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。     

准高斯声束对超声造影剂的声辐射力研究*

超声造影剂的定向输运在超声医学成像领域有着极为重要的意义,而声辐射力作用是实现该过程的关键,相比于高斯声束,准高斯声束是无源亥姆霍兹方程的精确解,可以使用标准波分解法简化计算。因此,本文研究了准高斯声束对超声造影剂的声辐射力作用。文章首先分析了准高斯声束与高斯声束之间的相关性;随后通过数值计算求得了准高斯声束对超声造影剂模型的声辐射力函数与无量纲频率之间的关系;最后,本文研究了不同造影剂气泡情况下的声辐射力。研究结果表明:声辐射力函数随无量纲频率变化将在不同位置出现共振峰,不同的波束宽度值将改变辐射力强度,但不改变共振峰的位置。相关结果可为利用声辐射力定向输运超声造影剂至靶向位置提供理论参考。     

复杂结构声辐射模态的计算

结构辐射阻矩阵的特征向量就是其声辐射模态,复杂结构的辐射阻矩阵获取困难阻碍了声辐射模态理论的进一步应用。为此提出一种基于等效源方法的复杂结构辐射阻矩阵计算方法,由此形成了一套完整的计算复杂结构声辐射模态方法。最后通过仿真算例对影响结构辐射阻矩阵计算精度的因素进行了分析,给出了复杂结构辐射阻矩阵构造的一般原则。理论推导和数值仿真算例表明所提出的复杂结构声辐射模态计算方法是有效的。该方法简化了复杂结构声辐射模态的计算,计算效率较高。     

零阶Bessel驻波场中任意粒子声辐射力和力矩的Born近似

声辐射力和声辐射力矩的计算是实现粒子精准操控的重要基础.基于经典声散射理论的偏波级数展开法较难直接用于复杂模型的研究,而纯数值的方法则不利于进行系统的参数化分析.基于Born近似的基本原理,推导了低频情况下零阶Bessel驻波场中心任意粒子的声辐射力和力矩表达式.在此基础上,以球形粒子、椭球形粒子和柱形粒子为例进行详细地计算,并考虑声参数的非均匀性对声辐射力和力矩的影响.仿真结果表明,在低频范围内Born近似具有很高的精度,随着频率的增加和粒子与流体的阻抗匹配变差,Born近似的精度逐渐下降.对于倾斜放置于零阶Bessel驻波场中的椭球形粒子和柱形粒子,非对称性会导致其受到声辐射力矩的作用.在粒子尺寸远小于波长的情况下,声辐射力特性与粒子的具体形状几乎无关,但声辐射力矩不然.最后,引入周围流体的黏滞效应并对声辐射力的表达式进行了修正.该研究预期可以为生物医学、材料科学等领域利用驻波场声镊子实现微小粒子的精准操控提供一定的理论指导.     

求解水中加肋板声辐射特性的虚拟声源法*

发展一种利用虚拟声源离散声场的方法求解加肋板在水中的声振耦合问题。由波叠加原理和单元体积速度匹配的原则,根据离散的结构单元满足的动力方程和结构与介质的交界相容性条件,确定虚拟声源强度,计算结构的声辐射功率。本文以简支矩形加肋板为例,在不获得结构表面振速和声压的情况下,计算了结构在水中的声辐射功率,并与解析方法计算的结果进行了比较,表明了该方法具有较好的计算精度。     

利用声辐射模态重构任意目标的散射声场

水下目标散射声场的重构可以作为水下目标散射特性的研究基础。本文主要利用声辐射模态对水下目标进行散射声场重构研究。首先,在借助声传递矩阵给出的任意结构声辐射模态的流体域求解方法基础上,通过理论证明了目标的散射声压与声辐射模态具有函数关系。其次,借助声场分布模态的概念,同时考虑到声场分布模态病态及声压测量易受噪声污染,提出基于声辐射模态的正则化散射声场重构算法。仿真结果表明,波数越低,重构所需声辐射模态阶数越少,在较高波数时仅需总模态数的大约20%即可对声场进行重构。与基于边界元的声场重构算法相比,计算量减小了至少80%,且克服了赫姆霍兹积分方程最小二乘法仅对球壳结构的重构效果较好而不适用于长条形结构重构的缺陷。     

用于开口声辐射控制的虚拟声屏障实现 方法及机理研究*

建筑物通常留有开口以便人员物料的进出及室内的自然通风采光,但这些开口也是噪声传播的途径。传统被动噪声控制方法需要将开口封闭,且对低频噪声的控制效果不好,故引入有源噪声控制技术降低室内声源通过开口的声辐射。基于惠更斯原理,均布开口的次级源和误差传声器构成的平面型虚拟声屏障可以实现对开口声辐射的有效控制,数值仿真和实验已证明其有效性。将次级源安装在开口边界更有利于保留开口的功能且方便实际安装,但这样的单层边界虚拟声屏障降噪效果存在上限,仅能在低频段实现全局控制。和单层边界次级源相比,双层边界次级源可显著提高降噪量和有效降噪频率上限。该文回顾了开口声辐射有源控制的相关工作,并讨论了未来可能的研究方向。     

用基于声类比的边界元计算管道风扇的管道声传播和辐射

本文介绍了用基于声类比的边界元计算管道风扇声场的新方法,将已被成功地应用于物体对外声场的散射计算方法推广应用到管道风扇的管内声传播和管口声辐射问题。数值结果表明了模型和方法的正确性及其可以作为管道声处理降噪敏果预测的工具。     

基于联合波叠加法的浅海信道下圆柱壳声辐射研究

针对浅海信道下弹性结构声辐射预报尚无高效可靠的研究方法,提出了一种浅海信道下弹性结构声辐射快速预报的联合波叠加法.该方法结合了浅海信道传输函数、多物理场耦合数值计算法和波叠加法理论,运用该方法可对浅海信道下弹性结构辐射声场进行快速预报.经数值法和解析解法验证后,从信道下辐射源、环境影响和辐射声场测量的角度研究分析了浅海信道下弹性圆柱壳的声辐射特性,阐释了进行浅海信道下结构声辐射研究的必要性.研究结果表明,仅在低频浅海信道下弹性结构可近似等效为点源,信道上下边界对声场产生显著的耦合影响,高频段的空间声场指向性分布尤为明显,垂直线列阵进行信道下结构辐射声功率测量时,测量结果受到信道环境边界和潜深的影响较大.     

基于集中质量法的一维声子晶体弹性波带隙计算

通过将一维声子晶体中的原胞简化为有限多个自由度的弹簧振子结构，引入了一种基于集中 质量法的一维声子晶体弹性波带隙计算方法.与传统平面波展开法相比，该方法的计算结果 与之相符合，而且在收敛性方面较之有很大改善.通过使用集中质量法，可在得到同样计算 精度的条件下，显著降低计算量，提高计算速度. 关键词： 声子晶体 弹性波带隙 集中质量法 平面波展开法     

Acoustic radiation force on a rigid cylinder near rigid corner boundaries exerted by a Gaussian beam field

Acoustic manipulation is one of the well-known technologies of particle control and a top research in acoustic field. Calculation of acoustic radiation force on a particle nearby boundaries is one of the critical tasks, as it approximates realistic applications. Nevertheless, it is quite difficult to solve the problem by theoretical method when the boundary conditions are intricate. In this study, we present a finite element method numerical model for the acoustic radiation force exerting on a rigid cylindrical particle immersed in fluid near a rigid corner. The effects of the boundaries on acoustic radiation force of a rigid cylinder are analyzed with particular emphasis on the non-dimensional frequency and the distance from the center of cylinder to each boundary. The results reveal that these parameters play important roles in acoustic manipulation for particle-nearby complicated rigid boundaries. This study verifies the feasibility of numerical analysis on the issue of acoustic radiation force calculation close to complex boundaries, which may provide a new idea on analyzing the acoustic particle manipulation in confined space.     

均匀球扭矩德拜级数分析

基于会聚光束所产生的扭矩来实现对小粒子的操纵已在物理学、生物学等领域得到了广泛的应用。为了分离出单个散射过程对扭矩的贡献,给出扭矩物理机理的解释,本文引入德拜级数分析了高斯波束对均匀球粒子所产生的扭矩。计算表明,当德拜项P从1取到一个足够大的值后,德拜级数计算结果与广义米氏理论结果吻合。文中重点分析了单阶P散射过程对横向扭矩的贡献,结果表明：当线极化光束入射时,P=1～5散射过程都可以产生横向扭矩,但扭矩的方向不同;当圆极化光束入射时,P=一1和0对应的扭矩远大于P=1～4对应的扭矩,且P=0过程产生与其他P过程相反方向的扭矩。     

均匀球扭矩德拜级数分析(英文)

基于会聚光束所产生的扭矩来实现对小粒子的操纵已在物理学、生物学等领域得到了广泛的应用。为了分离出单个散射过程对扭矩的贡献,给出扭矩物理机理的解释,本文引入德拜级数分析了高斯波束对均匀球粒子所产生的扭矩。计算表明,当德拜项p从1取到一个足够大的值后,德拜级数计算结果与广义米氏理论结果吻合。文中重点分析了单阶p散射过程对横向扭矩的贡献,结果表明:当线极化光束入射时,p=1～5散射过程都可以产生横向扭矩,但扭矩的方向不同;当圆极化光束入射时,p=-1和0对应的扭矩远大于p=1～4对应的扭矩,且p=0过程产生与其他p过程相反方向的扭矩。     

椭球粒子声辐射力计算及分析

针对水下椭球粒子,以声散射理论为基础,采用分波序列的方法,建立了椭球粒子声辐射力的理论计算模型。进而根据声辐射力计算公式,以刚性椭球粒子和液体椭球粒子为例,计算并分析不同Bessel波束作用下椭球粒子的轴向声辐射力函数特征。数值仿真计算结果表明,对于刚性椭球粒子,扁平椭球粒子相对于细长椭球粒子更有助于激发负声辐射力;对于液体椭球粒子,细长椭球粒子相对于扁平椭球粒子更加容易产生负声辐射力;对于不同介质的椭球粒子,不同的入射波束激发的负声辐射力的效果也存在明显的差异。该结果为复杂的尺寸和介质粒子声操控技术提供了理论的可行性。     

高斯波束对界面附近离轴球形粒子的轴向声辐射力

从声波的散射理论出发,利用级数展开法得到高斯波束的波束因子,推导其对阻抗边界下离轴球形粒子声辐射力.针对刚性球与液体球两种球形粒子进行数值模拟,与自由空间的情况进行比较.讨论边界反射系数、粒子与边界距离、束腰半径以及离轴角度与距离等对声辐射力的影响.仿真结果表明：边界反射系数的增大会引起声辐射力的增加,但不改变峰值的位置;在合适的频率处,可以产生负向声辐射力;声辐射力随粒子与边界距离呈周期性变化;束腰半径的影响主要体现在中高频;随着粒子偏离传播轴的距离和角度增大,声辐射力明显衰减.该研究为利用高斯波束实现对粒子的操纵提供理论基础.     

Axial acoustic radiation force of progressive cylindrical diverging waves on a rigid and a soft cylinder immersed in an ideal compressible fluid

Background and motivation

Previous works investigating the radiation force of diverging spherical progressive waves incident upon spherical particles have demonstrated the direction of reversal of the force when the particle is subjected to a curved wave-front. In this communication, the analysis is extended to the case of diverging cylindrical progressive waves incident upon a rigid or a soft cylinder in a non-viscous fluid with explicit calculations for the radiation force function (which is the radiation force per unit energy density and unit cross-sectional surface) not shown in [F.G. Mitri, Ultrasonics 50 (2010) 620-627].

Method

A closed-form solution presented previously in [F.G. Mitri, Ultrasonics 50 (2010) 620-627] is used to plot the radiation force function with particular emphasis on the difference from the results of incident plane progressive waves versus the size parameter ka (k is the wave number and a is the cylinder’s radius) and the distance of the cylinder from the acoustic source r₀.

Results

Radiation force function calculations for the rigid cylinder unexpectedly reveal that under specific conditions determined by the frequency of the acoustic field, the radius of the cylinder, as well as the distance to the acoustic source, the force becomes attractive (negative force). In addition, the numerical results show that the radiation force on a rigid cylinder does not generally obey the inverse-distance law with respect to the distance from the source.

Conclusion and potential applications

These results suggest that it may be possible, under specific conditions, to pull a cylindrical structure back toward the acoustic source using progressive cylindrical diverging waves. They may also provide a means to predict the radiation force required to manipulate non-destructively a single cylindrical structure. Potential applications include the design of a new generation of acoustic tweezers operating using a single beam of progressive waves (in contrast to the traditional version of acoustical tweezers in which an acoustic standing wave field is produced using two counter-propagating acoustic fields) for investigations in the field of flow cytometry, particle manipulation and entrapment.     

Thermal radiation effects on Williamson fluid flow due to an expanding/contracting cylinder with nanomaterials: Dual solutions

The phenomena of heat and mass transfer during the flow of non-Newtonian transfer are amongst the core subjects in mechanical sciences. Recently, the nanomaterials are among the eminent tools for improving the low thermal conductivity of working fluids. Therefore, in view of the existing contributions, this article presents a two-dimensional numerical simulation for the transient flow of a non-Newtonian nanofluid generated by an expanding/contracting circular cylinder. This critical review further explores the impacts of variable magnetic field, thermal radiation, velocity slip and convective boundary conditions. The basic governing equations for Williamson fluid flow are formulated with the assistance of boundary layer approximations. The non-dimensional form of partially coupled ordinary differential equations has been tackled numerically by utilizing versatile Runge–Kutta integration scheme. The momentum, thermal and concentration characteristics are investigated with respect to several critical parameters, like, Weissenberg number, unsteadiness parameter, viscosity ratio parameter, slip parameter, suction parameter, magnetic parameter, thermophoresis parameter, Brownian motion parameter, Prandtl number, Lewis number and Biot number. The outcomes of the systematic reviews of these parameters and forest plots are illustrated. The study reveals that multiple solutions for the considered problem occurs for diverse values of involved physical parameters. The computed results indicate that the friction and heat transfer coefficients are significantly raised by the magnetic parameter for upper branch solutions.