【摘要】：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,對微納米級粒子的無接觸式操控的需求越來越迫切,尤其是在生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域。聲場中的微小粒子會受到其聲輻射力的作用,在特定條件下粒子將會被穩(wěn)定在聲場的特定的空間位置,利用聲輻射力可以實現(xiàn)聲場對微粒的操作和捕獲作用。因此利用聲場的梯度和微粒間的相互作用可以實現(xiàn)細(xì)胞篩選、藥物輸送、聲懸浮等應(yīng)用,這在生物醫(yī)學(xué)及材料科學(xué)中有著重要的研究意義。本論文主要利用兩種理論方法對聲波作用于球形粒子的聲輻射力的特性進(jìn)行了研究。在第一章中,回顧了與聲輻射力有關(guān)的理論研究背景和實際應(yīng)用,介紹了近期有關(guān)聲輻射力的研究內(nèi)容和進(jìn)展,并概述了本文研究工作的主要內(nèi)容。第二章主要介紹了幾何聲學(xué)近似的方法,通過此方法對微球在高斯聲場中聲輻射力特性進(jìn)行了研究,同時考慮了粒子中的聲衰減對二維聲輻射力的影響,分析了聲勢阱現(xiàn)象產(chǎn)生的條件,并討論了粒子初始位置,粒子大小等對聲輻射力大小的影響。結(jié)果表明,當(dāng)粒子處于某些特定位置可以受到聲阱力作用,考慮衰減不會對聲學(xué)鑷子的捕獲性質(zhì)產(chǎn)生影響,僅對其捕獲能力產(chǎn)生影響。第三章中,在幾何聲學(xué)理論下,提出了雙層球所受輻射力的模型,仿真計算詳細(xì)討論了雙層球的球殼厚度各層介質(zhì)的聲學(xué)性質(zhì)對聲勢阱的位置和大小產(chǎn)生的影響,給出了更加貼合實際實驗應(yīng)用需要的聲輻射力理論模型。在第四章,基于幾何聲學(xué)近似的方法,提出了微球在球面聚焦聲場中所受聲輻射力的模型,分析了聚焦聲場的參數(shù)對球形粒子聲輻射力的影響。結(jié)果表明常規(guī)球面聚焦聲源對粒子球同樣有三維捕獲作用。第五章主要介紹了聲場的散射理論,分析討論了各種邊界條件對聲場的散射作用,同時本章利用有限級數(shù)展開的方法,將高斯聚焦聲波按照球函數(shù)展開,詳細(xì)推導(dǎo)了聲散射理論下,高斯聲波對球型粒子的聲輻射力函數(shù),為研究復(fù)雜聲波波形的輻射力奠定基礎(chǔ)。第六章提出并研究了散射理論中高斯駐波場及類高斯駐波場的聲輻射力函數(shù),分析了高斯駐波場及類高斯駐波場中球形粒子所受的聲輻射力特性,同時說明了高斯駐波場對粒子的操控作用,此結(jié)論也與前人的實驗結(jié)果相符。第七章對全文進(jìn)行了總結(jié)及展望。本文系統(tǒng)地研究了球形粒子在聲場中的聲輻射力特性,建立了各種不同聲場中聲輻射力模型,進(jìn)行了理論推導(dǎo)和數(shù)值分析,本研究對工業(yè)上聲輻射力無損操控及醫(yī)學(xué)上的細(xì)胞和藥物篩選有著重要的理論指導(dǎo)作用。
[Abstract]:With the development of modern science and technology, the demand for non-contact manipulation of microparticles is becoming more and more urgent, especially in biomedical and industrial fields. The tiny particles in the sound field will be affected by their sound radiation force, and under certain conditions, the particles will be stabilized in the special space of the sound field. Using the sound radiation force, the operation and capture of the particles can be realized. Therefore, the use of the gradient of sound field and the interaction between particles can realize cell screening, drug delivery, acoustic suspension and other applications, which has an important research significance in biomedical and material science. In this paper, two theoretical methods are used to study the characteristics of acoustic radiation force acting on spherical particles. In the first chapter, the theoretical research background and practical application related to acoustic radiation force are reviewed, the recent research contents and progress of acoustic radiation force are introduced, and the main work of this paper is summarized. In the second chapter, the geometric acoustics approximation method is introduced, by which the acoustic radiation force characteristics of microspheres in Gao Si sound field are studied, and the influence of sound attenuation in particles on two-dimensional acoustic radiation force is considered. The conditions under which the sound well phenomenon is produced are analyzed, and the effects of particle initial position and particle size on the sound radiation force are discussed. The results show that when the particle is in some specific position it can be subjected to the action of acoustic trap force and considering attenuation does not affect the trapping property of acoustic tweezers but only its capture ability. In chapter 3, based on the geometric acoustics theory, a model of radiation force on a double-layer sphere is proposed. The effects of the acoustic properties of the spherical shell thickness of the double-layer sphere on the position and size of the sound potential well are discussed in detail. The theoretical model of acoustic radiation force which is more suitable for practical application is given. In chapter 4, based on the method of geometric acoustic approximation, a model of sound radiation force on microspheres in spherical focusing sound field is proposed, and the influence of the parameters of focusing sound field on the sound radiation force of spherical particles is analyzed. The results show that the conventional spherical focusing sound source can also capture the particle sphere in three dimensions. In the fifth chapter, the scattering theory of sound field is introduced, and the scattering effect of various boundary conditions on sound field is analyzed and discussed. At the same time, by using the method of finite series expansion, Gao Si focused sound wave is expanded according to spherical function. In this paper, the sound radiation force function of Gao Si acoustic wave on spherical particles is deduced in detail, which lays a foundation for studying the radiation force of complex acoustic wave. In the sixth chapter, the acoustic radiation force functions of Gao Si standing wave field and Gao Si like standing wave field in scattering theory are proposed and studied, and the characteristics of sound radiation force of spherical particles in Gao Si standing wave field and Gao Si like standing wave field are analyzed. At the same time, the control effect of Gao Si standing wave field on particles is explained, and this conclusion is in agreement with the previous experimental results. Chapter seven summarizes and prospects the full text. In this paper, the characteristics of sound radiation force of spherical particles in sound field are systematically studied, and various models of sound radiation force in different sound fields are established, and the theoretical derivation and numerical analysis are carried out. This study has important theoretical guidance for industrial sound radiation nondestructive manipulation and medical cell and drug screening.
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O422

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本文編號：2249267