О рассеянии релеевских и продольных сейсмических волн на локальной неровности грунта
Автор: Заславский Ю.М., Заславский В.Ю.
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.17, 2024 года.
Бесплатный доступ
Выполнено 3-D численное моделирование рассеяния сейсмических поверхностных релеевских и продольных волн, распространяющихся по грунту, плотность и упругость которого типичны для геосреды. На границе грунта имеется локальная неровность в виде пустотелой полусферической выемки (усеченной сферы). Показано, что направленность поля рассеяния зависит от вида неоднородности. Из литературы известно, что при переходе к другому виду неоднородности, например, к покрытию границы тонким инертным (массивным) слоем в виде кружка, возникает рассеяние вперед. Рассматривается импульсный режим зондирования неоднородности. В качестве излучателя предлагается использовать короткоимпульсный источник, например, гидроакустический излучатель или подобный ему пульсирующий монополь, неглубоко погруженный под свободную границу. Таким образом, генерируются упругие волны - поверхностная релеевская и обратно отраженная продольная, для регистрации которых применяются сейсмические приемники, устанавливаемые на свободной границе по схеме, которая выглядит как решетка. Анализируется пространственное амплитудное распределение волнового поля в вертикальном (по центру неоднородности) и горизонтальном (на уровне свободной границы) сечениях среды. Характерные особенности волнового поля обусловлены его рассеянием на локальной неоднородности. Исследуются отличительные свойства в изображении волновых рельефов, образующихся на пересечении волновых фронтов продольных волн - отраженной от свободной границы и рассеянной на локальной неоднородности. Установлены признаки, указывающие на присутствие локальной неоднородности и позволяющие диагностировать ее параметры. Обсуждаются способы повышения достоверности и надежности реализации алгоритмов обнаружения и классификации неоднородностей, оценки их сложности, базирующиеся на использовании перечисленных типов волн. На основе применения все более коротких по длительности зондирующих импульсов демонстрируется возможность представления рельефов в деталях и, соответственно, потенциально достижимое пространственное разрешение при зондировании локальных подповерхностных неоднородностей.
Сейсмические поверхностные релеевские и продольные объемные волны, рассеяние, одиночная неровность грунта, метод конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/143183221
IDR: 143183221 | DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.2.18
Scattering of Rayleigh and longitudinal seismic waves on the local irregularity of the ground
A three-dimensional (3D) numerical simulation of scattering of seismic surface Rayleigh and longitudinal waves propagating through the ground, the density and elasticity of which are typical of geomedium. At the soil boundary, there is local unevenness in the form of a hollow hemispherical notch (a truncated sphere). The dependence of the direction of the scattering field on the type of inhomogeneity is shown. From literature it is known that in the transition to another type of heterogeneity, for instance, to covering the boundary with a thin inert (massive) layer in the form of a circle, the forward scattering occurs. A pulsed mode of inhomogeneity probing is considered. As an emitter, it is proposed to use a short pulse source, e.g., a hydroacoustic emitter, or something similar - a pulsating monopole, shallowly immersed under the free boundary. This leads to the generation of such elastic waves as the surface Rayleigh and back-reflected longitudinal waves, which are usually recorded using an array of seismic receivers installed on the free boundary according to the grid pattern. The spatial amplitude distribution of the wave field is analyzed in the vertical (at the center of the inhomogeneity) and horizontal (at the free boundary) sections of the medium. The characteristic features of the wave field are caused by the influence of its scattering on the local inhomogeneity. The features in the image of wave reliefs that arise at the intersection of the wave fronts of longitudinal waves - reflected from the free boundary and scattered on the local inhomogeneity - are studied. Informative signs, indicating the presence of the local heterogeneity and enable diagnostics of its parameters are established. The ways to improve the validity and reliability of algorithms for detection and classification of inhomogeneities and for evaluation of their difficulties using the listed types of waves are discussed. Based on the use of increasingly shorter probing pulses, the possibility of a detailed representation of reliefs and, consequently, the potentially achievable spatial resolution in probing the local subsurface inhomogeneities are demonstrated.
Список литературы О рассеянии релеевских и продольных сейсмических волн на локальной неровности грунта
- Жостков Р.А. Восстановление неоднородностей среды при микросейсмическом зондировании вдоль криволинейной поверхности // Акустический журнал. 2019. Т. 65, № 5. C. 708–720. DOI: 10.1134/S0320791919050204.
- Власов С.Н., Павлова Г.Д., Журавлев А.Н., Власова В.Н. Исследование отражения рэлеевских волн от подповерхностных дефектов // Современные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации: сб. статей XIX Международной научно-практической конференции в 3 частях, Пенза, 5 июня 2021 г. Т. 1. Пенза: Наука и Просвещение, 2021. C. 109–111.
- Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.: Наука, 1966. 168 с.
- Аббакумов К.А., Коновалов Р.С. О рассеянии поверхностных волн Рэлея трещинноподобным дефектом, нормальным к поверхности упругого полупространства // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. № 1. C. 74–80.
- Разин А.В. Рассеяние поверхностной акустической волны на неоднородности малых размеров в твердом полупространстве // Известия вузов. Радиофизика. 2010. Т. 53, № 7. C. 464–480.
- Самедов Я.Ю., Кутянин В.В. Поля рассеяния волны Рэлея поверхностными дефектами // В мире неразрушающего контроля. 2008. № 1. C. 34–35.
- Заславский Ю.М. Параметрическое рассеяние высокочастотных упругих волн на сферической полости малых волновых размеров, колеблющейся в поле рэлеевской волны // Акустический журнал. 2004. Т. 50, № 1. C. 55–60.
- Ермолов И.Н. Достижения в теоретических вопросах ультразвуковой дефектоскопии, задачи и перспективы // Дефектоскопия. 2004. № 10. C. 13–48.
- Чуков В.Н. Рассеяние волны Рэлея статистической неоднородностью плотности массы // Физика твердого тела. 1997. Т. 39, № 2. C. 267–274.
- Косачев В.В., Лохов Ю.Н., Чуков В.Н. Рассеяние поверхностных рэлеевских и объемных акустических волн на двумерной статистической шероховатости свободной поверхности твердого тела // Физика твердого тела. 1990. Т. 32, № 7. C. 2045–2055.
- Заславский Ю.М. Энергетика рассеянных упругих полей, возникающих при дифракции волны Рэлея на поверхностном возмущении полуограниченной среды. Препринт № 267. Горький: НИРФИ, 1989. 15 с.
- Angel Y.C., Achenbach J.D. Reflection and transmission of obliquely incident Rayleigh waves by a surface-breaking crack // The Journal of the Acoustical Society of America. 1984. Vol. 75, no. 2. P. 313–319. DOI: 10.1121/1.390473.
- Hirao M., Fukuoka H., Miura Y. Scattering of Rayleigh surface waves by edge cracks: Numerical simulation and experiment // The Journal of the Acoustical Society of America. 1982. Vol. 72, no. 2. P. 602–606. DOI: 10.1121/1.388041.
- Крылов В.В. Оптическая теорема для рассеяния волн деформации на неоднородностях плоской границы твердого тела // Акустический журнал. 1980. Т. 26, № 2. C. 214–217.
- Parekh J.P., Tuan H.-S. Reflection and bulk-wave conversion of Rayleigh wave at a single shallow groove // Journal of Applied Physics. 1977. Vol. 48, no. 3. P. 994–1003. DOI: 10.1063/1.323721.
- Maradudin A., Mills D. The attenuation of Rayleigh surface waves by surface roughness // Annals of Physics. 1976. Vol. 100, no. 1/2. P. 262–309. DOI: 10.1016/0003-4916(76)90063-4.
- Tuan H.-S. On bulk waves excited at a groove by Rayleigh waves // Journal of Applied Physics. 1975. Vol. 46, no. 1. P.36–41. DOI: 10.1063/1.321345.
