基于二维声子晶体实现声场调控及微粒操纵

摘要

最近新型声学人工结构的出现，可以对声场进行灵活的调控从而实现新颖的声学传播效应，如声子带隙、反常透射、声波导等。另一方面利用所调控的声场实现了对微粒的操控，由于其在结构设计上更加方便灵活，将成为声辐射力操控的有效途径。微粒操控技术在物理学、生物学、生物医学等领域越来越重要。光、声辐射力操控作为非接触的、非入侵的、可控制的操控方法实现了微粒的捕获、自组装、旋转、悬浮等，同时在药物运输、生物传感等方面具有更多潜在的应用前景。与光镊相比，声镊损耗低、几乎无损坏性、穿透深度更深，因此声辐射力操控引起了众多科研工作者的广泛关注。目前与声操控相关的许多设计及实验方法已经取得了巨大的进步，如通过高斯束、驻波、特殊声束（涡旋束、贝塞尔束）或者多束平面波等来实现，但是以上的工作主要是依赖于超声换能器或者芯片实验室设备。由于换能器制备技术上的限制以及芯片设备的复杂，在一定程度上影响了超声操控的进一步发展。基于声学人工结构在声波调控以及声辐射力操控方面的研究，Li等人通过激发声子晶体板反对称的兰姆波模式实现了微粒的捕获和筛选。Qiu等人通过计算一对周期结构的弹性板，证明了板间相互作用力的放大。wang等人利用二维孔结构的声子晶体板首次在实验上实现了聚苯乙烯微粒的捕获和规则排列。本论文将继续探讨如何利用人工结构材料对声波传输性质的调控以及实现对微粒的超声操控，具体的研究内容主要分为以下几个部分: 1.利用二维空心圆柱声子晶体实现声波的反常透射 基于薄壁空心圆柱壳模共振特性，对二维薄壁空心圆柱声子晶体进行透射特性分析，通过与实心圆柱体系作比较，发现在小于其结构尺度相对应的频率范围内，出现了透射极低，在大于其结构尺度相对应的频率范围内，出现了透射极高。该反常透射现象是来源于水中连续波与空心圆柱壁壳模式的相互作用而形成的Fano共振。进一步对其影响因素进行探究，发现透射谷和透射峰的频率会随着空心圆柱的尺寸发生变化。 2.利用二维周期声子晶体板实现多粒子的声学俘获 基于水中弹性软材料的局域共振特性，构造了二维周期性的声子晶体板，在正方排列的孔阵列硬板中填充软环氧树脂，在外部声波的激励作用下，其共振透射诱导的局域声场分布在填充物附近，得到了周期性的声场。进一步对置于该声场中的微粒进行声辐射力分析，发现处于孔附近的微粒所受的声辐射力总是指向强局域声场的地方，即孔的地方。且在实验上成功观察到了多粒子的俘获现象。 3.利用二维复合周期声子晶体板实现多粒子的选择性俘获 基于尺寸大小对弹性软材料共振频率的影响，进一步将周期性的结构板拓展为复合周期结构板，两种大小的孔交替排列且填充环氧树脂。不同大小的孔具有不同的共振频率，相应的强局域声压场将会局域在不同的地方（大孔或小孔），成功构造了可调的声场。进而对置于该声场下的微粒所受的声辐射力进行计算分析，发现对处于一定位置范围内的粒子，激发相应结构的共振频率，粒子可以被俘获到相应的位置。且通过实验证明了多粒子的选择性俘获现象。进一步改变该声子晶体板结构，在原来小孔的位置设计为小长方体，形成新的二维复合周期声子晶体板，同样实现了粒子的选择性俘获。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1声人工结构简介及声场调控

1．2光、声对微纳物体的操控

1．2．1光辐射力操控的研究概述

1．2．2声辐射力操控的研究概述

1．3计算方法简介

1．3．1声辐射力及布里渊辐射应力张量

1．3．2利用Comsol Multiphysics计算声辐射力

1．4实验测量平台介绍

1．4．1水下LSC超声透射扫描装置

1．4．2水下声辐射力操控装置

1．5本论文的研究内容及目的

第二章基于二维空心圆柱声子晶体实现反常透射

2．1引言

2．2样品结构与透射曲线分析

2．3反常透射特性分析

2．3．1色散曲线与Mie散射矩阵

2．3．2反常透射的物理机制

2．4反常透射的影响因素

2．5本章小结

第三章基于周期性的声子晶体板实现多粒子的声俘获

3．1引言

3．2声透射谱与场分布的特性研究

3．3球形粒子在周期性声场中的声辐射力分析

3．4实验验证多粒子声俘获现象

3．5本章小结

第四章基于复合周期声子晶体板实现多粒子的选择性俘获

4．1引言

4．2复合周期结构板的设计与特性分析

4．2．1样品结构设计

4．2．2可调声场的形成

4．3球形粒子在可调声场中的声辐射力分析

4．4实验验证多粒子声俘获及选择性声俘获现象

4．5探究影响有效位置范围的因素

4．5．1探究不同大小的聚苯乙烯粒子与有效位置范围的关系

4．5．2探究两共振频率位置附近的频率与有效位置的关系

4．6改变复合周期声子晶体板结构实现微粒选择性俘获

4．7本章小结

第五章总结与展望

参考文献

攻读硕士期间己发表的论文

致谢