次声(频率低于20 Hz的声波)具有频率低、易穿透、衰减小、不易被吸收等特点,在大气中可以传播较远的距离,其信号适合远距离观测,已在核爆、火山喷发、泥石流等灾害监测领域开展研究和应用。在有源灾害的监测方面(火山喷发、煤气管道泄漏等)取得的效果比较显著,但是,由于次声波的波长较长,遇障碍物通常都会发生衍射而避之,因此对于无源灾害的监测,定位还存在很大的困难,尚需进一步的研究和分析。到目前为止次声波的产生机理还是个谜,很有必要从不同视角对其展开深入的研究和分析,这也是次声波研究工作者奋斗的目标和方向。灾害次声波,是灾害在孕育末期及发生发展过程中引发的空气波动产生的次声波。灾害次声波可以分为几种,一种是在灾害发生之前的孕育末期引发的,例如地震、矿震之前的预滑、扩展造成微破裂而引发的长周期波,称为临灾次声波;另一种是灾害的发生发展阶段引发的强烈的空气波动产生的次声波,称为发灾次声波,例如核爆次声、火流星次声等,通过对其监测和定位研究,可以为识别、核查等工作提供帮助。发灾次声波中有一类比较特殊,例如泥石流次声、台风次声等,由于次声波传播的速度(约340 m/s)比泥石流(约10 m/s)、台风(12级约33 m/s)等灾害传播得快,监测到发灾次声波同样可以达到预警的目的。因此,将这类发灾次声波与临灾次声波统称为预警次声波。次声波监测方面,主要以IMS国际次声监测台站为主,其设计的距离为两千千米,过于稀疏,监测信号很难被两个以上次声监测站捕捉到,且接收到的信号多为当地信号,信号的源不明确,很难用于信号的定位和关联性研究,即使部分信号源信息明确,但受当地和外界噪声等干扰,相关信号一般都很微弱,这种基于噪声背景下的研究工作,信号的判定又是一个难点。目前,各国也都在积极的建立自己的次声台站监测系统,但相对分散,没有形成规模效应,且缺乏历史实测次声监测数据资料。无论是无源监测难于定位的问题还是监测信号不易识别的问题,归根结底都是次声波的源的问题,国内外很多学者试图从传播路径和接收方面研究解答,但效果甚微。可以从理论研究、物理试验和数值模拟三个方面开展研究工作,解开次声波源产生机理之谜。基于此,本课题从数值模拟方面入手,积累经验为后续物理试验和理论研究提供切入点和参考依据。本文采用有限元方法对爆炸、矿震和地震三种次声波源的产生进行数值模拟研究,爆炸意在模拟瞬间发生的过程,矿震模拟包括发震之前的微破裂过程和发震的破裂过程,地震模拟以汶川地震为例,根据实际地况模拟孕震末期地质体变化引发的次声波。三个模拟包含了临灾次声波和发灾次声波,通过模拟研究分析次声波源的产生机理及影响因素,从机理方面入手探讨临灾次声波与发灾次声波的共性和特性。分析比较了不同灾害产生的次声波的波形、幅值、时域、频域、能量密度等特征。本文工作主要包括以下六个方面:1.以声波动方程为基础,综合考虑耦合时地质体和大气对流层界面处的边界条件,将地质体和大气对流层经有限单元离散建立矩阵方程,推导空间问题的地质体与大气对流层耦合运动微分方程。2.研究了次声监测采集系统的组成和结构特征以及目前主流的适合次声频段的传感器及其布阵方式,比较分析次声波的正常信号、干扰信号和异常信号。3.采用有限元方法模拟化学爆炸过程中产生的次声波,分析爆炸过程中空气和岩石中产生的声波的频率、波形、幅值等特征,并通过改变加载时间、炸药形状、尺寸、参数和状态方程中的变量,研究状态量改变对声波的幅值和频率的影响情况。4.运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA分别模拟了矿震发生之前的微破裂过程中产生的临灾次声波和矿震发生的破裂过程中产生的发灾次声波,分析了两种次声波的频率、波形、幅值、Wigner-Ville分布等特征,寻找临灾次声波和发灾次声波的共性和特性。5.以汶川地震为研究对象,采用有限元法模拟了2008年5月12日汶川大地震发生之前的孕育末期地质体运动情况及其临震次声波的产生。分析了临震次声波的频率、波形、波幅等特征,并与该地区实际监测的临震次声异常信号对比分析。6.通过研究微破裂与损伤的关系以及损伤与声发射之间的关系,得出声发射和岩石损伤具有一致性,声发射是岩石内部损伤的外部显现。再从裂纹增长的角度出发,分析了声发射包含长周期的低频次声波,而且临近破裂时声发射的优势频率会集中在低频部分。