Об измерении акустической радиационной силы, действующей на упругий шар в жидкости

В высокорейтинговом журнале The Journal of the Acoustical Society of America (Q1, IF 2.1) опубликована наша статья «Method for measuring acoustic radiation force of a focused ultrasound beam acting on an elastic sphere»

В статье описан разработанный в лаборатории метод измерения вертикальной компоненты акустической радиационной силы, действующей на миллиметровые шары (2-8 мм) со стороны фокусированного пучка.

📖 С текстом публикации можно ознакомиться здесь.
🎙 Подробности также можно послушать в нашем докладе.

Кратко:

Эта сила используется для:
• манипулирования объектам
• толкания почечных камней
• эластографии
• биофабрикации и др.

К настоящему моменту существует много различных численных способов расчета АРС, в частности, есть способ расчета методом углового спектра, разработанный с участием со-руководителя LIMU О.А. Сапожникова, в случае действия АРС на сферический твердотельный рассеиватель (шар) со стороны произвольного ультразвукового пучка.

🤔 Проблема:
Малая величина силы (порядка 5 мН) и требование прецизионности измерений затрудняют проведение экспериментов по измерению АРС.

🔎 В статье впервые предложен и экспериментально опробован оригинальный метод измерения АРС, действующей на миллиметровые шары (2-8 мм) из стали и стекла со стороны фокусированного пучка.

• Шар фиксируется в системе туго натянутых лесок
• Лески крепятся к специальной жесткой конструкции
• Конструкция огибает стенки бассейна и опирается на электронные весы
• При подаче сигнала на излучатель на шар начинает действовать АРС, величина которой пропорциональна показаниям на электронных весах
• Величина АРС измерялась вдоль акустической оси излучателя
• В зависимости АРС от расстояния наблюдались осцилляции, связанные с возникновением стоячих волн между поверхностью излучателя и шаром

Предложенный и продемонстрированный метод позволяет проводить измерения АРС с высокой точностью.

Подробнее:

При нелинейном распространении в какой-либо среде достаточно мощной ультразвуковой волны возникает явление акустической радиационной силы (АРС): происходит передача импульса акустической волны как самой среде (возникают акустические течения = акустический ветер), так и расположенным в ней объектам (возникает сила, действующая на эти объекты).

Явление АРС активно используется в практических приложениях ультразвука, особенно биомедицинских:
• направленное перемещение почечных камней и их фрагментов в теле человека;
• манипулирование клетками, малыми частицами и миллиметровыми объектами (акустический пинцет);
• акустическая левитация;
• эластография (т.е. измерение упругости биотканей);
• биофабрикация конструктов из тканевых сфероидов;
и т.д.

Несмотря на большое количество теоретических работ по расчету (аналитическому или численному) АРС, экспериментов по верификации методов расчета гораздо меньше. Хорошо проработан случай падающей плоской волны на сферический рассеиватель: в частности, развит метод подвешивания рассеивателя на нити, где АРС определяется из угла отклонения нити от положения равновесия. Однако для фокусированных пучков, используемых на практике (в частности, при выталкивании почечных камней), такой метод уже не подходит из-за сильной неоднородности поля в зоне фокуса.

В опубликованной статье:
• предложен оригинальный метод измерения АРС;
• с использованием этого метода проведены измерения АРС, действующей на стальные и стеклянные шары миллиметрового (2-8 мм) диаметра со стороны фокусированного пучка.

Было показано:
• результаты численного моделирования (SB model) хорошо согласуются с результатами экспериментального измерения АРС;
• отклонения экспериментальной кривой от теоретической в виде осцилляций обусловлены образованием стоячих волн между поверхностями рассеивателя (шара) и излучателя;
• с помощью специально подобранной электрической нагрузки амплитуда возникающих из-за стоячих волн осцилляций в зависимости силы от расстояния была подавлена в 2-4 раза (с использованием метода, также разработанного в нашей лаборатории);
• величина АРС линейно зависит от мощности падающего пучка, что согласуется с теорией.

Предложенный и продемонстрированный метод развит по аналогии с известным "методом взвешивания" ультразвукового пучка для определения его полной акустической мощности и позволяет проводить измерения АРС с высокой точностью