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声辐射压力诱导流体界面无接触形变的研究
1. 研究团队与发表信息
本研究由法国图尔大学（Université de Tours）、INSA CVL 和 CNRS 联合研究团队完成，主要作者包括 Félix Sisombat*、Thibaut Devaux、Lionel Haumesser 和 Samuel Callé。论文于 2023 年发表在期刊 Scientific Reports 上，标题为 *“Contactless deformation of fluid interfaces by acoustic radiation pressure”*，DOI 为 10.1038/s41598-023-39464-0。
2. 学术背景与研究目标
研究领域：本研究属于声学与流体力学交叉领域，聚焦于利用声辐射压力（Acoustic Radiation Pressure, ARP）实现流体界面的无接触动态调控。
研究动机：可编程、可逆的表面形变在可调谐光学和声学超表面等领域具有重要应用价值。传统方法（如机械致动、热膨胀、微流控等）存在响应速度慢、依赖物理接触或结构离散化等问题。而声辐射压力提供了一种无接触、实时调控流体界面的新途径。
研究目标：
1. 通过实验和数值模拟，表征声辐射压力诱导的流体界面形变的时空特性；
2. 探索如何通过调控超声激励的时空参数（如压力场分布、脉冲重复频率）实现按需定制的界面形变；
3. 验证数值模型（基于有限元方法）与实验数据的一致性，为未来应用提供理论支持。
3. 研究流程与方法
（1）理论建模
- Langevin 辐射压力模型：基于拉格朗日坐标系下的流体运动方程，推导了声辐射压力在流体界面（如水-空气界面）的表达式（公式 2）。该模型表明，界面形变与入射声压场的平方成正比。
- 数值模拟：采用 COMSOL Multiphysics 软件，通过“层流两相流-移动网格”模块求解 Navier-Stokes 方程，模拟界面形变的时空演化。模型中考虑了表面张力（σ = 72 mN/m）和重力影响。
（2）实验设计
- 超声激励系统：使用 1 MHz 压电换能器（球形聚焦和平面型两种），发射 50 周期正弦脉冲（脉宽 50 μs），峰值声压 2.1 MPa（非线性二次方区域）。
- 形变测量：采用 共焦位移传感器（Polychromatic Confocal Displacement Sensor, CL-P070） 实时测量水-空气界面的三维形变，空间分辨率 50 μm，采样率 10 kHz。
- 数据同步：通过函数发生器触发超声发射与传感器采集，确保时间同步。
（3）实验与模拟对比
- 形变时空特性：对比球形与平面换能器诱导的形变动态（如形变高度、宽度、弛豫时间）。
- 脉冲重复频率（PRF）调控：研究 100 Hz PRF 下周期性脉冲对界面稳态振荡的影响。
4. 主要研究结果
（1）形变的时空演化
- 三个阶段：形变过程分为上升期（rise）、最大值期（maximum）和下降期（decrease）。
- 球形换能器：形变高度在 4.7 ms 内达到峰值 125 μm，45 ms 后恢复初始状态（图 3a）。
- 平面换能器：形变呈现双峰特性（13 ms 和 38 ms），弛豫时间延长至 140 ms（图 3b），源于侧向波的干涉效应。
- 形变形状：初始为圆形突起，随时间和空间扩展，最终分裂为轴对称毛细波（图 2）。
（2）PRF 对动态调控的影响
- 100 Hz PRF 激励：界面在 40 ms 内升至 250 μm，随后稳定在 175 μm 均值附近振荡（振幅 50 μm），形成周期性波纹（波长 3 mm，波速 0.3 m/s）（图 4）。
- 调控机制：PRF 越高，重配置时间越短，但形变对比度（hmax/hmin）降低，受流体黏度制约。
（3）实验与模拟一致性
- 形变高度、宽度及时间演化的实验数据与有限元模拟高度吻合（图 3），验证了理论模型的准确性。
5. 研究结论与价值
科学意义：
1. 首次系统揭示了声辐射压力诱导流体界面形变的时空特性，证明了通过超声激励参数（如换能器形状、PRF）可编程调控形变。
2. 提出的数值模型为未来设计动态超表面（如可调声学/光学器件）提供了可靠工具。
应用潜力：
- 可调谐器件：如实时可编程光栅、声学超表面。
- 流体特性研究：通过形变动力学反推液体表面张力、黏度等参数。
- 生物医学：非接触式细胞操控或药物递送。
6. 研究亮点
- 创新方法：首次结合共焦位移传感器与瞬态声辐射压力实验，实现了透明界面的高精度三维形变测量。
- 动态调控：通过 PRF 调控界面稳态振荡，为时间依赖型超表面设计开辟新途径。
- 跨学科模型：融合声学、流体力学与有限元模拟，为复杂界面动力学研究提供范式。
7. 其他有价值内容
- 局限性：当前研究仅针对水-空气界面，未来可拓展至其他流体或高黏度介质。
- 补充数据：论文附有视频（Supplementary Video 1a/b）展示形变动态过程，增强结果可视性。
此研究为声学驱动流体界面的无接触操控奠定了实验与理论基础，在微流控、自适应光学及生物医学工程等领域具有广泛的应用前景。