The Viscous Acoustic Field in Liquid Drop Positioning/Forcing in an Acoustic Levitation Chamber

The development of acoustic levitation systems has provided a technology with which to undertake fundamental studies of free drop dynamics as well as processing experiments. Acoustic levitation chambers utilize radiation forces to position the drop. Moreover, drop oscillations can be induced via frequency modulation of the acoustic wave. The modulated acoustic radiation vector, itself a projection of the radiation stress, acts as the driving force for the drop oscillations. If the acoustic field is considered to be inviscid, only the radial component of the radiation force exists. In order to account for the tangential forcing, it is necessary that the effects of viscosity be included in the acoustic field. This work determines the viscous acoustic field. The effects of viscosity contribute in a thin layer near the drop/host fluid interface. The method of composite expansions is employed in the determination of the acoustic field with viscous effects taken into account.

Zusammenfassung

Die Entwicklung akustischer Levitationssysteme hat zu einer Technologie geführt, mit der sowohl grundlegende Untersuchungen der Dynamik freier Tropfen als auch Experimente zur Bearbeitung durchgeführt werden könne. Akustische Levitationskammern nutzen Strahlungskräfte zur Positionierung des Tropfens aus. Darüber hinaus können Tropfenschwingungen durch eine Frequenzmodulation der Schallwelle hervorgerufen werden. Der modulierte akustische Strahlungsvektor, der seinerseits eine Projektion der Strahlungsspannung ist, wirkt als Antriebskraft für die Tropfenschwingungen. Wenn das akustische Feld als reibungsfrei angesehen wird, existiert nur die Radialkomponente der Strahlungskraft. Um die tangentiale Beeinflussung berücksichtigen zu können, müssen die Viskositätseffekte in das Schallfeld einbezogen werden. In dieser Arbeit wird das viskoseakustische Feld bestimmt. Die Viskosität wirkt sich in einer dünnen Schicht in der Nähe der Grenzfläche zwischen Tropfen und umgebendem Fluid aus. Zur Bestimmung des Schallfelds mit viskosen Effekten wird die Methode der zusammengesetzten Entwicklungen benutzt.

Sommaire

Le développement des systèmes de lévitation acoustique a apporté une technologie qui permet d'entreprendre des ätudes fondamentales sur la dynamique des gouttes libres ainsi que des expäriences de traitement. Les chambres de lävitation acoustique utilisent les forces de radiation pour fixer la position de la goutte. Il est done possible, par modulation de fréquence de l'onde acoustique, de mettre la goutte en vibration. C'est le vecteur de radiation acoustique modulée, projection de la contrainte de radiation, qui représente la force responsable des oscillations de la goutte. Si l'on considère que le champ acoustique est non visqueux, seule la composante radiale de la force de radiation existe. Si l'on veut tenir compte de la force tangentielle, il est nécessaire d'introduire les effets de viscosité dans l'expression du champ acoustique. Ceci constitue l'objet du présent article. Les effets de la viscosité se manifestent par une couche mince à l'interface de la goutte et du milieu fluide. On emploie une méthode de décomposition en séries pour déterminer le champ acoustique compte tenu des effets de la viscosité.