單縫共振超聲場的微粒操控理論仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、聲輻射力主要是由于聲波攜帶的動(dòng)量在聲場與微粒間發(fā)生交換，導(dǎo)致聲場中的微粒受到力的作用，該力可以用于無損、非接觸操控微粒，是超聲給藥、聲操控等技術(shù)的物理基礎(chǔ)，這些技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程、微加工等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。聲場形態(tài)是影響聲輻射力性能的主要因素之一。因此，在醫(yī)學(xué)超聲中研究各種超聲聲場形態(tài)下的聲輻射力，可以為實(shí)現(xiàn)超聲給藥，獲得優(yōu)化聲操控技術(shù)提供理論支持。自由超聲聲場中，如平面波場、駐波場、Bessel束等，物體所受到的聲輻射力已經(jīng)得到

2、了廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)研究。然而，受解析計(jì)算方法限制，迄今為止，復(fù)雜聲場（無法解析表達(dá)）中物體所受到的聲輻射力的相關(guān)研究還是寥寥無幾。本文利用時(shí)域有限差分法并結(jié)合動(dòng)量張量方程研究單縫附近微粒受到的聲輻射力，發(fā)現(xiàn)在單縫發(fā)生法布里—珀羅(Fabry-Péot，F(xiàn)P)共振效應(yīng)時(shí)，微粒能夠受到較強(qiáng)的吸引力作用，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺觀察到了該現(xiàn)象。本文的具體研究內(nèi)容如下：
　　理論仿真上，首先采用二維時(shí)域有限差分(FDTD)方法研究單縫結(jié)構(gòu)的透射率及

3、場分布，然后結(jié)合應(yīng)力動(dòng)量張量方程研究單縫表面鋼圓柱受到的聲輻射力。理論仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在單縫透射增強(qiáng)頻率處，即:FP共振效應(yīng)處，圓柱在縫表面所受到的聲輻射力為吸引力，方向指向聲源，且強(qiáng)度大于鋼柱在自由超聲聲場中所受到的聲輻射力（方向遠(yuǎn)離聲源）。此外，還仿真研究了縫寬、縫厚、鋼柱與距縫距離等參量對鋼柱聲輻射力的影響。
　　實(shí)驗(yàn)上，研究了100KHz超聲聲場環(huán)境下，直徑為1.5mm鋼球在厚度為5mm，寬度可以調(diào)控的單縫表面的運(yùn)動(dòng)特征。結(jié)