Сила акустического излучения

Сила акустического излучения ( ARF ) — это физическое явление, возникающее в результате взаимодействия акустической волны с препятствием, расположенным на ее пути. Обычно сила, действующая на препятствие, оценивается путем интегрирования давления акустического излучения (из-за присутствия звуковой волны) по ее изменяющейся во времени поверхности.

Величину силы, действующей на акустическую плоскую волну в любом заданном месте, можно рассчитать как:

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

где

• ${\displaystyle |F^{\rm {rad}}|}$— сила на единицу объема, здесь выраженная в кг/(с ² см ² );
• ${\displaystyle \alpha }$- коэффициент поглощения в Нп /см (неперс на см);
• ${\displaystyle I}$- это средняя по времени интенсивность акустической волны в заданном месте в Вт /см ² ; и
• ${\displaystyle c}$скорость звука в среде в см/с. ^{[1] [2]}

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). Для справки, вода имеет акустическое поглощение 0,002 дБ /(МГц ² см). ^{[3] (номер страницы?)} Силы акустического излучения на сжимаемых частицах, таких как пузырьки , также известны как силы Бьеркнеса и генерируются посредством другого механизма, который не требует поглощения или отражения звука . ^[4] Силы акустического излучения также можно контролировать посредством субволнового структурирования поверхности объекта. ^[5]

Когда частица подвергается воздействию акустической стоячей волны, она будет испытывать усредненную по времени силу, известную как первичная акустическая радиационная сила ( ) _. ^[6] В прямоугольном микрожидкостном канале с копланарными стенками, который действует как резонансная камера , входящая акустическая волна может быть аппроксимирована как резонансная стоячая волна давления в форме: ${\displaystyle F_{pr}}$

${\displaystyle p_{1}=p_{a}\cos {kz}}$.

где - волновое число . Для сжимаемой сферической частицы микрометрового размера (радиуса ), взвешенной в невязкой жидкости в прямоугольном микроканале с плоской одномерной стоячей ультразвуковой волной с длиной волны , выражение для первичной радиационной силы (в дальней зоне, где ) становится ^{[7] [8] [9] [6]} : ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle a\ll \lambda }$

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

${\displaystyle \Phi ({\tilde {\kappa }},{\tilde {\rho }})={5{\tilde {\rho }}-2 \over 2{\tilde {\rho }}+1}-{\tilde {\kappa }}}$

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

где

• ${\displaystyle \Phi }$акустический коэффициент контрастности
• ${\displaystyle {\tilde {\kappa }}}$относительная сжимаемость между частицей и окружающей жидкостью : ${\displaystyle \kappa _{p}}$ ${\displaystyle \kappa _{f}}$ ${\displaystyle {\tilde {\kappa }}=\kappa _{p}/\kappa _{f}}$
• ${\displaystyle {\tilde {\rho }}}$относительная плотность между частицей и окружающей жидкостью : ${\displaystyle \rho _{p}}$ ${\displaystyle \rho _{f}}$ ${\displaystyle {\tilde {\rho }}=\rho _{p}/\rho _{f}}$
• ${\displaystyle E_{\rm {ac}}}$это плотность акустической энергии
• Фактор удваивает период силы излучения и сдвигает фазу относительно волны давления. ${\displaystyle \sin {2kz}}$ ${\displaystyle p_{a}\cos {kz}}$
• ${\displaystyle c_{f}}$это скорость звука в жидкости

Смотрите также

• Акустический пинцет
• Радиационное давление

Ссылки

1. Палмери, Марк; Шарма, Эми; Бушар, Ричард; Найтингейл, Роджер; Найтингейл, Кэтрин (октябрь 2005 г.). «Модель метода конечных элементов реакции мягких тканей на импульсную акустическую радиационную силу». Труды IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и управлению частотой . 52 (10): 1699–1712. doi :10.1109/tuffc.2005.1561624. PMC  2818996. PMID  16382621 .
2. McAleavey, SA; Nightingale, KR; Trahey, GE (июнь 2003 г.). «Оценки корреляции эха и смещения измерения при визуализации импульса акустического излучения». IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control . 50 (6): 631–641. doi :10.1109/tuffc.2003.1209550. PMID  12839175. S2CID  12815598. (требуется подписка)
3. Сабо, Томас Л. (2013). Диагностическая ультразвуковая визуализация: изнутри наружу (2-е изд.). Академическая пресса. ISBN 9780126801453.
4. Лейтон, TG; Уолтон, AJ; Пикворт, MJW (1990). "Первичные силы Бьеркнеса". European Journal of Physics . 11 (1): 47. Bibcode : 1990EJPh...11...47L. doi : 10.1088/0143-0807/11/1/009. S2CID  250881462.
5. Stein, M., Keller, S., Luo, Y., Ilic, O. (2022). «Формирование бесконтактных радиационных сил посредством аномального акустического рассеяния». Nature Communications . 13 (1): 6533. arXiv : 2204.04137 . Bibcode :2022NatCo..13.6533S. doi :10.1038/s41467-022-34207-7. ISSN  2041-1723. PMC 9626492 . PMID  36319654. S2CID  248069447. 
6. Saeidi, Davood; Saghafian, Mohsen; Haghjooy Javanmard, Shaghaiegh; Hammarström, Björn; Wiklund, Martin (2019). «Акустические дипольные и монопольные эффекты в динамике взаимодействия твердых частиц во время акустофореза». Журнал акустического общества Америки . 145 (6): 3311–3319. Bibcode : 2019ASAJ..145.3311S. doi : 10.1121/1.5110303. ISSN  0001-4966. PMID  31255151. S2CID  195564901.
7. Горьков, Лев Петрович (1961). Силы, действующие на малую частицу в акустическом поле внутри идеальной жидкости. Докл. АН СССР. С. 140:1, 88–91.
8. Йосиока, К.; Кавасима, Й. (1955-01-01). «Акустическое радиационное давление на сжимаемую сферу». Acta Acustica United with Acustica . 5 (3): 167–173.
9. Сеттнес, Миккель; Бруус, Хенрик (2012-01-30). "Силы, действующие на малую частицу в акустическом поле в вязкой жидкости". Physical Review E. 85 ( 1): 016327. arXiv : 1110.6037 . Bibcode : 2012PhRvE..85a6327S. doi : 10.1103/PhysRevE.85.016327. ISSN  1539-3755. PMID  22400677. S2CID  35088059.