随机堆积颗粒介质中声波频域滤波效应研究

Granular systems are rather complex due to their dissipative and many-body nature. Randomly packed granulates have not only complex spatial configurations, but also complex force chain networks, which induce unusual properties of sound propagation in granular media. This project investigates the following scientific problem the of frequency filtering effect in random packing Granular media by experiments and numerical methods. 1) The form and characteristic of the acoustic velocity dispersion relation in 3D random packing granular systems. 2) Frequency filtering effects for acoustic wave in 3D random packing granular system. 3) The phenomenon of discrepancy of flight velocity in near field and far field. The aim of this project is to explore the essence of the acoustic velocity dispersion relation and frequency filtering effect in 3D random packing granular system, clarify the reason for the change of behavior of the flight velocity in near field and far field, and then provide theoretical amendment for the acoustic detection method in resource exploration application.

颗粒系统是复杂的离散多体耗散体系，随机堆积的颗粒介质内部会形成应力分布不均匀的的力链网络结构。当声波在颗粒介质中传播时，这些复杂网络结构就会使颗粒介质形成独特的导声特性。本项目围绕随机堆积颗粒介质中频域滤波效应，将实验观测和数值模拟工作相结合，研究以下科学问题：1）三维随机堆积颗粒体系中声速色散关系的形式和特征；2）三维随机堆积颗粒体系对不同频率声波的滤波效应；3）体系近源区域和远源区域飞行速度差异现象。本项目旨在揭示随机堆积颗粒介质频域滤波及色散效应的基本特征和主要影响因素，阐明颗粒介质内部近源及远源区域声波飞行速度的行为变化及原因，进而对声波探测法在实际资源勘探中的运用提供理论修正和充实。

颗粒介质是复杂的离散多体耗散体系.宏观层面上颗粒介质表现为不均匀性和各向异性，但是微观层面上颗粒介质又包含微剪切带和力链等微观有序结构。当声波在颗粒介质中传播时，这些复杂结构就会使颗粒介质形成独特的导声特性。因此利用原位无损声波探测技术，深入分析结构特征，特别是探测和表征颗粒介质的变形和能量耗散规律，是目前本领域具有挑战性的难题。本项目的研究主要集中在近声源场内颗粒介质的声传播特性以及频域滤波效应和其机制。基于自主改进的随机堆积颗粒介质声传播测量—分析平台，对不同厚度随机堆积颗粒样品的飞行速度进行了测量。结果表明特定样品尺寸范围内，颗粒的飞行速度随样品厚度增加而增大，这意味着等效介质理论成立条件受到样品尺寸的影响。对透射波形进行小波分析发现低频波以及高频波在颗粒介质中传播能力有明显差异，并且两者的传播速度也不相同。两者耦合作用导致上述现象产生。项目进一步研究了玻璃-橡胶二元混合颗粒体系的混合比例对体系声速的影响。发现随着橡胶颗粒增加，体系逐渐从类玻璃刚性行为转变为类橡胶柔性行为。离散元模拟结果与实验结果类似。此外，模拟显示低橡胶颗粒占比样品内主要由玻璃颗粒构成主力链结构。当橡胶颗粒占比较大时，玻璃颗粒和橡胶颗粒共同构成主力链网络结构，但颗粒间法向接触力分布相对更为均匀。本研究认为橡胶颗粒占比较小时内部颗粒的变形相对均匀，材料近似满足等应变假设，视为并联弹簧模型；橡胶颗粒占比较大时混合材料近似满足等应力假设，视为串联弹簧模型。基于上述结果，提出了改进的等效介质理论，用于描述混合颗粒体系的声传播行为。以上研究结果可促进颗粒介质声波探测技术的进一步发展，有利于人们更为直观地了解混合颗粒材料声传播行为的变化规律，并对颗粒材料力学性能优化及其在廉价路基材料、建筑材料、吸能材料、柔性浮力材料等领域的实际应用有一定的理论指导作用。