Диагностика упругих свойств гранулированных неконсолидированных сред методами нелинейной акустики

На правах рукописиУДК 534.2Ширгина Наталья ВитальевнаДИАГНОСТИКА УПРУГИХ СВОЙСТВ ГРАНУЛИРОВАННЫХНЕКОНСОЛИДИРОВАННЫХ СРЕД МЕТОДАМИНЕЛИНЕЙНОЙ АКУСТИКИСпециальность: 01.04.06 – акустикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2013Работа выполнена на кафедре акустики физического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В.

Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Коробов Александр ИвановичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Есипов Игорь Борисовичдоктор физико-математических наук,профессор Митрофанов Валерий ПавловичВедущая организация:ФГБНУ«Технологическийинститутсвеpхтвердыхиновыхуглеродныхматериалов», Троицк, Московская обл., РоссияЗащита состоится “12” декабря 2013 года в 16:00 на заседанииДиссертационного Совета Д.501.001.67 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинскиегоры, МГУ, физический факультет, физическая аудитория им.

Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “11” ноября 2013 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д.501.001.67кандидат физ.-мат. наук, доцентА.Ф. КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ И АКТУАЛЬНОСТЬИССЛЕДОВАНИЯВ последнее время большое внимание уделяется исследованию физическихсвойствструктурно-неоднородныхтвердыхсред.Наличиедефектовинеоднородностей в таких материалах приводит к появлению новых физическихсвойств,которыеотсутствуютводнородныхтелах.Мезомасштабныенеоднородности и дефекты существенно влияют и на упругие свойстваструктурно-неоднородных материалов.

Наряду с упругой нелинейностью,обусловленнойангармонизмомкристаллическойрешетки(классическаянелинейность), в этих материалах проявляется структурная (неклассическая)нелинейность,обусловленнаяэкспериментах,проведенныхдефектамикаксреды.Вотечественными,такмногочисленныхизарубежнымиисследователями, было показано, что структурная нелинейность может нанесколько порядков превышать величину классической нелинейности. Следуетотметить, что впервые структурная нелинейность методами нелинейнойакустики была исследована в работах В.А. Красильникова с сотрудниками вМГУ в 1963 г.Особое место в теоретических и экспериментальных исследованияхструктурно-неоднородныхнеконсолидированныематериаловсреды(ГНС).занимаютЭтосвязаногранулированныесихширокимраспространением в природе и интересными физическими свойствами.Упругиесвойстванеконсолидированныхгранулированныхсредсущественно отличаются от свойств сплошных сред из того же материала.

Дляописания упругих свойств таких сред обычно используется теория контактноговзаимодействия Герца. Линейные и нелинейные свойства ГНС во многомопределяются состоянием контактов между отдельными гранулами среды.Исследованием упругих свойств ГНС занимается ряд научных групп, как вРоссии: ИПФ РАН (Нижний Новгород); Акустический институт им.

Н.Н.Андреева (Москва); Физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова,(Москва), так и за рубежом: Universite du Maine (Le Mans, Франция);Национальная Геофизическая Лаборатория в Лос-Аламосе; Калифорнийскийуниверситет (США).1Однако,несмотряпосвященныхнабольшоеисследованиюколичествофизическихнаучныхсвойствпубликаций,гранулированныхнеконсолидированных сред, линейные и нелинейные свойства ГНС полностьюне изучены. Учитывая, что в природе ГНС находятся под действиемгравитационных сил, требуется дополнительное изучение влияния статических идинамическихвнешнихвоздействийнанелинейныеупругиесвойствагранулированных неконсолидированных сред.

Также представляют интересособенностиотраженияупругихволнотгранулированныхнеконсолидированных сред. Дальнейшее изучение упругих и акустическихсвойств неконсолидированных гранулированных сред, подвергаемых внешнимвоздействиям, является основой для обеспечения контроля над эволюцией ихвнутренней структуры и, несомненно, представляет научный и практическийинтерес.Поэтомуэкспериментальнымтемадиссертации,исследованиямпосвященнаяупругихсвойствтеоретическимигранулированныхнеконсолидированных сред методами нелинейной акустики, представляетсяактуальной и имеет прикладное значение.ЦЕЛЬ РАБОТЫЦелью настоящей работы является комплексное исследование упругихсвойств неконсолидированных гранулированных сред, находящихся поддействием статических и динамических нагрузок, методами нелинейнойакустики.ЗАДАЧИ РАБОТЫПоставленная цель достигается путем решения следующих задач:1.

Разработка и создание экспериментальныхлинейныхинелинейныхупругихустановоксвойствдляисследованиягранулированныхнеконсолидированных сред (ГНС) методами нелинейной акустики;2. Теоретическое и экспериментальное исследованиявлияния внешнегостатического давления и амплитуды зондирующей акустической волныконечной амплитуды на линейные и нелинейные упругие свойства ГНС;23. Исследованиеособенностейотраженияакустическихволнотдвумерного гранулированного неконсолидированного слоя.НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ1. Созданы экспериментальные установки и методики для исследованияупругих свойств гранулированных неконсолидированных сред методаминелинейной акустики.2.

Получены аналитические выражения для коэффициентов упругости 2, 3 и 4порядков в одномерной гранулированной неконсолидированной среде(ОГНС). Показано, что упругая нелинейность исследуемой среды, связаннаясконтактомГерца,большечемнапорядокпревышаетупругуюнелинейность, определяемую ангармонизмом кристаллической решеткиматериала, из которого изготовлены шары.3. Теоретически и экспериментально исследовано влияниевнешней силы,приложенной к ОГНС, на ее упругие свойства. Впервые обнаруженанемонотонная зависимость нелинейных упругих параметров 2 и 3 порядков вОГНС от величины внешней статической силы. Аномальное поведениенелинейныхупругихпараметровобъясненоструктурнымфазовымпереходом от одномерной к двумерной структуре, вызванным внешнейстатической силой, приложенной к ОГНС.4.

Теоретическииэкспериментальноисследовановлияниевнешнегостатического давления и амплитуды упругой волны на величину скоростиупругой волны в ГНС. Было обнаружено, что при увеличении амплитудызондирующего сигнала в ГНС наблюдалось отклонение зависимостиотносительной скорости от амплитуды от теоретически предсказаннойквадратичнойзависимости.Этообъясняетсяструктурнымфазовымпереходом, вызванным упругой деформацией в акустической волне, врезультате которого происходит изменение упаковки шаров и соотношениямежду количеством сильно и слабо поджатых контактов.5.

Теоретически и экспериментально исследовано влияние внешнего давлениянавеличинунелинейныхупругихпараметроввтрехмернойГНС.Экспериментально обнаружена немонотонная зависимость нелинейных3упругих параметров второго и третьего порядков от давления. Полученнаязависимость объяснена структурными фазовыми переходами в ГНС,вызванными внешним статическим давлением и меняющими упаковку шарови, как следствие, соотношение между сильно и слабо поджатыми контактами.6. Теоретически и экспериментально исследовано отражение гармоническойволны от слоя стальных шаров, имеющих дисперсию величины ихдиаметров.

Теоретически рассчитана зависимость коэффициента отраженияосновной акустической волны и нелинейного упругого параметра отвнешнего давления. Результаты теоретического анализа находятся в согласиис экспериментальными результатами.7. Показано,чтогранулированнаянеконсолидированнаясредаявляетсясистемой, линейными и нелинейными свойствами которой можно управлятьвнешнимистатическими(давление)идинамическими(амплитудазондирующей волны) воздействиями.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ1. Упругиелинейныенеконсолидированныхмежатомнымиисреднелинейные(ГНС)взаимодействиямисвойствагранулированныхопределяютсявосновномнев материале гранул, а состояниемконтактов между отдельными гранулами.2. ГНС является средой, упругими свойствами которой можно в широкихпределахуправлятьвнешнимистатическимиидинамическимивоздействиями.3.

Воздействия, какстатические, так идинамические, могут вызватьструктурные фазовые переходы в ГНС, сопровождающиеся аномальнымповедением нелинейных упругих свойств.АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИПорезультатамисследований,представленныхвдиссертации,опубликовано 21 научная работа, в том числе 3 в рецензируемых журналах,входящих в список ВАК, 2 статьи в журнале «Proceedings of Meetings onAcoustics», а также в 16 статей и тезисов в трудах научных конференций.4Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на 9российских и 4 международных конференциях: сессия научного совета РАН поакустике и XXV сессия Российского Акустического Общества (2012 г.,Таганрог), сессия научного совета РАН по акустике и XXIV сессия РоссийскогоАкустического Общества (2011 г., Саратов), XIII Всероссийской школе-семинаре«Физика и применение микроволн» (2012 г., Звенигород), Международноммолодежных научных форумах «Ломоносов-2012» и «Ломоносов-2013» (2012 г.,2013 г., Москва), III Международной конференции «Воздействие упругих волнна флюиды в пористых средах» (EWEF-2012, Москва), XIII Всероссийскойшколе-семинаре «Физика и применение микроволн» (2011 г., Звенигород), VВсероссийскойконференциимолодыхученых(2010г.,Саратов),Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильныхинженеров (ААИ) “Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритетыразвития и подготовка кадров” (2010 г., Москва), XVI и XVII InternationalConference on Nonlinear Elasticity in Materials (Prague, 2011, Cefalu, 2012), IEEEInternational Ultrasonics Symposium including Short Courses and Exhibition(Dresden, 2012) и International Congress on Ultrasonics (Singapore, 2013).ИсследованияпотемедиссертациибылиподдержаныгрантамиРоссийского Фонда Фундаментальных Исследований, грантом Президента РФдля государственной поддержки ведущих научных школ, персональнымигрантамиАкустическогоАмериканскогоОбществаиНациональнойгеофизической лаборатории Лос-Аламоса.ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРАВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результатыполучены автором лично, либо при его непосредственном участии.СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основныхрезультатов и выводов, и списка цитируемой литературы.

Общий объем работы5111 страниц текста, в том числе 24 рисунка, 1 таблица и список цитируемойлитературы из 123 наименований.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВпервойглавепроведенкраткийобзорсовременныхметодовисследования упругих свойств гранулированных неконсолидированных сред(ГНС). Проводится анализ имеющихся к настоящему времени научныхпубликаций, посвященных изучению упругих свойств ГНС.