一个水泡的力量

　　来自SELF格致论道讲坛

　　你曾对眼镜店里的“超声波清洗机”感到好奇、疑惑吗？ 中科院声学所的白立新带大家发掘超声波在水中的生命！超声波将激起万千泡泡，在压力的抑扬顿挫下，成就一个瞬间产生又瞬间溃灭的力量世界。

　　白立新

　　中国科学院声学所副研究员

　　大家好！我们先来听一段音乐。不知道大家听这段音乐的时候，头脑中浮现出了怎样的画面？这段音乐取自专辑，名为《声音图案》，作曲家是想通过一种意象式的表达来实现声音的图案化。我想大家听音乐的时候，并不是每个人的头脑中都浮现出了线条或者是某种图案，也有可能是倾向于某种情绪──比如说在音乐中听出了神秘感。

　　其实在我们研究声音的人看来，并不需要借助这种意向或者是想象力来实现声音的图案化，声音本身就可以实现自我的图案化。下面我们就来看一下真正的声音图案。

　　这个是一罐普通的食盐颗粒，我要把它撒在这个铝板上看看能有什么变化？食盐颗粒在铝板表面上会形成一个很好玩的图案，大家可以想想这个原理是什么？大家看到了中心是个圆，外面也是个圆，这是一个非常简单的图案。

　　我们再把频率调高一下看一看。看！这些食盐颗粒它发生了移动！自己跑了！大家可以想想这是什么原理？我们继续调高频率看看花纹还会变──大家看这个图案越来越复杂了，大概有一圈、两圈、三圈、有四圈了。但是这个图案还会继续变的──因为随着频率的提高，波长会变短，有限范围内它会出现更多的花纹──看这个花纹变得越来越复杂。

　　我们听到了声音，也看到了声音，实际上在自然界中还有很多我们听不到、感知不到的声音──比如说蝴蝶扇动翅膀的声音，蝴蝶每秒钟扇动翅膀大概有5到6次，这个频率太低我们是听不到的；但是我们能轻易地听到蜜蜂扇动翅膀的嗡嗡声，因为它每秒钟扇动了翅膀大概有几百次之多。每秒钟振动次数低于20次的声波──我们称之为次声波──次声波超出了我们的听觉范围，我们是听不见的。比如说大象，大象并不是我们看起来那么沉默寡言，实际上大象挺爱说话的，只不过它是用次声波交流，我们听不见而已。

　　每秒钟振动次数高于两万次的声波，我们称之为超声波，超声波也是我们听不见的。在自然界中除了我们所熟知的蝙蝠和海豚之外，还有一些其他的生物能发出超声波，比如说老鼠、蚯蚓、蝈蝈、蛐蛐，它们都会发出超声波，那么我们人类当然也可以制造出产生超声波的装置，比如说超声波清洗机是最简单的一种。

　　我们来看一看这个，这是一个清洗槽，它在底部装了一个换能器，换能器震动的时候会向液体中辐射出超声波；这是一个涂有污渍的玻璃片，大家可以看一下上面的污渍还是很难清除掉的。

　　我们用辐射超声波试一下──干净了！那么有人会问超声波为什么会把污渍清除干净？它是如何清除的呢？超声波我们不是听不见吗？那么刚才这里面为什么发出滋滋的响声？

　　要回答这些问题我们就要先了解一下：超声波在液体中传播的时候所发生的物理效应，首先超声波在液体中传播的时候，会使推动流体发生流动，这种宏观流动，我们称之为“声流效应”──频率越高那么这种流速越快，我们甚至可以用这种方式来制造超声水泵。

　　其次超声波还可以使液体发生振动，每秒钟振动几万次甚至更高，这种高速振动和剪切效应也是清洗的一部分但并不是最主要的；另外还有一个就是“热效应”，超声波属于一种机械能，它最终会耗散成低品位的热能，也就是分子无规则运动；最后也是最重要的一个物理效应就是“空化效应”，我今天最想谈的就是空化效应。

　　空化效应它非常的特别，它是和液体中的一些小泡泡关联在一起的，所以与其说我是研究声学的，还不如说我是研究这些小泡泡的。刚才我们听到液体中发出的噪音，实际上就是这些小泡泡发出的，在正式介绍这种小泡泡之前，我们先来看一看这些小泡泡都做了什么？

　　这些小泡泡刚才我们看到把玻璃表面的污渍清除干净了，那么我们再看一下这些小泡泡对这艘轮船做了什么？把它这个推进器给打坏了！我们注意一下这个叶片：叶片边缘的那些破坏的痕迹，我们叫做蚀坑，这些蚀坑并不是化学腐蚀造成的，它就是由这个小泡泡打出来的，就是这些小泡泡的一个作品。

　　推进器是位于轮船的尾部，轮船行驶的过程中需要推进器高速的旋转，在叶片的背面和叶梢的部分就会有大量的这样的气泡，正是这些气泡打坏了这个推进器，那如果你认为这些小泡泡只能干这点坏事那你还真小瞧它了！这些泡泡甚至能危及一座大坝的安全！

　　这是一座水坝，水坝要蓄水但是水坝也要泄洪，这是一个泄洪洞，大家看泄洪洞前面有一个巨大的一个蚀坑，我们把镜头拉远一点大家注意那个白点──那是一个人，所以这个洞是非常的大，这个蚀坑也非常的大，这个蚀坑就是这些小泡泡的一个杰作。

　　这些蚀坑为什么出现在这里呢？这个是一个示意图──在这个泄洪洞反弧段的末端，这个位置上它的流速发生了突然的变化，产生了一个低压区，小泡泡就在这里产生，而石坑恰恰也是出现在这里。

　　那么小泡泡是如何产生的、它又是如何有这么大的威力呢？我们知道超声波在液体中传播的时候，它会产生压力的变化──高速流体脉动也会有压力的变化，当低压来临的时候如果压力低到一定的程度，它就会产生这些小泡泡；然后高压来临的时候它就变小，它长大变小的过程中它会产生变形，我们看一个周期内的情况──变形之后产生了微射流，同时释放出冲击波。

　　如果一个泡炮在壁面的附近，由于动量的不平衡，在这个泡泡的顶部就会产生变形凹陷，同时形成一个穿透液体内部的一个高速射流打在壁面上。这个泡泡变小的过程实际上是非常快的，我们称之为“溃灭”，英文叫做collapse,每一次collapse就相当于是小爆炸一样。

　　我们来看看空泡长什么样子：这是液体中的空泡；这个是壁面附近的空泡，大家看这些空泡像不像一个扫地机器人？这些空泡贴附在壁面上不断地游走，每秒钟几万次的冲击壁面，不知疲倦地对壁面进行清扫。

　　这是液体中的空泡(左)  这是壁面附近的空泡(右)

　　实际上如果打个比方来说，我这个拳头是个泡泡，这个是壁面的话，它会这样贴附在壁面上，然后立起来的时候它一样会贴附在壁面上，倒过来它一样贴附在壁面上，这是由于力的作用。

　　所以这些泡泡会对浸在液体中的各个方向的壁面进行高效的清洗，由于这个空泡的体积变化非常大，大的时候如果是这样的话，它会迅速的变小，在这个变小的过程中能量高度的集中，在空泡的内部，会形成几千摄氏度的高温和几千个大气压的压力，同时释放出强烈的冲击波和高速的微射流──这种极端的物理环境，就使得这些泡泡如同一个个化学反应器，使得常温常压下不能发生或者难以发生的化学反应得以发生，而泡泡的这种性质就使得这些泡泡有许多的应用。

　　这是我绘制的一张空化树：它的根部表示基础研究；它的枝叶的部分表示的是应用研究，这些泡泡虽然很小，但是它真的不简单──它是以流体力学、空泡动力学、传热传质、成核理论为基础的，在各行各业形成了非常广泛的应用。比如说超声清洗、声化学、过程强化、掺混、破乳、乳化……等等。

　　下面我就以一个超声碎石作为例子，这是一个模拟超声碎石的过程，如果那个球体表示人体内的一个结石的话，看看这个不需要开刀动手术把这个结石取出来，借助这些泡泡可以把这个结石给打碎，这些泡泡看似柔弱但实际上它的力量还是很大的。如果打个比方的话，这些泡泡就像气球一样，随波逐流弱不禁风但同时它也像铅球一样掷地有声。

　　在超声场中这些泡泡很少是以孤立的形式存在的，它们都是以集群的形式出现，这些泡泡在长大之后，它在胀缩的同时还会发生宏观的移动，大量这样的泡泡相互作用就形成了空间的分布，我们称之为“空化结构”。

　　下面这张图里面显示的就是我们实验室拍摄的各种的空化结构，如果控制得当，我们可以让这些小泡泡干很多事情，我们可以让这些小泡泡可重复地沿着预设的线路输运颗粒物，大家看那些亮点实际上是一些玻璃碎屑，这些玻璃碎屑沿着预设的线路从一点移动到另一点，我们甚至还可以让它形成空化云的字母：这些小泡泡排布成一个字母IOA，Institute ofAcoustics就是中科院声学所的首字母的缩写。在屏幕上显示的就是空化云，这些空化云就是由数不清的泡泡组成的。

　　研究这些泡泡久了，我自己也常常产生一种错觉──我会问自己这些泡泡是活的吗？它们有生命吗？它们何以表现的？它们的行为何以表现得如此协调和统一？沿着这个思路我把这些泡泡当作一个整体进行研究，研究了它们的宏观稳定性、它们的记忆效应，然后它们的表面张力和胶体属性等等。实际上这些泡泡是没有生命的，它们的行为只是瞬间产生又瞬间溃灭的泡泡的自组织行为而已。但是在我眼里它们就是一群有生命的小精灵，和它们的交流已经成为我生命的一部分了。谢谢大家！