Akustické streamování - Acoustic streaming

Akustické streamování je ustálený tok v tekutině poháněný absorpcí vysoké amplitudy akustický oscilace. Tento jev lze pozorovat v blízkosti zářičů zvuku nebo ve stojatých vlnách v a Kundtova trubice Je to méně známý opak generování zvuku tokem.

Existují dvě situace, kdy je zvuk absorbován v médiu šíření:

  • během šíření.[1] Koeficient útlumu je , Následující Stokesův zákon (tlumení zvuku). Tento účinek je intenzivnější při zvýšených frekvencích a je mnohem větší ve vzduchu (kde dochází k útlumu na charakteristické vzdálenosti) ~ 10 cm při 1 MHz) než ve vodě (~ 100 m při 1 MHz). Ve vzduchu je známý jako Křemenný vítr.
  • blízko hranice. Buď když zvuk dosáhne hranice, nebo když hranice vibruje v nehybném médiu.[2] Stěna vibrující paralelně sama se sebou vytváří smykovou vlnu se zeslabenou amplitudou uvnitř Stokes oscilační mezní vrstva. Tento efekt je lokalizován na délce útlumu charakteristické velikosti jehož řádová velikost je několik mikrometrů ve vzduchu i ve vodě při 1 MHz. Tok toku generovaný v důsledku interakce zvukových vln a mikrobublinek, elastických polymerů,[3] a dokonce i biologické buňky[4] jsou příklady hraničního akustického streamování.

Původ: síla těla způsobená akustickou absorpcí v tekutině

Akustické streamování je nelineární efekt. [5]Můžeme rozložit rychlostní pole ve vibrační části a stabilní části Vibrační část je způsobeno zvukem, zatímco ustálenou částí je rychlost akustického proudu (průměrná rychlost) Navier-Stokesovy rovnice implikuje pro rychlost akustického streamování:

Stálý proud vychází ze stálé síly těla který se objeví na pravé straně. Tato síla je funkcí toho, co je známé jako Reynolds zdůrazňuje v turbulencích . Reynoldsovo napětí závisí na amplitudě zvukových vibrací a síla těla odráží snížení této zvukové amplitudy.

Vidíme, že toto napětí je nelineární (kvadratický ) v amplitudě rychlosti. Nemizí pouze tam, kde se mění amplituda rychlosti. Pokud rychlost kapaliny kmitá kvůli zvuku jako kvadratická nelinearita generuje ustálenou sílu úměrnou .

Řád akustických rychlostí proudění

I když je viskozita zodpovědná za akustické proudění, hodnota viskozity zmizí z výsledných rychlostí proudění v případě téměř hraničního akustického napařování.

Pořadí rychlostí streamovacích rychlostí je:[6]

  • blízko hranice (mimo mezní vrstvu):

s rychlost zvukových vibrací a podél hranice zdi. Tok je směrován na snižování zvukových vibrací (vibračních uzlů).

  • blízko vibrační bubliny[7] poloměru klidu a, jehož poloměr pulzuje s relativní amplitudou (nebo ), a jehož těžiště se také periodicky překládá s relativní amplitudou (nebo ). s fázovým posunem
  • daleko od zdí[8] daleko od počátku toku (s akustická síla, dynamická viskozita a celerita zvuku). Blíže od počátku toku se rychlost mění jako kořen .
  • bylo prokázáno, že dokonce i biologické druhy, např. adherentní buňky, mohou také vystavovat tok akustického proudu, když jsou vystaveny akustickým vlnám. Buňky přilnuté k povrchu mohou generovat tok akustického proudu v řádu mm / s, aniž by byly odděleny od povrchu.[9]

Reference

  1. ^ viz video na http://lmfa.ec-lyon.fr/spip.php?article565&lang=cs
  2. ^ Wan, Qun; Wu, Tao; Chastain, John; Roberts, William L .; Kuznetsov, Andrey V .; Ro, Paul I. (2005). „Nucené konvekční chlazení pomocí akustického streamování v úzkém kanálu vytvořené vibračním piezoelektrickým bimorfem“. Tok, turbulence a spalování. 74 (2): 195–206. CiteSeerX  10.1.1.471.6679. doi:10.1007 / s10494-005-4132-4. S2CID  54043789.
  3. ^ Nama, N., Huang, P.H., Huang, T.J. a Costanzo, F., Investigation of acoustic streaming patterns around oscillating ostrými hranami, Lab on a Chip, Vol. 14, s. 2824-2836, 2014
  4. ^ Salari, A .; Appak-Baskoy, S .; Ezzo, M .; Hinz, B .; Kolios, M.C .; Tsai, S.S.H. (2019) Dancing with the Cells: Acoustic Microflows Generated by Oscillating Cells. https://doi.org/10.1002/smll.201903788
  5. ^ Vážený pane James Lighthill (1978) „Acoustic streaming“, 61, 391, Journal of Sound and Vibration
  6. ^ Squires, T. M. & Quake, S. R. (2005) Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale, Review of Modern Physics, sv. 77, strana 977
  7. ^ Longuet-Higgins, M. S. (1998). "Viskózní proudící z oscilační sférické bubliny". Proc. R. Soc. Lond. A. 454 (1970): 725–742. Bibcode:1998RSPSA.454..725L. doi:10.1098 / rspa.1998.0183. S2CID  123104032.
  8. ^ Moudjed, B .; V. Botton; D. Henry; Hamda Ben Hadid; J.-P. Garandet (01.09.2014). "Škálování a rozměrová analýza proudových trysek" (PDF). Fyzika tekutin. 26 (9): 093602. Bibcode:2014PhFl ... 26i3602M. doi:10.1063/1.4895518. ISSN  1070-6631.
  9. ^ Salari, A .; Appak-Baskoy, S .; Ezzo, M .; Hinz, B .; Kolios, M.C .; Tsai, S.S.H. (2019) Dancing with the Cells: Acoustic Microflows Generated by Oscillating Cells. https://doi.org/10.1002/smll.201903788