Fuerza de radiación acústica

La fuerza de radiación acústica ( FRA ) es un fenómeno físico que resulta de la interacción de una onda acústica con un obstáculo situado en su trayectoria. Generalmente, la fuerza ejercida sobre el obstáculo se calcula integrando la presión de radiación acústica (debido a la presencia de la onda sonora) sobre su superficie variable en el tiempo.

La magnitud de la fuerza ejercida por una onda plana acústica en cualquier punto dado 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, expresada aquí en kg/(s ² cm ² );
• ${\displaystyle \alpha }$es el coeficiente de absorción en Np /cm (nepers por cm);
• ${\displaystyle I}$es la intensidad promedio temporal de la onda acústica en la ubicación dada en W /cm² ^; 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 mayor). 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 ni reflexión del sonido . ^{[ 4 ]} Las fuerzas de radiación acústica también se pueden controlar a través de patrones sublongitudinales de la superficie del objeto. ^{[ 5 ]}

Cuando una partícula está expuesta a una onda estacionaria acústica, experimentará una fuerza promedio en el tiempo conocida como fuerza de radiación acústica primaria (${\displaystyle F_{pr}}$) _. ^{[ 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:

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

dónde${\displaystyle k}$es el número de onda . Para una partícula compresible , esférica y de tamaño micrométrico (de radio${\displaystyle a}$) suspendido en un fluido no viscoso en un microcanal rectangular con una onda ultrasónica estacionaria planar 1D de longitud de onda${\displaystyle \lambda }$, la expresión para la fuerza de radiación primaria (en la región de campo lejano donde${\displaystyle a\ll \lambda }$）se convierte entonces en ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 6 ]} :

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

${\displaystyle \Phi ({\tilde {\kappa }},{\tilde {\rho }})={1 \over 3}\left[{5{\tilde {\rho }}-2 \over 2{\tilde {\rho }}+1}-{\tilde {\kappa }}\right]}$

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

dónde

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

• Pinzas acústicas
• Presión de radiación