導語：你曾對眼鏡店(diàn)裏的“超聲波清洗機”感到好(hǎo)(hǎo)奇、疑惑嗎(ma)？在SELF講壇上(shàng)，中科院聲學所的白立新(xīn)帶大家深入發掘這(zhè)聽(tīng)不見的超聲波在水中的生(shēng)命──激蕩出萬千的泡泡，在壓力的抑揚頓挫下(xià)，所成就(jiù)的一(yī)個(gè)瞬間(jiān)産生(shēng)又瞬間(jiān)潰滅的力量世界。

---嘉賓介紹---

白立新(xīn)

中國科學院聲學所副研究員(yuán)

以下(xià)内容由白立新(xīn)演講精編而成：

“看見”聲音(yīn)

白立新(xīn)首先播放(fàng)了(le)一(yī)段名為(wèi)“聲音(yīn)圖案”的音(yīn)樂(yuè)，進一(yī)步帶大家思考：聽(tīng)音(yīn)樂(yuè)的時(shí)候，并不是每個(gè)人(rén)的頭腦中都浮現(xiàn)出線條或某種圖案，也(yě)有可能(néng)是傾向于某種情緒──比如(rú)在音(yīn)樂(yuè)中聽(tīng)出了(le)神秘感──其實聲音(yīn)本身(shēn)就(jiù)可以實現(xiàn)自我的圖案化(huà)。他把食鹽顆粒撒在鋁闆表面上(shàng)，然後放(fàng)出聲音(yīn)，食鹽會形成圖案──中心是個(gè)圓，外面也(yě)是個(gè)圓，再把頻率調高一(yī)下(xià)看這(zhè)些(xiē)食鹽顆粒發生(shēng)了(le)移動，繼續調高頻率看看花紋越來(lái)越複雜──因為(wèi)随着頻率的提高，波長會變短，有限範圍内它會出現(xiàn)更多的花紋。

随着頻率的增加，食鹽花紋變得越來(lái)越複雜

自然中有很多我們聽(tīng)不到的聲音(yīn)！

每秒(miǎo)鍾振動次數低(dī)于20次的聲波──我們稱之為(wèi)次聲波──超出了(le)我們的聽(tīng)覺範圍，我們是聽(tīng)不見的。比如(rú)實際上(shàng)大象挺愛說(shuō)話(huà)的，隻不過它是用次聲波交流，我們聽(tīng)不見而已。每秒(miǎo)鍾振動次數高于兩萬次的聲波──我們稱之為(wèi)超聲波──也(yě)是我們聽(tīng)不見的。

超聲波，大作(zuò)用

記得到眼鏡行清洗鏡片時(shí)，一(yī)陣嗡嗡作(zuò)響後戴上(shàng)眼鏡重新(xīn)擁有清明的視(shì)線嗎(ma)？有人(rén)會問超聲波為(wèi)什(shén)麽能(néng)把污漬清除幹淨？超聲波不是聽(tīng)不見嗎(ma)，那麽為(wèi)什(shén)麽發出滋滋的響聲？要回答(dá)這(zhè)些(xiē)問題我們就(jiù)要先了(le)解一(yī)下(xià)超聲波在液體(tǐ)中傳播的時(shí)候所發生(shēng)的物理(lǐ)效應：

首先是“聲流效應”──超聲波在液體(tǐ)中傳播的時(shí)候，會使推動流體(tǐ)發生(shēng)流動──頻率越高則流速越快(kuài)，我們可以用這(zhè)種方式來(lái)制造超聲水泵。其次超聲波還可以使液體(tǐ)發生(shēng)振動，每秒(miǎo)鍾振動幾萬次甚至更高，這(zhè)種高速振動和“剪切效應”也(yě)是清洗的一(yī)部分(fēn)。還有“熱效應”──超聲波屬于一(yī)種機械能(néng)，最終會耗散成低(dī)品位的熱能(néng)，就(jiù)是分(fēn)子(zǐ)的無規則運動。

最重要的“空化(huà)效應”

超聲波在水中産生(shēng)了(le)無數泡泡，而和這(zhè)些(xiē)泡泡密切相關(guān)的一(yī)個(gè)作(zuò)用叫“空化(huà)效應”。清洗眼鏡時(shí)，我們聽(tīng)到機器(qì)中的液體(tǐ)發出的噪音(yīn)，實際上(shàng)就(jiù)是這(zhè)些(xiē)小泡泡發出的，也(yě)是泡泡的作(zuò)用才使得鏡面的污漬被清除幹淨。

再看這(zhè)些(xiē)小泡泡能(néng)對一(yī)艘輪船做了(le)什(shén)麽？能(néng)把輪船的推進器(qì)給打壞！葉片邊緣破壞的痕迹叫做蝕坑，這(zhè)些(xiē)蝕坑并不是化(huà)學腐蝕造成的，它是由這(zhè)些(xiē)小泡泡打出來(lái)的。推進器(qì)是位于輪船的尾部，輪船行駛的過程中需要推進器(qì)高速的旋轉，在葉片的背面和葉梢的部分(fēn)就(jiù)會有大量的這(zhè)樣的氣泡，正是這(zhè)些(xiē)氣泡打壞了(le)推進器(qì)。

你認為(wèi)這(zhè)些(xiē)小泡泡隻能(néng)幹這(zhè)點壞事(shì)？！

那你還真小瞧它了(le)！這(zhè)些(xiē)泡泡甚至能(néng)危及一(yī)座大壩的安全！

這(zhè)是一(yī)個(gè)洩洪洞，大家看洩洪洞前面有一(yī)個(gè)巨大的一(yī)個(gè)蝕坑。注意那個(gè)白點──那是一(yī)個(gè)人(rén)，所以這(zhè)個(gè)洞和蝕坑實際尺度是非常的大，也(yě)是小泡泡造成的。

在洩洪洞反弧段的末端，流速發生(shēng)突然的變化(huà)而産生(shēng)一(yī)個(gè)低(dī)壓區，小泡泡就(jiù)在這(zhè)裏産生(shēng)。那小泡泡是如(rú)何有這(zhè)麽大的威力呢(ne)？我們知道超聲波在液體(tǐ)中傳播的時(shí)候，會産生(shēng)壓力的變化(huà)──如(rú)果壓力低(dī)到一(yī)定的程度，它就(jiù)會産生(shēng)這(zhè)些(xiē)小泡泡，然後高壓來(lái)臨的時(shí)候泡泡就(jiù)變小，過程中它會産生(shēng)變形。

泡泡一(yī)個(gè)周期内的情況

變形之後産生(shēng)了(le)微射流，同時(shí)釋放(fàng)出沖擊波。由于動量的不平衡，在這(zhè)個(gè)泡泡的頂部就(jiù)會産生(shēng)變形凹陷，同時(shí)形成一(yī)個(gè)穿透液體(tǐ)内部的一(yī)個(gè)高速射流打在壁面上(shàng)。這(zhè)個(gè)泡泡變小的過程實際上(shàng)是非常快(kuài)的，稱之為(wèi)“潰滅”，英文叫collapse,每一(yī)次collapse就(jiù)相當于是小爆炸一(yī)樣。

泡泡實際上(shàng)的應用在什(shén)麽地方？

這(zhè)些(xiē)泡泡會對浸在液體(tǐ)中的各個(gè)方向的壁面進行高效的清洗，由于空泡的體(tǐ)積變化(huà)非常大，在這(zhè)個(gè)變小的過程中能(néng)量高度的集中，在空泡的内部，會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(fàng)出強烈的沖擊波和高速的微射流──這(zhè)種極端的物理(lǐ)環境，就(jiù)使得這(zhè)些(xiē)泡泡如(rú)同一(yī)個(gè)個(gè)化(huà)學反應器(qì)，使得常溫常壓下(xià)不能(néng)發生(shēng)或者難以發生(shēng)的化(huà)學反應得以發生(shēng)。

這(zhè)是液體(tǐ)中的空泡(左) 這(zhè)個(gè)是壁面附近的空泡(右)

（這(zhè)些(xiē)空泡貼附在壁面上(shàng)不斷地遊走，每秒(miǎo)鍾幾萬次的沖擊壁面，不知疲倦地對壁面進行清掃）

這(zhè)是白立新(xīn)繪制的一(yī)張空化(huà)樹：根部表示基礎研究；枝葉表示應用研究。泡泡是以流體(tǐ)力學、空泡動力學、傳熱傳質、成核理(lǐ)論為(wèi)基礎的，在各行各業形成了(le)非常廣泛的應用。比如(rú)說(shuō)超聲清洗、聲化(huà)學、過程強化(huà)、摻混、破乳、乳化(huà)……等等。

以超聲碎石為(wèi)例

那個(gè)球體(tǐ)表示人(rén)體(tǐ)内的一(yī)個(gè)結石，借助這(zhè)些(xiē)泡泡可以把結石給打碎，而不需要開刀。

這(zhè)些(xiē)泡泡就(jiù)像氣球，随波逐流、弱不禁風(fēng)但(dàn)也(yě)像鉛球一(yī)樣擲地有聲

在超聲場(chǎng)中這(zhè)些(xiē)泡泡都是以集群的形式出現(xiàn)，它在脹縮的同時(shí)發生(shēng)宏觀的移動，大量的泡泡相互作(zuò)用就(jiù)形成了(le)空間(jiān)的分(fēn)布，稱之為(wèi)“空化(huà)結構”。空化(huà)結構若控制得當，可以讓這(zhè)些(xiē)小泡泡重複地沿着預設的線路(lù)輸運顆粒物；還可以讓它形成空化(huà)雲的字母。

（IOA，Institute of Acoustics是中科院聲學所的首字母的縮寫。這(zhè)些(xiē)空化(huà)雲就(jiù)是由數不清的泡泡組成的。）

研究這(zhè)些(xiē)泡泡久了(le)，白立新(xīn)說(shuō)自己也(yě)常常産生(shēng)一(yī)種錯覺──他會問自己這(zhè)些(xiē)泡泡是活的嗎(ma)？它們的行為(wèi)何以表現(xiàn)得如(rú)此協調和統一(yī)？他把這(zhè)些(xiē)泡泡當作(zuò)一(yī)個(gè)整體(tǐ)，研究了(le)它們的宏觀穩定性、記憶效應、表面張力和膠體(tǐ)屬性……實際上(shàng)這(zhè)些(xiē)泡泡是沒有生(shēng)命的，它們的行為(wèi)隻是瞬間(jiān)産生(shēng)又瞬間(jiān)潰滅的自組織行為(wèi)而已。但(dàn)是在白立新(xīn)眼裏它們就(jiù)是一(yī)群有生(shēng)命的小精靈，和它們的交流是他生(shēng)命的一(yī)部分(fēn)！