单缝共振超声场的微粒操控理论仿真与实验研究

摘要

声辐射力主要是由于声波携带的动量在声场与微粒间发生交换，导致声场中的微粒受到力的作用，该力可以用于无损、非接触操控微粒，是超声给药、声操控等技术的物理基础，这些技术在生物医学工程、微加工等领域具有重要的应用前景。声场形态是影响声辐射力性能的主要因素之一。因此，在医学超声中研究各种超声声场形态下的声辐射力，可以为实现超声给药，获得优化声操控技术提供理论支持。自由超声声场中，如平面波场、驻波场、Bessel束等，物体所受到的声辐射力已经得到了广泛的理论和实验研究。然而，受解析计算方法限制，迄今为止，复杂声场（无法解析表达）中物体所受到的声辐射力的相关研究还是寥寥无几。本文利用时域有限差分法并结合动量张量方程研究单缝附近微粒受到的声辐射力，发现在单缝发生法布里—珀罗(Fabry-Péot，FP)共振效应时，微粒能够受到较强的吸引力作用，并搭建实验平台观察到了该现象。本文的具体研究内容如下：
　　理论仿真上，首先采用二维时域有限差分(FDTD)方法研究单缝结构的透射率及场分布，然后结合应力动量张量方程研究单缝表面钢圆柱受到的声辐射力。理论仿真结果发现，在单缝透射增强频率处，即:FP共振效应处，圆柱在缝表面所受到的声辐射力为吸引力，方向指向声源，且强度大于钢柱在自由超声声场中所受到的声辐射力（方向远离声源）。此外，还仿真研究了缝宽、缝厚、钢柱与距缝距离等参量对钢柱声辐射力的影响。
　　实验上，研究了100KHz超声声场环境下，直径为1.5mm钢球在厚度为5mm，宽度可以调控的单缝表面的运动特征。结果表明:在自由超声场中（不加单缝结构），微粒会受到与超声声波传播方向相同的声辐射力，微球的运动方向为远离声场;在有微缝结构（单缝宽度为2mm），在微缝发生FP共振时，单缝表面的微粒会受到吸引力的作用，微球的运动方向为靠近单缝。
　　综上，本论文从理论仿真和实验上系统研究了微粒在单缝表面受到的声辐射力，发现在单缝发生FP共振时，其表面能够吸引微球。该研究成果可为单缝（复杂声场）操控微粒提供理论支持和实验指导。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究目的和意义

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 课题的研究目的

1．1．3 课题的研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 声操控的国内外研究现状

1．3 本文研究内容

第2章 理论仿真基础

2．1 引言

2．2 常用计算超声场与声辐射力的计算方法

2．2．1 时域有限差分法

2．2．2 有限元法

2．3 弹性波时域有限差分法

2．3．1 弹性波波动方程组及FDTD差分方程组形式

2．3．2 常用激励源

2．3．3 吸收边界条件

2．4 基于FDTD算法中透射率的计算

2．5 基于FDTD算法中声辐射力的计算

2．6 本章小结

第3章 单缝共振超声场的微粒操控理论仿真

3．1 引言

3．2 单缝结构的透射率计算及相关影响因素的讨论

3．2．1 透射率的计算结构及结果

3．2．2 单缝结构中缝厚度、缝宽度与透射率之间的关系

3．3 圆柱体在单缝表面受到的声辐射力计算结果与分析

3．3．1 声辐射力的计算结构及结果

3．3．2 共振频率、透射率与声辐射力之间的关系

3．3．3 缝厚度、缝宽度与声辐射力之间的关系

3．3．4 圆柱体距单缝表面不同距离与它所受到的声辐射力之间的关系

3．3．5 不同半径的圆柱体与它所受到的声辐射力之间的关系

3．4 本章小结

第4章 单缝共振超声场的微粒操控实验研究

4．1 引言

4．2 实验仪器简介

4．2．1 超声探头

4．2．2 单缝结构及微粒

4．2．3 摄像机、功率放大器、脉冲发生器和检测探头

4．3 回波反射法测量得到探头频带宽

4．3．1 回波反射法测量发射探头频带宽原理及实验装置

4．3．2 实验步骤

4．3．3 实验结果及讨论

4．4 测量单缝透射谱的实验及结果讨论

4．4．1 测量单缝透射谱原理及实验装置

4．4．2 实验步骤

4．3．3 实验测量结果及讨论

4．5 自由超声场中钢球受到声辐射力的实验

4．5．1 实验装置

4．5．2 实验步骤

4．5．3 实验结果分析

4．6 单缝结构表面处钢球所受到声辐射力的实验

4．6．1 实验装置

4．6．2 实验步骤

4．6．3 实验结果分析

4．7 不同缝宽与声辐射力之间关系

4．8 钢球的不同半径与受到的声辐射力之间关系

4．9 钢球距单缝不同距离与受到的声辐射力之间关系

4．10 实验中的注意事项与误差分析

4．11 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间学术成果