[论文解读] 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)|Aug 8, 2015

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 53被引用 4

一句话总结

本文在长波极限下，基于分数阶Kelvin-Voigt粘弹性模型，为理想流体中小粘弹性颗粒的声辐射力与力矩建立了一个理论框架。研究预测，在特定波型下，某些聚乙烯颗粒会出现负轴向辐射力与力矩，包括全三维牵引型贝塞尔涡旋光束，从而为声流体中的粒子操控提供了新的策略。

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.

研究动机与目标

• 分析在任意波激励下，理想流体中小粘弹性颗粒的声辐射力与力矩。
• 采用分数阶Kelvin-Voigt模型对颗粒的粘弹性行为进行建模，以准确描述其低频与高频行为。
• 预测出现负辐射力与力矩的条件，从而实现新型粒子捕获与操控。
• 展示波型（平面波、驻波及贝塞尔光束）对低密度与高密度聚乙烯颗粒的力与力矩的影响。

提出的方法

• 采用长波近似（颗粒半径 ≪ 波长）以简化散射问题。
• 应用分数阶Kelvin-Voigt模型描述颗粒的线性粘弹性行为，同时包含纵向与剪切松弛时间。
• 利用粘弹性模型的低频与高频近似，推导出辐射力与力矩的解析表达式。
• 以平面波、驻波及零阶与一阶贝塞尔光束作为入射波源。
• 以低密度与高密度聚乙烯颗粒为案例，评估其受到的力与力矩。
• 对一阶贝塞尔涡旋光束的辐射力分布进行三维数值可视化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在长波区域，粘弹性颗粒的声辐射力在何种条件下变为负值（即指向波源）？
• RQ2 粘弹性颗粒的纵向与剪切松弛时间如何影响辐射力矩的符号与大小？
• RQ3 能否利用贝塞尔涡旋光束在高密度聚乙烯颗粒上实现全三维牵引光束效应？
• RQ4 颗粒材料中的声速如何影响负辐射力的阈值？
• RQ5 在相同声激励下，低密度与高密度聚乙烯颗粒在辐射力与力矩行为上存在哪些差异？

主要发现

• 当纵向松弛时间与剪切松弛时间之比低于与颗粒声速相关的临界值时，预测会出现负轴向辐射力。
• 在相同条件下观察到负辐射力矩，表明其在手性颗粒对齐与旋转控制方面具有潜力。
• 成功演示了全三维牵引型贝塞尔涡旋光束对高密度聚乙烯颗粒施加净向内力，实现稳定的三维捕获。
• 理论预测表明，在相同波条件下，高密度聚乙烯表现出比低密度聚乙烯更强的负力效应。
• 力与力矩的解析表达式在分数阶Kelvin-Voigt模型的低频与高频极限下均有效。
• 结果表明，通过定制波场与利用颗粒的粘弹性特性，可为声流体中的无接触粒子操控开辟新途径。