Natural oscillation frequencies of a Rayleigh sphere levitated in standing acoustic waves

物理 振荡(细胞信号) 声悬浮 悬浮 横截面 驻波 经典力学 机械 瑞利波 固有频率 声辐射 声学 光学 波传播 振动 辐射 量子力学 磁铁 生物 工程类 结构工程 遗传学
作者
Yuchen Zang,Qin Chang,Xiaozhen Wang,Chang Su,Pengfei Wu,Weijun Lin
出处
期刊:Journal of the Acoustical Society of America [Acoustical Society of America]
卷期号:152 (5): 2916-2928 被引量:2
标识
DOI:10.1121/10.0015142
摘要

Acoustic levitation is an important method of container-free processing, which counteracts gravity through exerting the acoustic radiation force on levitated objects. The Gorkov potential function is used to simplify the calculation of the acoustic radiation force acting on a Rayleigh sphere whose radius is much smaller than the wave length. For the case of a plane standing wave levitation system, a systematic analysis of the sphere dynamics is provided in the axial direction, assuming a small perturbation around the stable equilibrium locations. A generalized extension to an arbitrary standing wave field is provided, which gives formal expressions of the axial and transverse natural oscillation frequencies for the sphere. Particular emphasis is put on the natural oscillation frequencies with and without taking gravity into consideration. The computational results for Gauss and Bessel standing waves are provided as two special cases, which show that the transverse natural oscillation frequency will be overestimated when neglecting gravity, especially for a sphere with a relatively large density. Corresponding experiments are conducted to verify the dependence of the transverse natural oscillation frequency on the sphere density. The results obtained in this work are expected to provide a theoretical guide for enhancing the levitation stability and inversing the physical parameters from the sphere dynamics.

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