一吹就破的小气泡，竟能打坏轮船，甚至危及大坝的安全 | 白立新
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2024-11-05 17:02
北京
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白立新 · 中国科学院声学研究所副研究员
格致论道第17期｜2017年5月23日 北京
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，在我们这些研究声音的人看来，声音并不需要借助这种意向或者想象力来实现其图案化。声音本身就可以实现自我的图案化。例如，我们将食盐颗粒撒在铝板上。食盐颗粒在铝板表面会形成一个很好玩的图案——中心是个圆，外面也是个圆。如果再把频率调高，这些食盐颗粒会发生移动，自己跑了！我们继续调高频率，可以看到花纹还会变。这个图案越来越复杂了，大概有一圈、两圈、三圈、有四圈了。这个图案还会继续变，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，变得越来越复杂。这就是真正的声音图案。我们听到了声音，也看到了声音，但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，因为它大概每秒钟扇动翅膀几百次之多。每秒钟振动次数低于20次的声波，我们称之为次声波。因为次声波超出了我们的听觉范围，所以我们是听不见的。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，超声波我们也是听不见的。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也能发出超声波，比如老鼠、蚯蚓、蝈蝈、蛐蛐，它们都会发出超声波。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就是最简单的一种。超声波清洗机的清洗槽的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。辐射超声波能迅速清洗掉玻璃片上难除的污渍，同时清洗机会发出滋滋的响声。那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？那这里面为什么会发出滋滋的响声？我们需要先了解超声波在液体中传播过程中发生的物理效应。超声波在液体中传播的时候，会使推动流体发生流动，这种宏观流动称之为“声流效应”，频率越高，流速越快，我们甚至可以用这种方式来制造超声水泵。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，它最终会耗散成热能，也就是分子无规则运动。最后，最重要的一个物理效应就是“空化效应”。空化效应非常的特别，它是和液体中的一些小泡泡相关联，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。刚才提到的超声波清洗机清洗时发出的噪音，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。
小泡泡能把轮船的推进器给打坏。这是推进器的叶片。它边缘的“伤痕”，叫做蚀坑。这些蚀坑并不是化学腐蚀造成的，正是由这个小泡泡打出来的。推进器位于轮船的尾部，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。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。水坝要蓄水，但是水坝也要泄洪。这是一个泄洪洞。大家可以看到，泄洪洞前面有一个巨大的蚀坑。大家注意那个白点——那是一个人，所以这个洞非常大，这个蚀坑也非常大。而这个蚀坑就是这些小泡泡的一个“杰作”。在示意图中可以看到，在泄洪洞反弧段的末端，水的流速突然发生了变化，产生了一个低压区，小泡泡就在这里产生，而蚀坑恰恰也是出现在这里。那么，小泡泡是如何产生的，它为什么有这么大的威力呢？
超声波在液体中传播时，会产生压力的变化，高速流体脉动会有压力的变化。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；高压来临的时候，它就会变小。在长大变小的过程中，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。如果一个泡泡在壁面附近，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”，每一次溃灭就相当于一次小爆炸一样。然后是是壁面附近的空泡。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。打个比方，我的拳头是个泡泡，它会贴附在壁面上。然后，立起来的时候它会贴附在壁面上，倒过来它也会贴附在壁面上，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。由于空泡的体积变化非常大，大气泡会迅速地变小，在变小的过程中，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，使常温常压下不能发生或者难以发生的化学反应得以发生。泡泡的这种性质使得它们有许多的应用。这是我绘制的一张空化树：它的根部表示基础研究；枝叶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。它以流体力学、空泡动力学、传热传质、成核理论为基础，在各行各业形成了非常广泛的应用，比如超声清洗、声化学、过程强化、掺混、破乳、乳化等等。如果球体表示人体内的一个结石，我们不需要开刀动手术把这个结石取出来，而是借助这些泡泡可以把结石给打碎。这些泡泡看似柔弱，但实际上它的力量还是很大的。在超声场中，这些泡泡很少以单个的形式存在，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，大量的泡泡相互作用形成空间上的分布，我们称之为“空化结构”。这张图显示的就是我们实验室拍摄的各种空化结构。如果控制得当，我们可以让这些小泡泡干很多事情，可以让这些小泡泡可重复地沿着预设的线路输运颗粒物。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：这些小泡泡排布成字母IOA，Institute of Acoustics，就是中科院声学所的首字母的缩写。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，研究它们的宏观稳定性、记忆效应、表面张力和胶体属性等等。这些泡泡实际上是没有生命的，它们的行为只是瞬间产生又瞬间溃灭的自组织行为而已。但是在我眼里，它们就是一群有生命的小精灵，和它们交流已经成为我生命的一部分了。- END -
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