基于斜入射聚焦声场干涉的粒子悬浮操控研究

摘要

作为近年来新兴的粒子操控技术，声镊以其无标记性、无接触性、无损性、安全性高和操控材料广泛等诸多优点，在医学、生物学、材料学等学科领域表现出强大的应用潜力.目前主流的声镊技术中，行波声镊的声辐射力普遍较小，轴向粒子操控能力较差，且需要复杂的电路和算法，代价较大；驻波声镊的粒子操控只能在成套声学器件中间区域实现，应用场景和机动性有限.针对上述问题，本研究提出了基于斜入射聚焦声场干涉的三维粒子悬浮操控方法，构建斜入射聚焦边位错干涉声场，在实现水中粒子的稳定悬浮和三维操控的同时，使操控区域不再局限于换能器对或换能器阵列中心区域，且驱动系统相对简单，为水中粒子的悬浮及三维操控提供了新的架构.研究表明，模态为m的聚焦边位错声场经斜入射干涉后能够在焦平面内形成2m个沿椭圆轨迹等间隔排列分布的低声压势阱，当换能器偏转角为45°,换能器表面振速为0.03 m/s时，可为半径150μm的聚苯乙烯粒子提供峰值为18μN的轴向辐射力和峰值为0.3μN的径向辐射力，实现粒子悬浮捕获.与此同时，声辐射力与模态、偏转角均呈负相关关系，且干涉声场中的声阱分布与边位错模态、初始相位差、换能器偏转角和初始相位的反相方位等参数密切相关，通过偏转角和初始相位可直接调控捕获粒子的排布致密度和轴向捕获位置，进而实现声阱的三维调控.最后，搭建斜入射聚焦干涉声场的实验平台，进行了声场测量与粒子操控实验.声场测量结果与数值仿真结果具有良好的一致性，对聚苯乙烯粒子的稳定操控和捕获实验证明了该干涉声场对粒子的悬浮和实时操控能力.

关键词

斜入射聚焦声场干涉 / 聚焦换能器阵列 / 聚焦边位错声束 / 粒子悬浮与操控