Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейных акустических свойств структурно-неоднородных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Р Г Б ОД

1 3 МАЙ Ш5

На правах рукописи

БЕЛЯЕВА Ирина Юрьевна

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

01.04.06 — акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 1996

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН г. Нихний Новгород.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, ■ профессор Л. А. Островский; кандидат физико-математических наук В. 0. Зайцев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор С. Н. Гурбатов;

доктор физико-математических наук, профессор А. И. Потапов

Ведущая организация: Московский Государственный Университет им. Ломоносова

Защита состоится "И8" мая._ 1996 г.

в 15 часов на заседании специализированного совета К ооз. 38. 02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук в Институте прикладной физики РАН (г.Н.Новгород, ул. Ульянова, 46)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан "_"_ 199$ г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук

А. Г. Лучинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теин. Исследование нелинейных акустических

эффектов в средах с неоднородной внутренней структурой как самостоятельное направление нелинейной акустики начало формироваться около 15 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 такой 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 нелинейности 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. Нако п ленные 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 приложений, 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 рассеизагелей - 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.

1. 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.

4. 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.

5. 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 наблюдаются аномально высокие нелинейные характеристики.

Созданный стабильный высоконелинейный полимерный пористый материал с заданными нелинейными свойствами может быть использован для улучшения характеристик параметрических излучателей звука 7(увеличение эффективности, сужение диаграммы направленности) вместо ранее предлагавшихся к использованию пузырьковых слоев с плохо контролируемыми нестабильными характеристиками.

Проведенный анализ нелинейных параметров флсидонасьпценных 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), 13 Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Берген, 1993), II 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, Х995).

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 Î90 страниц, в том числе страниц машинописного текста, рисунков страниц). Список литературы содержит 179 наименований (20 страниц).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации,

проводится обзор известных работ по данной теме, формулируется цель исследования, кратко излагается содержание диссертационной работы.

В главе I представлены результаты исследования нелинейных свойств упругих резиноподобных сред с полостями различной формы.

В п. 1.1 излагается общая идея объяснения возникновения аномальной нелинейности в структурно-неоднородных средах на примере хорошо изученной в нелинейной акустике высоко-нелинейной среды - жидкости с пузырьками газа. Показывается, что причиной резкого возрастания параметра нелинейности среды может быть наличие в ее структуре компонент с резко контрастирующими упругими свойствами. Проводится аналогия между пузырьковой средой и другими средами с аномальной нелинейностью (пористыми, зернистыми), являющимися объектами дальнейшего рассмотрения.

В п. 1.2. анализируются имеющиеся теоретические работы по нелинейным акустическим свойствам резиноподобных сред, содержащих сферические и цилиндрические полости, формулируются требования к упругим характеристикам материала, введением пор в который возможно получение среды с аномально высокими нелинейными параметрами. При оптимальной концентрации полостей параметр квадратичной нелинейности пористой среды полностью определяется отношением продольного и поперечного параметров Ламе л/ц и для среды со сферическими порами равен Г™** =ил/64д, а для среды с цилиндрическими порами гаа*=з\/ац. Таким образом, Еведение пор в материалы, характеризующиеся соотношением х»д, приводит к резкому возрастанию их нелинейного параметра.

В п. 1.3 описываются эксперименты по изучению акустических свойств искусственно созданных водоподобных материалов.

В п. 1.з.1 описаны эксперименты по определению линейных упругих характеристик ряда резиноподобных сред с целью создания материала-основы, наиболее отвечающего требованиям теории. В результате исследований получены стабильные материалы (полимеризованный желатин и пластизоль) со следующими характеристиками: л=2. э-ю'кг/м-сек2, д=1. 47-ю5кг/м*секг - для желатина; \=2.55*10экг/м*сек2, д=1. 21'104кг/М'сек2 - для пластизоля.

В п. 1. 3.2 приводятся результаты экспериментов по исследованию нелинейных акустических свойств приготовленных высокоупругиз: материалов (желатина и пластизоля) с различной концентрацией сферических и цилиндрических пор. Из анализа экспериментальных данных получены значения параметров квадратичной нелинейности, которые имеют хорошее количественное соответствие с

теоретическими расчетами. Достигнутый уровень квадратичного

параметра нелинейности в желатиновом образце составил Г-7-ю3 при оптимальной концентрации пор <s0>opt= 5-Ю"3, в образце пластизоля - Г-2. б-ю4 при концентрации пор I0(so)apt =5-io"s. Теоретический предел параметра нелинейности—для—пористого-пластизоля достигает Г~Ю5 при (S ) „ ~ 5-ю"6, однако создание

4 О о pt

столь малых контролируемых поровых концентраций связано с экспериментальными трудностями.

В главе 2 излагаются результаты теоретического и

экспериментального исследования нелинейных акустических свойств зернистых сред.

В п. 2.1 проводится анализ нелинейных свойств среды, состоящей из случайно упакованных одинаковых сферических гранул, поровое пространство между которыми может быть заполнено флюидом. В наиболее простом случае, когда поровое заполнение в среде отсутствует, уравнение состояния среды (связь между напряжением а и деформацией с) имеет вид:

ii(i-a)E

S

_ _ _з/2

(Г = - с

4Л(1-1>2)

S

где Еа и v - модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала гранул соответственно, п - среднее число контактов между частицами, а -доля порового пространства в единице объема агрегата.

Для параметров квадратичной и кубичной нелинейности, определяющихся как г(г,= сг''(с „)/<т'(е ) и Г(3'=<г''' (с J/а' (с ),

U С и С v www U w U

можно получить:

Г12'.. 1 . р<з>_ 1

2 с„ с «.г

о бе

о

где со-величина статической начальной деформации. Таким образом, нелинейные параметры такой среды однозначно определяются величиной предварительной статической деформации и не зависят ни от размера гранул, ни ст их материала; при малых значениях начальной деформации уровни нелинейных параметров могут достигать аномально высоких значений.

В п.2.2. представлены результаты экспериментов по исследованию нелинейных эффектов в модельных образцах зернистых

:ред с идеальной упаковкой. Измеренные уровни параметра :вадратичной нелинейности лежат в интервале от 1. 3-ю2 до .. 5• ю3, а параметра кубичной нелинейности - от 4*ю4 до 5. 5-ю6 [ри значениях начальной деформации от 3-ю~4 до 3. 4*ю"3, что [меет хорошее количественное соответствие с теоретическими |ценками.

В п. 2.3 проанализированы нелинейные акустические эффекты, юзникающие благодаря неидеальности упаковки гранул (то есть [рисутствию в зернистой среде дефектов структуры в виде [еодкнаково нагруженных межчастичных контактов и наличию юлностью разгруженных контактов). Экспериментально

'станавливается и аналитически показывается, что дефекты 'паковки, слабо сказывающиеся на линейных упругих свойствах ¡ернистых сред, могут очень сильно влиять на нелинейные упругие :арактеристики высших порядков, изменяя как их количественный ■ровень, так и качественный характер нелинейных зависимостей по ¡равнению с нелинейными свойствами сред с идеальными упаковками ¡ерен.

В п. 2.4 на основе выполненного теоретического и исспериментального анализа обсуждаются некоторые интересные для ¡ейсморазведки в связи с поиском нефти, например, ситуации, в :оторых изменение величины нелинейных параметров земных пород [моделью которых могут служить рассматриваемые зернистые среды) южет многократно превосходить одновременные вариации линейных других характеристик. Показывается, что в подобных случаях [спользование нелинейного параметра в качестве информационной :арактеристики может оказаться гораздо более полезным, чем Традиционное использование линейных параметров.

В главе 3 развиваются "двусторонние" методы нелинейной

1кустической диагностики (томографии) для пространственной >еконструкции нелинейных параметров структурно-неоднородных сред, »снованные на приеме сигнала, прошедшего через исследуемую >бласть.

В п.3.1 дается обзор известных теоретических и жспериментальных результатов по данному вопросу.

В п. з. 2 анализируются возможности дистанционных методов 1змерения распределения нелинейных параметров земных пород.

основанных на наблюдении фазовой модуляции слабой зондирующей волны под действием другого, более интенсивного гармонического поля. Проводятся оценки необходимого времени накопления сигнала для нескольких вариантов расположения и различных протяженностей

трасс зондирования_в-приложении-к-задачам диагностики

сейсмоопасных районов и геологоразведки.

В п. 3.3 рассматриваются томографические методы, в которых в качестве волны накачки используются импульсные сигналы. Проводятся оценки применимости этих методов к решению задач сейсмомониторинга.

В п. 3.4 анализируются возможности акустической диагностики локализованных неоднородностей параметра нелинейности в виде трещиноподобных дефектов в твердом теле. Подход основан на измерении характеристик амплитудной (либо фазовой) модуляции рассеянной (либо прошедшей) пробной волны при ее нелинейном взаимодействии на трещине с мощным акустическим импульсом. На основе использования двух моделей описания нелинейных свойств трещины проводятся численные оценки, показывающие возможность применения подобных методов в решении задач диагностики дефектов материалов и конструкций.

В главе 4 исследуется возможность использования эффекта

нелинейного обратного рассеяния для диагностики как распределенных, так и локализованных неоднородностей параметра нелинейности ("односторонняя" схема зондирования).

В п. 4. 1 отмечаются отличия "односторонних" схем дистанционной диагностики от рассмотренных выше "двусторонних" методов. Анализируются основные уравнения, описывающие эффект нелинейного обратного рассеяния для случая квазимокохроматического сигнала.

В п. 4. 2 представлены результаты экспериментов по наблюдению эффекта нелинейного обратного - рассеяния на образце, приготовленном из жидкой смеси, линейный импеданс которой близок к импедансу окружающей образец жидкости, а параметр квадратичной нелинейности примерно в два раза больше, чем у окружающей среды (соответственно 6.05 и 3.5). Продемонстрировано достаточно хорошее количественное соответствие экспериментальных данных с теоретическими оценками.

В п.4. з анализируются возможности использования эффекта

нелинейного обратного рассеяния для обнаружения и позиционирования локализованных неоднородностей параметра нелинейности в виде трещин в упругом материале. Получены выражения, связывающие свойства дефекта с характеристиками рассеянных на нем сигналов комбинационных и высших гармоник. Выполнены оценки, подтверждающие возможность реализации предложенных методов.

В заключении приводятся основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. На основе результатов теоретических расчетов необходимых параметров материала-основы и характеристик пор, в лабораторных условиях создан высоконелинейный полимерный пористый материал с заданными нелинейными свойствами. Экспериментально определенные величины нелинейных параметров созданного материала показали хорошее согласование с теоретически ожидаемыми значениями.

2. Теоретически изучены упругие нелинейные свойства зернистых неконсолидированных сред; получены выражения для нелинейных параметров таких материалов. Проанализированы зависимости величин нелинейных параметров от предварительного нагружения среды, упругих характеристик материала зерен и наличия флюидонасыщения.

3. На основе построенной теории проанализированы примеры изменчивости нелинейных характеристик неконсолидированных земных пород для некоторых реальных геологических условий (присутствия водосодержащих слоев, нефтеносных ловушек и т.п.). Показано, что в ряде случаев изменение величины нелинейных параметров может многократно превосходить одновременные вариации линейных упругих характеристик, и, следовательно, использование нелинейных параметров в качестве информационной характеристики может оказаться гораздо более полезным, чем традиционное использование линейных параметров.

4.Экспериментально измерены квадратичные и кубичные нелинейные параметры ряда гранулированных материалов. Для специально приготовленных образцов, состоящих из сферических монорадиусных зерен, продемонстрировано хорошее соответствие

между теоретически предсказанными и экспериментально установленными значениями линейных и нелинейных параметров.

5. Исследовано влияние дефектов упаковки гранул на линейные и нелинейные упругие модули зернистой среды. Экспериментально иродемонстрировано-и-аналитическиноказано, что дефекты упаковки, слабо сказывающиеся на линейных упругих параметрах, могут очень сильно влиять на нелинейные упругие характеристики высших порядков, изменяя их как количественно, так и качественно по сравнению с нелинейными параметрами сред с идеальными упаковками зерен.

6. Предложены схемы акустической томографии нелинейных параметров земных пород, основанные на приеме прошедших через среду волн, с использованием нелинейного взаимодействия как непрерывных, так и импульсных сигналов. Проанализированы условия реализации этих методов для сейсмического зондирования в реальных условиях.

7. В лабораторных условиях проведено экспериментальное исследование эффекта нелинейного когерентного обратного рассеяния на искусственном образце, параметр квадратичной нелинейности которого соответствует типичным характеристикам реальных биологических тканей. Показано хорошее количественное соответствие экспериментальных данных г теоретическими предсказаниями и подтверждена возможность использования эффекта нелинейного обратного рассеяния для профилирования пространственного распределения нелинейного параметра среды.

8. Предложены и проанализированы схемы акустической диагностики локализованных неоднородностей параметра нелинейности среды в виде нарушений сплошности (трещин) в упругом материале. Выполнены оценки, подтверждающие возможность реализации предложенных методов диагностики трещин.

Работы, выполненные в рамках представляемой диссертации, проводились при финансовой поддержке грантов Российского Фонда Фундаментальных Исследований N0 эз-05-8074, 94-02-03508, 95-02-оь'4и, а также грантов Международного научного фонда N ивиооо,' 11811300.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

l. Беляева И. Ю., Тиманин Е. М. Экспериментальное исследование 1елинейных свойств поросодержащих упругих сред// Акуст. журн., L991, Т. 37, N5, С. 1026-1028.

г. Беляева И. В., Островский Л. А., Тиманин Е. М. Нелинейные :войства поросодержащих упругих сред// Тез. докладов XI Зсесоюзной акуст. конф., Москва, 1991, С. 125-128.

!. Belyaeva I.Yu., Ostrovsky L.A., Timanin E.M. Experiments on larmonic generation in grainy media// Acoustics Letters, 1992, /.15, N11, P.221-224.

i. Беляева И. Ю., Сутин А. М. Нелинейная акустическая томография// 36. "Нелинейная акустическая диагностика , С.-П.: Информатика, L992, С-15-28. •

5. Беляева И. Ю., Сутин А. М. Сейсмическая томография нелинейных гараметров.- Препринт ИПФ РАН N 308, Н. Новгород, 1992, 26 С.

>. Беляева И. Ю., Зайцев В. 1С., Островский Л. А. Нелинейные жусто-упругие свойства сред со сложной структурой. - Препринт ИПФ 3АН N 316, Н. Новгород, 1992, 22 С.

/. Belyaeva I.Yu., Nazarov V.E., Ostrovsky L.A. Nonlinear acoustics of media with complex structure// Resume of 123 Meeting 3f Acoustical Society of America, Salt Lake City, JASA, 1992, /.91, N4 (Pt.2), P.2350.

3. Belyaeva I.Yu., Ostrovsky L.A., Zaitsev V.Yu. Investigation of :he earth soils nonlinear elastic properties using granular rtedium model// Resume of International Symposium "Frontiers in fundamental Seismology", Strasbourg, 1992, P.26.

5. Belyaeva I.Yu., Sutin A.M., Zaitsev V.Yu. Seismo-acoustic :omographv of the earth soils nonlinear parameters// Resume of International Symposium "Frontiers in Fundamental Seismology", Strasbourg, 1992, P.28.

L0. Belyaeva I.Yu., Ostrovsky L.A., Zaitsev V.Yu. Nonlinear »lastic properties of media with grainy structure// Abstr. of Зиготеch. Syirp. "Wave processes in. machinary and structures", Novgorod, 1992, P.8-9.

Li. Беляева И. Ю., Зайцев В. Ю., Островский Л. А. Нелинейные 1кустоупругие свойства зернистых сред// Акуст. журн., 1993, Т.39, il, С. 25-32.

L2. Belyaeva I.Yu., Zaitsev V.Yu. An investigation of nonlinear sound backscattering// Acoustic Letters, 1993, V.16, Nil, P.239-242.

13 . Беляева И. Ю., Зайцев В. Ю., Сутин А. М. Сейсмо-акустическая томография нелинейного параметра земных пород// Тез. докл. и Сессии Российского Акустического общества, Москва, 1993, С. 80-83.

14. Беляева И. Ю. Наблюдение самофокусировки звука в жидкости с пузырьками газа// Акуст. журн., 1993, Т. зэ, N 6, С. 981-985.

Беляева ¡ОТ, Зайцев В. Ю.. Островский J1. А., Сутин А. М. Упругий нелинейный параметр как информационная характеристика в задачах сейсморазведки// Физика Земли, 1994, N10, С. 39-47.

16. Беляева И. Ю., Зайцев В. Ю., Сутин А. И. Томография упругих нелинейных параметров земных пород в задачах сейсмологии и сейсморазведки// Физика Земли, 1994, N12, С. 44-51.

17. Беляева И. Ю., Зайцев В. Ю., Тиманин Е. М. Экспериментальное исследование упругих нелинейных свойств зераистых сред с неидеальной упаковкой// Акуст. журн., 1994, Т. 40, N 6, С. 893-899.

18. Belyaeva I.Yu., Sutin A.M., Zaitsev V.Yu. Tomography of the acoustical nonlinear parameter: possible application to seismics// Resume of 13th International Symposium of Nonlinear Acoustics, ed. H.Hobak, World Scientific, Singapore-New Jersey-London-Hong Kong, 1994, P.376-381.

19. Belyaeva I.Yu.', Zaitsev V.Yu. Investigation of the nonlinear sound backscattering// Resume of 13th International Symposium of Nonlinear Acoustics, ed. H.Hobak., World Scientific, Singapore-New Jersey-London-Hong Kong, 1994, P.638-643.

20. Belyaeva I.Yu., Ostrovsky L.A., Zaitsev V.Yu. Nonlinear acoust-elastic properties of grainy media// Resume of 13th International Symposium of Nonlinear Acoustics, ed. H.Hobak, World Scientific, Singapore-New Jersey-London-Hong Kong, 1994, P.665-670.

21. Belyaeva I.Yu., Zaitsev V.Yu. Structurally born elastic nonlinearity of grainy media: Theory and Experiment// Abstr. of the Second International Scientific School-Seminar, Nizhny Novgorod, 1994, P.49.

22. Belyaeva I.Yu. Estimation of crambly rocks nonlinearity on the base of a granular medium model - Application to engineering seismics and seismoprospecting// Proc. of the Seventh International Congress International Association of Engineering Geology, 1994, Lisboa; Balkema, Rotterdam, P.159-162.

23. Belyaeva I.Yu., Zaitsev V.Yu. Nonlinear acousto-elastic properties of grainy media -with pore filling// Proc. of the Seventh International Congress International Association of Engineering Geology, 1994, Lisboa; Balkema, Rotterdam, P.145-151.

24. Belyaeva I.Yu., Sutin A.M., Zaitsev V.Yu. On the possibility of seismo-acoustic nonlinear parameter tomography// Proc. of the Seventh International Congress International Association of Engineering Geology, 1994, Lisboa; Balkema, Rotterdam, P.163-166.

25. Беляева И. Ю., Зайцев В. Ю. Структурно-порожденная нелинейность зернистых сред: теория и эксперимент// Изв. ВУЗов "Радиофизика, 1995, N1-2, С. 94-99.

26.Belyaeva I.Yu., Ostrovsky L.A., Zaitsev V.Yu. Nonlinear acousto-elastic properties of media with complex structure// In: Research Trends in Physics: nonlinear Acoustics; ed. К .Naugol'nykh and L.A.Ostrovsky; La Jolla, California, 1995, P .1-27.

27. Zaitsev V.Yu., Sutin A.M., Belyaeva I Yu., Nazarov V.E. Nonlinear interaction of acoustical waves due to cracks and its possible usage for cracks detection// Journal of Vibration and Control, 1995, HI, P.335-344.

28. Belyaeva I.Yu., Zaitsev V.Yu. Nonlinear combinational sound scattering by discontinuity-like defects in solids and its possible usage for crack diagnostics// Proc. of the 129-th Meeting of the Acoustical Society of America, JASA, 1995, V.97, N5(pt.2), P.3374.

29. Belyaeva I.Yu., Zaitsev V.Yu., Combination sound scattering on discontinuities in solids: application to crack detection// Proc. the 2-nd Intern. Simp. on Acoustical and Vibratory Surveillance Methods and Diagnostic Techniques, 1995, Courbevoie, V. 2/2, P.747-759.

30. Belyaeva I.Yu., Zaitsev V.Yu. Nonlinear scattering of acoustic waves by discontinuity-like defects in application to crack detection// Journal of Vibration and Control. 1996. N3. (in print) .

31. Belyaeva I.Yu., Zaitsev V.Yu., Ostrovsky L.A., Stephan S., Sutin A.M. Comparison of linear and nonlinear elastic moduli for reservoir rock by use of a granular medium model// JASA. 1996. V.99. N3. P.1360-1365.

Оглавление диссертации

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. НЕЛИНЕЙНЫЕ УПРУГИЕ СВОЙСТВА РЕЗИН0П0Д0БНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕД.

-1^-1.-Введение.-"Структурный^_механизм нелинейности_

микронеоднородных сред. 1. 2. Уравнение состояния резиноподобных пористых сред. 1. 3. Экспериментальные исследования пористых водоподобных материалов.

1. з. 1. Искусственные водоподобные материалы. 1. 3.2. Экспериментальные исследования нелинейных свойств искусственных водоподобных пористых материалов.

1. 4. Заключение.

ГЛАВА 2. НЕЛИНЕЙНЫЕ УПРУГИЕ СВОЙСТВА ЗЕРНИСТЫХ НЕКОНСОЛИДИРОВАННЫХ СРЕД.

2. 1. Введение.

2. 2. Уравнение состояния гранулированных сред с идеальной упаковкой зерен.

2.3. Экспериментальное исследование нелинейных свойств зернистых сред с идеальной упаковкой.

2.4. Нелинейные акустические свойства зернистых сред с дефектами упаковки гранул.

2.5. Упругий нелинейный параметр как информационная характеристика в задачах сейсморазведки.

2. б. Заключение.

ГЛАВА 3. ТОМОГРАФИЯ НЕЛИНЕЙНОГО ПАРАМЕТРА ПРИ ЗОНДИРОВАНИИ СРЕДЫ "НА ПРОСВЕТ".

3. 1. Введение. Современное состояние исследований.

з.2. Методы томографии нелинейного параметра земных пород, использующие взаимодействие непрерывных сигналов. 3. 2.1. Фазовая модуляция пробной волны под действием поля накачки.

з.2.2. Условия превышения полезного сигнала над шумом, з. 2. 3. Однородное поле накачки.

3.2.4. Гармоническая волна накачки попутная пробной волне.

3.2.5. Гармоническая волна накачки, распространяющаяся в

перпендикулярном и встречном направлении к пробной волне, з. з. Методы томографии нелинейного параметра земных пород, использующие взаимодействие гармонического - и импульсного сигналов.

з. 4. Импульсная томография локализованных областей повышенной нелинейности (трещин) в упругом материале.

3.4.1. Принцип нелинейной импульсной томографии для диагностики разрывов сплошности (трещин).

3.4.2. Амплитудная и фазовая модуляция пробной волны при взаимодействии с импульсной волной накачки на трещине.

3.4.3. Оценки уровня нелинейно рассеянного сигнала для различных моделей трещин.

3. 5. Заключение.

ГЛАВА 4. ПРОФИЛИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ПАРАМЕТРА СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭФФЕКТА НЕЛИНЕЙНОГО ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ.

4.1. Введение.

4.2. Исследование эффекта нелинейного когерентного обратного рассеяния на плоскослоистой неоднородности параметра нелинейности.

4. 2.1. Экспериментальная установка для наблюдения эффекта. 4. 2. з. Результаты эксперимента.

4.2.4. О возможности использования временной формы нелинейно рассеянного сигнала в обратном направлении

для профилирования нелинейного параметра.

4. з. Использование нелинейного рассеяния волн для диагностики

трещин в упругом материале.

4. з. 1. Основная идея диагностических методов, основанных на наблюдении нелинейного рассеяния на трещине.

4.3.2. Нелинейное рассеяние акустической волны на разрыве сплошности в квазистатичесхом приближении.

4.3.3. Влияние контакта между поверхностями трещины на ее линейную упругость и нелинейные модули.

4.3.4. Оценки уровня нелинейно рассеянного сигнала. 4. 4. Заключение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ