高斯波束对圆盘粒子声辐射力的研究

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声波具有一定的能量,处于声场微小粒子会受到声波对其作用,我们将这种作用力称为声辐射力。利用声辐射力,可以实现对微小粒子(如原子,细胞器,DNA等)的捕获和操控。入射高斯波束对粒子辐射力的研究一直是国内外热点,在生命科学、物理学、物理化学、超声医学等众多研究领域具有重要价值。近年来大多数对微小粒子研究热点集中在球形粒子和柱形粒子上,但是在声辐射力的应用科学领域,也存在外形像圆盘等粒子,然而对于它们的研究较少。基于此,本文在扁椭球坐标系下利用散射法,将入射高斯波束对声场中圆盘粒子的散射声场进行求解,对声场中高斯波声辐射力进行理论推导,主要研究内容如下:(1)根据扁椭球坐标系下的扁椭球波函数和球坐标系下的球函数之间的关系,利用平面波在球坐标系中的级数展开法,将球谐函数变换为扁椭球波函数,推导出平面波在扁椭球坐标系中的级数展开。根据高斯波在球坐标系下的级数展开,计算高斯波束因子,最后推导出高斯波在扁椭球坐标系中的级数展开,并分别对平面波和高斯波进行仿真。仿真结果表明:在扁椭球坐标中,平面波的级数展开法和解析式的仿真结果一致,高斯波也有相同的结果。这表明本文利用球函数变换为扁椭球波函数,对平面波和高斯波的级数展开是可行的。(2)当粒子处于高斯波声场中时,会受到声场的作用,同时会产生散射波,根据声波动理论,分别研究流体介质中液体圆盘、刚性圆盘、固定刚性圆盘在入射高斯波的作用下的散射情况,根据粒子边界条件的不同,推导出了扁椭球坐标系中不同边界条件下散射系数的表达式,其结果为进一步研究圆盘粒子声辐射力奠定了坚实的基础。(3)根据声辐射力理论,将入射高斯波按照在扁椭球坐标系中扁椭球波函数展开形式代入,分别推导出了刚性圆盘的平面波声辐射力的表达式和高斯波声辐射力的表达式,通过数值仿真,研究辐射力随着频率以及波束宽度影响的变化。仿真结果表明:刚性圆盘粒子在高斯声场中所受的声辐射力与粒子所受声波的频率和波束宽度有关,当波束宽度相对波长较大时,高斯波束可以近似看作为平面波,其辐射力随ka的变化规律与平面波的基本一致;当声波频率ka数值达到2.5时,此时辐射力为最大值,当声波频率ka数值在1到1.5之间时,声辐射力随着ka变化比较缓慢,当声波频率ka数值1.5到2.5之间变化时,辐射力随着ka变化比较迅速。
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