空气中一维声栅对微粒的声操控

本文对一维空气声栅表面微粒受到的声辐射力进行了详细的理论研究.首先采用有限元方法研究一维声栅的透射性质及表面声场分布,然后将有限元与动量张量积分结合研究处于一维声栅表面微粒受到的声辐射力特征.声栅共振透射增强是表面周期衍射波与狭缝Fabry-Perot共振耦合形成的,并且与声栅周期和厚度密切相关.研究发现,当共振波长与声栅周期相当时,微粒在其表面可受到指向声栅板面的声吸引力;当共振波长为声栅周期的二倍及以上,微粒可受到指向狭缝中的吸引力,且强度远小于第一种情况的吸引力.因此,在声栅处于共振波长与周期相当的共振模式时,可以在空气中利用声栅表面操控、吸引和排列微粒.     

基于亚波长管道增强的漩涡声场悬浮操控微粒和液滴的实验研究

声悬浮技术可以在无接触的情况下操控微粒和液滴,因此已被广泛应用于化学分析、液滴动力学和生物反应器等领域.目前声悬浮技术的主要工作是在开放环境中进行悬浮等操控.本文提出了亚波长管道增强型空气声镊的概念,利用亚波长声波导管进行声场操控及微粒和液滴悬浮.通过4个小型换能器激发有限长度亚波长圆波导管的单一低阶声学模态,可以在有限长度的波导管内产生漩涡声场.实验发现由于亚波长结构对声场的增强作用,亚波长管道增强的漩涡声场在径向和轴向悬浮力大小上均有较大提升,因此可对发泡聚苯乙烯颗粒和水滴实施悬浮和自转等操控.这项工作将亚波长声波导管的概念引入声场操控中,有望加深对声场和物质相互作用的物理理解,开发新型小型化悬浮微粒和液滴的声学操纵器件.     

声操控微粒研究进展*

声操控微粒是利用声波与微粒之间动量和能量交换产生的声辐射力操纵微粒的运动,具有非接触、生物兼容性好、无需对微粒进行化学生物标记、装置简单易集成等优点,在精密制造、精准医疗等领域具有广阔的应用前景,是当前操控领域的研究热点。该文主要综述最近十年声辐射力理论研究、声场调控方法以及微粒操控形式等方面的研究工作,并对声操控的未来发展方向进行了展望。     

基于相控聚焦原理的悬浮微粒操控研究

设计了凹球面双发射极超声阵列结构,并结合相控聚焦原理,通过FPGA硬件系统实时控制换能器输入信号的相位参量,形成悬浮能力较强的驻波聚焦声场.根据预设的悬浮微粒移动轨迹,有规律地调节阵元信号的相位差,实现超声波束的动态聚焦,在声场移动的同时,带动波节附近悬浮微粒的移动.分别在竖直面与水平面操控微粒移动,研究微粒移动的准确度和可操控范围.实验结果表明:凹球面双发射极超声阵列的悬浮稳定性强,且可操控范围广.     

共聚焦超声换能器的声场优化与粒子捕获

超声悬浮被广泛应用于多个领域,目前主要有驻波式和相控阵式悬浮系统.基于共焦点排列的聚焦换能器结构,本研究提出了一种单边式超声悬浮系统.其基本原理是利用反相激励成对聚焦换能器在空间构建具有势阱结构的特定声场,实现微粒的捕获与悬浮.针对4个共焦点排列的聚焦换能器,基于有限元仿真研究了换能器轴夹角及激励相位模式对声场分布的影响;利用实验演示了系统的粒子捕获效果,验证了其势阱分布情况.结果表明,换能器轴线与结构中轴线夹角为45°时,势阱强度最高;换能器的激励相位分别为0,0,π,π时,声场中存在1处主势阱、2处次级势阱,可以捕获3处粒子团;换能器的激励相位分别为0,π/2,π,3π/2时,声场中仅存在1处势阱,只可捕获1处粒子团.该系统具有成本低、自由度高、稳定性强、操作便捷的优点,且能够实现单个位置或多个位置粒子团的捕获与悬浮,可以用于流体中高密度物体操控.     

双凹球面相控聚焦超声波场的产生与可视化

超声相控阵技术在声悬浮中有十分重要的价值,相较于传统的一维单轴声悬浮装置,本文在凹球面双发射极超声阵列的基础上引入相控聚焦原理,产生了声悬浮能力较强的声场,重点研究了声场的仿真模拟与可视化验证.首先,介绍了自发设计的凹球面双发射极超声阵列结构,阐述了相控聚焦原理、超声驻波悬浮机理、声压与声辐射力等声学理论.然后,根据理论分析结果,借助COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件,仿真模拟相控聚焦超声波场.产生该声场的各超声波换能器相位可单独控制,通过相位的实时变化,可使声场进行动态聚焦,实现微粒的悬浮与任意轨迹移动.最后,使用单反射纹影系统实现了该声场的实时可视化,与仿真结果进行比较,证实了凹球面双发射极超声波装置相控聚原理的准确性.     

H-22细胞声孔效应的应力阈值

理论和实验研究了超声空化场中的H-22型肝癌细胞产生可逆声孔效应的剪应力阈值.本文用1.37 MHz的聚焦声场,当超顺磁性纳米氧化铁在细胞悬液中的终浓度为410 μg/mL,换能器负载电功率为2 W,超声辐照60 s,细胞存活率90%以上时,有45.9±13.5%的细胞显示普鲁士蓝染阳性,暗示超声作用下,这些细胞表面曾出现可逆性微孔而使磁性微粒由此进入细胞内.利用无界自由空间微泡运动方程的球对称稳态解对实验条件下细胞膜表面的切变应力进行数值估算,结果表明,使H-22细胞产生可逆性声孔效应的微流剪应力阈值为697 Pa. 关键词： 声孔效应 磁性标记 微流 剪应力     

声波的“漩涡”——声学轨道角动量的产生、操控与应用

具有螺旋形相位位错的声涡旋场近来受到了大量关注,因为其所携带的声学轨道角动量具有重要的理论意义与显著的应用价值。当声涡旋与物体相互作用时可以实现角动量的传递,产生可以远程局域或者旋转物体的力矩,这种力学效应对粒子操控等领域意义重大。产生声学轨道角动量的传统方法需要使用由大量独立操控的换能器组成的有源声阵列或是具有不平整厚度及螺旋形结构的无源材料,限制了其在实际中的应用潜力。为利用平面状的小尺寸器件来高效产生声学轨道角动量,发展了基于共振原理的角动量生成技术。最近,声学轨道角动量被拓展至用于开辟新的多路复用信道,以实现高容量的声学通信。文章详细介绍声学轨道角动量的产生、操控及应用方面的最新研究进展。     

Bessel驻波对椭球形液滴的声辐射转矩

在实际的声操控中,由于声辐射力、表面张力和重力的共同作用,液滴往往呈现出椭球的形状,在螺旋声场中会受到力矩的作用而发生转动。从声波的散射理论出发,根据部分波展开法求解得到了椭球形液滴在Bessel驻波场中的声散射系数,并给出了其受到的声辐射转矩的解析式。在此基础上,对椭球形不可压缩液滴和椭球形可压缩液滴分别进行数值计算。仿真结果表明,不可压缩液滴的声辐射转矩与声束半锥角的关系更密切,而可压缩液滴则更依赖于特定的频率;提升Bessel驻波场的阶数有利于增强声辐射转矩的峰值,但在中低频处较难对可压缩液滴产生明显的力矩。该研究结果预期对利用螺旋声场进行液滴的操控具有理论指导作用。      

基于薄膜编码超表面的宽频超薄声散射体

该文提出了一种基于薄膜编码超表面的宽频超薄声散射体。利用附加质量块的薄膜和空气腔组成的薄膜结构构建了反射声波相位差接近180°的两种共振单元。将两种共振单元按照一定的顺序进行排列,可以组成深亚波长尺寸下的声学超表面。所构建的声学超表面可以产生宽频有效的散射声场。通过有限元仿真软件对多个频率的近场散射声场分布、远场声指向性和扩散系数进行了仿真计算,仿真结果显示,该散射体可以高效地散射入射声波,并且散射效果在一定的频率范围内是宽频有效的。     

面向目标的定向声辐射技术及其应用研究

面向目标的定向声辐射是指利用声源特性和阵列信号处理技术,将声波传送至目标方向或区域的声场控制方法。本文介绍了定向声辐射技术的原理和进展,重点阐述了普通扬声器阵列和参量阵扬声器这两种声源形式的理论、算法和应用研究。其中,针对扬声器阵列,主要分析了基于声能量对比度控制的声聚焦技术;针对参量阵扬声器,综述了利用非线性效应产生高指向性可听声的计算方法、信号预处理和应用等进展。面向目标的定向声辐射技术的研究对实现智能声场控制有着重要意义。     

平面行波场中多个粒子受到的声辐射力*

从粒子在行波场中的声散射出发,研究当声场中存在稀疏分布的多个粒子时粒子受到的声辐射力,并且给出了适用于声场中任意位置的粒子声辐射力计算公式。由于声辐射力为非线性力,当声场中存在多个粒子时,直接计算粒子受到的声辐射力非常复杂。结果表明,当声场中存在多个稀疏分布的粒子时,这一多粒子系统可以视为多个单独的双粒子系统的叠加,只需要分别计算各个双粒子系统的声辐射力就可以通过叠加得到声场中任意粒子的声辐射力。这一结果有助于利用声辐射力对微小粒子进行精细操控。     

利用体声波微流阱阵列捕获微米级颗粒

提出了一种利用体声波微流阱在三维流体空间中捕获微米级颗粒的方法,制备了2种体声波微流阱阵列,并采用有限元法进行仿真计算,求解方程得到一阶声场、二阶声场,仿真分析了聚苯乙烯微粒在流场中的运动情况。实验结果显示体声波微流阱能够快速、高效捕获三维流体空间中的微米级颗粒,实验结果与仿真结果吻合良好,圆柱型体声波微流阱与圆孔型体声波微流阱都能在几十秒内捕获三维空间中的微粒,且圆柱型体声波微流阱的捕获效率比圆孔型体声波微流阱高。该方法突破了声表面波微流阱无法操控三维空间中的微粒的局限,提高了捕获微粒的效率。      

银纳米颗粒及阵列光传输性质的理论研究

纳米颗粒及其阵列结构的光学性能与颗粒本身的表面等离子体共振及周期结构参数密切相关.本文根据Mie散射理论和多极子振荡理论,研究了光在银球型纳米颗粒及阵列中的传输性质.对于单个纳米颗粒,当颗粒半径小于50 nm时,消光峰由电偶极子共振产生;当半径大于50 nm时,除电偶极子振荡产生的消光峰外,在短波处将出现由电四极子共振产生的消光峰,且两种极子的共振频率随颗粒半径的增加而减小.由电偶极子共振产生的消光峰位置的理论计算结果与实验结果相符合.对于由球形颗粒组成的无限大二维周期阵列,消光峰主要由单个颗粒产生的消光峰和Wood-Rayleigh反常衍射造成的消光峰组成.通过控制纳米颗粒的尺寸、形状以及阵列的周期、排列方式,可以调节两种极子的共振峰位.本文的结果将对设计具有特定光学性能的纳米结构产生重要的实际意义.     

基于换能器阵的三维多粒子悬浮及操控装置

针对目前三维声操作技术悬浮粒子数量少、悬浮空间局限的问题,本文提出了一种由三对相对换能器阵列组成的声悬浮装置的设计方案,通过改变换能器阵列的相位差,成功实现了粒子的三维操纵.该装置可用于测量声速,相对误差一般在2%~5%左右,对测量环境要求比较严格.     

固体表面菲涅尔阵列产生的声束聚焦的研究

在固体表面上菲涅尔阵列可实现聚焦声束的Ｂ扫描。此阵列产生的弹性波场的分析是固体中会聚声束Ｂ扫描成像的物理基础．给出此聚焦声场的全面分析,包括：纵波和横波会聚声束的频率扫描特性;纵波声场沿对称轴和在焦面上的分布;在主焦点的频率响应;纵波场的全空间分布以及阵列参数对会聚声场的影响．最后还讨论了横波的分布．     

Gauss声束对离轴椭圆柱的声辐射力矩

利用部分波展开法求解得到了Gauss声束入射下刚性和非刚性椭圆柱的声散射系数,推导了一般情况下的声辐射力矩表达式.在此基础上,通过一系列数值仿真详细分析了离轴距离、入射角度和束腰半径对声辐射力矩的影响.结果表明:正向与负向声辐射力矩均可以在一定条件下存在;低频情况下刚性椭圆柱比非刚性椭圆柱更容易产生较强的声辐射力矩;特定频率的入射声场可以激发出非刚性椭圆柱不同阶的共振散射模式,因而非刚性椭圆柱的声辐射力矩峰值与频率的关系更密切;增加束腰半径有利于扩大散射截面,进而增加椭圆柱的声辐射力矩.该研究结果预期可以为利用声辐射力矩实现粒子的可控旋转和流体黏度的反演提供一定的理论指导.     

基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计

夹心式换能器应用极为广泛,但当其横向尺寸过大时,存在耦合振动,影响其辐射面的位移分布.本文通过在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工周期排列的槽,来形成一种二维声子晶体结构.随后,采用有限元法对基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的振动传输特性、共振频率以及发射电压响应进行仿真模拟,讨论了开槽高度和开槽宽度对其带隙、共振与反共振频率、带宽以及辐射面位移分布的影响.研究结果表明,通过在大尺寸夹心式换能器中应用声子晶体结构可对其进行优化设计.当大尺寸夹心式换能器的工作频率位于其带隙范围内时,二维声子晶体结构能有效地抑制其横向振动,从而改善换能器辐射面位移分布的均匀程度.此外,在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工二维声子晶体结构,能有效提升换能器的带宽,进而拓宽大尺寸夹心式换能器的工作频带.     

声表面波在压电晶体表面上的聚焦特性

研究了压电晶体表面上圆弧形叉指换能器产生的声表面波的聚焦现象。用作者提出的压电晶体表面激发的严格矢量场理论来计算会聚的表面波声场,取代了比较流行的源于光学的标量角谱理论。理论分析表明介质的各向异性对声束的会聚特性有很大的影响,如焦长和焦点附近声场的对称性。在实验中可以用光学暗场法来观察声表面波场的会聚。尽管各向异性介质或各向异性压电晶体上表面波声场的会聚都非常复杂,实验的结果和理论分析比较一致。     

三元周期结构声禁带形成机理

研究了二维三元周期结构的声禁带加宽现象产生的物理机理. 用有限元方法分别计算了嵌入1，3和5排铁柱和具有橡胶包层铁柱的周期复合结构的声能量传输谱和禁带形成过程. 通过比较二元和三元周期复合结构中的声场分布情况，认为三元样品宽声禁带的形成机理是Bragg反射和局域化共振共同作用的结果，前者在高频段的作用更为明显，而后者在低频段起主要作用. 关键词： 三元周期结构 声禁带 局域共振 Bragg反射