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導(dǎo)語(yǔ)：你曾對(duì)眼鏡店里的“超聲波清洗機(jī)”感到好奇、疑惑嗎？在SELF講壇上，中科院聲學(xué)所的白立新帶大家深入發(fā)掘這聽(tīng)不見(jiàn)的超聲波在水中的生命──激蕩出萬(wàn)千的泡泡，在壓力的抑揚(yáng)頓挫下，所成就的一個(gè)瞬間產(chǎn)生又瞬間潰滅的力量世界。

---嘉賓介紹---

白立新

中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所副研究員

以下內(nèi)容由白立新演講精編而成：

“看見(jiàn)”聲音

白立新首先播放了一段名為“聲音圖案”的音樂(lè)，進(jìn)一步帶大家思考：聽(tīng)音樂(lè)的時(shí)候，并不是每個(gè)人的頭腦中都浮現(xiàn)出線條或某種圖案，也有可能是傾向于某種情緒──比如在音樂(lè)中聽(tīng)出了神秘感──其實(shí)聲音本身就可以實(shí)現(xiàn)自我的圖案化。他把食鹽顆粒撒在鋁板表面上，然后放出聲音，食鹽會(huì)形成圖案──中心是個(gè)圓，外面也是個(gè)圓，再把頻率調(diào)高一下看這些食鹽顆粒發(fā)生了移動(dòng)，繼續(xù)調(diào)高頻率看看花紋越來(lái)越復(fù)雜──因?yàn)殡S著頻率的提高，波長(zhǎng)會(huì)變短，有限范圍內(nèi)它會(huì)出現(xiàn)更多的花紋。

隨著頻率的增加，食鹽花紋變得越來(lái)越復(fù)雜

自然中有很多我們聽(tīng)不到的聲音！

每秒鐘振動(dòng)次數(shù)低于20次的聲波──我們稱之為次聲波──超出了我們的聽(tīng)覺(jué)范圍，我們是聽(tīng)不見(jiàn)的。比如實(shí)際上大象挺愛(ài)說(shuō)話的，只不過(guò)它是用次聲波交流，我們聽(tīng)不見(jiàn)而已。每秒鐘振動(dòng)次數(shù)高于兩萬(wàn)次的聲波──我們稱之為超聲波──也是我們聽(tīng)不見(jiàn)的。

超聲波，大作用

記得到眼鏡行清洗鏡片時(shí)，一陣嗡嗡作響后戴上眼鏡重新?lián)碛星迕鞯囊暰€嗎？有人會(huì)問(wèn)超聲波為什么能把污漬清除干凈？超聲波不是聽(tīng)不見(jiàn)嗎，那么為什么發(fā)出滋滋的響聲？要回答這些問(wèn)題我們就要先了解一下超聲波在液體中傳播的時(shí)候所發(fā)生的物理效應(yīng)：

首先是“聲流效應(yīng)”──超聲波在液體中傳播的時(shí)候，會(huì)使推動(dòng)流體發(fā)生流動(dòng)──頻率越高則流速越快，我們可以用這種方式來(lái)制造超聲水泵。其次超聲波還可以使液體發(fā)生振動(dòng)，每秒鐘振動(dòng)幾萬(wàn)次甚至更高，這種高速振動(dòng)和“剪切效應(yīng)”也是清洗的一部分。還有“熱效應(yīng)”──超聲波屬于一種機(jī)械能，最終會(huì)耗散成低品位的熱能，就是分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

最重要的“空化效應(yīng)”

超聲波在水中產(chǎn)生了無(wú)數(shù)泡泡，而和這些泡泡密切相關(guān)的一個(gè)作用叫“空化效應(yīng)”。清洗眼鏡時(shí)，我們聽(tīng)到機(jī)器中的液體發(fā)出的噪音，實(shí)際上就是這些小泡泡發(fā)出的，也是泡泡的作用才使得鏡面的污漬被清除干凈。

再看這些小泡泡能對(duì)一艘輪船做了什么？能把輪船的推進(jìn)器給打壞！葉片邊緣破壞的痕跡叫做蝕坑，這些蝕坑并不是化學(xué)腐蝕造成的，它是由這些小泡泡打出來(lái)的。推進(jìn)器是位于輪船的尾部，輪船行駛的過(guò)程中需要推進(jìn)器高速的旋轉(zhuǎn)，在葉片的背面和葉梢的部分就會(huì)有大量的這樣的氣泡，正是這些氣泡打壞了推進(jìn)器。

你認(rèn)為這些小泡泡只能干這點(diǎn)壞事？！

那你還真小瞧它了！這些泡泡甚至能危及一座大壩的安全！

這是一個(gè)泄洪洞，大家看泄洪洞前面有一個(gè)巨大的一個(gè)蝕坑。注意那個(gè)白點(diǎn)──那是一個(gè)人，所以這個(gè)洞和蝕坑實(shí)際尺度是非常的大，也是小泡泡造成的。

在泄洪洞反弧段的末端，流速發(fā)生突然的變化而產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)，小泡泡就在這里產(chǎn)生。那小泡泡是如何有這么大的威力呢？我們知道超聲波在液體中傳播的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生壓力的變化──如果壓力低到一定的程度，它就會(huì)產(chǎn)生這些小泡泡，然后高壓來(lái)臨的時(shí)候泡泡就變小，過(guò)程中它會(huì)產(chǎn)生變形。

泡泡一個(gè)周期內(nèi)的情況

變形之后產(chǎn)生了微射流，同時(shí)釋放出沖擊波。由于動(dòng)量的不平衡，在這個(gè)泡泡的頂部就會(huì)產(chǎn)生變形凹陷，同時(shí)形成一個(gè)穿透液體內(nèi)部的一個(gè)高速射流打在壁面上。這個(gè)泡泡變小的過(guò)程實(shí)際上是非常快的，稱之為“潰滅”，英文叫collapse,每一次collapse就相當(dāng)于是小爆炸一樣。

泡泡實(shí)際上的應(yīng)用在什么地方？

這些泡泡會(huì)對(duì)浸在液體中的各個(gè)方向的壁面進(jìn)行高效的清洗，由于空泡的體積變化非常大，在這個(gè)變小的過(guò)程中能量高度的集中，在空泡的內(nèi)部，會(huì)形成幾千攝氏度的高溫和幾千個(gè)大氣壓的壓力，同時(shí)釋放出強(qiáng)烈的沖擊波和高速的微射流──這種極端的物理環(huán)境，就使得這些泡泡如同一個(gè)個(gè)化學(xué)反應(yīng)器，使得常溫常壓下不能發(fā)生或者難以發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)得以發(fā)生。

這是液體中的空泡(左) 這個(gè)是壁面附近的空泡(右)

（這些空泡貼附在壁面上不斷地游走，每秒鐘幾萬(wàn)次的沖擊壁面，不知疲倦地對(duì)壁面進(jìn)行清掃）

這是白立新繪制的一張空化樹(shù)：根部表示基礎(chǔ)研究；枝葉表示應(yīng)用研究。泡泡是以流體力學(xué)、空泡動(dòng)力學(xué)、傳熱傳質(zhì)、成核理論為基礎(chǔ)的，在各行各業(yè)形成了非常廣泛的應(yīng)用。比如說(shuō)超聲清洗、聲化學(xué)、過(guò)程強(qiáng)化、摻混、破乳、乳化……等等。

以超聲碎石為例

那個(gè)球體表示人體內(nèi)的一個(gè)結(jié)石，借助這些泡泡可以把結(jié)石給打碎，而不需要開(kāi)刀。

這些泡泡就像氣球，隨波逐流、弱不禁風(fēng)但也像鉛球一樣擲地有聲

在超聲場(chǎng)中這些泡泡都是以集群的形式出現(xiàn)，它在脹縮的同時(shí)發(fā)生宏觀的移動(dòng)，大量的泡泡相互作用就形成了空間的分布，稱之為“空化結(jié)構(gòu)”?？栈Y(jié)構(gòu)若控制得當(dāng)，可以讓這些小泡泡重復(fù)地沿著預(yù)設(shè)的線路輸運(yùn)顆粒物；還可以讓它形成空化云的字母。

（IOA，Institute of Acoustics是中科院聲學(xué)所的首字母的縮寫。這些空化云就是由數(shù)不清的泡泡組成的。）

研究這些泡泡久了，白立新說(shuō)自己也常常產(chǎn)生一種錯(cuò)覺(jué)──他會(huì)問(wèn)自己這些泡泡是活的嗎？它們的行為何以表現(xiàn)得如此協(xié)調(diào)和統(tǒng)一？他把這些泡泡當(dāng)作一個(gè)整體，研究了它們的宏觀穩(wěn)定性、記憶效應(yīng)、表面張力和膠體屬性……實(shí)際上這些泡泡是沒(méi)有生命的，它們的行為只是瞬間產(chǎn)生又瞬間潰滅的自組織行為而已。但是在白立新眼里它們就是一群有生命的小精靈，和它們的交流是他生命的一部分！