[发明专利]一种孔隙介质中弹性波传播机理确定方法

说明书

本发明提供了一种孔隙介质中弹性波传播机理确定方法，包括如下步骤：S1：球孔和椭球孔压缩系数的计算，以弹性介质理论为基础，分别对流体饱和球孔和椭球孔的等效压缩系数进行推导计算；S2：孔隙介质宏观等效参数的推导，以弹性介质理论为基础，对流体饱和孔隙介质的等效弹性模量进行推导，并通过与已有理论的比较验证其合理性；S3：孔隙介质中纵横波速度的计算，根据推导出的压缩系数和等效模量的公式，对其弹性波传播速度进行计算。本发明对孔隙介质的研究在生产实践中具有较大的应用潜力，使现有的低频和高频理论进行有效融合，可以使孔隙介质理论在一定程度上取得一些进步，为工程应用提供理论基础；有着重要的理论意义和工程应用价值。

技术领域

本发明涉及孔隙介质声学领域，具体涉及一种孔隙介质中弹性波传播机理确定方法。

背景技术

孔隙介质材料种类繁多，诸如土壤、岩石等自然界存在的材料和泡沫塑料、陶瓷等大部分人造材料都属于孔隙介质。近些年来，孔隙介质波动理论及其相关问题的研究受到了越来越多的关注。孔隙介质理论在地球物理学、应力波探伤与检测、航空航天工程、断裂动力学等实际问题中的应用越来越广泛，而且在复合材料的无损探测、矿产和石油的勘探等领域也具有很大的应用潜力。

关于孔隙介质的研究由来已久，20世纪五十年代以来，人们已经提出过许多模型。在初期的研究中，孔隙介质被理想化为均匀介质，但实际介质往往是非均匀的，其中普遍存在裂纹、裂缝和断层。考虑这些分布不规则的裂纹、裂缝和断层时，传统的均匀介质本构模型已不再适用，而需要根据实际情况建立更加适用的模型。孔隙介质复杂多变，宏观上含有大量的孔洞、裂隙，微观上含有微裂纹、微孔洞等缺陷，因此，弄清弹性波在孔隙介质中的传播与衰减规律非常困难。

孔隙介质理论将力学定律的严格性与孔隙介质的自然无序性结合起来，需要考虑大量的不确定性参数，由于孔隙介质的复杂性，现有理论与实验结果差距较大，这些问题尚需深入研究，到目前为止还没有令人满意的孔隙介质本构模型。

孔隙介质弹性理论经过多年的发展，取得了重大的突破。Biot流动和喷射流动是含流体孔隙介质中固—流相互作用的两种重要力学机制，它们作为一个藕合过程同时对弹性波的衰减和频散产生影响。无论是早期的等效介质模型，还是现有的孔隙-裂隙模型，都只适于特定介质的某一频段，现在还没有一个通用的模型。由于孔隙介质的微观结构非常复杂，没有规律可循，因此建立在微观结构基础上的模型存在很大的局限性。为建立一个适用范围较广的模型，必须依赖于孔隙介质的宏观参数建模。

发明内容

本发明的目的在于提供一种孔隙介质中弹性波传播机理确定方法，通过理论推导球形和椭球形孔洞对介质声场的影响，同时计算孔洞对声波的响应，并推导给出孔洞在不同频率声波作用下表现出的刚性性质；对孔隙介质宏观弹性参数进行推导计算。以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种孔隙介质中弹性波传播机理确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：计算球孔和椭球孔压缩系数；以弹性介质理论为基础，分别对流体饱和球孔和椭球孔的等效压缩系数进行推导计算；

S2：推导孔隙介质宏观等效参数；

S3：计算孔隙介质中纵横波速度；根据所述步骤S1和所述步骤S2推导给出的压缩系数和等效模量的公式，对其弹性波传播速度进行计算。

弹性理论的建立基于以下几个基本假设：

(1)连续性假设；

(2)自然应力状态假设；

(3)均匀性假设；

(4)小变形假设。

对于一个任意的体积元V,它处于平衡时要求作用于该体积元上的合力与合力矩为零，由此得到运动方程如下：