Распространение упругих колебаний в породах.

Если к участку породы ограниченных размеров мгновенно приложить нагрузку (удар), вызывающую напряжения, которые не превышают предел упругости, то этот участок будет испытывать деформацию, т. е. смещение частиц по направлению действующей силы. Ввиду того, что частицы породы жестко связаны между собой, деформация одной частицы вызывает смещение других, более удаленных частиц. Происходит распространение упругой деформации с определенной скоростью. При отсутствии потерь энергии за счет трения соседних частиц упругое возмущение должно распространяться по всей породе.

Произведение массы т элементарного объема на его ускорение, согласно второму закону Ньютона, равно сумме всех сил , действующих на этот объем:

Сумму всех сил вдоль любой оси координат можно выразить как сумму всех элементарных напряжений, умноженных на соответствующую площадь, на которую они действуют.

Упругие колебания - это процесс распространения в породе знакопеременных упругих деформаций ее частиц; частота этих колебаний может быть самой различной в зависимости от частоты генератора, возбуждающего их.

По частоте колебаний упругие волны подразделяются на инфразвуковые – частота колебаний до 20 гц, звуковые – 20 - 20 000 гц, ультразвуковые – более 20000 гц, гиперзвуковые — более 10¹⁰ гц. Частота гиперзвуковых колебаний приближается к частоте тепловых колебаний молекул (10¹³ гц). Волны низкой частоты, быстро затухающие и распространяющиеся в земной коре, но­сят название сейсмических.

Упругие волны возникают в результате распространения деформаций в веществе. В зависимости от вида деформаций могут возникать волны различных типов (рис. 20).

Деформации попеременного объемного сжатия и растяжения обуславливают распространение в веществе продольных упругих колебаний. Продольные упругие волны распространяются в любой среде — газах, жидкостях и твердых телах, так как все вещества обладают сопротивлением объемному сжатию. Продольные упругие волны вызывают звуковые явления. Волны второго типа, обусловленные распространением попеременных деформаций сдвига в среде, называются поперечными. Поперечные волны характерны только для твердых тел, ибо сопротивление сдвигу в жидкостях и газах отсутствует. Эти два типа волн распространяются по всему объему породы и поэтому называются объемными.

Поскольку продольные волны являются наиболее быстрыми (обладают наибольшей фазовой скоростью) и приходят из точки излучения в точку приема первыми, то их принято обозначать буквой P (от слова prima - первый). Поперечные волны приходят в точку приема вторыми, так как их фазовая скорость меньше, чем у продольных. Эти волны принято обозначать буквой S (от слова secunda - второй).

Частицы тела, в частности горной породы, находящиеся на поверхности, испытывают особое состояние, так как встречают меньшее сопротивление своим перемещением в сторону свободной поверхности. В результате этого на поверхности возникает плоская поверхностная (рэлеевская) волна, которая характеризуется движением частиц, образующим траекторию в виде эллипса с большой осью, направленной перпендикулярно перемещению волны. В этом случае каждая частица породы совершает двойное колебание: вдоль и поперек направления движения волны. Для образцов пород типа стержней различают также крутильные и изгибные волны.

Упругие колебания низкой частоты достаточной мощности чаще всего приводят к тем же последствиям, что и механическое напряжение. При этом происходит усталостное разрушение пород. Возможен эффект уплотнения и сортировки рыхлых горных пород.

Особые явления наблюдаются при распространении в горных породах и жидкостях высокочастотных упругих колебаний (в том числе и ультразвука). Малая длина волн позволяет их концентрировать в узкий пучок. Это способствует получению высоких интенсивностей звука с предельными амплитудами смещения и соответствующему проявлению механических, тепловых, электрических и химических эффектов. Причиной этих эффектов являются вызванные ультразвуком колебания частиц, особенно продольные колебания, связанные с деформациями сжатия и растяжения.

При прохождении ультразвука через жидкость возникает кавитация.

Когда в некоторых участках жидкости внутреннее давление р будет ниже статического ее давления р₀, происходит разрыв жидкости. Жидкость испаряется и образуются кавитационные пузырьки, которые захлопываются сразу же, как только р станет больше р₀.

Появлению кавитации особенно способствует наличие в жидкости инородных тел или пузырьков, являющихся как бы центрами ее возникновения. Вблизи этих центров силы притяжения между молекулами воды значительно ослаблены.

Кавитацию можно вызвать различными способами — механическим (гидравлические удары, ультразвук), электрическим (элек­трический разряд в жидкости) и др.

Ультразвуковые волны создают в жидкости зоны растяжения и зоны сжатия. Кавитационные пузырьки появляются в зонах растяжения. Кавитация вызывает эрозию поверхности твердых тел, находящихся в жидкости.

При частотах более 5 Мгц кавитация не наблюдается (процесс возникновения, и исчезновения пузырьков не успевает завершиться).

Кавитация в жидкости является причиной возникновения некоторых эффектов, важнейшим из которых следует считать диспергацию (разрушение) твердых тел, расположенных в области распространения звука.

Скорость ультразвукового разрушения определяется, прежде всего, хрупкостью твердых тел. Чем больше хрупкость, тем при прочих равных условиях выше скорость разрушения. Поэтому легко диспергируются ультразвуком такие породы, как гипс, слюда, графит и сера. Эффект диспергирования усиливается при добавке к воде поверхностно-активных веществ в количестве менее 0,2%.

Кавитация вызывает также дегазацию жидкостей и расплавов. Дегазация связана с понижением давления жидкости при растяжении и выделением вследствие этого газа.

Кавитация вызывает возникновение электрических и химических эффектов ультразвука. Из электрических эффектов основным является люминесценция жидкости.

Химические эффекты ультразвука вызывают ускорение реакции, окисление, восстановление и конденсацию.

Из механических эффектов в жидкостях и газах следует отметить явление, обратное диспергации, — коагуляцию (осаждение) взвешенных в воздухе, газах или жидкостях твердых частиц.

Ультразвук, проходя через жидкость, в которой взвешены частицы породы, заставляет их совершать колебания, частота и амплитуда которых зависят от массы частиц. Это приводит к увеличению частоты соударений частиц, их слипанию, укрупнению и осаждению.

Упругие колебания звуковой и инфразвуковой частоты способны вызвать тиксотропию (разжижение) влажных глинистых пород. Колебания также снижают внутреннее трение рыхлых скальных пород, так как в результате вибрации связь между частицами становится менее устойчивой.

Лекция №12