新研究揭示应力波如何控制颗粒材料特性

应力波在颗粒状或颗粒状材料中的传播对于检测地震的震级、定位油气藏、设计隔音材料以及设计压实粉材料具有重要意义。

由约翰-霍普金斯大学机械工程教授领导的研究小组利用X射线测量和分析表明，波传播中的速度缩放和弥散是基于粒子排列和它们之间的力链，而波强度的降低主要是由粒子单独排列引起的。该研究发表在6月29日出版的《美国国家科学院院刊》杂志上。

该研究更好地理解颗粒材料的精细结构如何与通过它们传播的波行为有关，这一知识在研究山体滑坡和地震的地震信号，土木工程中土壤进行非破坏性评估，以及在材料科学中制造具有所需波特性的材料方面至关重要。

颗粒材料的结构-性质关系是由颗粒的排列和它们之间的力链所决定的。这一研究成果使得设计减震材料和无损检测技术成为可能。颗粒材料中的波传播已经得到广泛研究，并显示出独特的特性：幂律速度标度、色散和衰减（信号幅度，电流或其他振荡的减小）。

这项工作的新实验是利用原位X射线测量，在同时测量超声波传输的过程中，获得颗粒材料的填充结构、颗粒应力和颗粒间力。这些测量数据是迄今为止研究颗粒材料中超声波、力和结构的最高保真度数据集。

这些实验以及辅助模拟使我们能够揭示颗粒状材料中的波速为何随压力而变化，并量化特定颗粒现象对宏观波行为的影响。

这项研究对随机填充颗粒材料中波传播的时域和频域特征提供了新见解，揭示了这些系统中控制波速、色散和衰减的基本机制。