Recent advances and interest in ultrasound particle manipulation calls for theoretical understanding of acoustic radiation force and torque exerted on a configuration of multiple particles. In this thesis we theoretically study the acoustic radiation force and torque exerted by an arbitrary acoustic beam on a cluster of spherical particles in an inviscid fluid. The method is based on the partial-wave expansion (PWE) and the translational addition theorem for spherical wave functions. The combination of (PWE) and addition theorem
Method enable us to solve the associated multiple scattering problem by numerically computing the (PWE) coefficients in a system of linear equations. On the other hand, when we consider the radiation force and torque exerted on a single sphere, the addition theorem has the advantage to solve this problem in a closed form. After obtaining the PWE coefficients, the acoustic radiation force and torque is computed through the farfield series solution. To illustrate the method, the acoustic radiation force and torque exerted on a single or multiple spheres are analyzed. In the case of a single sphere, the force is
generated by a spherically focused ultrasound beam, where as the torque is generated by a Bessel vortex beam. For the multiple spheres configuration, the radiation force is induced by a traveling and a standing plane wave. In a specific configuration of three olive oil droplets suspended in water, with radii of the order of the wavelength, we found that rescattering events produce an acoustic interaction force, which significantly changes the radiation force on each droplet depending on the inter-droplet distance. In addition, we have found for the first time that an acoustic interaction torque due to the nonsymmetric spatial distribution of the acoustic energy density to the droplets. Further more, our
study does not have restrictions on the spheres size compared to the wave length, nor on their composition material, which includes rigid, void, compressional liquid, elastic and viscoelastic solids, and layered material. Finally, this study has direct applications on methods for noncontact object handling by acoustic waves such as acoustic levitation, acoustical tweezers, and acoustophoresis in lab-on-a-chip devices. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Recentes avanços e interesse em manipulação de partículas necessitam de uma maior compreensão teórica da força de radiação e torque acústico exercidos sobre uma configuração de múltiplas partículas. Nesta tese, nós estudamos teoricamente a força de radiação e torque acústico exercido por um feixe acústico arbitrário em um conjunto de partículas esféricas suspensas em um fluido não viscoso. O método baseia-se na expansão de ondas parciais (EOP) e no teorema translacional da adição para funções de onda esférica. A combinação do método de ondas parciais com o teorema da adição nos permitir resolver o problema de espalhamento mútiplo computando numericamente os coeficientes da expansão em um sistema de equações lineares. Por outro lado, quando consideramos a força e torque de radiação exercidos sobe uma única esfera, o teorema da adição tem a vantagem para resolver este problema exatamente. Após a obtenção dos coeficientes, a força e o torque de radiação são calculados usando um método em séries no campo distante. Para ilustrar o método, a força e o torque exercidos sobre uma ou multiplas esferas são analisados. Para o de uma única esfera, a força de radiação é gerada por um feixe de ultrassom focalizado. Para uma configuração de multiplas esferas, a força de radiação é
induzida por ondas planas e estacionarias. Numa configuração específica de três gotas de azeite suspensas em água, com raios da ordem do comprimento de onda, verificou-se que as ondas reespalhadas produzem uma força de interação acústica, o que altera significativamente a força de radiação em cada gota em função da distância inter-gota. Além disso, verificou-se, pela primeira vez que um torque de interação acústico devido a uma distribuição espacial não simétrica da densidade de energia acústica para as gotas. Além
disso, nosso estudo não tem restrições quanto ao tamanho esferas em comparação com o comprimento de onda, nem sobre a sua composição, que inclui rígida, líquida, elástica e sólidos viscoelásticos. Por fim, este estudo tem aplicações diretas sobre os métodos de manipulação de objetos sem contato por ondas acústicas, tais como a levitação acústica, pinças acústicas e acoustophoresis em dispositivos lab-on-a-chip.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:www.repositorio.ufal.br:riufal/1694 |
| Date | 21 August 2014 |
| Creators | Andrade, José Henrique Araújo Lopes de |
| Contributors | Silva, Glauber José Ferreira Tomaz da, http://lattes.cnpq.br/8964946246608547, Carvalho, Alexandre Manoel de Morais, http://lattes.cnpq.br/6348179610253447, Lima, Rodrigo de Paula Almeida, http://lattes.cnpq.br/0761026401241174, Mitri, Farid G., Azarpeyvand, Mahdi |
| Publisher | Universidade Federal de Alagoas, Brasil, Programa de Pós-Graduação em Física da Matéria Condensada, UFAL |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFAL, instname:Universidade Federal de Alagoas, instacron:UFAL |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | bitstream:http://www.repositorio.ufal.br:8080/bitstream/riufal/1694/2/license.txt, bitstream:http://www.repositorio.ufal.br:8080/bitstream/riufal/1694/1/Acoustic+radiation+force+and+torque+on+suspended+objects+in+an+inviscid+fluid.pdf |
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