葉建東 范宗尉 吳玉光

摘 要：為了解決水環(huán)境下微小空間內(nèi)聲場(chǎng)難以測(cè)量問(wèn)題，提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)尺寸微球運(yùn)動(dòng)圖像的聲場(chǎng)測(cè)量方法。首先根據(jù)水環(huán)境下聲場(chǎng)中標(biāo)準(zhǔn)尺寸微球的受力特性建立運(yùn)動(dòng)模型，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸微球運(yùn)動(dòng)圖像對(duì)微球運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析得到運(yùn)動(dòng)參數(shù)，最后結(jié)合運(yùn)動(dòng)模型反求出標(biāo)準(zhǔn)尺寸微球在聲場(chǎng)中各處所受超聲輻射力的分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量方法能較好地解決聲場(chǎng)測(cè)量問(wèn)題，具有較高的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：超聲輻射力;近壁面;聲場(chǎng)測(cè)量;標(biāo)準(zhǔn)尺寸微球運(yùn)動(dòng)模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.071

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了最大程度地實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)測(cè)量，必須對(duì)鏡頭視野內(nèi)的整個(gè)區(qū)域內(nèi)各處微球所受的超聲輻射力進(jìn)行檢測(cè)。在圖1所示的坐標(biāo)系中，以X軸正向方向?yàn)槠鹗歼\(yùn)動(dòng)方向，在圓周方向上沿著逆時(shí)針?lè)较蛞?0°角為增量，進(jìn)行12組數(shù)據(jù)采樣，從而實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋式測(cè)量。同時(shí)采用來(lái)回反復(fù)兩次運(yùn)動(dòng)測(cè)量，即使標(biāo)準(zhǔn)尺寸微球按照指定方向運(yùn)動(dòng)出去后，再使其按原路返回到初始平衡位置。保證每組所采集的數(shù)據(jù)位置信息相對(duì)位移不變。具體為：首先合成聲場(chǎng)穩(wěn)定俘獲標(biāo)準(zhǔn)尺寸微球，并使其處于相機(jī)視野中心位置;然后控制的合成聲場(chǎng)，使微球按照指定方向運(yùn)動(dòng);接著使微球按原路返回到初始平衡位置;最后改變角度，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到完成12組實(shí)驗(yàn)采樣。

得到微球運(yùn)動(dòng)圖像之后，使用Tracker軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理得到微球的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)理論推導(dǎo)公式求出其在各處所受的超聲輻射力，進(jìn)而得出聲場(chǎng)的分布。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，拍攝得到12組微球運(yùn)動(dòng)圖像。下面圖像為微球沿著與X軸成60°、-60°方向運(yùn)動(dòng)過(guò)程的圖像，具體如圖4，5所示。

根據(jù)得到的微球運(yùn)動(dòng)圖像完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，得到的結(jié)果是有限采樣點(diǎn)集合。為更直觀的表現(xiàn)聲場(chǎng)的空間分布，采用空間平滑濾波器對(duì)超聲輻射力分布圖進(jìn)行插補(bǔ)，在三維圖中顯示超聲輻射力的分布。

從圖6可以看出，聲場(chǎng)中超聲輻射力分布基本符合理論仿真分布趨勢(shì)，但在有些方向上分布不規(guī)則，這是可能是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如信號(hào)不穩(wěn)定、換能器之間存在差異、水中存在氣泡等其他因素引起，而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在處理過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析水環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)尺寸微球受力特性的基礎(chǔ)上，建立水環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)尺寸微球的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境中微球運(yùn)動(dòng)的識(shí)別，確定其相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而根據(jù)實(shí)測(cè)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反求出微球所受超聲輻射力，實(shí)現(xiàn)了聲場(chǎng)測(cè)量。同時(shí)，完成了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了所研發(fā)技術(shù)的可行性與有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zhang L，Marston P L.Acoustic radiation force expressed using complex phase shifts and momentum-transfer cross sections[J].The Journal of the Acoustical Society of America， 2016，140（02）：EL178-EL183.

[2]Priego-Capote F，De Castro M D L. Analytical uses of ultrasound I.Sample preparation[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry，2004，23（09）：644-653.

[3]Kamimura H A S，Pavan T Z，Almeida T W J，et al.Pressure transducer for measuring acoustic radiation force based on a magnetic sensor[J].Measurement Science and Technology， 2010，22（01）：015101.

[4]李慶.基于機(jī)器視覺(jué)的聲勢(shì)阱力學(xué)特性定征關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2015.

[5]由長(zhǎng)福，祁海鷹.Basset力研究進(jìn)展與應(yīng)用分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19（02）：31-33.

[6]Lambert P，Régnier S.Surface and contact forces models within the framework of microassembly[J].Journal of micromechatronics， 2006， 3（2）： 123-157.

[7]嚴(yán)宗毅.低雷諾數(shù)流理論[M].北京：北京大學(xué)出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介：葉建東（1992-），男，浙江文成人，碩士研究生，主要研究方向：微納操縱。