Взаимодействие капель и малых объектов с поверхностными акустическими волнами, страница 2

Двунаправленность такого транспортадостигается без изменения направления распространения волн, а лишь припомощи сдвига фазы несущей волны относительно начала импульснойогибающей.4.Анизотропия акустических свойств подложки автоколлимационноготипа, как предсказывает развитая модельная теория, приводит к резкомуусилению локализации волн Рэлея под следом капли, растекшейся на подложке.5.Наблюдаемая в эксперименте краевая локализации волновых колебаний вкапле Лейденфроста объясняется на основе представленного теоретическогоанализа эффектом геодезической линзы (максимальностью длины путиволновых лучей по экватору капли в сравнении с параллельными экватору, носмещенными от него траекториями). Влияние же кривизны поверхности каплина скорость капиллярных волн является при этом, как показывают оценки,второстепенным фактором.АПРОБАЦИЯ РАБОТЫРезультаты проведенных исследований докладывались и обсуждались наряде научных встреч, в число которых входят: Международные конференциистудентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам"Ломоносов-2004",Всероссийские"Ломоносов-2005",научныешколы-семинары"Ломоносов-2009""Волны-2004",(Москва),"Волны-2008","Волны-2013" (Подмосковье), IEEE International UFFC Joint 50th AnniversaryConference (Монреаль, Канада, 2004), 17th International Symposium on NonlinearAcoustics (Стейт Колледж, США, 2005), Форум "Всемирный год физики вМосковском университете" - конференция молодых ученых (Москва, 2005),IEEE International Ultrasonics Symposium (Роттердам, Нидерланды, 2005; Рим,6Италия, 2009), Advanced School "Flow and Transport in Microchannels:Fundamental Theoretical Aspects, Experimental Methods, Application" (Удине,Италия, 2005), сессии Российского акустического общества (Москва, 2005;Нижний Новгород, 2007), MicroNanoacoustics Workshop (Прато, Италия, 2009).Результаты работы также докладывались и обсуждались на семинарахкафедры акустики физического факультета МГУ (2004-2013), Лабораторииволн и акустики (LOA) (Париж, Франция, 2005), Лаборатории физики иметрологии осцилляторов (LPMO) (Безансон, Франция, 2006), Лабораториифизической механики (LPM) (Бордо, Франция, 2006), Лаборатории акустикиУниверситета Мена (LAUM) (Ле-Ман, Франция, 2005, 2007), семинаретеоретического отдела ИОФАН под руководством А.А.

Рухадзе (Москва, 2010),заседании научно-квалификационного семинара ИРЭ им. В.А. КотельниковаРАН (Москва, 2013).ПУБЛИКАЦИИПо теме диссертации опубликовано в журналах и сборниках 21 печатнаяработа (из них 4 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК).ВКЛАД АВТОРАВсематериалы,вошедшиевданнуюдиссертационнуюработу,подготовлены либо лично автором, либо совместно с соавторами работ,опубликованных по теме диссертации.СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИДиссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и спискацитируемой литературы. Общий объем составляет 174 страницы, включая 41рисунок, 3 таблицы и 208 библиографических ссылок.

Система обозначений,используемаявкаждойизглавдиссертационнойотносительно самостоятельной и объясняется в начале глав.7работы,являетсяСОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первой главе представлен обзор литературы по теме работы.В первом параграфе описаны различные типы взаимодействийповерхностныхакустическихволнсмалымиобъемамижидкости.Обсуждаются акустические датчики для измерения параметров жидкости. Здесьже приведена информация об известных свойствах акустических волн награнице твердого тела и жидкости. Кратко описаны основные эффектывоздействия поверхностных акустических волн на капли, включая ихтранспорт, ультразвуковое распыление и генерацию в них вихревыхакустических течений.Второйпараграфпосвященобсуждениюразличныхизвестныхмеханизмов волнового транспорта материальных объектов.

Сюда входятакустические течения, движение капель под действием колебаний в условияхгистерезиса сил поверхностного натяжения, образование фигур Хладни,транспорт протяженных объектов за счет эллиптического движения частиц наповерхности подложки при распространении в ней акустических волн,транспортзаряженных или диэлектрических частиц в поле «бегущихэлектростатических волн», движение броуновских частиц при случайныхвоздействиях в средах с пространственной асимметрией свойств.В третьем параграфе рассматриваются работы о поверхностныхколебаниях тел сферической и сфероидальной формы, к которым относятсякапиллярные колебания капель, пузырьков, и распространение волн Рэлея посфере. Обсуждаются также исследования толщинных акустических резонансовв капле на подложке.В четвертом параграфе приведены общие выводы по анализулитературы в контексте изучаемых в диссертации задач.Во второй главе излагаются результаты проведенных в диссертационнойработе оригинальных экспериментальных и теоретических исследованийвзаимодействиякапельиповерхностныхпьезокристаллических подложках.8акустическихволннаВ пятом параграфе представлены схема экспериментальной установки иметодикапроведенияэксперимента.Вшестомпараграфеописаныэксперименты по направленному растеканию капель под действием бегущихПАВ, а также вихревым акустическим течениям внутри капель.

В целом этинаблюдениясогласуютсясрезультатамидругихавторов.Результатынаблюдения направленного растекания капель были затем использованы припостановке задачи теоретического исследования, описанного в седьмомпараграфе. Этот параграф посвящен изучению волноводной локализации волнРэлея под следом растекшейся капли (рис. 1).Рис. 1. Распространение поверхностных акустических волн под растекшейсякаплей: 1 - встречно-штыревые преобразователи (ВШП), 2 - подложка, 3 - слойжидкости, 4 - волны Рэлея.Для исследования влияния на волны Рэлея тонкого следа капли с ширинойнесколько длин волн в случае, когда подложка является изотропной или ееанизотропия пренебрежимо мала, используется модельное скалярное уравнениеГельмгольца(∂2∂ x 2 + ∂ 2 ∂ z 2 + k 2 )ψ = 0 ,(1)где ψ - волновая функция.

Входящее в (1) волновое число волн Рэлея считаетсявозмущенным из-за присутствия жидкого слоя k = k0 + ∆k , ∆k ~ h . Изменениятолщины слоя в поперечном направлении аппроксимируются параболойh = h0 (1 − β x 2 ), x - отклонение от оси следа капли, h0 - максимальная толщинаследа; β- масштабный коэффициент. Решение для пространственногораспределения поля волноводных мод имеет вид9ψ n (ξ ) ~ exp(− ξ 2 2) H n (ξ ) ,(2)где H n (ξ ) - полиномы Эрмита n -го порядка ( n = 0,1,2...

), а ξ ~ x . Для изучениявлиянияанизотропиисредыналокализациюволнРэлеяудобновоспользоваться параксиальным параболическим приближением. В этом случаезависимость фазовой скоростиvот угла θотклонения направленияраспространения от оси Z аппроксимируется формулойv(θ ) v(0) = 1 + (γ 2)θ 2 ,гдеγ - коэффициентпараболическоймодификация решения показывает, что(3)аппроксимации.ξ ~ x(1 + γ )−1 / 4Анизотропная, т.е.

анизотропияпараболического типа влияет лишь на масштаб изменения поля волноводныхмод в поперечном направлении, но не меняет формы решения, характерной дляизотропной среды (рис. 2). Наиболее интересный случай сверхсильного сжатияпучков реализуется при значениях γ , близких к − 1 . В этом случае масштабныйРис. 2.

Поперечное распределение в микрожидкостном канале с шириной,равной 30λ R : a) поля нулевой волноводной моды Рэлея без и с учетоманизотропии подложки, кривая 1 - γ = −0,906 , кривая 2 - γ = −0,454 , кривая 3 γ = 0 ; б) локального волнового числа волн Рэлея ∆k k 0 .10коэффициент стремится к бесконечности, а волноводные пучки приобретаютнеобычную иглообразную форму. Представленный анализ имеет, конечно,ограничения в отношении точности количественного описания узких пучков сшироким пространственным спектром. Тем не менее, его качественные выводыо резком сужении волноводных пучков должны оставаться верными и в этомпредельном случае. Таким образом, учет акустической анизотропии подложкипоказалмногократноеусилениестепениволноводнойлокализацииповерхностных акустических волн под следом капли с квадратичным профилемв случае, когда анизотропия среды создает условия автоколлимацииволноводного пучка.

Данный эффект позволяет рассчитывать параметры ряданизших волноводных мод Рэлея под следом капли в пренебреженииконечностью ширины следа.В восьмом параграфе представлены результаты экспериментальногонаблюдения и анализа нового эффекта возникновения квазистационарногосолитоноподобного пика на капле объемом 4-8 мкл при воздействии двухвстречных ПАВ частотой 15 МГц (рис. 3а). Поступательное перемещение всейкапли как целого не наблюдалось, а ее профиль при этом выглядел, какпоказано на рис.

3б. На тонком пьедестале толщиной порядка 50-100 мкмвозникал пик (солитоноподобное образование с высотой, на порядок большейтолщины пьедестала), который сравнительно медленно перемещался илиа)б)Рис. 3. а) Фотография капли спиком на ней: 1 - ВШП, 2 пьедестал капли, 3 - пик на капле;б) эскиз профиля капли.11совершал хаотические колебательные движения при высыхании капли впределах пьедестала. В эксперименте использовались следующие жидкости,характеризуемые высокой смачиваемостью подложки из ниобата лития: ацетон,этиловый спирт, уайт-спирит.

Дано упрощенное теоретическое описание этогоэффекта на основе анализа сил акустического радиационного давления,создаваемого в капле (жидком полупространстве) встречными рэлеевскимиволнами утечки (рис. 4). Согласно проведенным расчетам суммарная силаРис. 4. Силы акустического радиационного давления в поле встречныхрэлеевских волн утечки.радиационного давления направлена строго вверх там, где встречные волныимеют одинаковую амплитуду. Смещение в сторону от этого места приводит кнаклону силы радиационного давления в направлении, противоположномотклонению, что создает восходящий поток жидкости с локализацией в местеравенства амплитуд встречных волн.В девятом параграфе изложены результаты экспериментальногонаблюдения и анализа другого нового эффекта. Этот эффект состоит ввозбуждениинизкочастотныхавтоколебанийвкапленанаклоннойпьезоэлектрической подложке при воздействии ПАВ, бегущих от нижнего краяподложки к верхнему.