高斯波束声镊子的研究

发布时间：2020-04-05 06:15

【摘要】：声波在连续的介质中传播,碰到障碍物后会在声波和障碍物的接触面上产生声辐射力,方向一般和声波的传播方向相同。在实际生活中声辐射力有着很多重要的应用,其中随着现代科学技术的快速发展,利用声波的辐射力可以实现对微小粒子的操控,根据这一原理制成了声镊子,这在生命科学、材料科学、医学等众多领域有着重要的应用价值。研究微小粒子在声场中所受的声辐射力对声镊子的研制和改进有重要的现实意义。对于声辐射力的研究目前主要集中在球形、柱形等规则形状粒子上,其中柱形粒子是一种在实际应用中非常典型的粒子。我们使用的声学换能器大多数是高斯声场束的。基于此,本文重点介绍高斯波束作用于柱形粒子的声镊子研究。由于目标粒子可能位于高斯波束的任何地方,首先研究的是柱形粒子在任意位置时高斯波束的波束因子。其中将高斯波束用级数法展开并结合柱函数加性定理可得到柱形粒子在任意位置时高斯波的波束因子表达式。用Matlab进行仿真观察不同位置的高斯波束因子收敛曲线,可以知道其收敛项的变化规律。之后由高斯波束的波束因子和高斯波束作用于粒子的声散射特性可以得到具体的声辐射力表达式,本文分别介绍了刚性柱、弹性柱、粘弹性柱粒子的声辐射力表达式。最后用Matlab分别对高斯波束作用在不同材料柱形粒子的声辐射力进行仿真。通过观察偏移距离、高斯波的波束宽度以及频率对高斯波作用在柱形粒子声辐射拉力区的影响情况,进而观察悬浮点、声辐射力拉力区个数以及拉力区宽度的变化情况,以实现对高斯波束声镊子的研究。通过研究可以看出柱形粒子所用的材料不同、偏移距离不同、高斯波的波束宽度不同、频率不同时,其对应的可适合做悬浮点的具体情况、声辐射拉力区和拉力区宽度也会有所不同。所以在研究高斯波束声镊子时具体情况需要进行具体讨论。其中当刚性柱粒子距离高斯波束中心的距离为x0/a = 3,y0/a = 1.3时,可以看出在该点附近前后的横向声辐射力总是方向相反,同时相对于该点对称,那么这个点可以看作是在该方向上比较完美的悬浮点。这些可以为以后声镊子的研究提供理论依据。
【图文】：

原理图,声悬浮,聚焦换能器

图１－３聚焦换能器的声悬浮逡逑２０１６年，法国研究员蒂亚戈用１２７个可以独立操控的压电换能器组成了换能逡逑器阵列，实现了单声源对轴线粒子的声悬浮［１８］。如图１－４所示，该实验采用相位逡逑控制法，用正弦信号人工合成旋涡声场，产生轴向和横向的回复力成功抓取了聚逡逑苯乙烯粒子，从而可以进行二维操控。本实验证明了利用单向声阵列抓取粒子的逡逑可能性，对以后单声源声镊子扩展有重要的现实意义。逡逑一邋＾逡逑＇、＿Ｔ逡逑＇邋Ｌ逡逑Ｐａｒｒｉｃｌｃ邋Ｐ逦？逡逑Ｔ．逦＾、邋．Ｐ逡逑＂产士一＾Ｃａｍｅｒａ逡逑Ｍｏｔｏｒｉｚｅｄ邋ｆｉｌｍ逡逑ｚ逦逦逡逑图１－４换能器阵列悬浮聚苯乙烯球原理图逡逑３逡逑

变化曲线,声辐射,刚性柱,偏移距离

逦陕西师范大学硕士学位逡逑ｘｃ／ｆｌ邋＝邋８时的声辐射力随着横向距离变化的变化曲线。由图中可以看出声辐射力的逡逑值有正值也有负值，其中使粒子远离波束中心的力表示为推力，使粒子靠近波束逡逑中心的力表示为拉力。从图４－１邋（ｂ）中可以明显看出在横向距离（－５，５）之间横向逡逑声辐射力近似于正弦变化，而且中间出现了若干个极大值和极小值。由于声辐射逡逑拉力和推力的相交处是悬浮微粒的力平衡点，我们给它取名为声悬浮点。其中可逡逑以看到当柱形粒子的轴向距离不同，横向距离为０处，其轴向声辐射力达到最大逡逑值，横向声福射力为０。其中可以看到当ｘＱ／ｆｌ邋＝邋３，＿ｙ（）／ａ邋＝邋１．３，在该点附近前后的逡逑横向声辐射力方向相反，同时相对于该点对称，那么这个点在该方向可以看作是逡逑比较完美的悬浮点。这对于声镊子的设计有指导意义。逡逑逦逦邋ｌ＾ｒ—，——ｎ——，——，——，，——｜——，——ｎ逦逡逑
【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

【参考文献】