Действие упругих колебаний на горные породы

Упругие колебания низкой частоты достаточной мощности чаще всего приводят к тем же последствиям, что и механическое напряжение. При этом происходит усталостное разрушение пород. Возможен эффект уплотнения и сортировки рыхлых горных пород.

Особые явления наблюдаются при распространении в горных породах и жидкостях высокочастотных упругих колебаний (в том числе и ультразвука). Малая длина волн позволяет их концентрировать в узкий пучок. Это способствует получению высоких интенсивностей звука с предельными амплитудами смещения и соответствующему проявлению механических, тепловых, электрических и химических эффектов. Причиной этих эффектов являются вызванные ультразвуком колебания частиц, особенно продольные колебания, связанные с деформациями сжатия и растяжения.

При прохождении ультразвука через жидкость возникает кавитация.

Когда в некоторых участках жидкости внутреннее давление р будет ниже статического ее давления р₀, происходит разрыв жидкости. Жидкость испаряется и образуются кавитационные пузырьки, которые захлопываются сразу же, как только р станет больше р₀.

Появлению кавитации особенно способствует наличие в жидкости инородных тел или пузырьков, являющихся как бы центрами ее возникновения. Вблизи этих центров силы притяжения между молекулами воды значительно ослаблены.

Кавитацию можно вызвать различными способами — механическим (гидравлические удары, ультразвук), электрическим (элек­трический разряд в жидкости) и др.

Ультразвуковые волны создают в жидкости зоны растяжения и зоны сжатия. Кавитационные пузырьки появляются в зонах растяжения. Кавитация вызывает эрозию поверхности твердых тел, находящихся в жидкости.

При частотах более 5 Мгц кавитация не наблюдается (процесс возникновения, и исчезновения пузырьков не успевает завершиться).

Кавитация в жидкости является причиной возникновения некоторых эффектов, важнейшим из которых следует считать диспергацию (разрушение) твердых тел, расположенных в области распространения звука.

Скорость ультразвукового разрушения определяется, прежде всего, хрупкостью твердых тел. Чем больше хрупкость, тем при прочих равных условиях выше скорость разрушения. Поэтому легко диспергируются ультразвуком такие породы, как гипс, слюда, графит и сера. Эффект диспергирования усиливается при добавке к воде поверхностно-активных веществ в количестве менее 0,2%.

Кавитация вызывает также дегазацию жидкостей и расплавов. Дегазация связана с понижением давления жидкости при растяжении и выделением вследствие этого газа.

Кавитация вызывает возникновение электрических и химических эффектов ультразвука. Из электрических эффектов основным является люминесценция жидкости.

Химические эффекты ультразвука вызывают ускорение реакции, окисление, восстановление и конденсацию.

Из механических эффектов в жидкостях и газах следует отметить явление, обратное диспергации, — коагуляцию (осаждение) взвешенных в воздухе, газах или жидкостях твердых частиц.

Ультразвук, проходя через жидкость, в которой взвешены частицы породы, заставляет их совершать колебания, частота и амплитуда которых зависят от массы частиц. Это приводит к увеличению частоты соударений частиц, их слипанию, укрупнению и осаждению.

Упругие колебания звуковой и инфразвуковой частоты способны вызвать тиксотропию (разжижение) влажных глинистых пород. Колебания также снижают внутреннее трение рыхлых скальных пород, так как в результате вибрации связь между частицами становится менее устойчивой.