2013: Научные достижения ученых физфака МГУ
"Акустическая радиационная сила"
Совместные исследования физиков из Московского государственного университета и университета штата Вашингтон открывают новые перспективы использования радиационной силы ультразвуковых волн
Волны любой природы переносят не только энергию, но и количество движения (импульс). Если волна при распространении встречает какой-нибудь рассеивающий или поглощающий объект, ее количество движения изменяется, частично передается объекту, в результате чего на препятствие начинает действовать сила. Она называется «радиационной силой». Эта сила физикам хорошо известна, прежде всего применительно к оптическим волнам. Ее величину легко оценить с использованием квантового языка, представляя свет в виде потока фотонов с энергией hω и импульсом hk=hω/c. Из этих простых выражений видно, что радиационная сила оказывается пропорциональной мощности волны, причем в случае одномерного распространения коэффициент пропорциональности равен 1/с, где с — скорость волны. Скорость света велика, поэтому соответствующая радиационная сила относительно мала. Первым, кто экспериментально измерил оптическую радиационную силу (еще в конце 19 века), был П.Н. Лебедев, памятник которому находится у входа на физический факультет МГУ (см. фото справа). С появлением лазеров появилась возможность получения достаточно мощных световых пучков, и создавать световое давление на препятствия стало относительно просто. На этом принципе, в частности, основаны современные лазерные пинцеты.
А что же можно сказать про радиационную силу акустических волн? Примечательно, что упомянутый выше коэффициент 1/с для звука примерно на 5 порядков больше соответствующего светового коэффициента, т.е. получить заметную радиационную силу гораздо проще. Одной из наглядных демонстраций проявления эффекта радиационной силы является 'акустический фонтан' - возникновение струи на свободной поверхности жидкости при фокусировке на эту поверхность ультразвукового пучка (см. фото слева). Другим примером является метод измерения мощности ультразвуковых источников путем 'взвешивания' излучаемого пучка: ультразвук направляют на поглощающий образец, лежащий на электронных весах; под действием радиационной силы вес меняется заметным образом, что позволяет измерить полную мощность падающей волны. За счет радиационной силы удается реализовать левитацию мелких частиц и микропузырей. Еще одной иллюстрацией эффекта является возбуждение поглощающимся ультразвуковым пучком гидродинамических потоков в жидкости (так называемых акустических течений) или сдвиговых волн в гелеподобных материалах. Возможность дистанционного возбуждения сдвиговых волн уже нашла применение в медицине для ультразвуковой диагностики опухолевых образований в мягких биотканях.
Как это часто бывает, рассуждения 'на пальцах' помогают понять причину явления, но не всегда позволяют описать эффект количественно. Именно такой является ситуация с расчетом акустической радиационной силы для реальных пучков и реальных рассеивающих объектов. До недавнего времени решению поддавались задачи в упрощающем предположении об одномерном характере волны или малом по сравнению с длиной волны размером рассеивателя. Строгий расчет радиационной силы требует умения решить трехмерную задачу рассеяния и, используя это решение, рассчитать радиационную силу путем интегрирования тензора радиационных напряжений по поверхности, охватывающей рассеиватель. В вышедшей в начале 2013 года совместной статье д.ф.-м.н. О.А. Сапожникова (кафедра акустики) и Майкла Бейли (университет штата Вашингтон, США) разработан метод аналитического расчета радиационной силы произвольного акустического пучка на упругую сферу произвольного размера. Авторы не только развили эффективный метод расчета радиационной силы, но и применили его к описанию сил, которые можно прилагать к почечным камням в теле человека при использовании ультразвуковых источников в виде многоэлементных диагностических датчиков. Оказалось, что ультразвуковой пучок может толкать камень не только вдоль оси ультразвукового пучка, но и в других направлениях. Тем самым показано, что появляется возможность дистанционно манипулировать почечными камнями. В частности, можно подтолкнуть маленькие камни к выходу из почки, а большие камни, наоборот, задержать в почке во избежание закупорки мочеточника. Это уже вызвало огромный интерес у урологов, и в настоящее время ведутся разработки по созданию медицинского прибора, основанного на эффекте радиационной силы.
Результаты работы опубликованы в статье Sapozhnikov, O.A., and Bailey, M.R. Radiation force of an arbitrary acoustic beam on an elastic sphere in a fluid. – J. Acoust. Soc. Am., v. 133, no. 2, pp. 661-676 (2013).
