基于时域有限差分法的声辐射力研究

论文摘要

声波携带动量和能量,处于声场中的物体会对声波产生散射、折射、吸收,从而与声波发生动量和能量交换,会受到声辐射力的作用。利用声辐射力可以实现无损、非接触操控微纳米粒子,该效应在细胞生物、生物物理、生物医学工程等领域具有广泛的应用前景,是最近科学界和工程界的研究热点之一。在理论上对声辐射力的深刻认识是该效应推向应用的基础。然而,现阶段理论工作主要基于散射波理论,该算法仅仅局限于研究球状体或者柱状体处于平面波、驻波、高斯束等规则声场中的声辐射力。在本工作中,引入时域有限差分算法计算声辐射力,并利用该算法研究了钢柱处于亚波长缝附近受到的声辐射力,获得了钢柱在亚波长缝中所受到辐射力的一般规律。具体研究内容如下:首先,研究了基于三维时域有限差分法与应力张量理论计算声辐射力的一般理论,获得了钢球在平面波声场中受到的声辐射力,计算结果与散射波理论吻合良好。该方法能计算任意结构、形状、材料的微粒在任意声场中受到的声辐射力和力矩,可以极大增强对声辐射力的理论认识。然后,研究了钢柱处于亚波长缝结构表面受到的声辐射力。在亚波长缝处于一阶共振频率范围内,钢柱受到的声辐射力大于无缝结构时的辐射力。此外,还讨论了在一阶共振频率范围内,亚波长缝宽度、深度以及钢柱与缝之间距离等对声辐射力峰值的影响。理论结果表明:随着亚波长缝宽度的减小,深度的增加,细缝与圆柱之间距离的缩短,辐射力峰值均有增大的趋势,这与亚波长缝的一阶共振频率的改变趋势相一致,也表明声辐射力增强效应是由于亚波长结构引起的。对亚波长缝结构中钢球受到的声辐射力研究,一方面可以加深对时域有限差分算法计算声辐射力的理解,另一方面有助于深入认识特殊声场中微粒受到的声辐射力,为应用声辐射力提供理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.1.1 超声给药
• 1.1.2 声镊
• 1.1.3 超声悬浮技术
• 1.2 国内外研究现状及主要研究方法
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 弹性波时域有限差分方法（FDTD）
• 2.1 引言
• 2.2 弹性波波波动方程及其FDTD 形式
• 2.2.1 弹性波波动方程组
• 2.2.2 FDTD 差分方程组
• 2.3 Mur 吸收边界条件
• 2.4 并行FDTD 运算
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于3-D FDTD 的声辐射力计算
• 3.1 引言
• 3.2 声辐射力的FDTD 实现
• 3.2.1 入射高斯波源
• 3.2.2 声辐射力离散化
• 3.2.3 声辐射力计算并行优化
• 3.3 算法验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 亚波长细缝附近的声辐射力研究
• 4.1 引言
• 4.2 亚波长细缝的透射率
• 4.2.1 FDTD 透射率理论计算
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 亚波长细缝附近钢柱的声辐射力
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢