本文關(guān)鍵詞：次聲波源產(chǎn)生的機理及有限元模擬

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【摘要】：次聲(頻率低于20 Hz的聲波)具有頻率低、易穿透、衰減小、不易被吸收等特點,在大氣中可以傳播較遠(yuǎn)的距離,其信號適合遠(yuǎn)距離觀測,已在核爆、火山噴發(fā)、泥石流等災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域開展研究和應(yīng)用。在有源災(zāi)害的監(jiān)測方面(火山噴發(fā)、煤氣管道泄漏等)取得的效果比較顯著,但是,由于次聲波的波長較長,遇障礙物通常都會發(fā)生衍射而避之,因此對于無源災(zāi)害的監(jiān)測,定位還存在很大的困難,尚需進(jìn)一步的研究和分析。到目前為止次聲波的產(chǎn)生機理還是個謎,很有必要從不同視角對其展開深入的研究和分析,這也是次聲波研究工作者奮斗的目標(biāo)和方向。災(zāi)害次聲波,是災(zāi)害在孕育末期及發(fā)生發(fā)展過程中引發(fā)的空氣波動產(chǎn)生的次聲波。災(zāi)害次聲波可以分為幾種,一種是在災(zāi)害發(fā)生之前的孕育末期引發(fā)的,例如地震、礦震之前的預(yù)滑、擴展造成微破裂而引發(fā)的長周期波,稱為臨災(zāi)次聲波;另一種是災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展階段引發(fā)的強烈的空氣波動產(chǎn)生的次聲波,稱為發(fā)災(zāi)次聲波,例如核爆次聲、火流星次聲等,通過對其監(jiān)測和定位研究,可以為識別、核查等工作提供幫助。發(fā)災(zāi)次聲波中有一類比較特殊,例如泥石流次聲、臺風(fēng)次聲等,由于次聲波傳播的速度(約340 m/s)比泥石流(約10 m/s)、臺風(fēng)(12級約33 m/s)等災(zāi)害傳播得快,監(jiān)測到發(fā)災(zāi)次聲波同樣可以達(dá)到預(yù)警的目的。因此,將這類發(fā)災(zāi)次聲波與臨災(zāi)次聲波統(tǒng)稱為預(yù)警次聲波。次聲波監(jiān)測方面,主要以IMS國際次聲監(jiān)測臺站為主,其設(shè)計的距離為兩千千米,過于稀疏,監(jiān)測信號很難被兩個以上次聲監(jiān)測站捕捉到,且接收到的信號多為當(dāng)?shù)匦盘?信號的源不明確,很難用于信號的定位和關(guān)聯(lián)性研究,即使部分信號源信息明確,但受當(dāng)?shù)睾屯饨缭肼暤雀蓴_,相關(guān)信號一般都很微弱,這種基于噪聲背景下的研究工作,信號的判定又是一個難點。目前,各國也都在積極的建立自己的次聲臺站監(jiān)測系統(tǒng),但相對分散,沒有形成規(guī)模效應(yīng),且缺乏歷史實測次聲監(jiān)測數(shù)據(jù)資料。無論是無源監(jiān)測難于定位的問題還是監(jiān)測信號不易識別的問題,歸根結(jié)底都是次聲波的源的問題,國內(nèi)外很多學(xué)者試圖從傳播路徑和接收方面研究解答,但效果甚微�？梢詮睦碚撗芯�、物理試驗和數(shù)值模擬三個方面開展研究工作,解開次聲波源產(chǎn)生機理之謎�；诖�,本課題從數(shù)值模擬方面入手,積累經(jīng)驗為后續(xù)物理試驗和理論研究提供切入點和參考依據(jù)。本文采用有限元方法對爆炸、礦震和地震三種次聲波源的產(chǎn)生進(jìn)行數(shù)值模擬研究,爆炸意在模擬瞬間發(fā)生的過程,礦震模擬包括發(fā)震之前的微破裂過程和發(fā)震的破裂過程,地震模擬以汶川地震為例,根據(jù)實際地況模擬孕震末期地質(zhì)體變化引發(fā)的次聲波。三個模擬包含了臨災(zāi)次聲波和發(fā)災(zāi)次聲波,通過模擬研究分析次聲波源的產(chǎn)生機理及影響因素,從機理方面入手探討臨災(zāi)次聲波與發(fā)災(zāi)次聲波的共性和特性。分析比較了不同災(zāi)害產(chǎn)生的次聲波的波形、幅值、時域、頻域、能量密度等特征。本文工作主要包括以下六個方面:1.以聲波動方程為基礎(chǔ),綜合考慮耦合時地質(zhì)體和大氣對流層界面處的邊界條件,將地質(zhì)體和大氣對流層經(jīng)有限單元離散建立矩陣方程,推導(dǎo)空間問題的地質(zhì)體與大氣對流層耦合運動微分方程。2.研究了次聲監(jiān)測采集系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)特征以及目前主流的適合次聲頻段的傳感器及其布陣方式,比較分析次聲波的正常信號、干擾信號和異常信號。3.采用有限元方法模擬化學(xué)爆炸過程中產(chǎn)生的次聲波,分析爆炸過程中空氣和巖石中產(chǎn)生的聲波的頻率、波形、幅值等特征,并通過改變加載時間、炸藥形狀、尺寸、參數(shù)和狀態(tài)方程中的變量,研究狀態(tài)量改變對聲波的幅值和頻率的影響情況。4.運用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA分別模擬了礦震發(fā)生之前的微破裂過程中產(chǎn)生的臨災(zāi)次聲波和礦震發(fā)生的破裂過程中產(chǎn)生的發(fā)災(zāi)次聲波,分析了兩種次聲波的頻率、波形、幅值、Wigner-Ville分布等特征,尋找臨災(zāi)次聲波和發(fā)災(zāi)次聲波的共性和特性。5.以汶川地震為研究對象,采用有限元法模擬了2008年5月12日汶川大地震發(fā)生之前的孕育末期地質(zhì)體運動情況及其臨震次聲波的產(chǎn)生。分析了臨震次聲波的頻率、波形、波幅等特征,并與該地區(qū)實際監(jiān)測的臨震次聲異常信號對比分析。6.通過研究微破裂與損傷的關(guān)系以及損傷與聲發(fā)射之間的關(guān)系,得出聲發(fā)射和巖石損傷具有一致性,聲發(fā)射是巖石內(nèi)部損傷的外部顯現(xiàn)。再從裂紋增長的角度出發(fā),分析了聲發(fā)射包含長周期的低頻次聲波,而且臨近破裂時聲發(fā)射的優(yōu)勢頻率會集中在低頻部分。
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD76

【參考文獻(xiàn)】

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