垂直载荷下颗粒物质的声波探测和非线性响应

张攀; 赵雪丹; 张国华; 张祺; 孙其诚; 侯志坚; 董军军

doi:10.7498/aps.65.024501

摘要

对于玻璃珠组成的颗粒介质样品, 本文测量了横波和纵波声速, 同时分析了剪切模量(G)与体积模量(B)的比值(G/B)随压强的变化规律. 结果表明, 在低压强下, 颗粒体系的纵波声速(cL )明显大于横波声速(cT ), 且体系的cL, cT 及G/B均随压强p变化呈幂律标度, 即cL p0.3817, cT p0.2809, G/B p-0.4539, 幂指数与文献[1]中预言的-1/2非常接近, 暗示在我们实验压强范围内的颗粒样品处于L玻璃状态. 此外, 本文还利用快速傅里叶变换法测量了玻璃珠样品中的声学衰减特性及二阶谐波随压强的变化, 发现: 纵波声衰减系数()、接收端二倍频振幅(2 )与基频振幅(1 ) 平方的比值(2/12 ) 均随压强的增大而幂率减小, 分别为 p-0.1879和 2/12 p-0.866.

关键词:

颗粒物质 /
声速 /
衰减系数 /
非线性

作者及机构信息

1.
北京科技大学物理系, 北京 100083;

2.
太原理工大学力学学院, 太原 030024;

3.
清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084

通信作者: 张国华, zhguohua@sas.ustb.edu.cn;qcsun@tsinghua.edu.cn ; 孙其诚, zhguohua@sas.ustb.edu.cn;qcsun@tsinghua.edu.cn ;

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11272048, 51239006)和欧盟Marie Curie国际合作项目(批准号: IRSES-294976)资助的课题.

参考文献

[1]	Wang X, Zheng W, Wang L, Xu N 2015 Phys. Rev. Lett. 114 035502
[2]	O'Hern C S, Silbert L E, Liu A J, Nagel S R 2003 Phys. Rev. E 68 011306
[3]	Ikeda A, Berthier L 2015 Phys. Rev. E 92 012309
[4]	Zhang Q, Li Y C, Liu R, Jiang Y M, Hou M Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 301 (in Chinese) [张祺, 李寅阊, 刘锐, 蒋亦民, 厚美瑛 2012 物理学报 61 301]
[5]	Zhang Q, Li Y, Hou M, Jiang Y, Liu M 2012 Phys. Rev. E 85 031306
[6]	Merkel A, Tournat V, Gusev V 2014 Phys. Rev. E 90 023206
[7]	Zheng H P 2014 Chin. Phys. B 23 054503
[8]	Jia X, Caroli C, Velicky B 1999 Phys. Rev. Lett. 82 1863
[9]	Lherminier S, Planet R, Simon G, Vanel L, Ramos O 2014 Phys. Rev. Lett. 113 098001
[10]	Xu N 2011 Frontiers of Physics 6 109
[11]	Somfai E, van Hecke M, Ellenbroek W G, Shundyak K, van Saarloos W 2007 Phys. Rev. E 75 020301
[12]	Makse H A, Gland N, Johnson D L, Schwartz L 2004 Phys. Rev. E 70 061302
[13]	Zaccone A, Terentjev E M 2014 J. Appl. Phys. 115 033510
[14]	Zhang Z, Chen G, Zhang D 2014 Chin. Phys. B 23 054302
[15]	Huang D C, Chen W Z, Yang A N, Sun M, Hu F L, Zhao M 2014 Acta Phys. Sin. 63 154502 (in Chinese) [黄德财, 陈伟中, 杨安娜, 孙敏, 胡凤兰, 赵敏 2014 物理学报 63 154502]
[16]	Langlois V, Jia X 2015 Phys. Rev. E 91 022205
[17]	Brunet T, Jia X, Mills P 2008 Phys. Rev. Lett. 101 138001
[18]	Brunet T, Jia X, Johnson P A 2008 Geophys. Res. Lett. 35 L19308
[19]	Deng J, Wang S X, Han D H 2009 J. Geophys. Eng. 6 269
[20]	Miksic A, Alava M J 2013 Phys. Rev. E 88 032207
[21]	Johnson K L 1985 Contact Mechanics (Cambridge: Cambridge University Press)
[22]	Khidas Y, Jia X 2010 Phys. Rev. E 81 021303
[23]	Somfai E, Roux J N, Snoeijer J, van Hecke M, van Saarloos W 2005 Phys. Rev. E 72 021301
[24]	Tighe B 2011 Phys. Rev. Lett. 107 158303
[25]	Basu A, Xu Y, Still T, Arratia P E, Zhang Z, Nordstrom K N, Rieser J M, Gollub J P, Durian D J, Yodh A G 2014 Soft Matter 10 3027
[26]	Goodrich C P, Liu A J, Nagel S R 2014 Nat. Phys. 10 578
[27]	Vitelli V 2010 Soft Matter 6 3007
[28]	Hong J 2005 Phys. Rev. Lett. 94 108001
[29]	Wang P J, Xia J H, Li Y D, Liu C S 2007 Phys. Rev. E 76 041305
[30]	Wang P J, Li Y D, Xia J H, Liu C S 2008 Phys. Rev. E 77 060301
[31]	Thomas Brunet X J, Paul J 2006 French Acoustical Society 2006 Meeting, Paris 475
[32]	Wildenberg S V D, Hecke M V, Jia X 2013 Europhys. Lett. 101 14004
[33]	Renaud G, Calle S, Defontaine M 2010 J. Acoust. Soc. Am. 128 3344

施引文献

[1]	Wang X, Zheng W, Wang L, Xu N 2015 Phys. Rev. Lett. 114 035502
[2]	O'Hern C S, Silbert L E, Liu A J, Nagel S R 2003 Phys. Rev. E 68 011306
[3]	Ikeda A, Berthier L 2015 Phys. Rev. E 92 012309
[4]	Zhang Q, Li Y C, Liu R, Jiang Y M, Hou M Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 301 (in Chinese) [张祺, 李寅阊, 刘锐, 蒋亦民, 厚美瑛 2012 物理学报 61 301]
[5]	Zhang Q, Li Y, Hou M, Jiang Y, Liu M 2012 Phys. Rev. E 85 031306
[6]	Merkel A, Tournat V, Gusev V 2014 Phys. Rev. E 90 023206
[7]	Zheng H P 2014 Chin. Phys. B 23 054503
[8]	Jia X, Caroli C, Velicky B 1999 Phys. Rev. Lett. 82 1863
[9]	Lherminier S, Planet R, Simon G, Vanel L, Ramos O 2014 Phys. Rev. Lett. 113 098001
[10]	Xu N 2011 Frontiers of Physics 6 109
[11]	Somfai E, van Hecke M, Ellenbroek W G, Shundyak K, van Saarloos W 2007 Phys. Rev. E 75 020301
[12]	Makse H A, Gland N, Johnson D L, Schwartz L 2004 Phys. Rev. E 70 061302
[13]	Zaccone A, Terentjev E M 2014 J. Appl. Phys. 115 033510
[14]	Zhang Z, Chen G, Zhang D 2014 Chin. Phys. B 23 054302
[15]	Huang D C, Chen W Z, Yang A N, Sun M, Hu F L, Zhao M 2014 Acta Phys. Sin. 63 154502 (in Chinese) [黄德财, 陈伟中, 杨安娜, 孙敏, 胡凤兰, 赵敏 2014 物理学报 63 154502]
[16]	Langlois V, Jia X 2015 Phys. Rev. E 91 022205
[17]	Brunet T, Jia X, Mills P 2008 Phys. Rev. Lett. 101 138001
[18]	Brunet T, Jia X, Johnson P A 2008 Geophys. Res. Lett. 35 L19308
[19]	Deng J, Wang S X, Han D H 2009 J. Geophys. Eng. 6 269
[20]	Miksic A, Alava M J 2013 Phys. Rev. E 88 032207
[21]	Johnson K L 1985 Contact Mechanics (Cambridge: Cambridge University Press)
[22]	Khidas Y, Jia X 2010 Phys. Rev. E 81 021303
[23]	Somfai E, Roux J N, Snoeijer J, van Hecke M, van Saarloos W 2005 Phys. Rev. E 72 021301
[24]	Tighe B 2011 Phys. Rev. Lett. 107 158303
[25]	Basu A, Xu Y, Still T, Arratia P E, Zhang Z, Nordstrom K N, Rieser J M, Gollub J P, Durian D J, Yodh A G 2014 Soft Matter 10 3027
[26]	Goodrich C P, Liu A J, Nagel S R 2014 Nat. Phys. 10 578
[27]	Vitelli V 2010 Soft Matter 6 3007
[28]	Hong J 2005 Phys. Rev. Lett. 94 108001
[29]	Wang P J, Xia J H, Li Y D, Liu C S 2007 Phys. Rev. E 76 041305
[30]	Wang P J, Li Y D, Xia J H, Liu C S 2008 Phys. Rev. E 77 060301
[31]	Thomas Brunet X J, Paul J 2006 French Acoustical Society 2006 Meeting, Paris 475
[32]	Wildenberg S V D, Hecke M V, Jia X 2013 Europhys. Lett. 101 14004
[33]	Renaud G, Calle S, Defontaine M 2010 J. Acoust. Soc. Am. 128 3344

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作者及机构信息

1.
北京科技大学物理系, 北京 100083;

2.
太原理工大学力学学院, 太原 030024;

3.
清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084

通信作者: 张国华, zhguohua@sas.ustb.edu.cn;qcsun@tsinghua.edu.cn ; 孙其诚, zhguohua@sas.ustb.edu.cn;qcsun@tsinghua.edu.cn ;

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通信作者: 张国华, zhguohua@sas.ustb.edu.cn;qcsun@tsinghua.edu.cn ; 孙其诚, zhguohua@sas.ustb.edu.cn;qcsun@tsinghua.edu.cn ;

English Abstract

Acoustic detection and nonlinear response of granular materials under vertical vibrations

1.
Department of physics, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;

2.
College of Mechanics, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;

3.
State Key Laboratory for Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

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通信作者: 张国华, zhguohua@sas.ustb.edu.cn;qcsun@tsinghua.edu.cn ; 孙其诚, zhguohua@sas.ustb.edu.cn;qcsun@tsinghua.edu.cn ;

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通信作者: 张国华, zhguohua@sas.ustb.edu.cn;qcsun@tsinghua.edu.cn ; 孙其诚, zhguohua@sas.ustb.edu.cn;qcsun@tsinghua.edu.cn ;

English Abstract

Acoustic detection and nonlinear response of granular materials under vertical vibrations

1. Department of physics, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. College of Mechanics, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 3. State Key Laboratory for Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

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1.
Department of physics, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;

2.
College of Mechanics, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;

3.
State Key Laboratory for Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China