[논문 리뷰] Acoustic radiation force and torque exerted on a small viscoelastic particle in an ideal fluid

José P. Leão-Neto, Glauber T. Silva|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 08.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 53인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 장파장 근사에서 이상 유체 내 소형 점탄성 입자에 작용하는 음향 방사력과 토크에 대한 이론적 프레임워크를 개발한다. 분수형 켈빈-보이트 점탄성 모델을 사용하여, 특정 조건 하에서 폴리에틸렌 입자에 대해 축 방향 음향 방사력과 토크가 음수임을 예측하며, 이는 전방향 3차원 트랙터 베셀 비틀림 빔을 포함한 다양한 파형에 의해 가능해진다. 이는 새로운 음향역학적 입자 조작 전략을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We provide a detailed analysis on the acoustic radiation force and torque exerted on a homogeneous viscoelastic particle in the long-wave limit (the particle radius is much smaller than the incident wavelength) by an arbitrary wave. We assume that the particle behaves as a linear viscoelastic solid, which obeys the fractional Kelvin-Voigt model. Simple analytical expressions for the radiation force and torque are obtained considering the low- and high-frequency approximation in the viscoelastic model. The developed theory is used to describe the interaction of acoustic waves (traveling and standing plane waves, and zero- and first-order Bessel beams) with a low- and high-density polyethylene particle chosen as examples. Negative axial radiation force and torque are predicted when the ratio of the longitudinal to shear relaxation times is smaller than a constant that depends on the speed of sound in the particle. In addition, a full 3D tractor Bessel vortex beam acting on the high-density polyethylene is depicted. These predictions may enable new possibilities of particle handling in acoustophoretic techniques.

연구 동기 및 목표

• 임의의 파동 입력 조건 하에서 이상 유체 내 소형 점탄성 입자에 작용하는 음향 방사력과 토크를 분석하기 위해.
• 저주파수 및 고주파수 행동을 정확히 모델링하기 위해 분수형 켈빈-보이트 모델을 사용하여 입자의 점탄성 성질을 기술하기 위해.
• 음수의 방사력과 토크가 발생하는 조건을 예측하여, 새로운 입자 포획 및 조작 기법을 가능하게 하기 위해.
• 평면파, 정적파, 그리고 베셀 빔(제로계 및 제1계)의 파형이 저밀도 및 고밀도 폴리에틸렌 입자에 미치는 力과 토크에 미치는 영향을 설명하기 위해.

제안 방법

• 입자 반지름 ≪ 파장 조건을 만족하는 장파장 근사를 적용하여 산란 문제를 단순화하기 위해.
• 입자의 선형 점탄성 거동을 기술하기 위해 분수형 켈빈-보이트 모델을 적용하여 猶로 및 전단 완화 시간을 모두 포함하기 위해.
• 점탄성 모델의 저주파수 및 고주파수 근사를 사용하여 방사력과 토크에 대한 해석적 표현을 유도하기 위해.
• 입사파로 평면파, 정적파, 제로계 및 제1계 베셀 빔을 사용하기 위해.
• 저밀도 및 고밀도 폴리에틸렌 입자에 대한 力과 토크를 사례 연구로 평가하기 위해.
• 제1계 베셀 비틀림 빔에 대한 방사력 분포를 3차원 수치 시각화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장파장 영역에서 점탄성 입자에 작용하는 음향 방사력이 음수가 되는 조건은 무엇인가? (즉, 소스 쪽으로 향하는 방향)
• RQ2 점탄성 입자의 猶로 및 전단 완화 시간은 방사 토크의 부호와 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고밀도 폴리에틸렌 입자에 대해 베셀 비틀림 빔을 사용하여 완전한 3차원 트랙터 빔 효과를 달성할 수 있는가?
• RQ4 입자 재료의 음속은 음수의 방사력 발생 임계값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 동일한 음향 입력 조건 하에서 저밀도 및 고밀도 폴리에틸렌 간의 방사력 및 토크 행동에 어떤 차이가 있는가?

주요 결과

• 종방향 완화 시간 대 전단 완화 시간의 비율이 입자 음속에 따라 결정되는 임계 값 이하일 경우, 축 방향 음향 방사력이 음수가 예측된다.
• 동일한 조건에서 음수의 방사 토크가 관측되며, 이는 나선형 입자 정렬 및 회전 제어 가능성을 시사한다.
• 완전한 3차원 트랙터 베셀 비틀림 빔이 고밀도 폴리에틸렌 입자에 순수 내향력 작용을 일으켜 안정적인 3차원 포획이 가능함을 입증하였다.
• 이론적으로 동일한 파동 조건 하에서 고밀도 폴리에틸렌에서 저밀도 폴리에틸렌보다 더 강한 음수의 力 효과를 보임을 예측하였다.
• 분수형 켈빈-보이트 모델의 저주파수 및 고주파수 근사에서 모두 방사력 및 토크에 대한 해석식이 유효함을 입증하였다.
• 결과는 맞춤형 파동장과 점탄성 입자 특성을 활용한 음향역학에서 비접촉 입자 조작을 위한 새로운 길을 제시한다.