Ultrasonic waves in saturated porous materials. Discussion of modeling and experimantal results

• Autorzy: Kaczmarek M. , Kochański J. , Kubik J.

Warianty tytułu

PL

Fale ultradźwiękowe w nasyconych materiałach porowatych. Modelowanie a wyniki eksperymentalne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Models and experimental results obtained for ultrasonic waves in saturated porous materials are analyzed in order to assess the capability of the models to describe basic features of attenuation and dispersion of the waves. The physical mechanisms taken into account are: macroscopic relative motion of phases, micro-inhomogeneity of pore fluid velocity, intergranular friction, and micro-scattering. The role of macroscopic relative motion is studied basing on the results for dry and saturated materials as well as by comparsion between wave characteristics for different parameters describing viscous and inertial interaction of the phases. The influence of micro-inhomogeneity of pore fluid velocity is tested throughout the history dependence of interaction force. The theoretical results that incorporate the intergranular friction resulting in complex bulk modulus of dry skeleton are compared with the experimental results for loose and sintered material. The porous samplers are filled with water and tested by using the pulse transmission method and immersion techniqe. The experimental data for wide frequency range are processed derived by using of spectral analysis. The comparsion of theoretical and experimental results shows good qualitative agreement between the predications and experimental data.

PL

W pracy przeanalizowano wyniki teoretycznych i eksperymentalnych badań dotyczących propagacji fal ultradźwiękowych w nasyconych materiałach porowatych celem oceny efektywności modelowania podstawowych cech tłumienia i dyspersji prędkości fal. Mechanizmy fizyczne, które zostały wzięte pod uwagę są następujące: makroskopowy względny ruch faz, mikro-niejednorodność pola prędkości cieczy, tarcie pomiędzy ziarnami i mokroskopowe rozpraszanie na niejednorodnościach. Rolę makroskopowego ruchu względnego faz zbadano na podstawie porównania wyników dla suchego i nasyconego materiału oraz dla modelu z różnymi wartościami parametrów struktury. Znaczenie niejednorodności pola prędkości cieczy porowej przeanalizowano w ramach modelu z siłą oddziaływania zależną od historii względnego ruchu faz. Przewidywania teoretyczne uwzględniające tarcie pomiędzy ziarnami, wyrażone przez zespolone moduły sprężystości, zostały porównane z wynikami eksperymentalnymi dla luźnych i spiekanych materiałów. Porowate próbki szklane nasycone wodą badano techniką impulsową w zanurzeniu. Dane eksperymentalne uzyskano stosując analizę spektralną w szerokim zakresie częstotliwości. Przeprowadzona analiza pokazuje dobrą jakościową zgodność przewidywań teoretycznych oraz danych doświadczalnych.

Słowa kluczowe

EN

saturated porous materials; ultrasonic waves; attenuation

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 1998
• Tom: nr 3
• Strony: 598--618
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys.

Twórcy

autor

Kaczmarek M.

• Department of Environmental Mechanics, Pedagogical University in Bydgoszcz

autor

Kochański J.

• Department of Environmental Mechanics, Pedagogical University in Bydgoszcz

autor

Kubik J.

• Department of Environmental Mechanics, Pedagogical University in Bydgoszcz

Bibliografia

• 1. BERRYMAN J.G., 1980, Confirmation of Biot's Theory, Appl. Phys. Lett., 37, 10, 898-900.
• 2. BIOT M.A., 1956, Theory of Elastic Waves in a Fluid Saturated Porous Solid, J. Acoust. Soc. Am., 28, 168-191.
• 3. BIOT M.A., 1962, Mechanics of Deformation and Acoustic Propagation in Porous Dissipative Media, J. Appl. Phys., 33, 1482-1498.
• 4. BIOT M.A., WILLIS D.G., 1957, The Elastic Coefficients of the Theory of Consolidation, J. Appl. Mech., 594-601.
• 5. BOURBIE T., COUSSY O., ZINSZNER B., 1987, Acoustics of Porous Media, Gulf Publ. Comp.Houston.
• 6. BOWEN R.M., 1984, Porous Media Model Formulations by the Theory of Mixtures, in: Fundamentals of Transport Phenomena in Porous Media, edit. J. Bear and M.Y. Corapcioglu, 63-120.
• 7. CHABAN LA., 1993, Sound Attenuation in Sediments and Rock, Acoustical Physics, 39, 2, 190-193.
• 8. DUTTA N.C., 1980, Theoretical Analysis of Observed Second Bulk Compres-sional Wave in a Fluid-Saturated Porous Solid at Ultrasonic Frequencies, Appl. Phys. Lett., 37, 10, 898-900.
• 9. HOLLAND C.W., BRUNSON B.A., 1988,The Biot-Stoll Sediment Model: An Experimental Assessment, J. Acoust. Soc. Am., 84, 4, 1437-1443.
• 10. JOHNSON D.L., 1986, Recent Developments in the Acoustic Properties of Porous Media, in: Frontiers in Physical Acoustics, Soc. Italiana di Fisica-Bologna, XCIII Corso, 255-290.
• 11. JOHNSON D.L., KOPLIK J., DASHEN R., 1987, Theory of Dynamic Permeability in Fluid-Saturated Porous Media, J. Fluid Mech., 176, 379-402.
• 12. JOHNSON D.L., PLONA T., KOJIMA H., 1994, Probing Porous Media with First and Second Sound. II Acoustic Properties of Water-Saturated Porous Media, J. Appl. Phys., 76, 1, 115-125.
• 13. JOHNSTON D.H., TOKSOZ M.N., 1980, Ultrasonic P and S Wave Attenuation in Dry and Saturated Rocks under Pressure, J. Geoph. Res., 85, B2, 925-936.
• 14. JUNGMAN A., QUENTIN G., ADLER A., XUE Q., 1989, Elastic Property Measurements in Fluid-Filled Porous Materials, J. Applied Phys., 66, 11, 5179-5184.
• 15. KACZMAREK M., KUBIK J., 1988, Wpływ historii względnego ruchu składników na siły oddziaływania i parametry propagacji fal w ośrodku porowatym wypełnionym cieczą, Eng. Trans., 36, 4, 661-179.
• 16. KUBIK J., KACZMAREK M., 1988, Wpływ struktury porów na propagację fal harmonicznych w ośrodku przepuszczalnym wypełnionym cieczą, Eng. Trans., 36, 3, 419-440.
• 17. MAVKO F.M., NUR A., 1979, Wave Attenuation in Partially Saturated Rocks, Geophysics, 44, 161-178.
• 18. O'CONNELL R.J., BUDIANSKY B., 1977, Viscoelastic Properties of Fluid-Saturated Cracked Solids, J. Geoph. Res., 82, 5719-5736.
• 19. PLONA T.J., 1980, Observation of a Second Compressional Wave in a Porous Medium at Ultrasonic Frequencies, Apll. Phys. Lett., 36, 4, 259-261.
• 20. PLONA T.J., D'ANGELO R., JOHNSON D.L., 1990, Velocity and Attenuation of Fast, Shear and Slow Waves in Porous Media, IEEE Ultrasonic Symposium, 1233-1239.
• 21. RADZISZEWSKI L., RANACHOWSKI J., 1986, Badania parametrów propagacji fal ultradźwiękowych i modułów sprężystości w spiekach proszków miedzi, IFTR Reports, 34, 1-68.
• 22. RASOLOFOSAON P.N.J., 1988, Importance of Interface Hydraulic Condition on the Generation of Second Bulk Compressional Wave in Porous Media, Appl. Phys. Lett., 52, 10, 780-782.
• 23. SAYERS CM., 1981, Ultrasonic Velocity Dispersion in Porous Materials, J. Appl. Phys., 14, 413-420.
• 24. SALIN D., ScHON W., 1981, Acoustics of Water Saturated Packed Glass Spheres, J. Physique, L-477-L-480.
• 25. STOLL R.D., 1990, Sediment Acoustics, Springer-Verlag.
• 26. TITTMANN B.R., BULAU J.R., ABDEL-GAWAD M., 1984, Dissipation of Elastic Waves in Fluid Saturated Rocks, in: Physics and Chemistry of Porous Media, AIP Conference Proc, edit. D.L. Johnson and P.N. Sen, AIP, N.Y.
• 27. WINKLER K.W., PLONA T.J., 1982, Technique for Measuring Velocity and Attenuation Spectra in Rocks under Pressure, J. Geoph. Res., 87, B13, 10776-10780.
• 28. XU S., KING M.S., 1990, Attenuation of Elastic Waves in a Cracked Solid, Geophys. J. Int., 101, 169-180.
• 29. YEW C.H., JOGI P.N., GRAY K.E., 1979, Estimation of the Mechanical Properties of Fluid-Saturated Rocks Using the Measured Wave Motions, Trans, of ASME, J. Energy Res. Techn., 101, 112-116.