聲輻射力是聲操控的物理基礎,在醫(yī)學超聲、材料科學等領域有著廣泛應用。從聲波的散射理論出發(fā),利用級數展開法得到高斯波束的波束因子,推導了其對阻抗邊界下離軸球形粒子聲輻射力的表達式。針對剛性球與液體球兩種情況下的球形粒子進行了數值模擬,與自由空間的情況進行了比較。討論了邊界反射系數、粒子與邊界距離、束腰半徑以及離軸角度與距離等對聲輻射力函數的影響。仿真結果表明:邊界反射系數的增大會引起聲輻射力函數的增加,但不改變取峰值時的位置;在合適的頻率處,可以產生負向聲輻射力;聲輻射力函數隨粒子與邊界距離呈周期性變化;束腰半徑的影響主要體現在中高頻;隨著粒子偏離傳播軸的距離和角度增大,聲輻射力函數出現明顯的衰減。該研究拓展了粒子聲輻射力的傳統(tǒng)研究范圍,為實際中利用高斯聲束制備聲學鑷子提供了理論指導。 

【文章來源】：蘇州科技大學學報(自然科學版). 2020,37(01)

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【部分圖文】：

阻抗邊界下離軸球形粒子的聲散射示意圖

假定束腰寬度w0=3λ，粒子中心與束腰中心的距離d0=λ，d0與z軸的夾角θ=π/6。在粒子與阻抗邊界距離d0=2a的情況下，對不同反射系數下粒子在聲場中受到的聲輻射力函數進行仿真，結果如圖2所示。圖2(a）和2(b）分別顯示了剛性球和油酸球的聲輻射力函數隨ka的變化曲線。可以看出，不論是剛性球還是油酸球，聲輻射力在ka比較小時變化較劇烈。值得一提的是，在某些頻率處可以出現負向的聲輻射力，此時粒子會被聲波向聲源的方向吸引。在ka比較大時，聲輻射力在一個穩(wěn)定值附近出現小幅振蕩，這是由于粒子的散射波和邊界的反射波之間復雜的干涉現象所引起的必然結果。隨著反射系數的增大，聲輻射力的峰值減小，但振蕩峰值的位置并不因此而改變。對比圖2(a）和2(b）可以發(fā)現，油酸球的聲輻射力峰值遠小于剛性球，且其峰值位置也有所不同。2.2 粒子與邊界的距離對聲輻射力的影響

為研究高斯波束的束腰半徑對于聲輻射力的影響，固定邊界的聲壓反射系數Rs=0.5，粒子與邊界的距離d=2a，粒子中心離軸的距離和角度不變，對不同束腰半徑下的聲輻射力進行仿真，剛性球和油酸球的結果分別如圖4(a）（剛性球）和4(b）（油酸球）所示。仿真的結果表明，束腰半徑對于聲輻射力的影響主要體現在ka>2時，即中高頻附近。隨著束腰半徑的增加，中高頻處的聲輻射力函數在不斷增大，并且最終趨近于平面波入射的情況。圖4 不同束腰半徑下聲輻射力函數Yp隨ka的變化


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