出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：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。

---嘉宾介绍---

白立新

中国科学院声学所 副研究员

以下内容为白立新演讲实录：

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。我们再最后看一个。

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。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。

这是液体中的空泡(左)  这是壁面附近的空泡(右)

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！

“SELF格致论道”是中国科学院全力推出、中国科普博览承办的科学讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办。登陆“SELF格致论道”官方网站、关注微信公众号“SELF格致论道讲坛”、微博“SELF格致论道”获取更多信息。更多合作与SELF工作组[email protected]联系。