單縫共振超聲場的微粒操控理論仿真與實驗研究.pdf

1、聲輻射力主要是由于聲波攜帶的動量在聲場與微粒間發(fā)生交換，導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、聲操控等技術的物理基礎，這些技術在生物醫(yī)學工程、微加工等領域具有重要的應用前景。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)學超聲中研究各種超聲聲場形態(tài)下的聲輻射力，可以為實現(xiàn)超聲給藥，獲得優(yōu)化聲操控技術提供理論支持。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得到

2、了廣泛的理論和實驗研究。然而，受解析計算方法限制，迄今為止，復雜聲場（無法解析表達）中物體所受到的聲輻射力的相關研究還是寥寥無幾。本文利用時域有限差分法并結合動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)共振效應時，微粒能夠受到較強的吸引力作用，并搭建實驗平臺觀察到了該現(xiàn)象。本文的具體研究內容如下：
　　理論仿真上，首先采用二維時域有限差分(FDTD)方法研究單縫結構的透射率及

3、場分布，然后結合應力動量張量方程研究單縫表面鋼圓柱受到的聲輻射力。理論仿真結果發(fā)現(xiàn)，在單縫透射增強頻率處，即:FP共振效應處，圓柱在縫表面所受到的聲輻射力為吸引力，方向指向聲源，且強度大于鋼柱在自由超聲聲場中所受到的聲輻射力（方向遠離聲源）。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。
　　實驗上，研究了100KHz超聲聲場環(huán)境下，直徑為1.5mm鋼球在厚度為5mm，寬度可以調控的單縫表面的運動特征。結