臧雨宸 林伟军3)† 苏畅3) 吴鹏飞3)

1) (中国科学院声学研究所, 北京 100190)

2) (中国科学院大学, 北京 100049)

3) (北京市海洋深部钻探测量工程技术研究中心, 北京 100190)

1 引 言

当声波入射到物体上时会对其产生力矩的作用, 称为声辐射力矩.利用声辐射力矩可以实现粒子的可控旋转, 在声学操控[1-4]、声悬浮[5,6]、生物工程[7]和材料科学[8]等领域具有广泛的应用前景.声辐射力矩的基本理论最早由Maidanik[9]于1958 年提出.随后, Fan 等[10]从角动量守恒定律出发, 给出了一般情况下声辐射力矩的计算方法.在实际应用中, 为了实现对靶向粒子的精确操控,往往需要对各种情况下的声辐射力矩进行理论与数值计算.在此基础上, Zhang 和Marston[11,12]系统地总结了声辐射力矩的理论框架, 并对悬浮固体和液滴的声辐射力矩进行了分析.2012 年, Silva和Mitri 等[13-15]成功推导出任意涡旋声束对在轴球形粒子声辐射力矩的表达式, 并以Bessel 声束为例进行了仿真.近年来, Zhang[16]和Gong 等[17]详细分析了Bessel 声束的声辐射力矩特性和力矩方向的决定因素, 其结果对分析涡旋声场中粒子的转动特性具有重要意义.除了球形粒子外, 柱形粒子在实际应用中也很常见, 如纳米管[18]、长纤维[19]和声表面波器件[20]等.2007 年, Hasheminejad[21]利用Mathieu 函数计算得到了无限长弹性椭圆柱在平面波场中的声辐射力和力矩解析式.2011 年,Wang 和Dual[22]从理论上给出了任意固体圆柱在黏性流体中受到的声辐射力矩大小并得到了很好的数值验证.2016 年, Mitri[23]利用部分波级数展开法(PWSE)避开了Mathieu 函数的烦琐运算,成功求解得到了……