平面波斜入射弹性柱形粒子的声辐射力研究

论文摘要

声辐射力是声波与散射粒子相互作用而产生的一种非线性现象,利用声辐射力（ARF）可以捕获和控制粒子。所以,研究粒子在声场中所受的声辐射力是实现非接触粒子操控技术的核心。伴随着声学技术的发展,声学非接触微操纵技术和其它技术的有机结合,已经产生出很多新的研究方法和研究领域,进而有效促进了生命科学、物理学、材料科学、医学及纳米技术等领域的交叉融合与发展。在目前有关声辐射力的研究中,主要考虑的是声波正入射到无限长柱形粒子的声辐射力。在实际环境中,声波斜入射到有限长柱形粒子的情况更普遍、也更复杂,考虑声波入射角度和粒子长度对声辐射力的影响,对高效的、灵活的利用声辐射力操控柱形粒子具有非常重要的工程实际价值。目前,关于声波斜入射时有限长柱形粒子的声辐射力研究的较少。基于此,本文以声波和散射与声辐射力计算的解析理论为基础,深入的研究了声波斜入射弹性柱形粒子所受声辐射力,并利用有限元方法,对理论结果进行了验证,主要的研究内容和创新点包括:1.推导并给出平面声波以任意角度入射时,无限长柱形粒子的声波散射系数,为后面声辐射力的理论计算和分析奠定了基础。2.推导了平面波斜入射无限长柱形粒子的声辐射力函数的解析表达式,并对不同材料弹性柱形粒子的声辐射力进行了仿真,分析了入射角度对无限长柱形粒子所受声辐射力的影响。研究表明,当入射角度从正入射变为斜入射时,不同材料的弹性柱内有新的共振模式出现,铝柱和不锈钢柱的Yρ-kα曲线上的共振峰增多,金柱和铅柱的Yp-ka曲线上的共振峰加强。入射角度在纵波临界角附近时,弹性柱（除铍）的Yp-ka曲线上的共振峰变少。入射角度在流体波共振临界角附近时,在ka值较小的位置,弹性柱（除铍）的Yp-kα曲线上出现流体共振峰。入射角度在横波临界角附近时,不同材料的弹性柱的Yp-kα曲线上的共振峰进一步变少,幅值也变小。入射角度对铍柱的声辐射力影响较小,声辐射力函数随kα的变化关系曲线在声波斜入射时的变化不大。3.利用驻波相位积分法,在假设有限长柱为具有相同半径无限长直圆柱的一部分,其近场的散射声场与无限长柱的散射声场相同的条件下,推导出平面波任意角度入射有限长柱形粒子的声辐射力函数的解析表达式,对不同入射角度和不同柱长下柱形粒子的声辐射力进行了仿真,分析了入射角度和柱长对柱形粒子的声辐射力的影响。研究结果表明,当声波以小角度入射到柱形粒子上时,刚性柱和铍柱的Yp-ka曲线无明显变化。刚性柱的声辐射力大小与柱形粒子的长度成正比。当声波以小角度入射到弹性柱（除铍）上时,斜入射产生的新增共振峰和原有共振峰随着入射角度的增加向高频方向移动,其Yp-ka曲线上的共振峰加强。当声波以纵波临界角入射到弹性柱时,弹性柱（除铍）的Yp-ka曲线的幅值变小,共振峰减少。当声波以横波临界角入射到柱形粒子上时,弹性柱的Yp-ka曲线的幅值进一步变小,声学特性相似的弹性柱形粒子的声辐射力函数Yp随ka变化曲线趋向一致。随着柱形粒子的长度增加,弹性柱的声辐射力函数幅值增大;ka较大,粒子长度较大的位置,弹性柱的声辐射力振荡加剧。4.利用有限元仿真软件COMSOL分别建立了平面波斜入射无限长柱形粒子和有限长柱形粒子在水中的三维有限元模型,计算和分析了平面波斜入射时无限长柱形和有限长柱形粒子的声辐射力函数Yp随ka变化规律,并对柱的长度L对有限长柱声辐射力的影响进行了研究。结果表明,入射角度较小时,理论计算的无限长柱形粒子的Yp-ka曲线与有限元仿真结果基本一致。随着入射角度的增加,无限长柱的声辐射力理论计算结果与有限元仿真结果有一定的偏差,这主要是有限元在对粒子的声辐射力进行仿真时,通过添加边界条件,以有限长柱近似为无限长柱的情况下,声波斜入射时,柱的端面会对结果产生较大的影响。对于有限长柱,当柱的长度L=10a,入射角度较小时,理论计算的有限长柱形粒子的Yp-ka曲线与有限元仿真的Yp-ka曲线变化趋势相同,但有限柱声辐射力的理论计算结果与有限元仿真结果数值上相差四倍。随着入射角度的增加,有限长柱形粒子的声辐射力的理论计算结果与有限元仿真结果误差增大。入射角度相同,ka值不同,不同材料的有限长弹性柱所受声辐射力方向不同。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题的背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 平面波斜入射水中弹性柱的声散射
•   2.1 引言
•   2.2 声波动理论
•     2.2.1 运动方程
•     2.2.2 连续性方程
•     2.2.3 物态方程
•     2.2.4 声波方程和速度势
•     2.2.5 平面波
•   2.3 平面波斜入射无限长弹性柱的声散射
•     2.3.1 入射平面波和散射波的展开
•     2.3.2 刚性柱
•     2.3.3 弹性柱
•   2.4 平面波斜入射有限长弹性柱形粒子的声散射
•   2.5 本章小结
• 第3章 平面波斜入射无限长弹性柱的声辐射力
•   3.1 引言
•   3.2 平面波斜入射柱形粒子的声波速度势
•   3.3 平面波斜入射无限长弹性柱的声辐射力
•   3.4 平面波斜入射无限长弹性声辐射力的仿真
•     3.4.1 刚性柱
•     3.4.2 弹性柱
•   3.5 本章总结
• 第4章 平面波斜入射有限长弹性柱的声辐射力
•   4.1 引言
•   4.2 平面波声场中的速度势
•   4.3 平面波斜入射有限长弹性柱的声辐射力
•   4.4 平面波斜入射有限长弹性柱声辐射力的仿真
•     4.4.1 刚性柱
•     4.4.2 弹性柱
•   4.5 本章小结
• 第5章 平面波斜入射弹性柱形粒子声辐射力的有限元仿真
•   5.1 引言
•   5.2 参数化模型的建立
•   5.3 平面波斜入射无限长弹性柱声辐射力的有限元分析
•     5.3.1 COMSOL Multiphysics中声辐射力的计算方法
•     5.3.2 平面波斜入射无限长弹性柱声辐射力的有限元仿真
•     5.3.3 平面波不同角度入射有限长弹性柱声辐射力的有限元仿真
•     5.3.4 柱长对声辐射力影响的有限元仿真
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王跃

导师: 张小凤

关键词: 声辐射力,斜入射平面波,有限长,柱形粒子

来源: 陕西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 陕西师范大学

分类号: O422

DOI: 10.27292/d.cnki.gsxfu.2019.001102

总页数: 80

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