Акустическая радиационная сила - Acoustic radiation force

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

Величина силы, оказываемой плоской акустической волной в любом заданном месте, может быть рассчитана как:

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

где

• ${\ displaystyle | F ^ {rad} |}$сила на единицу объема, здесь выраженная в кг / (с ² см ² );
• ${\ displaystyle \ alpha}$- коэффициент поглощения в Нп / см (Непер / см);
• ${\ displaystyle I}$- средняя временная интенсивность акустической волны в данном месте в Вт / см ² ; а также
• ${\ displaystyle c}$это скорость звука в среде в см / с.

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 сравнения, вода имеет акустическое поглощение 0,002 дБ / (МГц ² см). ^{(номер страницы?)} акустическое излучение силы на сжимаемых частиц , таких , как пузырьки также известны как силы Бьеркнеса , и генерируются с помощью другого механизма, который не требует звукового поглощения или отражения .

Когда частица подвергается воздействию стоячей акустической волны, на нее действует усредненная по времени сила, известная как сила первичного акустического излучения ( ) _. В прямоугольном микрофлюидальном канале с копланарными стенками , которая действует в качестве резонансной камеры , входящая акустическая волна может быть аппроксимирована в качестве резонансного , стоя волну давления в виде:${\ displaystyle F_ {pr}}$

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

где - волновое число . Для сжимаемой частицы сферической формы и микрометрового размера (радиуса ), взвешенной в невязкой жидкости в прямоугольном микроканале с одномерной плоской стоячей ультразвуковой волной с длиной волны , выражение для первичной радиационной силы (в дальней зоне, где ） Становится тогда:${\ displaystyle k}$${\ displaystyle a}$${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle a \ ll \ lambda}$

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

${\ Displaystyle \ Phi ({\ тильда {\ каппа}}, {\ тильда {\ rho}}) = {5 {\ тильда {\ rho}} - 2 \ более 2 {\ тильда {\ rho}} + 1 } - {\ tilde {\ kappa}}}$

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

где

• ${\ displaystyle \ Phi}$является фактором акустического контраста
• ${\ Displaystyle {\ тильда {\ каппа}}}$относительная сжимаемость между частицей и окружающей жидкостью :${\ displaystyle \ kappa _ {p}}$${\ displaystyle \ kappa _ {f}}$${\ displaystyle {\ tilde {\ kappa}} = \ kappa _ {p} / \ kappa _ {f}}$
• ${\ Displaystyle {\ тильда {\ rho}}}$относительная плотность между частицей и окружающей жидкостью :${\ displaystyle \ rho _ {p}}$${\ displaystyle \ rho _ {f}}$${\ Displaystyle {\ тильда {\ rho}} = \ rho _ {p} / \ rho _ {f}}$
• ${\ displaystyle E_ {ac}}$- плотность акустической энергии
• Фактор удваивает период радиационной силы и сдвигает фазу относительно волны давления.${\ displaystyle sin (2kz)}$${\ displaystyle p_ {a} cos (kz)}$
• ${\ displaystyle c_ {f}}$это скорость звука в жидкости

Рекомендации