流体与固体界面波传播特性探究
相是具有相同成分和相同物理、化学性质的均匀物质部分，也就是说相是物质
的单一状态，例如固态、气态和液态。两相流也就是指物质两相同时并存并且具
有明显的相界面的混合流体。从力学的观点看，在多相流体力学中，不同速度、
不同温度和尺寸的颗粒、气泡或液体具有不同的力学特性，因此可以是不同的相。
流体相和颗粒相组成的流动称为两相流，具体分为气液两相流、气固两相流、液
固两相流和液液两相流。而近年来流固界面波在地球物理、无损检测等领域的应
用引起了研究者们的广泛兴趣，目前被广泛应用于大坝监测、地质勘探、泥沙含
量检测等实际工程应用中。
界面波有多种，在固-固界面传播的波叫 Stonely 波，在流-固界面传播的波是
Scholte 波。而由于流-固界面波具有幅度大、传播损耗小、频散小等特点能够更好
地反映流固各介质的特性因而被各领域研究者广泛研究。
本文主要通过泥沙两相流体特性和钢板界面波传播特性研究，建立合理的泥沙
模型，并立足于特定的泥沙模型：Urick 模型和 Urick&Ament 模型，从理论上分析
固体界面波波速与泥沙含量、粒径的关系，并利用 Matlab 对模型进行数值仿真和
信号处理，能在一定程度上反演泥沙流体中的泥沙特性，从而对泥沙两相流体与
固体界面波特性有个全面的认识。
关键词： ：两相流体；Scholte 波 ；泥沙体积含量与粒径 ；反演
1.2 研究现状
1 1.2.1 课题涉及领域
由于影响声波的因素很多，波信号的采集、信号提取和处理就显得相当复杂。
本课题涉及的领域及学科面较广，比较典型的有无损检测、声学、材料学、数字
信号处理等。
1 1 、无损检测 查看完整请+Q:351916072获取
无损检测 [2] 与无损评价技术是在物理学、材料科学、断裂力学、机械工程、电
子学、计算机技术、信息技术以及人工智能等学科的基础上发展起来的一门应用
工程技术。无损检测技术也就是非破坏性检测，换句话说，就是在不破坏待测物
质原来的状态以及化学性质等前提下，为了获得与待测物品质有关的信息、性质
或者成分等物理、化学情报所采用的检查方法。主要分：超声检测、射线检测、
磁粉检测、渗透检测、涡流检测、声发射检测、红外检测、激光全息检测等。进
入 21 世纪以后，随着科学技术特别是计算机技术、数字化与图像识别技术、人工
神经网络技术和机电一体化技术的大发展，无损检测技术获得了快速进展。在研
究泥沙特性以及流-固界面波特行时，不破坏研究物体如河流的水质、岩石固体或
者堤坝结构等是我们研究的最基本的前提。因而，实验中我们是通过在实验室中
准确模拟实际环境，搭建实验平台并对其进行测量的。与破坏性检测相比，具有
非破坏性、全面性、全程性、可靠性等显著特点。
2 2 、声学
声学 [3] 是物理学的众多分支学科之一，是研究媒质中机械波产生、传播、接收
和效应的科学。媒质包括物质各态即固体、液体和气体等。它们可以是弹性媒质
也可以是非弹性媒质。机械波是指质点运动变化。主要包括位移、速度、加速度
中某一种或几种的变化的传播现象。机械波即声波。质点振动的方向与声波传播
方向相同的波为纵波，见图 1.1。而质点振动的方向与声波传播的方向垂直的波叫
横波。在气体和液体中只有纵波。在固体中除了纵波以外，还可能有横波，有时
还有纵横波。 声波场中质点每秒振动的周数称为频率，单位为赫(Hz)。
物体的振动往往伴随着声音的产生。例如，提琴的弦的振动能产生悦耳的音
乐，收音机借助于扬声器纸盆的振动播送出语言和音乐节目，绷紧的鼓皮的振动
会发财‘吟吟吟”的声音等，那么物体的振动何以会在人们的耳朵中感觉为声音?
这个有趣的问题实际上包含着两方面的内容 [4] ：一是物体的振动如何传到人们的耳
朵，从而使人耳的鼓膜发生振动?另一是人耳鼓膜的振动如何使人们主观上感觉为
声音。关于后一问题属于生理声学的范畴，这里不准备讨论。所以重点讨论第一
方面问题，即物体的振动是如何在媒质中传播的。
我们知道，连续媒质可以看作是由许多紧密相连的微小体积元 dV 组成的物质
系统，这样体积元内的媒质就可以当作集中在一点、质量等于 ρdV 的“质点”来
处理，ρ 是媒质的密度。但是，这种“质点”又同我们通常所讲的刚性质点不同，
因为 ρ 是随时间和坐标不同而变化的。因此这个质点的质只是变化的。本书主要
讨论平密态下的物质系统内的声学现象，在平衡态时系统可用体积
0 V (或密度0? )、压强0P 及温度 0T 等状态参数来描述。在这种状态下，组成媒质约分子等微粒虽然
不断地运动着，但就任一个体积元来讲，在时间 t 内流入的质量等于流出的质量，
因此体积元内的质量是不随时间变化的。如有声波作用时，在组成媒质的微粒的
杂乱运动中附加了一个有规律的运动，使得体积元内有时流入的质量多于流出的
质量，有时又反过来，即体积元内的媒质一会儿稠密，一会儿又稀疏。所以声波
的传播实际上也就是媒质内稠密和稀疏的交替过程。显然这样的变化过程可以用
体积元内压强、密度、温度以及质点速度等的变化量来描述。设体积元受声扰动
摘要 . I 查看完整请+Q:351916072获取
ABSTRACT .II
第 1 1 章 绪论1 1
1.1 课题背景 ……………………………………………….……….1
1.2 研究现状 ……………………………………………………2
1.2.1课题涉及领域 .2
1.2.2课题研究现状.6
1.3 本章小结 ..7
第 2 2 章 流- - 固界面波和声波的基本特性 .9
2.1界面波及流-固Scholte 特征方程.9
2.1.1界面波的分类及特性 .9
2.1.2流-固Scholte 波特征方程的建立12
2.2悬浊液泥沙含量测量方法及比较分析 14
2.2.1直接测量方法 .14
2.1.2间接测量方法.15
2.3本章小结 ..16
第 第3 章 几种泥沙模型与实验装置 18
3.1几种泥沙模型 18
3.1.1 ECAH 模型 .18
3.1.2 Harker&Temple模型19
3.1.3 BLBL 模型.19
3.1.4 McClements 模型.20
3.1.5 Urick 和 Urick and Ament 模型.21
3.2实验系统构成 22
3.2.1实验装置 .22
3.2.2实验方法.23
3.2.3影响测量结果的主要因素.24
3.3本章小结 ..24
第 第 4 章 实验数据 处理、仿真与反演算例分析 .26
4.1实验数据的处理 26
4.1.1数据处理方法 .26
4.1.2数据处理结果.27
4.2仿真 ..27
4.2.1 Matlab 仿真 ..27
4.2.2 Comsol 仿真27
4.3 反演 ..30
4.3.1数据拟合.30
4.3.2反演方法与样例分析.33
4.4 本章小结 ..40
第 第 5 章 总 总 结与展望 41
5.1 全文总结 41
5.2 展望 ..41
参考文献 43
致 致 谢 45
附 附 录 46 查看完整请+Q:351916072获取
的单一状态，例如固态、气态和液态。两相流也就是指物质两相同时并存并且具
有明显的相界面的混合流体。从力学的观点看，在多相流体力学中，不同速度、
不同温度和尺寸的颗粒、气泡或液体具有不同的力学特性，因此可以是不同的相。
流体相和颗粒相组成的流动称为两相流，具体分为气液两相流、气固两相流、液
固两相流和液液两相流。而近年来流固界面波在地球物理、无损检测等领域的应
用引起了研究者们的广泛兴趣，目前被广泛应用于大坝监测、地质勘探、泥沙含
量检测等实际工程应用中。
界面波有多种，在固-固界面传播的波叫 Stonely 波，在流-固界面传播的波是
Scholte 波。而由于流-固界面波具有幅度大、传播损耗小、频散小等特点能够更好
地反映流固各介质的特性因而被各领域研究者广泛研究。
本文主要通过泥沙两相流体特性和钢板界面波传播特性研究，建立合理的泥沙
模型，并立足于特定的泥沙模型：Urick 模型和 Urick&Ament 模型，从理论上分析
固体界面波波速与泥沙含量、粒径的关系，并利用 Matlab 对模型进行数值仿真和
信号处理，能在一定程度上反演泥沙流体中的泥沙特性，从而对泥沙两相流体与
固体界面波特性有个全面的认识。
关键词： ：两相流体；Scholte 波 ；泥沙体积含量与粒径 ；反演
1.2 研究现状
1 1.2.1 课题涉及领域
由于影响声波的因素很多，波信号的采集、信号提取和处理就显得相当复杂。
本课题涉及的领域及学科面较广，比较典型的有无损检测、声学、材料学、数字
信号处理等。
1 1 、无损检测 查看完整请+Q:351916072获取
无损检测 [2] 与无损评价技术是在物理学、材料科学、断裂力学、机械工程、电
子学、计算机技术、信息技术以及人工智能等学科的基础上发展起来的一门应用
工程技术。无损检测技术也就是非破坏性检测，换句话说，就是在不破坏待测物
质原来的状态以及化学性质等前提下，为了获得与待测物品质有关的信息、性质
或者成分等物理、化学情报所采用的检查方法。主要分：超声检测、射线检测、
磁粉检测、渗透检测、涡流检测、声发射检测、红外检测、激光全息检测等。进
入 21 世纪以后，随着科学技术特别是计算机技术、数字化与图像识别技术、人工
神经网络技术和机电一体化技术的大发展，无损检测技术获得了快速进展。在研
究泥沙特性以及流-固界面波特行时，不破坏研究物体如河流的水质、岩石固体或
者堤坝结构等是我们研究的最基本的前提。因而，实验中我们是通过在实验室中
准确模拟实际环境，搭建实验平台并对其进行测量的。与破坏性检测相比，具有
非破坏性、全面性、全程性、可靠性等显著特点。
2 2 、声学
声学 [3] 是物理学的众多分支学科之一，是研究媒质中机械波产生、传播、接收
和效应的科学。媒质包括物质各态即固体、液体和气体等。它们可以是弹性媒质
也可以是非弹性媒质。机械波是指质点运动变化。主要包括位移、速度、加速度
中某一种或几种的变化的传播现象。机械波即声波。质点振动的方向与声波传播
方向相同的波为纵波，见图 1.1。而质点振动的方向与声波传播的方向垂直的波叫
横波。在气体和液体中只有纵波。在固体中除了纵波以外，还可能有横波，有时
还有纵横波。 声波场中质点每秒振动的周数称为频率，单位为赫(Hz)。
物体的振动往往伴随着声音的产生。例如，提琴的弦的振动能产生悦耳的音
乐，收音机借助于扬声器纸盆的振动播送出语言和音乐节目，绷紧的鼓皮的振动
会发财‘吟吟吟”的声音等，那么物体的振动何以会在人们的耳朵中感觉为声音?
这个有趣的问题实际上包含着两方面的内容 [4] ：一是物体的振动如何传到人们的耳
朵，从而使人耳的鼓膜发生振动?另一是人耳鼓膜的振动如何使人们主观上感觉为
声音。关于后一问题属于生理声学的范畴，这里不准备讨论。所以重点讨论第一
方面问题，即物体的振动是如何在媒质中传播的。
我们知道，连续媒质可以看作是由许多紧密相连的微小体积元 dV 组成的物质
系统，这样体积元内的媒质就可以当作集中在一点、质量等于 ρdV 的“质点”来
处理，ρ 是媒质的密度。但是，这种“质点”又同我们通常所讲的刚性质点不同，
因为 ρ 是随时间和坐标不同而变化的。因此这个质点的质只是变化的。本书主要
讨论平密态下的物质系统内的声学现象，在平衡态时系统可用体积
0 V (或密度0? )、压强0P 及温度 0T 等状态参数来描述。在这种状态下，组成媒质约分子等微粒虽然
不断地运动着，但就任一个体积元来讲，在时间 t 内流入的质量等于流出的质量，
因此体积元内的质量是不随时间变化的。如有声波作用时，在组成媒质的微粒的
杂乱运动中附加了一个有规律的运动，使得体积元内有时流入的质量多于流出的
质量，有时又反过来，即体积元内的媒质一会儿稠密，一会儿又稀疏。所以声波
的传播实际上也就是媒质内稠密和稀疏的交替过程。显然这样的变化过程可以用
体积元内压强、密度、温度以及质点速度等的变化量来描述。设体积元受声扰动
摘要 . I 查看完整请+Q:351916072获取
ABSTRACT .II
第 1 1 章 绪论1 1
1.1 课题背景 ……………………………………………….……….1
1.2 研究现状 ……………………………………………………2
1.2.1课题涉及领域 .2
1.2.2课题研究现状.6
1.3 本章小结 ..7
第 2 2 章 流- - 固界面波和声波的基本特性 .9
2.1界面波及流-固Scholte 特征方程.9
2.1.1界面波的分类及特性 .9
2.1.2流-固Scholte 波特征方程的建立12
2.2悬浊液泥沙含量测量方法及比较分析 14
2.2.1直接测量方法 .14
2.1.2间接测量方法.15
2.3本章小结 ..16
第 第3 章 几种泥沙模型与实验装置 18
3.1几种泥沙模型 18
3.1.1 ECAH 模型 .18
3.1.2 Harker&Temple模型19
3.1.3 BLBL 模型.19
3.1.4 McClements 模型.20
3.1.5 Urick 和 Urick and Ament 模型.21
3.2实验系统构成 22
3.2.1实验装置 .22
3.2.2实验方法.23
3.2.3影响测量结果的主要因素.24
3.3本章小结 ..24
第 第 4 章 实验数据 处理、仿真与反演算例分析 .26
4.1实验数据的处理 26
4.1.1数据处理方法 .26
4.1.2数据处理结果.27
4.2仿真 ..27
4.2.1 Matlab 仿真 ..27
4.2.2 Comsol 仿真27
4.3 反演 ..30
4.3.1数据拟合.30
4.3.2反演方法与样例分析.33
4.4 本章小结 ..40
第 第 5 章 总 总 结与展望 41
5.1 全文总结 41
5.2 展望 ..41
参考文献 43
致 致 谢 45
附 附 录 46 查看完整请+Q:351916072获取
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