高斯波对阻抗边界下离轴球形粒子的声辐射力

发布时间：2021-11-02 07:08

　　声辐射力是声操控的物理基础,在医学超声、材料科学等领域有着广泛应用。从声波的散射理论出发,利用级数展开法得到高斯波束的波束因子,推导了其对阻抗边界下离轴球形粒子声辐射力的表达式。针对刚性球与液体球两种情况下的球形粒子进行了数值模拟,与自由空间的情况进行了比较。讨论了边界反射系数、粒子与边界距离、束腰半径以及离轴角度与距离等对声辐射力函数的影响。仿真结果表明:边界反射系数的增大会引起声辐射力函数的增加,但不改变取峰值时的位置;在合适的频率处,可以产生负向声辐射力;声辐射力函数随粒子与边界距离呈周期性变化;束腰半径的影响主要体现在中高频;随着粒子偏离传播轴的距离和角度增大,声辐射力函数出现明显的衰减。该研究拓展了粒子声辐射力的传统研究范围,为实际中利用高斯声束制备声学镊子提供了理论指导。 

【文章来源】：苏州科技大学学报(自然科学版). 2020,37(01)

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

阻抗边界下离轴球形粒子的声散射示意图

假定束腰宽度w0=3λ，粒子中心与束腰中心的距离d0=λ，d0与z轴的夹角θ=π/6。在粒子与阻抗边界距离d0=2a的情况下，对不同反射系数下粒子在声场中受到的声辐射力函数进行仿真，结果如图2所示。图2(a）和2(b）分别显示了刚性球和油酸球的声辐射力函数随ka的变化曲线。可以看出，不论是刚性球还是油酸球，声辐射力在ka比较小时变化较剧烈。值得一提的是，在某些频率处可以出现负向的声辐射力，此时粒子会被声波向声源的方向吸引。在ka比较大时，声辐射力在一个稳定值附近出现小幅振荡，这是由于粒子的散射波和边界的反射波之间复杂的干涉现象所引起的必然结果。随着反射系数的增大，声辐射力的峰值减小，但振荡峰值的位置并不因此而改变。对比图2(a）和2(b）可以发现，油酸球的声辐射力峰值远小于刚性球，且其峰值位置也有所不同。2.2 粒子与边界的距离对声辐射力的影响

为研究高斯波束的束腰半径对于声辐射力的影响，固定边界的声压反射系数Rs=0.5，粒子与边界的距离d=2a，粒子中心离轴的距离和角度不变，对不同束腰半径下的声辐射力进行仿真，刚性球和油酸球的结果分别如图4(a）（刚性球）和4(b）（油酸球）所示。仿真的结果表明，束腰半径对于声辐射力的影响主要体现在ka>2时，即中高频附近。随着束腰半径的增加，中高频处的声辐射力函数在不断增大，并且最终趋近于平面波入射的情况。图4 不同束腰半径下声辐射力函数Yp随ka的变化


本文编号：3471571