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Ultrasonic Properties of Plastically Deformed Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

J. Tatibouet
Affiliation:
Laboratoire de Physique des Matériaux — E.R.A. No. 463, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 69621 Villeurbanne, France
J. Perez
Affiliation:
Laboratoire de Physique des Matériaux — E.R.A. No. 463, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 69621 Villeurbanne, France
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Abstract

Many authors have used propagation of ultrasonic waves in ice for glaciological studies. This propagation is characterized by the velocity of sound and by the attenuation of stress waves. In crystalline materials, these two characteristics depend on structural slate. In particular plastic deformation gives velocity and attenuation variations.

We have measured the sound velocity and attenuation of ultrasonic waves in strained specimens of ice (single crystals and polycrystals). These measurements done between 100 and 273 K at a frequency of 5 MHz show that plastic deformation leads to an increase of attenuation arid an increase of velocity. Annealing treatments at 271 K cause recovery of propagation characteristics. The variation in attenuation can be interpreted by the theory of dislocations and this interpretation is supported by our data on the influence of frequency on this increase of attenuation induced by plastic deformation, but the theory of dislocations implies a decrease of modulus, i.e. of velocity, hence we must postulate that an added phenomenon screens the effect of dislocations. That phenomenon could be connected with ageing effects observed on different physical properties of ire and may be due to modification of protonic arrangement or creation of interstitials during plastic deformation. Thus our experiments show that it is necessary to be careful in using results determined from the propagation of ultrasonic waves in ice.

Résumé

Résumé

Différents auteurs ont utilisé la propagation des ondes ultrasonores dans la glace pour des études glaciologiques. Cette propagation est caractérisée par la vitesse du son et par l’atténuation des ondes de contrainte. Dans les matériaux cristallins, ces deux caractéristiques dépendent de l’état structural. En particulier la déformation plastique entraine des variations de vitesse et d’atténuation.

Nous avons effectué des mesures de vitesse et d’atténuation d’ondes ultrasonores dans des spécimens déformés de glace (monocristaux et polycristaux). Ces mesures faites entre 100 et 273 K à une fréquence de 5 MHz montre que la déformation plastique conduit à une augmentation de l’atténuation et une augmentation de la vitesse. Des traitements de recuit à 271 K provoquent une restauration des caractéristiques de propagation. La variation de l’atténuation peut être interprétée par la théorie des dislocations. Cette interprétation est d’ailleurs renforcée par le résultat des mesures en fonction de la fréquence, mais la théorie des dislocations implique une diminution du module c’est-à-dire de la vitesse. Nous sommes donc amenés à penser qu’un phénomène supplémentaire masque l’effet des dislocations. Ce phénomène peut être relié à des effets de vieillissements observés sur d’autres grandeurs physiques et peut être dû à la modification de l’arrangement protonique où à la création d’interstitiels pendant la déformation plastique. Ainsi, nos expériences montrent qu’il est nécessaire d’être prudent dans l’utilisation de résultats liés à la propagation des ondes ultrasonores dans la glace.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Viele Autoren haben die Fortpflanzung von Ultraschallwellen in Eis für glaziologische Studien herangezogen. Diese Fortpflanzung ist durch die Schallgeschwindigkeit und durch die Dämpfung von Spannungsweilen gekennzeichnet. In kristallischen Stoffen hängen beide Parameter vom strukturellen Zustand ab. Insbesondere führt die plastische Deformation zu Änderungen der Geschwindigkeit und der Dämpfung.

Die Sehallgeschwindigkeit und -dämpfung von Ultraschallwellen in belasteten Eisproben (Einkristalle und Mehrfachkristallc) wurde von uns gemessen. Diese Messungen fanden bei Temperaturen zwischen 100 und 273 K. mit einer Frequenz von 5 MHz statt; sie zeigten, dass plastische Deformation eine Zunahme sowohl der Geschwindigkeit wie der Dämpfung zur Folge hat. Härtungsmassnahmen bei 271 K stellen die Fortpflanzungseigemchaflen wieder her. Die Änderung der Dämpfung kann durch die Versetzungstheorie erklärt werden. Die Erklärung wird durch unsere Beobachtungen über den Einfluss der Frequenz auf die durch plastische Deformation verursachte Dämpfungszunahme gestützt. Da jedoch aus der Versetzungs-theorie eine Abnahme des Moduls, also der Geschwindigkeit, folgt, müssen wir annehmen, dass eine zusätzliche Erscheinung die Wirkung der Versetzungen abschirmt. Diese Erscheinung könnte mit Alterungseffekten, die sich über verschiedene physikalische Eigenschaften des Fä’ses zeigten, verknüpft sein und dürfte auf der Änderung in der Protonenanordnung oder dem Auftreten von Zwischenräumen während der plastischen Verformung beruhen. So zeigen unsere Versuche, dass man bei der Verwendung von Ergebnissen, die aus der Fortpflanzung von Ultrasrhallwellen im Eis hergeleitet sind, vorsichtig sein muss.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1975
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Fig. 1. Attenuation versus temperature, ϕ = 45° specimen.

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Fig. 2. Attenuation versus temperature, ϕ = 0° specimen.

Figure 2

Fig. 3. Velocity versus temperature, ϕ = 45° specimen.

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Fig. 4. Velocity versus temperature, ϕ = 0° specimen.

Figure 4

Fig. 5. Attenuation versus strain.

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Fig. 6. Attenuation versus frequency, ϕ = 45° specimen.

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Fig. 7. Attenuation versus frequency, ϕ = 0° specimen.

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Fig. 8. Attenuation due to plastic deformation versus square of frequency, αd = difference between attenuation after deformation and attenuation before deformation.