Force de rayonnement acoustique - Acoustic radiation force

La force de rayonnement acoustique ( ARF ) est un phénomène physique résultant de l'interaction d'une onde acoustique avec un obstacle placé le long de sa trajectoire. Généralement, la force exercée sur l'obstacle est évaluée en intégrant la pression de rayonnement acoustique (due à la présence de l'onde sonore) sur sa surface variant dans le temps.

L'amplitude de la force exercée par une onde acoustique plane à un endroit donné peut être calculée comme suit :

${\displaystyle |F^{rad}|={\frac {2\alpha I}{c}}}$

où

• ${\style d'affichage |F^{rad}|}$est une force par unité de volume, exprimée ici en kg/(s ² cm ² ) ;
• ${\style d'affichage \alpha }$est le coefficient d'absorption en Np /cm (Neper/cm) ;
• ${\style d'affichage I}$est l' intensité moyenne temporelle de l'onde acoustique à l'emplacement donné en W /cm ² ; et
• ${\style d'affichage c}$est la vitesse du son dans le milieu en cm/s.

L'effet de la fréquence sur la force de rayonnement acoustique est pris en compte via l'intensité (des pressions plus élevées sont plus difficiles à atteindre à des fréquences plus élevées) et l'absorption (les fréquences plus élevées ont un taux d'absorption plus élevé). A titre de référence, l'eau a une absorption acoustique de 0,002 dB /(MHz ² cm). ^{(numéro de page?)} Les forces de rayonnement acoustique sur les particules compressibles telles que les bulles sont également appelées forces de Bjerknes et sont générées par un mécanisme différent, qui ne nécessite pas d' absorption ou de réflexion du son .

Lorsqu'une particule est exposée à une onde stationnaire acoustique, elle subit une force moyenne dans le temps connue sous le nom de force de rayonnement acoustique primaire ( ) _. Dans un canal microfluidique rectangulaire avec des parois coplanaires qui agit comme une chambre de résonance , l'onde acoustique entrante peut être approchée en résonance , debout onde de pression de la forme:${\displaystyle F_{pr}}$

${\displaystyle p_{1}=p_{a}cos(kz)}$.

où est le nombre d'onde . Pour une particule compressible , sphérique et micrométrique (de rayon ) suspendue dans un fluide non visqueux dans un micro-canal rectangulaire avec une onde ultrasonore planaire 1D de longueur d'onde , l'expression de la force de rayonnement primaire (dans la région de champ lointain où devient alors :${\style d'affichage k}$${\style d'affichage a}$${\style d'affichage \lambda }$${\displaystyle a\ll \lambda }$

${\displaystyle F_{pr}^{1D}=4\pi \Phi ({\tilde {\kappa }},{\tilde {\rho }})a^{3}kE_{ac}sin(2kz)}$

${\displaystyle \Phi ({\tilde {\kappa }},{\tilde {\rho }})={5{\tilde {\rho }}-2 \over 2{\tilde {\rho }}+1 }-{\tilde {\kappa }}}$

${\displaystyle E_{ac}={1 \over 4}\kappa _{f}p_{a}^{2}={p_{a}^{2} \over 4\rho _{f}c_{f }^{2}}}$

où

• ${\style d'affichage \Phi }$est le facteur de contraste acoustique
• ${\displaystyle {\tilde {\kappa }}}$est la compressibilité relative entre la particule et le fluide environnant :${\displaystyle \kappa _{p}}$${\displaystyle \kappa _{f}}$${\displaystyle {\tilde {\kappa }}=\kappa _{p}/\kappa _{f}}$
• ${\displaystyle {\tilde {\rho }}}$est la densité relative entre la particule et le fluide environnant :${\displaystyle \rho _{p}}$${\style d'affichage \rho _{f}}$${\displaystyle {\tilde {\rho }}=\rho _{p}/\rho _{f}}$
• ${\ displaystyle E_ {ac}}$est la densité d'énergie acoustique
• Le facteur rend la période de la force de rayonnement doublé et la phase décalée par rapport à l'onde de pression${\displaystyle sin(2kz)}$${\style d'affichage p_{a}cos(kz)}$
• ${\style d'affichage c_{f}}$est la vitesse du son dans le fluide

Les références