Fuerza de radiación acústica

La fuerza de radiación acústica ( ARF ) es un fenómeno físico que resulta de la interacción de una onda acústica con un obstáculo colocado a lo largo de su trayectoria. Generalmente, la fuerza ejercida sobre el obstáculo se evalúa integrando la presión de radiación acústica (debida a la presencia de la onda sónica) sobre su superficie variable en el tiempo.

La magnitud de la fuerza ejercida por una onda plana acústica en cualquier ubicación determinada se puede calcular como:

${\displaystyle |F^{\rm {rad}}|={\frac {2\alpha I}{c}}}$

dónde

• ${\displaystyle |F^{\rm {rad}}|}$es una fuerza por unidad de volumen, aquí expresada en kg/(s ² cm ² );
• ${\displaystyle \alpha }$es el coeficiente de absorción en Np /cm (nepers por cm);
• ${\displaystyle I}$es la intensidad media temporal de la onda acústica en la ubicación dada en W /cm ² ; y
• ${\displaystyle c}$es la velocidad del sonido en el medio en cm/s. ^{[1] [2]}

El efecto de la frecuencia sobre la fuerza de radiación acústica se tiene en cuenta a través de la intensidad (es más difícil alcanzar presiones más altas a frecuencias más altas) y la absorción (las frecuencias más altas tienen una tasa de absorción más alta). Como referencia, el agua tiene una absorción acústica de 0,002 dB / (MHz ² cm). ^{[3] (¿número de página?)} Las fuerzas de radiación acústica sobre partículas compresibles como las burbujas también se conocen como fuerzas de Bjerknes y se generan a través de un mecanismo diferente, que no requiere absorción o reflexión del sonido . ^[4] Las fuerzas de radiación acústica también se pueden controlar a través de patrones de sublongitud de onda de la superficie del objeto. ^[5]

Cuando una partícula se expone a una onda estacionaria acústica, experimentará una fuerza promediada en el tiempo conocida como fuerza de radiación acústica primaria ( ) _. ^[6] En un canal microfluídico rectangular con paredes coplanares que actúa como una cámara de resonancia , la onda acústica entrante puede aproximarse como una onda de presión estacionaria resonante de la forma: ${\displaystyle F_{pr}}$

${\displaystyle p_{1}=p_{a}\cos {kz}}$.

donde es el número de onda . Para una partícula compresible , esférica y de tamaño micrométrico (de radio ) suspendida en un fluido no viscoso en un microcanal rectangular con una onda ultrasónica estacionaria plana unidimensional de longitud de onda , la expresión para la fuerza de radiación primaria (en la región de campo lejano donde ） se convierte entonces ^{[7] [8] [9] [6]} : ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle a\ll \lambda }$

${\displaystyle F_{pr}^{\rm {1D}}=4\pi \Phi ({\tilde {\kappa }},{\tilde {\rho }})a^{3}kE_{ac}\sin {2kz}}$

${\displaystyle \Phi ({\tilde {\kappa }},{\tilde {\rho }})={5{\tilde {\rho }}-2 \over 2{\tilde {\rho }}+1}-{\tilde {\kappa }}}$

${\displaystyle E_{\rm {ac}}={1 \over 4}\kappa _{f}p_{a}^{2}={p_{a}^{2} \over 4\rho _{f}c_{f}^{2}}}$

dónde

• ${\displaystyle \Phi }$es el factor de contraste acústico
• ${\displaystyle {\tilde {\kappa }}}$es la compresibilidad relativa entre la partícula y el fluido circundante : ${\displaystyle \kappa _{p}}$ ${\displaystyle \kappa _{f}}$ ${\displaystyle {\tilde {\kappa }}=\kappa _{p}/\kappa _{f}}$
• ${\displaystyle {\tilde {\rho }}}$es la densidad relativa entre la partícula y el fluido circundante : ${\displaystyle \rho _{p}}$ ${\displaystyle \rho _{f}}$ ${\displaystyle {\tilde {\rho }}=\rho _{p}/\rho _{f}}$
• ${\displaystyle E_{\rm {ac}}}$es la densidad de energía acústica
• El factor hace que el período de fuerza de radiación se duplique y se desplace de fase con respecto a la onda de presión. ${\displaystyle \sin {2kz}}$ ${\displaystyle p_{a}\cos {kz}}$
• ${\displaystyle c_{f}}$es la velocidad del sonido en el fluido

Véase también

• Pinzas acústicas
• Presión de radiación

Referencias

1. Palmeri, Mark; Sharma, Amy; Bouchard, Richard; Nightingale, Roger; Nightingale, Kathryn (octubre de 2005). "Un modelo de método de elementos finitos de la respuesta de los tejidos blandos a la fuerza de radiación acústica impulsiva". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control . 52 (10): 1699–1712. doi :10.1109/tuffc.2005.1561624. PMC  2818996 . PMID  16382621.
2. McAleavey, SA; Nightingale, KR; Trahey, GE (junio de 2003). "Estimaciones de correlación de eco y sesgo de medición en imágenes de impulsos de fuerza de radiación acústica". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control . 50 (6): 631–641. doi :10.1109/tuffc.2003.1209550. PMID  12839175. S2CID  12815598. (se requiere suscripción)
3. Szabo, Thomas L. (2013). Diagnóstico por imágenes con ultrasonido: de adentro hacia afuera (2.ª ed.). Prensa académica. ISBN 9780126801453.
4. Leighton, TG; Walton, AJ; Pickworth, MJW (1990). "Fuerzas primarias de Bjerknes". Revista Europea de Física . 11 (1): 47. Bibcode :1990EJPh...11...47L. doi :10.1088/0143-0807/11/1/009. S2CID  250881462.
5. Stein, M., Keller, S., Luo, Y., Ilic, O. (2022). "Conformación de fuerzas de radiación sin contacto a través de dispersión acústica anómala". Nature Communications . 13 (1): 6533. arXiv : 2204.04137 . Bibcode :2022NatCo..13.6533S. doi :10.1038/s41467-022-34207-7. ISSN  2041-1723. PMC 9626492 . PMID  36319654. S2CID  248069447. 
6. Saeidi, Davood; Saghafian, Mohsen; Haghjooy Javanmard, Shaghayegh; Hammarström, Björn; Wiklund, Martin (2019). "Efectos dipolares y monopolares acústicos en la dinámica de interacción de partículas sólidas durante la acustoforesis". Revista de la Sociedad Acústica de América . 145 (6): 3311–3319. Bibcode :2019ASAJ..145.3311S. doi :10.1121/1.5110303. ISSN  0001-4966. PMID  31255151. S2CID  195564901.
7. Gor'kov, Lev Petrovich (1961). Fuerzas que actúan sobre una partícula pequeña en un campo acústico dentro de un fluido ideal (en ruso). Dokl. Akad. Nauk SSSR. págs. 140:1, 88–91.
8. Yosioka, K.; Kawasima, Y. (1 de enero de 1955). "Presión de radiación acústica sobre una esfera compresible". Acta Acustica United with Acustica . 5 (3): 167–173.
9. Settnes, Mikkel; Bruus, Henrik (30 de enero de 2012). "Fuerzas que actúan sobre una partícula pequeña en un campo acústico en un fluido viscoso". Physical Review E . 85 (1): 016327. arXiv : 1110.6037 . Bibcode :2012PhRvE..85a6327S. doi :10.1103/PhysRevE.85.016327. ISSN  1539-3755. PMID  22400677. S2CID  35088059.