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弱不禁风的小气泡,却拥有危及一座大坝的“超能力” | 白立新——科学讲坛

The following article is from 格致论道讲坛 Author 白立新

“空泡在变小的过程中,能量高度集中,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。”


白立新

中国科学院声学所副研究员


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。



看见声音


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,实但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。


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?


所以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。


并且,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



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泡泡的威力


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


下图是推进器的叶片。它边缘的“伤痕”,叫做蚀坑。这些蚀坑并不是化学腐蚀造成的,而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。下图是一个泄洪洞。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,所以这个洞是非常的大,这个蚀坑也非常的大


而这个蚀坑就是这些小泡泡的一个“杰作”。


但这些蚀坑为什么出现在这里呢?


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是小爆炸一样



我们来看看空泡长什么样子。首先是液体中的空泡。



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,大气泡会迅速的变小,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。


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泡泡的应用


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。



下面介绍一个超声碎石的例子,模拟超声碎石的过程。


如果球体表示人体内的一个结石,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”。


下面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。


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