声波对水中球形粒子声辐射力的研究

发布时间：2020-03-21 01:24

【摘要】：声辐射力主要用于声学微操控技术中,它可以实现对纳米级粒子的无接触式操控和捕捉,在细胞工程、生物医学工程、生物物理和材料科学等交叉学科领域有着非常广泛的应用。不同的声源、不同的微粒及不同的边界等条件下最终形成的声场性质和声辐射力特征是不一样的,从而实现不同方面的应用。本文建立在理想流体中声辐射力的物理模型,并深入研究计算平面波、球面波和高斯波束对刚性球体的声辐射力。主要包含以下几个方面:第一,在线性声学中忽略黏滞、热传导和驰豫等因素的理想流体中,对研究粒子求解Euler和Lagrange坐标体系下的声辐射压力表达式。将平面波用球函数展开,分别讨论平面波作用于刚性球、液体球和弹性球时的散射系数。用声场叠加原理求解平面波作用刚性球时,叠加的声场和声速,并求出Euler和Lagrange坐标体系下的声辐射压力表达式,再对声压所作用的刚性球曲面作积分运算求得声辐射力,为后文研究球面波和高斯波束对球形粒子声辐射力作基础。第二,讨论球坐标系中的声波方程,求得声场中声压的通解。对球状稳态的脉动声源求得其辐射声压等参数以及讨论点声源的特征。计算三维无限大空间的Green函数表达式。对球面波作用于刚性球的情形讨论并计算散射系数和叠加声场,研究无穷远处的声场,得到在无穷远处球面波与平面波相似的论证,从而验证了用球函数对球面波展开的正确性。最后对非线性的叠加声场用球Bessel函数及球Hankel函数作线性处理,求解球面波作用于刚性球时的声辐射力并且进行仿真研究。第三,阐述在无损检测、生物医学领域中常用的高斯波束的声辐射力。从介绍高斯波束入手,同样的用球函数对高斯波束展开,并计算入射高斯波束的波束因子,计算并讨论得到高斯波束的束腰半径很大时,可以将高斯波束近似看成平面波处理的论证。用计算机相关软件对高斯波束进行仿真模拟,最后求解高斯波束对刚性球的声辐射力,得到声辐射力与腰束半径之间存在的关系。
【图文】：

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子表面受到的时间平均压力为零（由于正、负项相抵消），而考虑运动的非线性逡逑或者介质的非线性时，粒子表面就会受到一个不为零的平均压力，即声辐射压力，逡逑我们把这种处于声场中的粒子受到的力叫做声辐射力１１］，如图１－１所示。逡逑Ｓ邋逦逦逦：±Ｌ逡逑．逦反射邋NB逡逑图１－１声辐射力示意图逡逑早在十八九世纪人们就曾注意到辐射力现象［２１，而声辐射力的相关理论解释则逡逑是在２０世纪初由Ｒａｙｌｅｉｇｈ、郎之万等着手开创的，声辐射力的概念是由英国物理逡逑学家Ｒａｙｌｅｉｇｈ首次提出的。在理想流体中，Ｒａｙｌｅｉｇｈ处理了平面波经过刚性板反逡逑射后，板上受到的辐射力。后来有很多学者不断的研究，按所得到的结果可以将逡逑这方面的工作者大致分成两部分：一部分是以瑞利为首，包括后来的富比尼、韦逡逑斯特维尔特、拜尔以及朱（Ｃｈｕ）和阿普弗尔（Ａｐｆｅｌ）等；另一部分是以郎之万、逡逑布里渊为首，包括赫兹（Ｈｅｒｔｚ）和门德（Ｍｅｎｄｅ）、鲁尼（Ｒｏｏｎｅｙ）和奈伯格（Ｎｙｂｏｒｇ）逡逑１逡逑

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子表面受到的时间平均压力为零（由于正、负项相抵消），而考虑运动的非线性逡逑或者介质的非线性时，粒子表面就会受到一个不为零的平均压力，即声辐射压力，逡逑我们把这种处于声场中的粒子受到的力叫做声辐射力１１］，，如图１－１所示。逡逑Ｓ邋逦逦逦：±Ｌ逡逑．逦反射邋NB逡逑图１－１声辐射力示意图逡逑早在十八九世纪人们就曾注意到辐射力现象［２１，而声辐射力的相关理论解释则逡逑是在２０世纪初由Ｒａｙｌｅｉｇｈ、郎之万等着手开创的，声辐射力的概念是由英国物理逡逑学家Ｒａｙｌｅｉｇｈ首次提出的。在理想流体中，Ｒａｙｌｅｉｇｈ处理了平面波经过刚性板反逡逑射后，板上受到的辐射力。后来有很多学者不断的研究，按所得到的结果可以将逡逑这方面的工作者大致分成两部分：一部分是以瑞利为首，包括后来的富比尼、韦逡逑斯特维尔特、拜尔以及朱（Ｃｈｕ）和阿普弗尔（Ａｐｆｅｌ）等；另一部分是以郎之万、逡逑布里渊为首，包括赫兹（Ｈｅｒｔｚ）和门德（Ｍｅｎｄｅ）、鲁尼（Ｒｏｏｎｅｙ）和奈伯格（Ｎｙｂｏｒｇ）逡逑１逡逑
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O422.6

【参考文献】