Сила акустического излучения

Сила акустического излучения ( АРФ ) — 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 его изменяющейся во времени поверхности.

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

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

где

$|F^{\rm {rad}}|$ — сила на единицу объема, здесь выраженная в кг/(с ²см ²);
$\alpha$ – коэффициент поглощения , Нп /см (неперс на см);
$I$ — средняя по времени интенсивность акустической волны в данном месте, Вт /см. ²; и
$c$ – скорость звука в среде, 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). ²см). ^[3]^{(номер страницы?)} Силы акустического излучения, воздействующие на сжимаемые частицы, такие как пузырьки , также известны как силы Бьеркнеса и возникают по другому механизму, который не требует поглощения или отражения звука . ^[4] Силами акустического излучения также можно управлять посредством формирования субволнового рисунка на поверхности объекта. ^[5]

Когда частица подвергается воздействию стоячей акустической волны, на нее действует усредненная по времени сила, известная как сила первичного акустического излучения ( $F_{pr}$ ) _.^[6] В прямоугольном микрофлюидном канале с копланарными стенками, который действует как камера , входящая акустическая волна может быть аппроксимирована как резонансная стоячая резонансная волна давления формы:

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

где $k$ это волновое число .Для сжимаемой частицы сферической и микрометровой формы (радиуса $a$ ) подвешены в невязкой жидкости в прямоугольном микроканале с одномерной плоской стоячей ультразвуковой волной с длиной волны $\lambda$ , выражение для силы первичного излучения (в дальней зоне, где $a\ll \lambda$ ) становится тогда ^[7]^[8]^[9]^[6]:

$F_{pr}^{\rm {1D}}=4\pi \Phi ({\tilde {\kappa }},{\tilde {\rho }})a^{3}kE_{ac}\sin {2kz}$
$\Phi ({\tilde {\kappa }},{\tilde {\rho }})={5{\tilde {\rho }}-2 \over 2{\tilde {\rho }}+1}-{\tilde {\kappa }}$
$E_{\rm {ac}}={1 \over 4}\kappa _{f}p_{a}^{2}={p_{a}^{2} \over 4\rho _{f}c_{f}^{2}}$

где

$\Phi$ коэффициент акустического контраста
${\tilde {\kappa }}$ - относительная сжимаемость между частицей $\kappa _{p}$ и окружающую жидкость $\kappa _{f}$ : ${\tilde {\kappa }}=\kappa _{p}/\kappa _{f}$
${\tilde {\rho }}$ - относительная плотность частиц $\rho _{p}$ и окружающую жидкость $\rho _{f}$ : ${\tilde {\rho }}=\rho _{p}/\rho _{f}$
$E_{\rm {ac}}$ плотность акустической энергии
Фактор $\sin {2kz}$ увеличивает период силы излучения вдвое и смещает фазу относительно волны давления $p_{a}\cos {kz}$
$c_{f}$ это скорость звука в жидкости

См. также

Ссылки

^ Палмери, Марк; Шарма, Эми; Бушар, Ричард; Найтингейл, Роджер; Найтингейл, Кэтрин (октябрь 2005 г.). «Модель реакции мягких тканей на силу импульсного акустического излучения методом конечных элементов» . Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 52 (10): 1699–1712. дои : 10.1109/tuffc.2005.1561624 . ПМК 2818996 . ПМИД 16382621 .
^ Макаливи, ЮАР; Найтингейл, КР; Трэйи, GE (июнь 2003 г.). «Оценки корреляции эха и погрешности измерений при визуализации импульсов силы акустического излучения». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 50 (6): 631–641. дои : 10.1109/tuffc.2003.1209550 . ПМИД 12839175 . S2CID 12815598 . (требуется подписка)
^ Сабо, Томас Л. (2013). Ультразвуковая диагностика: наизнанку (2-е изд.). Академическая пресса. ISBN 9780126801453 .
^ Лейтон, Т.Г.; Уолтон, Эй Джей; Пикворт, MJW (1990). «Основные силы Бьеркнеса». Европейский журнал физики . 11 (1): 47. Бибкод : 1990EJPh...11...47L . дои : 10.1088/0143-0807/11/1/009 . S2CID 250881462 .
^ Стейн М., Келлер С., Луо Ю., Илич О. (2022). «Формирование сил бесконтактного излучения посредством аномального акустического рассеяния» . Природные коммуникации . 13 (1): 6533. arXiv : 2204.04137 . Бибкод : 2022NatCo..13.6533S . дои : 10.1038/s41467-022-34207-7 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 9626492 . ПМИД 36319654 . S2CID 248069447 .
^ Jump up to: ^а ^б Саиди, Давуд; Сагафян, Мохсен; Хаджой Джаванмард, Шагайег; Хаммарстрём, Бьёрн; Виклунд, Мартин (2019). «Акустические дипольные и монопольные эффекты в динамике взаимодействия твердых частиц при акустофорезе» . Журнал Акустического общества Америки . 145 (6): 3311–3319. Бибкод : 2019ASAJ..145.3311S . дои : 10.1121/1.5110303 . ISSN 0001-4966 . ПМИД 31255151 . S2CID 195564901 .
^ Горьков, Лев Петрович (1961). Силы, действующие на малую частицу в акустическом поле внутри идеальной жидкости . Докл. Акад. Наук СССР. стр. 140:1, 88–91.
^ Йосиока, К.; Кавасима, Ю. (1 января 1955 г.). «Акустическое радиационное давление на сжимаемую сферу» . Acta Acustica объединилась с Acustica . 5 (3): 167–173.
^ Сеттнес, Миккель; Брюус, Хенрик (30 января 2012 г.). «Силы, действующие на малую частицу в акустическом поле в вязкой жидкости» . Физический обзор E . 85 (1): 016327. arXiv : 1110.6037 . Бибкод : 2012PhRvE..85a6327S . дои : 10.1103/PhysRevE.85.016327 . ISSN 1539-3755 . ПМИД 22400677 . S2CID 35088059 .

[1] Палмери, Марк; Шарма, Эми; Бушар, Ричард; Найтингейл, Роджер; Найтингейл, Кэтрин (октябрь 2005 г.). «Модель реакции мягких тканей на силу импульсного акустического излучения методом конечных элементов» . Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 52 (10): 1699–1712. дои : 10.1109/tuffc.2005.1561624 . ПМК 2818996 . ПМИД 16382621 .

[2] Макаливи, ЮАР; Найтингейл, КР; Трэйи, GE (июнь 2003 г.). «Оценки корреляции эха и погрешности измерений при визуализации импульсов силы акустического излучения». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 50 (6): 631–641. дои : 10.1109/tuffc.2003.1209550 . ПМИД 12839175 . S2CID 12815598 . (требуется подписка)

[3] Сабо, Томас Л. (2013). Ультразвуковая диагностика: наизнанку (2-е изд.). Академическая пресса. ISBN 9780126801453 .

[4] Лейтон, Т.Г.; Уолтон, Эй Джей; Пикворт, MJW (1990). «Основные силы Бьеркнеса». Европейский журнал физики . 11 (1): 47. Бибкод : 1990EJPh...11...47L . дои : 10.1088/0143-0807/11/1/009 . S2CID 250881462 .

[5] Стейн М., Келлер С., Луо Ю., Илич О. (2022). «Формирование сил бесконтактного излучения посредством аномального акустического рассеяния» . Природные коммуникации . 13 (1): 6533. arXiv : 2204.04137 . Бибкод : 2022NatCo..13.6533S . дои : 10.1038/s41467-022-34207-7 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 9626492 . ПМИД 36319654 . S2CID 248069447 .

[:0-6] Jump up to: ^а ^б Саиди, Давуд; Сагафян, Мохсен; Хаджой Джаванмард, Шагайег; Хаммарстрём, Бьёрн; Виклунд, Мартин (2019). «Акустические дипольные и монопольные эффекты в динамике взаимодействия твердых частиц при акустофорезе» . Журнал Акустического общества Америки . 145 (6): 3311–3319. Бибкод : 2019ASAJ..145.3311S . дои : 10.1121/1.5110303 . ISSN 0001-4966 . ПМИД 31255151 . S2CID 195564901 .

[7] Горьков, Лев Петрович (1961). Силы, действующие на малую частицу в акустическом поле внутри идеальной жидкости . Докл. Акад. Наук СССР. стр. 140:1, 88–91.

[8] Йосиока, К.; Кавасима, Ю. (1 января 1955 г.). «Акустическое радиационное давление на сжимаемую сферу» . Acta Acustica объединилась с Acustica . 5 (3): 167–173.

[9] Сеттнес, Миккель; Брюус, Хенрик (30 января 2012 г.). «Силы, действующие на малую частицу в акустическом поле в вязкой жидкости» . Физический обзор E . 85 (1): 016327. arXiv : 1110.6037 . Бибкод : 2012PhRvE..85a6327S . дои : 10.1103/PhysRevE.85.016327 . ISSN 1539-3755 . ПМИД 22400677 . S2CID 35088059 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]