Sound emission from oscillating bubbles trapped by the collapse of drop-impact craters
King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)（阿卜杜拉国王科技大学）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）
研究滴落撞击坑塌陷时被困气泡振荡产生的声音，揭示其声学机制与频率特性。
2025-12-10 physics.flu-dyn
How Hummingbirds Hum: Oscillating Aerodynamic Forces Explain Timbre of the Humming Sound
蜂鸟独特的嗡嗡声的来源还不是很清楚，但在声学近场和远场中有其起源的线索。为了解开这个谜团，我们使用2176麦克风阵列记录了六只自由盘旋的Annas蜂鸟产生的声学近场。我们还使用一种新的气动力平台直接测量了蜂鸟在体内产生的3D气动力。为了确定空气动力引起嗡嗡声的程度，我们开发了一个简单的第一原理模型来预测由3D振荡力辐射的声场。预测的声场与测量的声场之间的对应关系表明，嗡嗡声的主要声源是随着扑翼来回移动而振荡的升力和阻力。该模型还显示了扑翼的气动力剖面如何决定嗡嗡声的音色和声压水平：支持具有更高谐波的体重的剖面辐射更多的声功率。此外，扩展这个模型在鸟类和飞行昆虫，我们展示了如何辐射声功率的规模与身体质量的第二个权力-异速生长偏差，使更大的鸟类更安静，细长的苍蝇更响亮。该模型能够预测扑翼的声学特征，这表明它可以应用于多种用途，如区分鸟类展示行为中的翅膀和羽毛声音，解释昆虫如何用翅膀产生求爱歌曲，使扑翼机器人翅膀更加安静。
2020-09-03 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Suppression of acoustic streaming in shape-optimized channels
声流是振荡流体中普遍存在的时均非线性动力学现象。在这项理论研究中，我们表明，声流可以抑制两个数量级的主要区域的流体通过优化其限制壁的形状。值得注意的是，在这种形状优化的腔中，声压没有被抑制，并且悬浮颗粒上的声辐射力也没有被抑制。这一基本认识可能会导致应用，如纳米级颗粒的声泳处理，否则会受到声流的损害。
2020-02-25 physics.flu-dyn
Acoustic microstreaming near a plane wall due to a pulsating free/coated bubble: Nyborg result revisited and vortices
分析了微气泡振荡产生的声微流，得到了邻近壁面的圆形流运动。经典理论由于Nyborg仔细推导出径向坐标。利用该理论得到了微气泡运动引起的流场和旋涡运动。当微泡离刚性壁面较近时，顶点的长度逐渐减小，而最大剪应力逐渐增大。
2018-02-20 physics.flu-dyn
An oscillating motion of a red blood cell and a neutrally buoyant particle in Poiseuille flow in a narrow channel
红细胞的振荡和摆动呼吸（摆动）的两种运动已经在有界Poiffilille流中观察到（Phys.Rev.E85，16307（2012））。为了理解这种运动，我们研究了在窄通道中Poiffille流中形状相同的中性浮力刚性粒子的振荡运动，得到了关键点是粒子与Poiffille流相互作用，其质心在通道中心区域上下移动。由于细胞的质心向通道中心区域迁移，因此只要细胞保持长体形状，其倾角的振荡运动与上述运动相似。但随着细胞质心的上下振荡衰减，倾角的振荡运动也衰减，细胞倾角趋于固定。
2013-04-17 physics.flu-dyn
No net motion for oscillating near-spheres at low Reynolds numbers
我们研究了低雷诺数下振荡的近球形颗粒周围的流动，以及由此产生的运动。我们分析表明，没有净运动可以产生一阶Re和一阶非球面参数，无论粒子的形状。因此，几何诱导的声流推进，如果有的话，必须出现在更高的顺序。
2019-02-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Coupling light and sound: Giant nonlinearities from oscillating bubbles and droplets (Review)
非线性光学过程对于电信、信号处理、数据存储、光谱学、传感和成像等领域至关重要。作为一个独立的研究领域，非线性光学开始于激光器的发明，因为产生光学非线性所需的强光的实际来源在以前是不可用的。然而，许多非线性光学系统的高功率要求限制了它们的使用，特别是在便携式或医疗应用中，因此存在开发能够利用由廉价且紧凑的源发射的低功率光产生非线性光学现象的新材料和谐振结构的推动。声学非线性，特别是气泡和液滴中的巨大声学非线性现象，比它们的光学对应物强得多。在这里，我们建议采用声学非线性产生新的光学频率，从而有效地再现非线性光学过程，而不需要激光。我们严格调查目前的文献致力于光与非线性声波的相互作用和高度非线性振荡的气泡和液滴。我们表明，声学非线性转换为光信号是可能的低成本的非相干光源，如发光二极管，这将迎来新的类低功耗光子器件，更实惠的偏远社区和发展中国家，或有苛刻的要求的大小，重量和功率。
2018-11-14 cond-mat.soft physics.flu-dyn physics.optics
A well posed acoustic analogy based on a moving acoustic medium
对于无耗气体的流动，滞止焓服从线性对流波方程，其系数取决于流动变量。该方程是自伴的，并且在源和观测器之间具有互易关系。它满足亚音速流的二次守恒方程，意味着稳定性。它被视为声学类比的基础，并被应用到由对流涡和刚性圆柱体的碰撞产生的声音。
2010-09-20 physics.flu-dyn
Quantification of Flow Noise Produced by an Oscillating Foil
从游泳的自然物种中获得灵感，在无人水下航行器领域进行了大量研究。在过去的二十年里，更多的重点是相关的流体动力学机制，结构动力学，控制技术，其运动和路径规划已显着见证了在文献中。考虑到所涉及的声学机制的重要性，我们专注于量化的流噪声所产生的振荡水翼在这里作为一个运动学模型的鱼或其相关的附件。在我们目前的研究中，我们进行了数值模拟的流动范围广泛的流动和运动学参数的振荡水翼。使用Ffowcs-Williams和Hawkings（FW-H）的方法，我们量化的流动噪声产生的鱼在其游泳的运动学和流动参数，包括雷诺数，减少频率，和Strouhal数的范围。我们发现，在振荡频率和它的第一次偶次谐波的声压水平的分布，由于在流体域中的压力波动是偶极图案。这些声压级的大小取决于雷诺数和Strouhal数，而它们的偶极轴的方向似乎只受约化频率的影响。此外，我们还将声辐射的发射与流体动力系数联系起来。
2018-06-05 physics.flu-dyn
Probing hydrodynamic fluctuation-induced forces with an oscillating robot
本文通过振荡机器人在流体表面产生重力-毛细波，实验研究了刚性边界附近由波干涉涨落不对称性引起的吸引或排斥力，并用Hocking理论解释其参数依赖规律。
2024-02-20 physics.flu-dyn
Efficient swimming of an assembly of rigid spheres at low Reynolds number
在低雷诺数流体力学中研究了刚性球在无限大粘性流体中的游动问题。瞬时游动速度和耗散率用球心关于其集体运动的随时间变化的位移表示。对于周期性振荡位移的小振幅游泳，在给定的平均功率下的平均游泳速度的优化导致涉及速度矩阵和功率矩阵的特征值问题。相应的最佳行程允许泛化到具有谐波相互作用和相应致动力的球体模型中的大幅度运动。该方法允许直接计算的游泳性能的结构建模为组件的相互作用的刚性球体。作为一个例子，研究了三个共线球体沿公共轴运动的模型。
2015-05-22 physics.flu-dyn
Acoustic-drift equation
本文的目的是推导出一个新的方程（\emph{acoustic-drift equation}（ADE）），描述了由声波产生的流动。我们考虑理想正压气体的声波作为零阶解，导出了一阶平均流方程。我们的渐近研究所使用的小参数是无量纲的反频率，和速度场的主导项被选为一个纯粹的振荡声场。所采用的数学方法结合了两个定时方法和一个杰出的限制的概念。利用双线性算子的性质简化了计算。导出的平均方程类似于原始涡量方程，其中雷诺应力已转化为附加平流与漂移速度。因此，ADE可以看作是Craik-Leibovich方程的可压缩版本。特别地，ADE表明，如果平均涡度在初始数据中不存在，那么它将总是等于零。这一性质证实了声流具有粘性。同时，ADE可以用于描述“强”声流流动发生的二次运动。
2012-06-06 physics.flu-dyn
The oscillating and vibrating cylinder: a benchmark to study low Mach number aeroacoustics
本文以振荡与振动圆柱为基准，推导了完整不可压缩流动解析解，并用高阶有限元方法验证，揭示了该构型在临界雷诺数以下仅由Stokes数决定，进而计算了远场声辐射的精确表达式。
2024-08-08 physics.flu-dyn
Theory of pressure acoustics with thermoviscous boundary layers and streaming in elastic cavities
本文提出了一种有效的热粘性声流体理论，包括压力声学、热粘性边界层和弹性腔中流体的流动。通过包括热场，我们从而扩展了巴赫和布鲁斯，J. Acoust的有效粘性理论。Soc. Am. 144，766（2018）。声学温度场和热粘性边界层被解析地合并为有效边界条件和热声体场上的时间平均体积力。因为它避免了解决薄的边界层，有效的模型允许在三维模型的声流体系统的热粘性声场和时间平均场的数值模拟。我们展示了如何通过材料参数的温度依赖性，特别是粘度和可压缩性，影响边界条件和产卵额外的体力在散装的声流强烈依赖于稳定和振荡的热场。我们还表明，即使是小的稳定的温度梯度（1 K/mm）诱导梯度的压缩性和密度，可能会导致非常高的流动速度（1 mm/s）的中等声学能量密度（100 J/m^3）。
2020-12-14 physics.flu-dyn
Theory of pressure acoustics with boundary layers and streaming in curved elastic cavities
封闭流体中的声场和流动强烈地依赖于在壁面附近形成的声学边界层。该层的宽度通常远小于由几何形状或声波波长设定的体积长度尺度，这使得直接数值模拟具有挑战性。基于这种分离的长度尺度，我们扩展了经典理论的压力声学推导出的边界条件的声压，充分考虑边界层效应。使用相同的长度尺度分离的稳定的二阶流，并将其与时间平均的短程产品的一阶字段，我们取代通常的极限速度理论与分析的滑移速度条件的远程流场在壁。只要壁面曲率和位移幅值足够小，导出的边界条件对任意形状的振荡腔和壁面运动都是有效的。最后，我们验证了我们的理论与直接数值模拟的两个例子中的二维充水腔：良好的研究矩形腔与规定的壁驱动，和更通用的椭圆形腔嵌入在外部驱动的矩形弹性玻璃块。
2018-04-16 physics.flu-dyn
Acoustic Streaming: An Arbitrary Lagrangian-Eulerian Perspective
我们使用ALE的角度分析声流流动。该制剂源于一个明确的分离的时间尺度导致两个子问题：一阶问题，制定在快速规模的流体位移方面，和制定在缓慢的时间尺度的拉格朗日流速方面的二阶问题。严格的时间平均程序后，二阶问题被证明是内在稳定的，并与精确的边界条件在振荡壁。此外，由于二阶问题直接求解拉格朗日速度，因此该公式不需要采用斯托克斯漂移的概念或任何相关的后处理，从而便于与实验进行直接比较。由于一阶问题是制定的位移场，我们的配方是直接适用于更复杂的微acosutofluidic设备中的流体-结构相互作用的问题。制定的博览会后，我们提出的数值结果，说明了制定相对于目前的方法的优势。
2016-10-01 physics.flu-dyn
Adjoint-based optimization of the control boundaries of a microfluidic acoustic flow
本文提出基于伴随方法的优化框架，通过优化致动器速度边界消除喷墨打印头内声学混响，在薄膜型和体块型机制中均将系统总能量降低超过100倍。
2025-04-11 physics.flu-dyn
Finite stopping times for freely oscillating drop of a yield stress fluid
本文讨论了具有屈服应力的自由表面流体的非受迫运动是否存在有限停时的问题。推导了具有自由表面的屈服应力流体动力学问题的变分不等式。假设自由表面以正常速度发展.我们还考虑了沿自由表面作用的毛细力。基于变分不等式，得到了动能和自由能变化率与粘塑性内能耗散和外力功平衡的能量等式。进一步，本文考虑了Herschel-Bulkley流体液滴在表面张力作用下的自由小振幅振荡。在一定的假设条件下，证明了当屈服应力参数为正且流动指数$α$满足（$α\ge1$）时，振荡的有限停止时间$T_f$存在.几个数值实验的结果说明了分析，揭示了问题的参数上的依赖性的$T_f$，并建议从屈服状态到刚性的一个瞬时过渡的整个下降。
2016-11-24 physics.flu-dyn
Global stability of rigid-body-motion fluid-structure-interaction problems
在欧拉框架下对刚体运动问题的线性流固耦合方程进行了严格的推导和验证。我们证明了Fanion等人（2000）公式中的附加刚度项在一阶近似下在FSI界面处消失。几个数值试验与刚体运动进行比较的线性和非线性方程的时间演化时，底部流是由相同的小振幅扰动的显示推导的公式的有效性。在所有情况下，不稳定性的增长率和角频率都在$0.1\%$精度范围内匹配。推导的公式被用来研究对称破缺现象的旋转圆柱与附加分裂板。结果表明，对称性破缺的发生可以用流固耦合系统零频率线性不稳定模态的存在来解释。最后，研究了振动圆柱的最小稳定特征值的结构灵敏度，发现当流体和结构频率接近共振时，最小稳定特征值的结构灵敏度发生显著变化。
2019-10-21 physics.flu-dyn
Upstream Shear Layer Stabilisation via Self-Oscillating Trailing Edge Flaplets
本文采用高速时间分辨粒子图像测速技术（HSTR-PIV）和襟翼尖端运动跟踪技术，研究了雷诺数为100，000 ~ 150，000时，带有柔性襟翼的对称翼型（NACA 0012）的绕流。在迎角为0 $^\text{o}$和10 $^\text{o}$时，特别注意了上游对沿机翼吸力面边界层发展的影响。对于没有襟翼的普通翼型，在基本不稳定模态（线性状态）中，当剪切层卷起时，翼型后半部分的边界层显示出滚柱的形成。适当的正交分解（POD）分析表明，非线性模式也存在，最主要的是连续辊的配对。当附加的flaplet，它示出的flaplet的流动引起的振荡能够创建一个锁定的效果，稳定的线性状态的剪切层，同时延迟或阻尼非线性模式的增长。据推测，修改后的后缘是有益的，以减少阻力，并可以减少在较低的频带中的航空声学噪声的产生，所示的初步声学调查。
2018-07-09 physics.flu-dyn
Two-sphere swimmers in viscoelastic fluids
我们研究游泳运动员包括两个刚性球周期性振荡沿其对称轴线，同时考虑当振荡是在相位和反相，并研究流体粘弹性对他们的净运动的影响。这些游泳者都显示在牛顿流体中的往复运动，因此在一个周期内没有实现净游泳。相反，我们发现，当两个球体的大小不同，粘弹性的影响，推动游泳者在较小的球体的方向前进。最后，我们比较了刚性球在粘弹性流体中的运动与弹性球在牛顿流体中的运动，我们发现了相似的结果。
2018-09-12 physics.flu-dyn
On the noise generation and unsteady performance of combined heaving and pitching foils
瞬态二维声学边界元求解器耦合到势流边界元求解器通过鲍威尔的声学类比，以确定执行生物启发运动的孤立的水翼的声发射。流声边界元框架验证对规范涡体相互作用产生的噪声的实验和渐近解。数值框架，然后表征的噪声产生的振荡箔，这是一个简单的代表性的鱼尾鳍。一个刚性的NACA 0012水翼进行组合的起伏和俯仰运动的Strouhal数（$0.03 < St < 1$）的基础上的峰-峰振幅和基于弦的约化频率（$0.125 < f^* < 1$），跨越许多游泳鱼类的参数空间。一个偶极声学方向性被发现的所有运动，频率和幅度考虑，和峰值噪声水平的增加与减少的频率和Strouhal数。在一个固定的降低的运动频率和幅度下，一个组合的起伏和俯仰运动比一个纯粹的俯仰或纯粹的起伏翼产生更小的噪声。升力和功率系数与峰值均方根声压级的相关性被确定，这可以用来开发远程，安静的游泳者。
2021-01-23 physics.flu-dyn
Approximate Acoustic Boundary Conditions in the Time-Domain using Volume Penalization
浸没边界法允许在时域模拟中在简单笛卡尔网格上描述复杂对象。这里采用的惩罚技术是一个物理动机的Brinkman方法，包括摩擦项和有效体积的多孔材料的模型对象。我们调查的方法可以模仿不同的声学边界条件。它是关于不同的声学设置，包括刚性墙和各种吸收配置进行验证。
2022-03-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Hovering in Oscillatory Flows
本文研究了上下不对称的刚体在振荡背景流中的悬停动力学。最近对无生命的无生命物体在零平均分量振荡流中的实验表明，所产生的气动力足以使物体保持在高空。这种升力产生的机制基本上是不稳定的，并取决于脱落涡量。在这里，我们考虑一个模型系统的二维飞片和计算的非定常，双向耦合的背景下的涡面模型的飞片和周围的流体。我们详细研究了悬停所需的流动特性（频率和速度）及其对飞行器特性（质量和几何形状）的依赖性。我们发现，悬停所需的空气动力学的努力是一个固有的属性的传单本身：一个给定的传单需要一个恒定的努力量悬停，无论频率和速度的振荡流。这种物理洞察力将可能对无人驾驶飞行器的设计以及理解活生物体的主动悬停产生重大影响，这些活生物体可以操纵它们的扑翼运动以有利于更大的振荡幅度或频率。
2016-08-25 physics.flu-dyn
Turbulent drag reduction through oscillating discs
采用直接数值模拟的方法，研究了槽道湍流在壁面齐平刚性圆盘振动作用下的变化。雷诺数为$R_τ$ = $180$，基于固定壁情况的摩擦速度和半通道高度。壁面强迫的主要作用是壁面剪应力的持续减小，最大可达20%。的盘直径，最大尖端速度，和振荡周期的参数研究，其目的是确定最佳的参数，保证最大的减阻和最大的净节能，计算考虑到所花费的功率来驱动盘。这可能是积极的，达到6%。Rosenblat粘性泵流量用于预测在湍流通道流中盘运动所花费的功率，并估计受到湍流再生制动效应的盘表面上的局部和瞬态区域，其中壁湍流在盘上施加工作。FIK恒等式表明壁面摩擦力的减小是由于两种不同的效应。一种效应与近壁振荡盘边界层对壁湍流的直接剪切作用有关，这导致湍流雷诺应力的衰减。另一种影响是由于盘间结构产生的附加盘流雷诺应力。湍流雷诺应力衰减对减阻的贡献取决于盘流边界层的穿透厚度，而细长结构的贡献则与最大测试盘直径的最大尖端速度和振荡周期的简单函数成线性关系，这一结果由Rosenblat流解提出。还简要讨论了光盘技术的未来适用性。
2014-04-22 physics.flu-dyn
Explicit Predictor-Corrector Method for Nonlinear Acoustic Waves Excited by a Moving Wave Emitting Boundary
本文提出了一种求解一维球对称运动波发射边界无耗Westerpyruvate方程的显式时域有限差分方法。该方法是基于一个移动的物理域和一个固定的计算域之间的坐标变换。这允许模拟由于介质的本构非线性引起的波形失真和由于波发射边界的加速引起的压力波的非线性多普勒调制的组合效应。采用预估-校正方法来提高该方法在激波和网格运动情况下的数值稳定性。结果表明，该方法可以准确地预测非线性波失真的多普勒频移和由波发射边界的振荡运动引起的振幅调制。所提出的方法的新颖性在于它能够反映多普勒频移率的非线性波轮廓失真和冲击衰减有限振幅的声波从加速边界发射。
2022-02-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Wave Vortices Around Oscillating Subwavelength Holes: Water-Wave Observation
Fudan University（复旦大学）；Donostia International Physics Center (DIPC)（圣塞巴斯蒂安国际物理中心）；IKERBASQUE, Basque Foundation for Science（伊克尔巴斯基克，巴斯克科学基金会）；RIKEN Center for Quantum Computing, RIKEN（理研量子计算中心，理研）；University of Michigan（密歇根大学）
研究通过亚波长孔和单束入射波生成可控的II型涡旋，揭示了相位结构和拓扑电荷的调控机制，为二维波系统中的亚波长涡旋工程提供新方法。
2026-04-29 physics.flu-dyn physics.optics
Mean-acoustic fields exerted on a subwavelength axisymmetric particle
超声波产生的声辐射力是声流体中粒子操纵的“主力”。非球形颗粒也受到称为声辐射扭矩的平均扭矩。它们一起构成了施加在粒子上的平均声场。单靠分析方法无法计算实际流体中任意形状粒子的这些场，也不再适用。在这里，一个半解析的方法被引入处理亚波长轴对称粒子浸没在各向同性牛顿流体。所得到的平均声场取决于散射系数，反映的双极和偶极模式。这些系数通过数值求解散射问题来确定。通过与水中亚波长刚性球的精确结果进行比较，我们的方法得到了基准。此外，一个更现实的情况下，浸在血浆中的红细胞在一个常设的超声波与我们的方法进行了研究。
2021-06-26 physics.class-ph physics.flu-dyn
Absorption characteristics of large acoustic metasurfaces
由亚波长谐振器阵列形成的超表面通常被调谐为与入射辐射“临界耦合”，使得在谐振时耗散和辐射阻尼平衡，并且吸收最大化。这样的设计标准通常是假设一个无限的超颖表面，而有限的超颖表面的吸收特性，即使是非常大的，可以在某些频率间隔显着不同。这是由于表面波的激发，固有的谐振超表面，特别是元谐振，即集体谐振，其中表面波在平面超表面域上形成驻波图案。我们使用亥姆霍兹型声学超颖表面的详细模型来说明这个问题，该超颖表面由嵌入刚性基底中的腔颈对形成，其中包括来自第一原理的几何和耗散效应（R. Brandão和O. Schnitzer，波动，97 102583，2020）。
2022-02-17 physics.app-ph physics.flu-dyn
Reservoir Computing with a Single Oscillating Gas Bubble: Emphasizing the Chaotic Regime
Artificial Intelligence and Cyber Futures Institute, Charles Sturt University（人工智能与网络未来研究所，查尔斯斯特大学）
本文提出并理论验证了一种基于液体中单个气泡的储备池计算系统，利用外部声压波编码输入并激发非线性动力学，证明气泡振荡的混沌机制在时间序列预测和分类任务中最为有效。
2025-03-25 cs.LG cs.NE nlin.CD
