Акустическая радиационная сила - Acoustic radiation force

Акустическая радиационная сила (F^рад) физическое явление, возникающее в результате взаимодействия акустическая волна с препятствием, размещенным на его пути. Обычно сила, действующая на препятствие, оценивается путем интегрирования давление акустического излучения (из-за наличия звуковой волны) над его изменяющейся во времени поверхностью.

Величина силы, оказываемой плоской акустической волной в любом заданном месте, может быть рассчитана как:^[1][2]

${displaystyle |F^{rad}|={frac {2alpha I}{c}}}$

где

• F^рад сила в кг / (с²см²),
• α - коэффициент поглощения в Np /см,
• I - средняя временная интенсивность акустической волны в данном месте в Вт / см.², и
• c - скорость звука в среде в см / с.

Влияние частоты на силу акустического излучения учитывается через интенсивность (более высокие давления труднее достичь на более высоких частотах) и поглощение (более высокие частоты имеют более высокую скорость поглощения). В качестве эталона вода имеет акустическое поглощение 0,002 дБ / (МГц²см).^[3]

Силы акустического излучения на сжимаемые частицы, такие как пузыри также известны как Бьеркнес силы, и создаются с помощью другого механизма, который не требует звукопоглощения или отражения.^[4]

Сила первичного акустического излучения

Когда частица подвергается воздействию стоячей акустической волны, она испытывает усредненную по времени силу, известную как сила первичного акустического излучения (${displaystyle F_{pr}}$)_.^[5]

Сила первичного акустического излучения в стоячей плоской волне

В прямоугольном микрофлюидном канале с копланарными стенками, который действует как резонансная камера, приходящая акустическая волна может быть аппроксимирована как резонансный, стоя 1D волна давления вида:

${displaystyle p_{1}=p_{a}cos(kz)}$.

где

• ${displaystyle k}$ это волновое число и ${displaystyle k=npi /lambda }$ (n - количество полуволн)

Для сжимаемых, сферических и микрометровых (с радиоприемниками) ${displaystyle a}$) частица, взвешенная в невязкой жидкости в прямоугольном микроканале с одномерной плоской стоячей ультразвуковой волной с длиной волны ${displaystyle lambda }$, выражение для первичной радиационной силы (в дальней области, где ${displaystyle all lambda }$） Становится тогда ^[6][7][8][5]:

${displaystyle F_{pr}^{1D}=4pi Phi ({ ilde {kappa }},{ ilde {ho }})a^{3}kE_{ac}sin(2kz)}$

${displaystyle Phi ({ ilde {kappa }},{ ilde {ho }})={5{ ilde {ho }}-2 over 2{ ilde {ho }}+1}-{ ilde {kappa }}}$

${displaystyle E_{ac}={1 over 4}kappa _{f}p_{a}^{2}={p_{a}^{2} over 4ho _{f}c_{f}^{2}}}$

где

• ${displaystyle Phi }$ это коэффициент акустического контраста
• ${displaystyle { ilde {kappa }}}$ относительно сжимаемость между частицей ${displaystyle kappa _{p}}$ и окружающая жидкость ${displaystyle kappa _{f}}$: ${displaystyle { ilde {kappa }}=kappa _{p}/kappa _{f}}$
• ${displaystyle { ilde {ho }}}$ относительно плотность между частицей ${displaystyle ho _{p}}$ и окружающая жидкость ${displaystyle ho _{f}}$: ${displaystyle { ilde {ho }}=ho _{p}/ho _{f}}$
• ${displaystyle E_{ac}}$ плотность акустической энергии
• Фактор ${displaystyle sin(2kz)}$ удваивает период радиационной силы и сдвигает фазу относительно волны давления ${displaystyle p_{a}cos(kz)}$
• ${displaystyle c_{f}}$ это скорость света в жидкости

использованная литература

1. Палмери, Марк; Шарма, Эми; Бушар, Ричард; Соловей, Роджер; Соловей, Кэтрин (октябрь 2005 г.). «Модель реакции мягких тканей на импульсную силу акустического излучения методом конечных элементов». IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 52 (10): 1699–712. Дои:10.1109 / tuffc.2005.1561624. ЧВК  2818996. PMID  16382621.
2. McAleavey, S.A .; Найтингейл, К. Р .; Трэхи, Г. Э. (июнь 2003 г.). «Оценка корреляции эхо-сигналов и погрешности измерения при построении импульсных изображений акустической радиационной силы». IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 50 (6): 631–41. Дои:10.1109 / tuffc.2003.1209550. PMID  12839175. S2CID  12815598.
3. Сабо, Томас Л. (21 сентября 2004 г.). Диагностическая ультразвуковая визуализация: наизнанку. ISBN  9780126801453.
4. Лейтон, Т.Г., Уолтон, А.Дж. и Пикворт, M.J.W., 1990. Основные силы bjerknes. Европейский журнал физики, 11 (1), стр.47.
5. Саиди, Давуд; Сагхафян, Мохсен; Хагджуй Джаванмард, Шагаег; Хаммарстрём, Бьёрн; Виклунд, Мартин (2019). «Акустические дипольные и монопольные эффекты в динамике взаимодействия твердых частиц при акустофорезе». Журнал акустического общества Америки. 145 (6): 3311–3319. Bibcode:2019ASAJ..145.3311S. Дои:10.1121/1.5110303. ISSN  0001-4966. PMID  31255151.
6. Горьков, Лев Петрович (1961). Силы, действующие на маленькую частицу в акустическом поле в идеальной жидкости (по-русски). Докл. Акад. АН СССР. С. 140: 1, 88–91.
7. Yosioka, K .; Кавасима Ю. (1955-01-01). «Акустическое радиационное давление на сжимаемый шар». Acta Acustica вместе с Acustica. 5 (3): 167–173.
8. Сеттнес, Миккель; Брус, Хенрик (30 января 2012 г.). «Силы, действующие на маленькую частицу в акустическом поле вязкой жидкости». Физический обзор E. 85 (1): 016327. arXiv:1110.6037. Bibcode:2012PhRvE..85a6327S. Дои:10.1103 / PhysRevE.85.016327. ISSN  1539-3755. PMID  22400677. S2CID  35088059.