Упругие колебания и акустические параметры пород

Упругие колебания – это процесс распространения в породе знакопеременных упругих деформаций ее частиц. Очевидно, что частота этих колебаний может быть самой различной в зависимости от частоты генератора, возбуждающего колебания, и частоты собственных колебаний тела.

Упругие волны по частоте колебаний подразделяют на инфразвуковые – с частотой до 20 Гц, гиперзвуковые – более 10¹⁰ Гц, звуковые – 20- 20 000Гц, ультразвуковые – более 20 000Гц. Частота гиперзвуковых колебаний приближается к частоте тепловых колебаний молекул ( 10¹³ Гц).

Волны низкой частоты, вызванные ударом, взрывом землетрясением и т.д., быстро затухающие и распространяющиеся в земной коре, носят название сейсмических.

Так как упругие волны представляют собой распространение в веществе деформаций, то в зависимости от их вида выделяют волны различных типов.

Деформации попеременного объемного сжатия и растяжения обуславливают распространение в веществе продольных упругих колебаний. Продольные волны распространяются в любой среде- газах, жидкостях и твердых телах, так как все вещества обладают сопротивлением объемному сжатию. Именно продольные волны вызывают звуковые явления.

Распространение попеременных деформаций сдвига в среде вызывает поперечные упругие волны. Последние присущи только твердым телам, ибо в жидкостях и газах сопротивление сдвигу отсутствует.

Эти два типа волн распространяются по всему объему породы и поэтому называются объемными.

Характер распространения упругих колебаний в горных породах определяется их акустическими параметрами. К ним относятся скорости распространения упругих волн, коэффициенты поглощения и волновое сопротивление. Породы характеризуются также различными коэффициентами отражения и преломления упругих волн.

Обычно под скоростью волны понимают скорость распространения фронта волны. Фронт волны - это геометрическое место точек среды, в которых в рассматриваемый момент времени фаза волны имеет одно и то же значение.

Скорость распространения упругих волн в горных породах определяется их упругими свойствами и плотностью. Она практически не зависит от частоты, что позволяет использовать для исследований любые частоты колебаний.

Распространение упругих волн в горных породах так же, как и в любом веществе, сопровождается постепенным уменьшением их интенсивности по мере удаления от источника излучения.

Коэффициент поглощения упругих колебаний зависит как от свойств породы (упругих, тепловых и коэффициента внутреннего трения ) так и от частоты колебаний. Для однородных тел и монокристаллов поглощение акустических волн определяется вязкостью и теплопроводностью тел. Как и для жидкостей, в этом случае зависимость коэффициента поглощения q продольной упругой волны от частоты w = pf квадратичная ( формула Стокса- Кирхгофа ). :

q= ,

где h - коэффициент вязкости ( внутреннее трение породы ), Па*с.

Коэффициентом отражения К_э называют отношение энергии отраженной волны А_о к энергии падающей волны А_п :

К_э= .