利用波束和人工结构调控声辐射力

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作为一种无接触的操纵手段,光辐射力有着非常广泛的应用,从而引起了研究者们的兴趣。近些年来,人们关注的热点从传统的粒子捕获,发展为对粒子进行新奇的操控,例如负辐射力、旋转、光子晶体团簇等。声波也能产生类似的力效应,即所谓的声辐射力。由于其功率低、热效应小、能应用于对光不透明的材料、产生的力效应明显等特点,声辐射力的相关研究也引起了人们广泛的关注。在补充光辐射力操控手段的不足之处的同时,声辐射力的研究也独立于光辐射力之外获得发展。但在完善和调控声辐射力方面,仍有许多不足之处。本论文从声源(波束)和声传播(人工结构)两个方面展开,分别采用多重散射理论和有限元软件进行数值模拟,来研究波束和人工结构对声辐射力的调控。主要工作展开如下:1.利用两束平面波实现对球形粒子的负声辐射力。单束平面波或其它常见波束只能对粒子产生与传播方向相同的声辐射力,我们证明了两束相交的平面波可以由相干效应来对粒子产生负的声辐射力。经过严格地推导,我们把声辐射力写成两部分之和,其中一部分是各自平面波分量产生的辐射力的非相干叠加,另一部分为各平面波分量之间的相干效应造成的辐射力。只要相干效应部分的贡献为负,且超过非相干部分,负的声辐射力就能够实现。我们把两束平面波情形推广到多束平面波情形(即任意的无衍射束),结论依然成立。最后,我们研究了低频极限下的各种材料参数的球体所受到的声辐射力,证明了大角度入射下,重且软、轻且硬的粒子,容易受到负的声辐射力。2.声波诱导的多粒子之间的相互作用力。对于平面波入射到两个圆柱体这种最简单的多物体情形,我们通过计算圆柱体所受的声辐射力,发现由于多重散射效应,圆柱体之间存在相互作用力。这种相互作用力随着入射波频率以及两圆柱体之间距离的改变,可以在排斥力和吸引力之间振荡变化。这意味着散射体之间存在相互作用力为零的平衡位置,因而可以形成一定的空间结构。更多的圆柱体或球体也能产生类似的现象。此外,对于处在平衡位置的粒子所形成的空间结构,我们通过计算其动力学矩阵,分析了存在微扰时该平衡结构的空间稳定性。结果表明,在驻波场中,虽然声场对粒子的直接作用力为零,但由于多重散射效应,声波能诱导出多个球体之间的相互作用力,并使球体排列成具有一定结构的稳定粒子团簇,即人工晶格。3.利用人工栅结构,实现声波对刚性壁的声辐射力增强。我们计算了附有一层人工栅结构(刻有周期性小缝的刚性板)的刚性壁在平面波入射下所受到的声辐射力,发现其随频率变化的曲线在低频下有一个共振峰。通过峰值处的声场分布图可以看出,该声辐射力峰由栅结构与刚性壁之间的空气基体中压强场增强造成。利用有效介质理论,可以将该人工栅结构等效成均匀介质板,并能解析地证明这种板-壁结构存在低频共振,该共振增强了刚性壁附近空气的压强场,从而放大了刚性壁所受到的声辐射力。我们讨论了系统的共振频率和声辐射力放大倍数随栅结构参数变化的趋势,并扩展到斜入射情形。这种人工栅结构的引入,使得共振频率和(刚性壁所受的)声辐射放大倍数具有很好的可调性。4.利用有凸起结构的平行钢板,实现了声波诱导的强的相互吸引力。我们计算了平面波对有周期性凸起结构的平行钢板施加的声辐射力,发现两板之间存在强的相互吸引力。通过场分布图,可以看到这种相互吸引力与钢板内的非泄露的反对称兰姆波模式有关。该模式在两板内激发时可以相互耦合,形成两板之间的中平面处(为流体基)横向(平行于钢板方向)速度起主导作用的对称型耦合模式。从简化的相互作用力表达式可以看出,钢板之间的流体具有大的横向速度是造成两个钢板之间强的相互吸引力的来源。对于其它周期性结构,也可以类似地通过共振耦合来使结构之间的流体基的横向速度场起主导作用,从而实现强的相互吸引力。
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