自然科学版
陕西师范大学学报(自然科学版)
物理学
水中刚性柱在高斯声场中的声辐射力特性
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陈东梅, 张小凤*, 张光斌, 周京华, 王彩峰
(陕西师范大学 物理学与信息技术学院, 陕西省超声学重点实验室, 陕西 西安 710062)
陈东梅,女,硕士研究生,研究方向为功率超声.E-mail:mengkeer0509@163.com.
摘要:
以声波理论为基础,在圆柱的中心点将高斯声波用柱函数展开,计算入射高斯声波的展开系数,求解在高斯声场中柱形粒子所受声辐射力的表达式.通过数值仿真研究了频率、波束宽度、柱形粒子偏离高斯波束中心的距离等参数对声辐射力的影响.仿真结果表明:在ka<1的情况下,当柱形粒子沿x轴的正方向偏离波束中心时,所受的声辐射力为负值,当柱形粒子沿x轴的负方向偏离波束中心时,所受的声辐射力为正值;ka>1时,粒子所受的声辐射力随着粒子位置偏离波束中心距离的增大逐渐减小,且辐射力的方向均沿x轴的正方向;随着波束宽度的增大,声辐射力的值增大,当波束宽度相对波长较大(W0=10λ)时,高斯波束声辐射力的大小接近于平面波声场的声辐射力.
关键词:
高斯波束; 偏移距离; 柱形粒子; 波束宽度; 声辐射力
收稿日期:
2013-11-13
中图分类号:
O422.1
文献标识码:
A
文章编号:
1672-4291(2014)02-0027-06
基金项目:
陕西省自然科学基金资助项目(2012JM1013); 陕西师范大学研究生创新基金项目(2013CXS010); 中央高校基本科研业务费专项资金项目(GK201302049)
Doi:
The characteristics of acoustic radiation force on the rigid cylinder in water by Gaussian sound field
CHEN Dongmei, ZHANG Xiaofeng*, ZHANG Guangbin, ZHOU Jinghua, WANG Caifeng
(College of Physics and Information Technology, Shaanxi Normal University, Shaanxi Key Laboratory of Ultrasonics,Xi′an 710062, Shaanxi,China)
Abstract:
Based on acoustic theory, the Gaussian beam is expanded with cylindrical wave function at the center of the cylinder and the expanded coefficients of the incident Gaussian beam is calculated. The analytical expression for acoustic radiation force on the cylindrical particles induced by the Gaussian beam is deduced. The variation of acoustic radiation force affected by the frequency, the beam waist of the Gaussian beam and the offset distance from the Gaussian beam center are investigated by numerical simulations.The results show that in the case ka<1 the acoustic radiation force is negative when the offset distance is positive.the acoustic radiation force is positive when the the offset distance is negative.for ka>1 the value of the radiation force gradually decreases with the offset distance,and the direction of the radiation force is along the positive direction of x-axis. Moreover, the acoustic radiation force increases with the width of beam, and when the beamwidth is larger than the wavelength(W0=10λ) , the radiation force of the Gaussian beam is close to the value of the plane wave.
KeyWords:
Gaussian beam; offset distance; cylindrical particles; beam width; acoustic radiation force在声场作用下,液体中的微小粒子会受到声辐射力的作用\[1-4\],利用声波的辐射力实现微小粒子的操控对于声波在生物医学领域的应用具有重要意义.在高斯声场中,目标粒子的辐射力特性一直是研究的热点.文献\[5\]利用散射波的简化表达式,研究了聚焦高斯波束的声辐射力特性,并在以后的研究中证明,利用聚焦波束的声辐射力可以实现粒子的捕获.Mahdi Azarpeyvand等人用积分法研究了聚焦高斯波束对刚性柱的辐射力特性,得出辐射力随离轴距离的变化关系\[6\],文献\[7-9\]深入地研究了零阶、高阶贝塞尔波束作用下的声辐射力特性, 并得出高斯声波的展开系数对声辐射特性具有一定影响的结论.高斯声波作为超声学应用中非常重要的一种声波分布形式,在高斯波束作用下目标的声辐射力特性研究一直受到国内外学者的普遍关注\[10-12\].目前,有关高斯波束对粒子声辐射力的研究中,通常假设粒子位于入射波的波束中心,但在实际应用中,偏离波束中心粒子所受的声辐射力对于微小粒子的声操控具有重要的意义\[13-14\].本文以声波理论为基础,将高斯波束用有限级数展开,研究水中柱形粒子的位置偏离高斯波束中心时粒子的声辐射力特性,并讨论波束宽度、偏离波束中心距离等参数对声辐射力特性的影响.