进展 | 研究人员计算出边界附近粘弹柱壳的声辐射力矩

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声辐射力矩反映了声波和物体之间角动量的传递，可用来驱动粒子的转动，在声镊子和声流应用等领域提供了更高的操控自由度。传统的声辐射力矩计算主要针对自由空间中的粒子，实际的声操控往往在一定的边界附近进行，而在自由空间中的结果难以被直接应用。

为解决这一问题，中科院声学所超声学实验室博士生臧雨宸与其导师林伟军研究员等人利用部分波级数展开法，结合镜像原理和柱坐标中的加法公式推导得到了Gauss声束作用下无限长粘弹性柱壳的声辐射力矩表达式，并以水中的聚乙烯柱壳为例进行了计算。相关成果在线发表于国际声学期刊Wave Motion。

图1 高斯声束入射到水中阻抗边界附近粘弹柱壳的示意图

（图/中科院声学所）

计算结果表明，柱壳受到的声辐射力矩可正可负。随着边界声压反射系数的增大，柱壳受到的声辐射力矩也随之增强，但峰值的位置仅仅取决于柱壳本身的共振散射模式，并不随反射系数改变。当柱壳逐渐远离或靠近边界时，声辐射力矩在准驻波场的作用下呈现周期变化的规律，且变化周期恰好为半个波长。Gauss声束束腰半径的增加会扩大散射面积，进而也会增强声辐射力矩。

图2 不同声压反射系数下水中聚乙烯柱壳的声辐射力矩随无量纲频率ka和距离d/a的变化关系

（图/中科院声学所）

图3 不同声压反射系数下水中聚乙烯柱壳的声辐射力矩随无量纲频率ka和束腰半径的变化关系

（图/中科院声学所）

本研究得到国家自然科学基金(No.11904384)、中科院青年创新促进会(No.2019024) 和中科院声学所自主部署“目标导向”类项目(No.MBDX202113)的资助。

参考文献：
Yuchen Zang, Xiangda Wang, Yinfei Zheng, Su Chang, Weijun Lin, Acoustic radiation torque of a cylindrical quasi-Gauss beam on a viscoelastic cylindrical shell near an impedance boundary, Wave Motion, 112 (2022) 102954. DOI: 10.1016/j.wavemoti.2022.102954.

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2022.102954

来源：中国科学院声学研究所，作者：超声学实验室 臧雨宸。