含泥沙的流固層狀介質界面波傳播特性研究

毛志斌，韓慶邦，范洪輝，殷澄，李建，朱昌平

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含泥沙的流固層狀介質界面波傳播特性研究

毛志斌1，韓慶邦1，2，范洪輝3，殷澄1，李建2，朱昌平1

(1. 河海大學物聯網學院，江蘇常州 213022；2. 河海大學淮安研究院，江蘇淮安 223001； 3. 江蘇理工學院計算機工程學院，江蘇常州 213001)

在彈性波傳播理論的基礎上，結合邊界條件，導出了流固層狀介質導波特征方程，計算特征方程的頻散曲線；然后結合Urick、Urick-Ament和Harker-Temple這三種懸濁液模型，計算流體層中的泥沙含量和顆粒粒徑與界面波波速的關系；分析比較不同模型下泥沙含量及顆粒粒徑與波速的關系圖，討論不同參數對波速的影響，得出了三種模型下波速隨泥沙含量和顆粒粒徑的變化趨勢，最后發現Urick-Ament模型同時適用于檢測懸濁液的泥沙含量和泥沙顆粒粒徑，且在三種模型中有相對較好的可靠性和實用性。

層狀介質；界面波；頻散曲線；懸濁液模型；泥沙含量；顆粒粒徑

0 引言

對于河流泥沙含量和顆粒粒徑[1]的檢測一直是世界范圍的難題，在實際測量中會遇到精度不高、測量周期過長、測量范圍不大等問題。為解決這些問題，之前有人利用聲學方法進行測量，取得了一定的效果，但是利用界面波[2]檢測的方法還比較少，本文將著重研究利用界面波檢測懸濁液泥沙含量和顆粒粒徑的方法。

界面波是指沿著介質間交界面傳播的波，其能量主要集中在離界面一個波長的范圍內，且對兩側介質屬性敏感。早在1924年Scholte就建立了沿流固介質交界面傳播的界面波理論，我們稱之為Scholte波[3,4]。目前對Scholte波的應用基本集中在固體側介質的屬性研究(如無損檢測)，而利用界面波反演流體側介質屬性的研究還很少。

關于泥沙懸濁液模型的研究，在1948年，Urick便提出了第一個理想狀態下的模型——Urick模型[5]；之后Ament等人考慮了入射波、折射波、反射波以及散射的復雜情況，提出了一個關系到真實流體傳播波數的Urick-Ament模型[6]；隨后Harker和Temple從水動力學的觀點推導了相間相互作用的粘滯阻力方程，提出了耦合相概念的Harker- Temple模型[7]。

本文在流固界面波理論[8]的基礎上，結合三種泥沙懸濁液模型[9,10]，研究及分析在不同模型下泥沙含量及顆粒粒徑對界面波波速的影響，從而可以在實際應用中通過實測波速和理論關系曲線來反推懸濁液中的泥沙含量及顆粒粒徑。

1 界面波特征方程的建立

圖1為層狀介質理論模型。以三層介質為例，分別為流體層、固體層和半無限固體層。表示流體層與固體層的交界面，界面波在處沿+方向傳播。

關于此模型的位移勢函數可表示為

；

；

；

即(2)

半無限固體介質層滿足無窮遠處輻射條件，因此：

介質中位移及應力用位移勢函數表示為

；

；

2 界面波頻散計算

對于上述含液層的三層介質的情況，各層的物理參數的取值如表1所示。

將表1的參數代入界面波特征方程，整理計算得到如圖2所示的圖形。由圖中波速和頻率的關系，表明界面波具有頻散特性。在聲源頻率小于30 kHz時只有第一階模式存在，大于30 kHz后會出現多階模式。對于第一階模式界面波，當聲源頻率接近0 Hz時，界面波波速接近于第二層介質的Rayleigh表面波波速，隨著頻率增加波速慢慢減小且趨于穩定，當頻率高于50 kHz時，第一階界面波速度與頻率關系不大。

表1 三層介質的基本物理參數

為了比較不同層數的層狀介質界面波頻散特性，這里加入一組兩層介質的模型作為比較對象，其中兩層介質的各層物理參數如表2所示。

圖3給出了兩層層狀介質界面波波速與頻率的關系，從圖中可以看出兩層層狀介質的界面波同樣具有頻散特性。為了更好地比較兩層和三層層狀介質的界面波頻散特性，將兩種情況的第一階界面波繪于同一幅圖中，如圖4所示。這兩種情況下第一階界面波均是在接近0 Hz時波速接近Rayleigh波波速，隨著頻率的增加波速逐漸減小且取向穩定。同時，發現三層介質下界面波的頻散截止頻率高于兩層介質下界面波的頻散截止頻率。

表2 兩層介質的基本物理參數

3 懸濁液理論模型的選取

界面波方法測量層狀介質流體側泥沙體積含量和顆粒粒徑是通過測量界面波波速隨流體側介質參數的變化趨勢，這一過程中，如何通過數學模型準確、快速地建立界面波波速和物理參數的關系尤為重要。為了研究懸濁液中的聲學特性，研究者已先后提出了一系列數學模型[5-7]。

3.1 Urick模型[5]

Urick模型是最早期的關于超聲波在懸浮液中的傳播波速的模型。在懸浮流體中，將超聲傳播速度以等效密度和等效體積壓縮系數來表示：

對于此模型，只需將特征方程的液體密度用等效密度表達式代替即可得出懸濁液泥沙含量和波速的關系式。

3.2 Urick-Ament模型[6]

Urick-Ament模型是一個關系到真實流體傳播波數的復傳播方程，其中考慮到了入射波、折射波、反射波以及散射的復雜情況，其方程表達式為

3.3 Harker-Temple模型[8]

Harker和Temple從水動力學的觀點考慮懸濁液中的生波動現象，推導出了相同相互作用的黏性阻力方程，以及每一相獨立的動量和質量守恒方程。對這些微分方程同時求解可以得出復波數方程，即

(9)

4 結果分析與比較

采用上述三層介質中的硬河底，第二層和第三層介質的物理參數如表1所示。流體層(第一層介質)為泥沙懸濁液，不考慮泥沙的沉積作用，認為泥沙顆粒大小一致且分布均勻，表3為泥沙懸濁液相關介質的參數表。

表3 泥沙懸濁液的相關介質參數表

圖5是上述條件時，三種模型下懸濁液泥沙含量與界面波波速的關系曲線對比圖。本組計算中，數值仿真了頻率為50 kHz、粒徑為60、懸濁液泥沙含量從0%增加到20%時各模型對應界面波波速的變化趨勢。從圖中可以清楚地看出，對于Urick模型，隨著懸濁液泥沙體積含量的增加，界面波波速呈現逐漸減小的趨勢；而對于Urick- Ament模型和Harker-Temple模型，隨著泥沙體積含量的增加，界面波波速都呈現增大的趨勢，且Urick-Ament模型的增大趨勢比Harker-Temple模型更加明顯，說明它對泥沙濃度更加敏感，在實際應用中使用此模型能得到更好的效果。

圖6所示是三種模型下泥沙懸濁液顆粒粒徑與界面波波速的關系曲線圖。本組計算數值仿真了頻率為50 kHz，泥沙體積濃度為12%，懸濁液顆粒粒徑從50增加到100時各模型對應界面波波速的變化趨勢。從圖中可以清晰地看出，Urick模型和Harker-Temple模型所對應的速度并不隨顆粒粒徑的改變而發生改變，這也與兩種模型所對應的方程是一致的。Urick模型的表達式中并未出現粒徑的量，因此速度不隨粒徑發生改變；而Harker- Temple模型的表達式中雖然出現了含粒徑的量，但是它出現在了表達式的虛部，根據物理意義可以知道粒徑對聲波的衰減影響較大，而對速度的影響非常小，有時可以將其忽略。對于Urick-Ament模型，速度隨著顆粒粒徑的增加呈現增大的趨勢，更加符合實際情況。

結合上述兩種分析比較，界面波在傳播時具有一定規律，它的傳播速度和懸濁液的體積濃度及泥沙的顆粒粒徑具有一定的對應關系。在討論上述三種模型時，結合實際我們發現，當檢測懸濁液顆粒相體積含量時，Urick-Ament模型和Harker-Temple模型具有較強的實用性；而當檢測顆粒粒徑時，Urick-Ament模型的實用性是三種模型中最強的。綜上所述，對于上述三種模型，在同時進行體積濃度和顆粒粒徑檢測時，Urick-Ament模型更加貼近實際，有更好的實用性。

5 結語

本文將流固層狀介質界面波特征方程與泥沙懸濁液聲傳播模型相結合，首先對比了兩層和三層介質界面波的頻散特性，隨后基于Urick模型、Urick-Ament模型和Harker-Temple模型這三種懸濁液模型分析了層狀介質流體側介質屬性對界面波波速的影響，結果說明在同時適用對泥沙體積含量和顆粒粒徑的檢測時，Urick-Ament模型是相對合適的模型。所得結論將為以后用界面波方法對河流中泥沙體積含量和泥沙顆粒相粒徑的檢測提供理論依據。

[1] 侯懷書, 張鎖懷. 基于中低頻超聲波的納米顆粒粒徑測量[J]. 機械工程材料, 2011, 35(5): 80-82.

HOU Huaishu, ZHANG Suohuai. Nanoparticle-based particle size measurement of low-frequency ultrasound[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2011, 35(5): 80-82.

[2] 朱哲民, 李劍, 鄒薇.有液層負載時薄板中類Lamb波的傳播[J].聲學學報, 1996, 21(3): 174-181.

ZHU Zheming, LI Jian, ZOU Wei. The propagation of Lamb waves in sheet with liquid laver[J]. Acta Acustica, 1996, 21(3): 174-181.

[3] M.de Billy, G. Quentin. Experimental study of the Scholte wave propagation on a plane surface partially immersed in a liquid[J]. 1983, 54(8): 4314-4322.

[4] 祝捍皓, 樸勝春, 張海剛. 水平分層彈性海底環境下Scholte波特性的研究[J]. 聲學技術, 2011, 30(3): 1576-1588.

ZHU Hanhao, PU Shengchun, ZHANG Haigang. Study on the characteristic of scholte waves in flexible hierarchical level under the seabed environment[J]. Technical Acoustics, 2011, 30(3): 1576-1588.

[5] Urick R J. A sound velocity method for determining the compressibility of finely divided substances(S0021-8979)[J]. J. Appl. Phys, 1947, 18(11): 983-987.

[6] Urick R J, W S Ament J. The propagation of sound in composite-media(S0001-4966)[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1949, 21(2): 115.

[7] Harker A H, Temple J A G. Velocity and attenuation of ultrasound in suspensions of particles in fluids[J]. J Phys D: Appl Phys, 1988, 21(11): 1576-1588.

[8] 韓慶邦, 錢夢騄, 朱昌平. 激光超聲方法研究固-固界面波傳播特性[J]. 物理學報, 2001, 56(1): 313-320.

HAN Qingbang, QIAN Menglu, ZHU Cangping. Study on solid-soild interface waves with laser ultrasonics[J]. Acta Physica Sinica, 2001, 56(1): 313-320.

[9] Tebbutt J S, Challis R E. Ultrasound wave propagation in colloidal suspensions and emulsions: a comparison of four models[J].Ultrasonics, 1996, 34(2-5): 363-368.

[10] 蘇明旭, 蔡小舒.超細顆粒懸濁液中聲衰減和聲速的數值模擬[J]. 上海理工大學學報, 2002, 24(1): 21-25.

SU Mingxu, CAI Xiaoshu. Numerical simulation of ultrafine particle suspension sound attenuation and speed of sound[J]. J. University of Shanghai for Science and Technology, 2002, 24(1): 21-25.

Research on the characteristics of fluid-solid interface wave propagation in layered sediment medium

MAO Zhi-bin1, HAN Qing-bang1,2, FAN Hong-hui3, YIN Cheng1, LI Jian2, ZHU Chang-ping1

(1. Internet of Things EngineeringCollege of Hohai University,College of IOT Engineering Changzhou, Changzhou 213022, Jiangsu,China; 2. Huaian Research Institute of Hohai University, Huai’an223001, Jiangsu,China; 3. School of Computer Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, Jiangsu,China)

Based on the theory of elastic wave propagation and boundary conditions, the characteristic equation of fluid-solid interface waves propagation in layered sediment medium is derived; three suspended fluid modelsof Urick, Urick-Ament and Harker-Temple are used to investigate the relations between velocity and sediment concentration as well as particle size.By the discussion of the impact of different parameters on the velocity, the velocity variation trends under three models with the change of sediment concentration and particle size are obtained. As a result, it is found that Urick-Ament model is more applicable to the detection of sediment concentration and sediment suspension particle size for the fluid-solid interface wave.

layered medium; interface waves; dispersion curve; suspension models; sediment concentration; particle size

TB551

A

1000-3630(2015)-03-0198-05

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.002

2014-03-05;

2014-06-05

國家自然科學基金(11274091、61302124、11274092), 河海大學中央高校基金項目(2011B11014), 淮安河海研究生院開放基金資助項目。

毛志斌(1989－), 男, 江蘇蘇州人, 碩士, 研究方向為通信電路與聲學技術。

韓慶邦, E-mail: hqb0092@163.com