической диагностики локализованных неоднородностей среды в виде нарушений сплошности (трещин) в упругом материале. Выполнены оценки, подтверждающие возможность реализации предложенных методов диагностики.
Практическая ценность. Проведенные исследования нелинейных
упругих свойств пористых резиноподобных материалов и зернистых неконсолидированных ' сред наглядно продемонстрировали эффективность действия "структурного" механизма резкого увеличения нелинейности среды при наличии в ней компонент с контрастными упругими свойствами. По-видимому, можно рассчитывать
на применение развитого подхода при анализе механизмов нелинейности других классов структурно- неоднородных сред (поликристаллических металлов и минералов, трещиноватых материалов и т. п. ), где также наблюдается аномально высокие нелинейные характеристики.
Созданный стабильный высоконелинейный полимерный пористый материал с заданными нелинейными свойствами может быть использован для улучшения характеристик параметрических излучателей звука ' (увеличение эффективности, сужение диаграммы направленности) вместо ранее предлагавшихся к использованию пузырьковых слоев с плохо контролируемыми нестабильными характеристиками.
Проведенный анализ нелинейных параметров флюидонасыщенных зернистых сред и выполненное на его основе сопоставление одновременных изменений скорости звука и квадратичного нелинейного параметра для ряда характерных геологических ситуаций показали, что нелинейный параметр, являясь более чувствительным к наличию порового заполнения и внешних напряжений, может служить очень полезной информационной характеристикой при решении задач сейсмодиагностики, и его профилирование открывает новые перспективы сейсмо-акустических методов разведки.
Предложенные и проанализированные в работе схемы сейсмо-акустической томографии могут быть использованы как для целей сейсморазведки (поиск полезных ископаемых, диагностика состояния нефтегазоносных полей), так и для осуществления долговременного мониторинга нелинейных свойств земных пород для диагностики изменений внутренних напряжений, связанных с прцессами подготовки землетрясений.
Результаты исследования эффекта нелинейного когерентного обратного рассеяния продемонстрировали возможность создания на его основе "односторонних" схем нелинейной диагностики, в которых источник и приемник акустических сигналов могут находиться на одном конце трассы зондирования, что в ряде случаев (медицинская, сейсмо-акустическая диагностика) упрощает практическое использование метода.
Предложенные в работе схемы акустической диагностики локализованных неоднородностей параметра нелинейности среды в
виде нарушений сплошности (трещин) могут быть применены в индустриальной диагностике для контроля внутреннего состояния материалов и конструкций.
Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в
диссертацию, докладывались на ряде всероссийских и международных конференций и симпозиумов, в том числе: XI Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991), Международном симпозиуме "Frontiers of Fundamental Seismology" (Страсбург, 1992), на 1-ой и 2-ой Международных конференциях "Recent advances in surveillance using acoustical and vibratory methods" (Париж, 1992, 199S), Международном симпозиуме "wave processes in machinary and structures" Euromech-295, (Нижний Новгород, 1992), із Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Берген, 1993), и Сессии Российского акустического общества ( Москва, 1993), II международной школе-семинаре "Dynamic and stochastic wave phenomena" (Нижний Новгород, 1994), 123 и 129 Сессиях Американского Акустического Общества (Солт-Лейк Сити, 1992; Вашингтон, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа в
научных журналах, материалах российских и международных конференций, сборниках и препринтах ИПФ РАН.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 190 страниц, в том числе \1т страниц машинописного текста, *4? рисунков (JAстраниц). Список литературы содержит 179 наименований (20 страниц).
