在现代生活中,随着科学技术的发展,人们对于无接触式纳米级微粒子的操控和捕获技术需求越来越迫切,特别是在细胞和分子生物学中,粒子操控在研究各种细胞和分子的生物力学性质中起着至关重要的作用。基于声辐射力的声镊子可以实现对微粒的捕获、分类、组装以及对药物的靶向输送治疗,因此,利用声辐射力实现无接触式纳米级粒子（细胞）的操控、捕获,这在生物医学行业有着重要的意义。本文基于声波散射理论对声波作用于各种粘弹性粒子和细胞的声辐射力做了研究。第一章简要地回顾了与声辐射力有关的研究背景、实际应用,着重介绍了近年来声辐射力的研究状况,尤其是在生物医学应用方面的发展情况,概述了本文研究工作的主要内容。第二章基于声波散射理论,研究了高斯驻波场中多层球粒子的声辐射力特性。主要研究了两种粒子模型:一是针对药物的输送,研究了由聚合物材料构成的固液双层球粒子模型;二是针对细胞的结构及力学特性,采用了由粘弹性材料构成的三层球形粒子模型。重点分析了多层球结构中材料以及层壳厚度变化对声辐射力带来的影响。第三章基于声场中存在多个粒子时,一个粒子造成的散射波同样会对其它粒子产生声辐射力,本章从声场散射入手,研究存在多个弹性粒子的高斯行波场中粒子受到的声辐射力,推导出空间中稀疏分布的粒子受到声辐射力的表达式,并给出了仿真结果。此研究有助于利用声辐射力实现对多个微小弹性粒子的声学操控。第四章针对阻抗边界附近粘弹性圆柱形粒子,在任意入射角传播的平面行波场所受的声辐射力和声辐射力矩进行了研究。仿真分析了粘弹性圆柱形粒子在不同的粒子半径、不同的边界距离、不同的阻抗边界以及不同入射角度情况下,粒子所受的声辐射力及力矩情况。这一分析结果可为处于有界空间生物粒子的微操控提供有效的理论支撑。第五章基于癌细胞与正常细胞具有的不同力学特性,采用声辐射力方法,对人体泌尿系统的肾和膀胱两类正常与多组癌细胞进行了细胞变形的实验研究。该方法可为今后临床泌尿外科疾病的细胞诊断提供一种快速、高效、简便的方法。第六章对全文做出总结及展望。本文理论研究了单个和多个粘弹性粒子在阻抗边界,平面波和高斯波下的声辐射力特性,并采用声辐射力技术对两类正常细胞与癌变细胞的力学变形进行了实验研究。本研究对于生物医学领域细胞的分类,鉴别以及药物的输送有一定的理论指导意义。

近十年来,声学超材料因为其具有特殊的材料性质而得到广泛关注。在设计声学超材料的过程中,对于超材料的设计基本都是基于周期化的假定,结构周期性对于声波传播的影响已经在超构材料这一领域得到了广泛研究。然而迄今为止却很少有非周期性声学超构材料方面的分析。事实上,周期性结构是非周期结构的一个特例,但并不一定是最优的分布。本文在此基础上,通过理论推导和仿真模拟,对非周期性超材料的声波传播性能进行分析。根据不同的应用场景,设计出性能最优的非均匀阻抗的超构材料,获得了更好的调控效果。第一章,我们回顾了声学超材料的研究背景、实际应用的研究状况。着重介绍近年来声学超材料在非局域效应、多重散射以及流固耦合方面的发展情况,概述了本文研究工作的主要内容。第二章,通过在障板上雕刻非均匀的刻槽,实现对辐射阻的调控。通过分析衍射效应和多重散射,推测出最优的刻槽分布,并进行仿真验证。此外,本章还讨论了这种设计方式和传统软边界加声栅的设计方式的继承关系。第三章,对于波束的自由调控常常受制于幅度和相位的耦合,本章通过旁支管的最优分布解除透射声波幅度和相位的耦合。与传统的旁支管在直管上均匀分布不同,通过调控旁支管在直管上的横向位置来实现幅度和相位的解耦,从而实现相位从0～2π变化的过程中,幅度的变化尽可能的小。第四章,本章讨论空间非均匀阻抗对于指向性和声束分布的影响,并尝试寻找最优阻抗分布。第五章,对全文的内容进行了回顾,并对后续的工作做了适当的展望,希望能进行更深入的研究。

自从上个世纪有关声辐射力的概念首次出现,与其紧密联系的理论和实际技术日新月异。与此同时,更高的技术需求也被提上日程,尤其是在医疗和工业领域。利用声辐射力损伤小、无接触的特性在声场中操纵微型粒子,用以实现粒子的筛选、移动、捕获,逐渐受到相关学者的关注。本文根据声散射理论,研究了在理想流体中的多孔药物微粒以及粘滞流体中的微粒所受声辐射力情况,这对实际医疗应用的进步有着促进作用。主要内容如下:第一章绪论部分,主要介绍声辐射力的背景、发展历史、近期成就和实际应用。在实际应用这方面,着重介绍了声悬浮、声镊子、声辐射力成像和声流驱动等相关内容。第二章主要在多孔介质理论的基础上,推导出在理想流体中多孔球的声散射和声辐射力公式。利用数值仿真,分析在开闭孔情况下,不同体孔隙率、面孔隙率和药物材料对声辐射力的影响情况,并分析原因。第三章主要介绍了声操控的发展历史、主要应用和最新研究成果。数值仿真出在刚性边界和弹性边界下,充满粘滞血液的血管中,声场的压力、温度、速度、声流的速度和管中声辐射力情况。进一步,利用声辐射力作用于药物微粒上,从而实现其定点释放。第四章主要介绍了声辐射力在医疗上的应用,推导了声波入射粘滞血液中球形微粒的声散射系数。对血液中的球形颗粒的背景声场、散射声场、总声场和声压级进行了仿真。在此基础上,求得粘性流体多孔球的声辐射力情况。第五章主要对全文做了总结,本文主要研究理想流体中的多孔球以及粘滞流体中球形微粒的受辐射力和运动情况,利用软件进行数值仿真,并且对比不同参数对声辐射力的影响。同时,也为未来的研究打下一定基础。

声辐射力是声场的非线性效应,是声场与物体之间动量传递的结果。科学技术日益发展的今天,对微小粒子进行非接触操控越来越重要。与其他适用于粒子操控的力相比,声辐射力具有生物相容性高、无创、操作无标签、可操控粒子类型范围广、尺度跨度大等优点。这些优点使得声辐射力操控在生物物理、超声医学等领域有着广泛的应用前景,成为声学领域的研究热点之一。随着科学技术的进步,声辐射力操控技术有了长足的发展,但是在理论以及定量测量方面还存在一些空白,如果能填补这些空白,从而对声辐射力进行更深入全面地研究,便可以使声辐射力操控技术在众多领域的应用得到实现,同时也能更好的实现相应器件和设备的微型化、集成化以及智能化。本文对声波作用在粘性流体中自由柱形和球形粒子以及生物组织中的声辐射力进行了研究,主要研究内容分为以下几个部分:第一章,简单地介绍了声辐射力的研究内涵、特点和研究范畴,总结了国内外的研究现状,概述了本文研究工作的主要内容。第二章,主要介绍了声场的散射理论,推导了粘性流体中自由柱形和球形粒子的散射系数,为进一步研究相关的声辐射力奠定了基础。第三章,推导并给出了平面波以任意角入射到有界粘性流体中的自由圆柱形粒子的声辐射力。通过数值仿真分析了液体粘性、粒子距边界的距离、粒子材料、平面波入射角度等对声辐射力的影响。基于牛顿第二运动定律,利用龙格库塔法对其运动轨迹进行了分析。结果表明,声辐射力的大小和方向依赖于各个因素的选择,因此,可以通过选择合适的参数来控制和调节粒子的运动,从而实现更为高效的粒子操控。最后通过有限元仿真（FEM）验证了本章理论结果的正确性和有效性。第四章,对平面波入射时,粘性流体中自由球形粒子的声辐射力进行了推导,设计了相应的实验,以聚苯乙烯球形粒子为例,通过实验对其声辐射力进行了定量的测量,并将其与理论结果进行对比。结果表明,通过理论预测和实验测量得到的球形粒子的声辐射力变化规律一致,两种结果吻合较好。第五章,基于腹壁组织图像,利用k-Wave对超声波在腹壁组织区域传播时的声场进行数值模拟,获得了其声场分布,进而求得了组织中声辐射力分布情况,同时对面阵换能器的阵元宽度、间距、阵元个数以及工作频率等参量对声辐射力的影响进行了计算与分析。结果表明,在声辐射力弹性成像中可以按实际需要进行选择和调整这些参量,使该弹性成像技术更加精确、高效。该研究为声辐射力在弹性成像技术中的应用提供了数值计算基础,为其技术的改进提供了重要依据。第六章,对全文的研究工作进行了总结,概括了本文的主要创新点,并对下一步可能有学术和应用价值的工作进行了展望。总之,本文考虑了粒子操控的实际应用场景中存在的目标自由以及流体的多种粘性度的情况,推导了声波作用在有界粘性流体中自由柱形粒子的声辐射力表达式,通过理论和实验分析了粘性流体中自由球形粒子的声辐射力情况,并通过数值计算进一步揭示了声波作用在粘性流体中自由柱形和球形粒子以及生物组织中声辐射力的物理现象和机理,此研究有助于更好地理解使用声辐射力操纵粒子的潜在机制,为声镊设备的优化设计和技术改进提供了依据。本文的研究使声辐射力的理论研究方面向实际应用环境更进一步,同时对相关领域的理论和实验研究均有一定的指导和参考作用。

在过去的20年中,声学超构材料逐渐开始兴起和发展。在很多技术领域,声学超构材料的研究已经引起了广泛的研究兴趣并引入了这一新概念。声学超构材料是一类人工结构组成的复合材料,通过精心地设计微结构单元,可以产生超出自然材料的固有属性,比如负质量密度、负弹性模量、零折射率等。目前超构材料的研究不仅仅局限于对单负/双负声学参数的研究,而且还与其他声学相关的研究领域相结合,产生了许多新颖的声学现象。例如,对声学器件的微型化需求促进了超构表面这一领域的发展。通过结合变换声学理论可以实现声隐身的奇特功能。近几年,宇称时间对称性与超构材料/超构表面的结合将研究者的目光从实数声学参数平面拓展到整个复数声学参数平面,为声波调控提供了新的自由度。上述的几类研究都是在声超构材料基础上实现并得以拓展。本文基于声学超构材料奇特的声学特性,将其与其他的声学领域,如声学超构表面、声学漏波天线以及宇称时间对称性声学相结合,对声波在其中的传播特性进行深入的研究,主要分为以下几个部分:第一章为绪论,回顾了与本文相关的声学超构材料、声学超构表面以及宇称时间对称性超构材料方面的研究背景以及最新进展。第二章基于薄板谐振腔的声学超构表面实现了对透射波前的调控。设计的超构表面由8组基于薄板谐振腔结构的基本单元组成。每组基本单元由四个串联薄板谐振腔和相邻单元之间形成的直管构成。通过改变矩形直管的宽度可以实现0到2?全相位范围内调控透射声波的相位并保持极高的透射率。基于广义Snell定律,由8组基本单元构建的透射型超构表面分别实现了异常声折射、基于平面聚焦的声隐身、自弯曲声束以及声负折射。第三章基于梯度振幅漏波天线实现了对声辐射质量的改善。构造了一种梯度振幅声学漏波天线,利用漏波天线向外辐射不同振幅的声波的方法来改善天线向外辐射声波的指向性性能。在保证主瓣尖锐的同时有效抑制旁瓣,且辐射波束具有频率扫描的特性。随着入射声波频率的增加,漏波天线向外辐射声波的角度从负辐射区域向正辐射区域扫描。第四章基于宇称时间对称系统实现了声学逻辑门和小信号放大器功能。采用周期性分布泄漏结构的波导型超构材料实现了无源宇称时间对称势的调控。通过精巧地设计无源超构材料中的无损和损耗区域,在相干完美吸收-激发点处达到高效率的相干控制,从而使得材料在吸收和发射状态之间具有较大的对比度。利用这一特性实现声学逻辑门和小信号放大器的功能。针对宇称时间对称系统中反射声波的不对称性,提出通过三个无源宇称时间对称超构材料的组合构建了一种T字型结构,在理论和实验上实现了非对称声传输的功能。第五章基于宇称时间对称系统实现了声负折射现象。利用具有损耗和增益特性的超构表面分别构造了损耗补偿的单向和双向负折射系统。利用对称性自发破缺点处的单向特性实现损耗补偿的单向负折射现象。利用宇称时间对称破缺相内的相干完美吸收-激发点处同时存在放大和相干完美吸声状态的特性实现损耗补偿的双向负折射现象。我们的研究为单向/双向声负折射的实现提供了一种新的物理机制。第六章为总结与展望,对全文进行了总结并对后续的工作进行了展望。总之,随着科学技术的不断发展和进步,将促进声学超构材料与声学相关的众多学科相互交叉,这将会激发出更多有趣的研究应用和新理念。

对部件中缺陷的检测和评估是工业上健康监测的主要内容,对于安排维护方案和规避灾难性后果具有重要意义。为了实现对微裂纹等早期损伤的准确检测,常采用非线性无损检测技术。含有微裂纹的材料在动力学上对外表现出显著的非经典非线性,因此对非线性的研究可以进一步揭示缺陷的属性。本文采用了Preisach–Mayergoyz模型（PM模型）描述受损材料独特的动力学特征,采用非线性材料迭代算法实现了损伤材料的定义,并从仿真角度研究了由PM模型引起的Lamb波和体波的非经典非线性。在板状结构中传播的Lamb波与PM模型描述的受损区域相互作用,能产生显著的非线性现象。PM模型是一种多尺度模型,由大量迟滞单元构成。仿真结果表明,不同构型的迟滞单元引起的非线性特点也各不相同。进一步的参数研究显示,通过调控PM模型的参数还可以描述损伤区域在发展过程中面积的扩大和性质的改变。因此PM模型是板材中损伤区域的有效模型。在体波研究中,本文进一步拓展了PM模型的使用场景,综合考虑线性和非线性指标评估PM模型对体波的传播产生的影响。由于PM模型中间层的存在,在反射波和透射波中均观察到了由入射的基波转化而来的高次谐波。PM模型的参数设置决定了中间层的非线性,进而影响基频成分和高次谐波成分,这给非线性超材料的设计提供了一种新思路。结合Lamb波的非线性分析和时间反转,本文还提出了一种对板中缺陷区域进行定位的方法。两种不同的模型,即接触声非线性模型和PM模型被用以描述板中局部损伤的非经典非线性。脉冲反转方法被用以从接收信号中提取出由缺陷导致的二次和四次谐波,进而通过时间反转以补偿S0模式Lamb波的群速度频散。通过研究谐波波包的分布,即可确定板中的损伤区域的位置。仿真结果表明,此方案可以对板中的损伤区域实现准确定位。