人工结构与多阵元换能器的功能声场设计及其微粒声操控

• 作 者: 邹峰
• 出 处: 吉首大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 声学人工结构 涡旋声场 超声清洗 声辐射力

近年来,人工调制声场与物质的相互作用逐渐成为当今学术界的研究热点,利用其可以实现生物大分子以及各种微粒的无损操控,在医疗、制药以及工业领域有着广泛的应用前景。例如利用声人工结构或者多阵元换能器调控声场的相位实现涡旋声场和聚焦声场以及利用人工调制的驻波声场实现细胞悬浮和筛选等。相比于利用单个换能器的声波调控,声人工结构和多阵元换能器调控声场具有更好的灵活性,因此研究者们选择利用声人工结构或者多阵元换能器,以便获得单个换能器难以实现的特殊声场或者复杂声场,从而满足许多研究中的实际需求。本论文,我们首先设计并制备了声人工结构以及多阵元换能器,用来实现涡旋声场,后分析了声场内粒子的声辐射力效应,为实现利用涡旋声场进行超声清洗提供了新的技术方案和思路。最后,我们又通过设计声人工结构球棱镜实现了聚焦声场,研究了球棱镜聚焦声场的声学特性及微粒的悬浮现象。本文具体的研究内容包含以下的几个部分:第二章中,设计并实验加工了一个单面刻有梯度螺旋形状的声人工结构,通过该声人工结构,可以实现平面声波转换为涡旋声场。理论和实验中展示证明了该涡旋声场可以应用于超声清洗的研究。初步分析了涡旋声场进行超声清洗的物理机理,最后通过实验展示了受污染玻璃表面能够被涡旋声场超声清洗干净,以及它可以很好地避免空化效应所带来的腐蚀,证明了该技术可以有别于传统超声清洗的手段,更好的适用于精密仪器超声清洗。第三章中,通过理论模拟并制备了一个八阵元换能器,基于不同阵元可以单独发射延迟信号的条件下,通过改变声波的输出相位得到具有螺旋波前分布的一阶涡旋声场。此外,八阵元换能器通过改变不同的信号发射时间,可以实现低阶到高阶涡旋声场的灵活可调。最后,证明了该八阵元换能器构建的涡旋声场可以应用到超声清洗当中:实现污物清洗的同时避免超声清洗会缩短工件使用寿命的弊端,为超声清洗行业提供了新的思路和技术,弥补了一些特殊的应用情况下涡旋声场超声清洗的手段。第四章中,我们还研究了聚焦声场下的粒子在声辐射力作用下会移动到声势阱中,实现粒子悬浮的现象。首先,我们设计并制备了声人工结构球棱镜,然后分析了基于该球棱镜构建的聚焦声场声辐射力分布和声压场,最后,我们分别理论模拟和实验验证了一个聚苯乙烯微粒在该聚焦声场实现悬浮的现象,为声操控微粒悬浮的技术提供了新的方法和手段。