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      研究人員揭示邊界對渦旋聲場作用下粘彈性球殼聲輻射力矩的影響
      2021/08/17 | 作者:超聲學實驗室 臧雨宸 | 【 【打印】【關閉】

        聲輻射力矩(Acoustic radiation torque, ART)描述了聲波與物體之間角動量的傳遞,用于操控微小粒子在聲場中的轉動,在聲鑷子、聲懸浮、聲傳感器等領域取得廣泛應用。傳統的聲輻射力矩研究大多針對自由空間中的物體,但實際聲操控往往位于一定的邊界附近,比如操控血管壁附近的微泡造影劑,此時我們必須考慮界面對聲輻射力矩的影響。

        針對這一問題,中科院聲學所超聲學實驗室博士生臧雨宸與其導師林偉軍研究員等人利用部分波級數展開法和鏡像原理,結合球函數的加法公式,成功推導了阻抗邊界附近粘彈性球殼在Bessel渦旋聲場中的聲輻射力矩表達式,并詳細分析了球殼與邊界間距離、邊界聲壓反射系數、球殼的相對厚度與聲束半錐角等因素對聲輻射力矩的影響。

        相關成果20216月在線發表于國際聲學期刊 Journal of Sound and Vibration 。

        

        圖1 Bessel渦旋聲束入射到阻抗邊界附近的粘彈性球殼示意圖(圖/中科院聲學所)

        計算結果表明,隨著邊界聲壓反射系數的增大,聲輻射力矩的峰值也隨之增大,但峰值位置不變。事實上,這些峰值對應著球殼本身不同階的本征模式。此外,邊界的引入使在球殼與邊界之間產生了準駐波場,聲輻射力矩隨球殼與邊界距離的變化呈現周期變化的規律,其變化的周期與聲波波長有關。

        

        圖2 一階Bessel渦旋聲束對不同聲壓反射系數下粘彈性PE球殼的聲輻射力矩函數(圖/中科院聲學所)

        球殼相對厚度的改變會影響球殼本身的本征模式,進而影響最終的聲輻射力矩大小。結果顯示,隨著球殼厚度不斷減小(內外徑之比不斷增大),聲輻射力矩的峰值會顯著增大,且峰值的位置發生移動。但當球殼非常薄(內外徑之比為0.99)時,聲輻射力的峰值又會隨之減小。因此,在實際的聲操控中,需要設計合適的球殼的厚度從而獲取需要的聲輻射力矩。此外,聲束的半錐角范圍也需要合理選擇,當半錐角為零時,聲束將退化為平面波,從而無法產生聲輻射力矩。

        

        圖3 一階Bessel渦旋聲束對不同厚度的粘彈性PE球殼的聲輻射力矩函數(圖/中科院聲學所)

        本研究得到國家自然科學基金(1160436111904384)和中科院青年創新促進會(2019024)的資助。

        關鍵詞:

        聲輻射力矩;Bessel渦旋聲束;粘彈性球殼;阻抗邊界;聲操控

        參考文獻:

        ZANG Yuchen, LIN Weijun, ZHENG Yinfei, SU Chang, WU Pengfei, CHANG Qin, Acoustic radiation torque of a Bessel vortex wave on a viscoelastic spherical shell nearby an impedance boundary. Journal of Sound and Vibration. 2021. DOI: 10.1016/j.jsv.2021.116261.

        論文鏈接:

        https://doi.org/10.1016/j.jsv.2021.116261

       
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