一种超声悬浮式球形粒子声辐射力测量的研究方法

技术领域

本发明涉及超声悬浮和测量方法分析技术领域，具体是一种超声悬浮式球形粒子声辐射力测量的研究方法。

背景技术

超声悬浮是一种重要的无容器处理技术，其基本原理是利用高强/高频声波的非线性效应产生声辐射力，克服悬浮物的自身重力,实现物体稳定悬浮的状态。它的优点是对试样的电磁性能没有特殊要求，悬浮能力很强，可以创建一个无损、无接触的操作环境，因此在微重力模拟、液体动力学、微机电系统等领域具有广泛的应用价值。

声辐射力是一种重要的非线性声学现象，表现为声场施加在粒子上的非零力。在最简单的声学极限中，非线性项的贡献可以忽略，但超声中，由于频率高，振幅大，非线性现象在声学中的作用越来越重要。非线性声学的理论还不完善，因为非线性声场不符合叠加原理。这使得该问题很难通过分析来解决。叠加原理是线性声学的基本特点，因此可以通过线性声学问题来评估悬浮物的非线性声学特性。

近年来，随着计算机技术的迅猛发展，也使得数值模拟能力的有了很大的提升，但是对于球形粒子的研究过程中，仍存在很多干扰因素，导致研究结果可靠性不高。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明的发明目的在于提供一种超声悬浮式球形粒子声辐射力测量的研究方法，其基于微扰法，通过在计算机上定义一个积分耦合算子，将算出的声压，声速带入到算子中获得的积分可以用来评估悬浮物上的声辐射力，为利用线性声学方法来评估非线性二阶力效应提供一定的理论和技术支持。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案:一种超声悬浮式球形粒子声辐射力测量的研究方法，包括以下步骤：步骤1、基于微扰法，在组件中，定义计算声学问题时所需的声学参数以及变量引入表达式，用于积分耦合算子的调用，应用到计算区域的整个模型；步骤2、基于微扰法，在组件中对水中的悬浮物进行建模，构建几何计算区域，并在悬浮物外部添加另一个积分表面，来确保在旋转几何体中计算出积分；步骤3、基于微扰法，从库中添加材料，定义水中悬浮物几何模型中区域的不同属性；步骤4、基于微扰法，激发出一个超声驻波场，构建对水中悬浮物所需的声学环境；步骤5、分别计算在水中的不同悬浮物半径，悬浮物表面的最大声辐射力，对比解析方案，分析不同悬浮物半径声辐射力的大小变化趋势。

作为本发明的一种优选方案，步骤1中，微扰法计算模型采用超声频率1MHz，压力幅值1bar，声速C0为1500m/s的压力声学频域界面实现模型。

作为本发明的一种优选方案，步骤1中，通过在组件中定义变量，引入用作intop积分算子计算总力的参数。

作为本发明的一种优选方案，步骤2中，微扰法计算模型中预先设置悬浮物的半径R0为250um，添加的积分表面半径为700um，采用二维轴对称几何模型，构建一个矩形区域来确定计算区域。

作为本发明的一种优选方案，步骤2中，构建的矩形区域的高度为6mm，宽度为3mm。

作为本发明的一种优选方案，步骤3中，微扰法计算模型中的计算区域通过从库中调出对域添加水和空气、尼龙材料，定义计算区域内不同位置的不同属性。

作为本发明的一种优选方案，步骤4中，微扰法通过使用背景压力场激发出一个驻波，通过设定Pamp*cos(k0*(z-dz))条件，使驻波距离粒子为λ/8的压力节点开始，同时悬浮物处于声压节点处，使悬浮物处于驻波悬浮状态。

作为本发明的一种优选方案，步骤5中，在研究工具栏下设置一个参数化扫描，扫描步骤1中设置的参数名称为R0的参数。

作为本发明的一种优选方案，上述水中悬浮物几何模型建立好后，建立一个稳定的超声驻波场。

作为本发明的一种优选方案，微扰法中使用直接式求解器。

与现有技术相比，本发明中的一种超声悬浮式球形粒子声辐射力测量的研究方法，具有如下有益效果：

1、本发明提出了基于微扰法对水中悬浮物的声辐射力仿真研究方法，通过对比仿真结果与现有的解析解数据，验证模拟仿真方法的可靠性和合理性，从而简化了解析方案分析步骤的复杂性；

2、本发明通过微扰法，通过改变悬浮物的不同微米半径，不同材料属性等外部属性，正如预期那样，可以更加快速直观的表现小悬浮物半径下声辐射力的大小变化。

附图说明

图1是实施例中微扰法计算模型中的参数设置图；

图2是实施例中小半径球形粒子几何尺寸计算区域图示意图；

图3是实施例中计算区域材料属性设置流程图；

图4是实施例中利用背景压力场激发驻波设置图；

图5是实施例中不同微米半径粒子的声辐射力的参数化扫描流程图；

图6是实施例中小半径尼龙小球上的声辐射力云图；

图7是实施例中小半径球形气泡上的声辐射力云图；

图8是实施例中不同微米半径粒子上的声辐射力图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

实施例：如图1至图8所示，一种超声悬浮式球形粒子声辐射力测量的研究方法，包括以下步骤：

步骤1、基于微扰法，在组件中，定义计算声学问题时所需的声学参数以及变量引入表达式，用于积分耦合算子的调用，应用到计算区域的整个模型；进一步的，步骤1中，微扰法计算模型采用超声频率1MHz，压力幅值1bar，声速C0为1500m/s的压力声学频域界面实现模型；更进一步的，通过在组件中定义变量，引入用作intop积分算子计算总力的参数；

步骤2、基于微扰法，在组件中对水中的悬浮物进行建模，构建几何计算区域，并在悬浮物外部添加另一个积分表面，来确保在旋转几何体中计算出积分；进一步的，微扰法计算模型中预先设置悬浮物的半径R0为250um，添加的积分表面半径为700um，采用二维轴对称几何模型，构建一个高度为6mm，宽度为3mm的矩形区域来确定计算区域；

步骤3、基于微扰法，从库中添加材料，定义水中悬浮物几何模型中区域的不同属性；进一步的，微扰法计算模型中的计算区域通过从库中调出对域添加水和空气、尼龙材料，定义计算区域内不同位置的不同属性。

步骤4、基于微扰法，激发出一个超声驻波场，构建对水中悬浮物所需的声学环境；进一步的，微扰法通过使用背景压力场激发出一个驻波，通过设定Pamp*cos(k0*(z-dz))条件，使驻波距离粒子为λ/8的压力节点开始，同时悬浮物处于声压节点处，使悬浮物处于驻波悬浮状态；

步骤5、分别计算在水中的不同悬浮物半径下，悬浮物表面的最大声辐射力，对比解析方案，分析不同悬浮物半径声辐射力的大小变化趋势；进一步的，为了得到不同微米半径粒子的声辐射力，在研究工具栏下设置一个参数化扫描，扫描步骤1中设置的参数名称为R0的参数，可以同步收集多个半径的声辐射力。

水中悬浮物几何模型建立好后，都需要一个稳定的超声驻波场，特别对于悬浮物材料选用气泡时，为保证悬浮物不会崩塌、飞溅，需确保悬浮物在声场中的稳定悬浮状态。在进行微扰法时，还需使用直接式求解器，通过一步“求逆”方法进行求解，其适用于处理小规模、高度非线性问题，使微扰法的结果更加精确。

本实施例中关于超声作用下声学参数的设置，按照图1进行操作，具体方法如下：采用的超声频率为1MHz，压力幅值为1bar，声速为1500m/s，声音因为物体微小的震动产生，所有流体或者弹性体(桌子、钢板、地面都近似是弹性体)微小的扰动都产生声音，因此，波长可以通过c＝λf求得。波数可由k＝2π/λ求得，其中球形粒子的参数设置为R0，可以通过步骤5收集数据。

(1)在忽略黏性、热损耗的情况下，选用“压力声学频域”进行数值模拟仿真。

(2)在组件中定义变量，引入用作intop积分算子计算总力的参数。

本实施例中关于水中小半径球形粒子几何尺寸计算区域，按照图2操作，具体操作如下：

(1)设置高度为6mm，宽度为3mm的矩形为整个模型的计算区域。

(2)因采用二维轴对称模型，只需设置第一个半径R0为250um的1/2个圆定义球形粒子。

(3)使用较大距离的表面可使微扰法在数值上更准确，这仅仅是因为将有更多点可用于积分的数值评估，因此，在球形粒子外表面添加第二个半径为700um的1/2个圆定义一个积分界面。

本实施例关于水中悬浮物几何模型中区域的不同属性，按照图3进行操作，具体方法如下：

在材料设置栏中选择的几何实体层为域，通过从库中的内置材料中添加水，尼龙以及气泡，在图形框中选中相应区域，从而确定计算区域不同位置的不同属性。

本实施例中关于通过使用背景压力场激发出一个驻波，按照图4进行操作，具体方法如下：

在步骤1选用的压力声学频域中，通过使用背景压力场，设置声波从距离粒子为λ/8的压力节点开始，从而激发出驻波，同时模拟出了声辐射力克服重力的稳定悬浮状态。

本实施例中关于不同微米半径粒子的声辐射力的测量，按照图5进行操作，具体方法如下：

(1)在研究栏，选择参数化扫描，扫描类型选用指定组合，从而收集参数名称为R0的声辐射力。

(2)在研究栏中选择显示默认求解器，并启用直接求解器。

(3)在结果中可以通过定义数据集，根据实际需要获得一维、二维、三维状态下的声辐射力的数据以及可视化云图。

本实施例中的一种超声悬浮式球形粒子声辐射力测量的研究方法，提出了基于微扰法对水中悬浮物的声辐射力仿真研究方法，通过对比仿真结果与现有的解析解数据，验证模拟仿真方法的可靠性和合理性，从而简化了解析方案分析步骤的复杂性，通过微扰法，通过改变悬浮物的不同微米半径，不同材料属性等外部属性，正如预期那样，可以更加快速直观的表现小悬浮物半径下声辐射力的大小变化。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。