声涡旋扳手辐射力矩的拓扑荷依赖性
应用物理
2018-01-23 v1
摘要
基于由点源圆环阵列产生的声涡旋（AV）扳手的波前与波矢分析，通过分别计算不同拓扑荷AV的轨道角动量（OAM）与辐射力矩，研究物体旋转原理。理论表明，以AV扳手为中心轴的轴对称圆盘之旋转主要由所受辐射力矩驱动，而无OAM转移的 contribution。小半径物体上的辐射力矩与AV扳手中心的拓扑荷成反比，而对具有更高拓扑荷的较大AV，该力矩显著增强。当圆盘半径远大于波长时，可实现辐射力矩正比于拓扑荷的特殊情形，此时AV扳手的声功率可被尽可能吸收。借助所搭建的十六源实验装置，在空气中1.3 kHz频率下测得的不同拓扑荷AV径向压力分布与仿真吻合良好。AV辐射力矩的拓扑荷依赖性亦通过针对不同半径圆盘的定量激光位移（角度）测量得到验证。有利结果表明，对于覆盖AV扳手涡旋中心的物体，总OAM转移可能为0，物体旋转由作用力矩贡献。因此，AV扳手的辐射力矩比OAM更适用于描述物体旋转的驱动能力，并可作为临床应用中的有效工具，以无创方式操控体内波长尺度特征尺寸的物体（如碎石术中的肾结石）。
引用
@article{arxiv.1801.06780,
title = {Topological-charge dependence of radiation torque for an acoustic-vortex spanner},
author = {Yuzhi Li and Gepu Guo and Juan Tu and Qingyu Ma and Xiasheng Guo and Dong Zhang and Oleg A. Sapozhnikov and Thomas J. Matula},
journal= {arXiv preprint arXiv:1801.06780},
year = {2018}
}
备注
28 pages, 6 figures