声波在颗粒介质中的传播及对颗粒流化行为的响应

Granualr system is rather complex due to its dissipative and many-body nature. Randomly packed granulates have not only complex spatial configurations, but also complex force chain networks, which induces unusual properties of sound propagation in a granular media. We propose to study how sound waves of different frequencies and modes propagate in granular materials with different geometry and force configurations. Sound speed would be measured and scattering properties, like hysteresis, attenuation, and frequency shift, etc., would be investigated, which in turn leads to an deep understanding of the internal force networks and the nonlinear elasticity of the effective media. Further, ultrasonic measurements of sheared and vibrated granular samples would be implemented. Response of the ultrasonic signals might probably reveal the onset conditions and mechanisms of shear induced localized fluidization and vibration induced global fluidization. All the related investigations have practical importance in prevention of noise pollution with granular materials, and help to understand when and how earthquakes, avalanches, jammings, etc. take place.

颗粒体系是复杂的多体耗散体系，颗粒的随机堆积会形成复杂的力链网络结构。宏观颗粒的随机堆积结构具有独特的导声特性，声波在颗粒介质中的传播主要沿着力链网络传播。本项目以研究颗粒介质的堆积结构和应力结构对不同频率和不同模式的声波传播的影响为主，考察声波在颗粒介质中传播的波速及迟滞、频移、衰减等特性随颗粒体系层厚、数密度和应力应变参数等的关系，据此反应颗粒介质内部力链网络结构的分布及其作为有效介质的非线性弹性等相关问题。进一步通过对颗粒介质施加剪切或者振动，使其内部应力结构发生动态转变，并观测声波通过介质的响应特性，可以研究颗粒介质的剪切局域流化及振动整体流化过程，明确剪切局域化和整体流化发生的条件及其启动机制。本项目的研究对于颗粒材料在处理噪声污染及环保方面的应用有实际意义，并有助于理解地震、雪崩等自然灾害及塌方、阻塞等工业问题发生的内在机制。

声波探测是测量颗粒介质体系的力学和结构信息重要手段之一。小幅振动的声波波源信号是一种非损伤性探究颗粒介质内部接触力结构的方法，通过测量穿过颗粒介质的声波，能获取颗粒体系的模量等力学信息. 本项目主要对声波在颗粒介质中传播的特性在下面几个方面取得了进展：1.在实验方法上：利用三轴剪切声波测量装置建立颗粒声波传播研究平台，具有样品围压可控，应力范围大（0~5MPa），剪切波与压缩波可同时测量等特点；实验改进了用于颗粒介质力与声波传播的颗粒介质传感器的灵敏度和线性范围；提出了反复加压制备颗粒样品确保颗粒样品声波波速测量的可靠性。2.研究颗粒物质的力结构特性：包括掺杂对颗粒体系力学响应的影响，容器几何形状对分散颗粒的分聚与混合的影响，颗粒摩擦角、宏观休止角与库伦屈服是否来自颗粒材料的同一临界性质的探索，以及利用颗粒光弹性质测量颗粒固体的应力转向比，发现转向比与深度相关，并不是常数。3. 研究声波对颗粒介质力学性质的可能影响：主要研究了声波振动对应力屈服点附近颗粒体系可能诱发的滞滑现象；研究了低频振动驱动颗粒气体速度分布律，进行了数值模拟和 GSH理论分析。4. 建立了以颗粒体系剪应力黏弹塑性滞回模型为基础的数值模拟模型，研究在剪切颗粒介质中声波波速与颗粒介质剪应力曲线的关联，得到颗粒的配位数等微观量在颗粒体系剪切过程中的变化。5. 三轴仪实验：研究了颗粒体系中声波波速与应力、应变的关系，研究找出剪切波波速的应力依赖关系指数由1/4向1/6的转变的因素，得到只有在应力较大时，声速随应力的指数关系才符合等效介质理论的结论；探究了边界条件对颗粒介质声波波速的影响，颗粒介质中声速与压力的指数关系等，确定赫兹模型的适用性。