超声场中空化泡与弹性粒子间相互作用的微流场及声辐射力

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随着超声工作的不断发展,通过对不同声场中单个气泡或悬浮颗粒等理论建模研究,了解到超声作用下气泡或颗粒的声微流、声辐射力等对生物医学、生命科学、超声清洗、超声治疗等理论解释具有重要的现实意义。实际声场的液体环境是复杂的多维体系,含有空化泡、不同种类的悬浮颗粒(刚性粒子,弹性粒子等)或者包覆物等障碍物,当声波传播过程中遇到障碍物时,产生散射声波,导致周围声场为入射波和散射波等组成的叠加场,两者相互作用进一步影响其周围的微流场与声辐射力。基于此,本文选取悬浮颗粒中典型的球形弹性粒子,建立弹性粒子-气泡理论模型,重点考虑两者之间相互作用影响,分别对两者产生的微流场和弹性粒子的声辐射力进行研究,主要包括以下几方面内容:1.以声波动理论为基础,分别研究了无界理想液体中刚性粒子与弹性粒子的散射特性,详细给出了不同声场的散射系数表达式,为进一步研究声微流分布与声辐射力奠定基础;2.基于声散射理论,结合边界条件,详细推导平面波声场的理想液体中弹性粒子和气泡周围声流速度的表达式,分别研究弹性粒子和气泡半径、两者之间距离、弹性粒子-气泡半径比和声波频率对微流场分布的影响。结果表明,考虑弹性粒子与气泡之间的相互作用,明显增强了弹性粒子和气泡周围的声流分布,特别是切向分量;当弹性粒子与气泡中心之间距离增加,相互作用减小,两者声流速度减小;当弹性粒子与气泡处于共振状态时,周围声流速度幅值最大。3.考虑弹性粒子与气泡之间的相互作用,详细推导无界平面波声场中弹性粒子的声辐射力表达式,分析了单个刚性粒子、单个弹性粒子、弹性粒子-气泡、刚性粒子-气泡体系的声辐射力函数变化特性,重点研究了弹性粒子-气泡体系中,弹性粒子的声辐射力受两者之间距离、驱动频率的影响。从声辐射力函数曲线变化特征表明,不同材料的弹性粒子的声辐射力都显示出明显的共振特性,出现一定的峰值,考虑气泡存在的影响后,当ka较小时,声辐射力函数出现负值,将弹性粒子拉向声源,随着ka增大,声辐射力函数增加为正值且趋向于稳定值。
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