核心概念
本文揭示了入射聲波與各向異性粒子(例如球體)相互作用時產生的兩種新現象:橫向反衝力和穩定聲升力,並探討了其在聲操控和粒子分選方面的應用。
參考資訊: Smagin, M., Toftul, I., Bliokh, K. Y., & Petrov, M. (2024). Acoustic Lateral Recoil Force and Stable Lift of Anisotropic Particles. arXiv preprint arXiv:2310.06524v2.
研究目標: 本研究旨在探討聲波與各向異性粒子相互作用時產生的聲學力和力矩,特別關注於揭示橫向反衝力和穩定聲升力現象。
方法: 研究人員採用嚴謹的多極分析法,推導出包含反衝力貢獻的聲力和力矩解析表達式。他們以球體粒子為例,分析了橫向力的影響因素,並探討了實現穩定聲升力的條件。
主要發現:
研究揭示了聲學橫向反衝力的存在,該力垂直於入射波方向,源於單極和偶極貢獻的干涉。
研究發現,在特定條件下,橫向力可以與平衡力矩共同作用,實現穩定的聲升力,使傾斜的粒子在沒有旋轉的情況下垂直於入射波移動。
研究表明,穩定聲升力效應不會出現在瑞利散射範圍內,需要考慮更大的粒子尺寸和更高的散射階數。
主要結論:
橫向反衝力和穩定聲升力是聲波與各向異性粒子相互作用時產生的兩種新現象,可以為聲操控和粒子分選提供新的功能。
研究結果為進一步探索結構化入射場、非均勻材料粒子以及聲學形狀分選等方向提供了理論基礎。
論文貢獻: 本研究揭示了聲學領域的兩個新現象,並為聲操控和粒子分選提供了新的思路和方法,對相關領域的研究具有重要的參考價值。
研究限制和未來方向:
本研究主要集中在球體粒子的理論分析,未來需要進一步研究其他形狀的各向異性粒子。
未來研究需要考慮熱黏性和聲流效應等因素對穩定聲升力的影響。
需要進一步開發基於聲升力的粒子分選技術的實際應用。
統計資料
紅血球的形狀可以通過雙凹實心圓盤的隱函數方程式來模擬。
紅血球的大小和形狀參數來自參考文獻 [25] 中的表格。
紅血球和血漿的聲學和力學參數來自參考文獻 [96, 97]。
頻率為 90 MHz 時,紅血球的橫向力與縱向力分量的比率 |F⊥/F∥| 約為 0.2。
假設入射壓力波振幅 p0 = 10 kPa,則橫向力 |F⊥| 約為 8 fN,這對於重量約為 30 皮克的紅血球來說是相當顯著的 [98]。