導語：你曾對眼鏡店里的“超聲波清洗機”感到好奇、疑惑嗎？在SELF講壇上，中科院聲學所的白立新帶大家深入發掘這聽不見的超聲波在水中的生命──激蕩出萬千的泡泡，在壓力的抑揚頓挫下，所成就的一個瞬間產生又瞬間潰滅的力量世界。

---嘉賓介紹---

白立新

中國科學院聲學所副研究員

以下內容由白立新演講精編而成：

“看見”聲音

白立新首先播放了一段名為“聲音圖案”的音樂，進一步帶大家思考：聽音樂的時候，并不是每個人的頭腦中都浮現出線條或某種圖案，也有可能是傾向于某種情緒──比如在音樂中聽出了神秘感──其實聲音本身就可以實現自我的圖案化。他把食鹽顆粒撒在鋁板表面上，然后放出聲音，食鹽會形成圖案──中心是個圓，外面也是個圓，再把頻率調高一下看這些食鹽顆粒發生了移動，繼續調高頻率看看花紋越來越復雜──因為隨著頻率的提高，波長會變短，有限范圍內它會出現更多的花紋。

隨著頻率的增加，食鹽花紋變得越來越復雜

自然中有很多我們聽不到的聲音！

每秒鐘振動次數低于20次的聲波──我們稱之為次聲波──超出了我們的聽覺范圍，我們是聽不見的。比如實際上大象挺愛說話的，只不過它是用次聲波交流，我們聽不見而已。每秒鐘振動次數高于兩萬次的聲波──我們稱之為超聲波──也是我們聽不見的。

超聲波，大作用

記得到眼鏡行清洗鏡片時，一陣嗡嗡作響后戴上眼鏡重新擁有清明的視線嗎？有人會問超聲波為什么能把污漬清除干凈？超聲波不是聽不見嗎，那么為什么發出滋滋的響聲？要回答這些問題我們就要先了解一下超聲波在液體中傳播的時候所發生的物理效應：

首先是“聲流效應”──超聲波在液體中傳播的時候，會使推動流體發生流動──頻率越高則流速越快，我們可以用這種方式來制造超聲水泵。其次超聲波還可以使液體發生振動，每秒鐘振動幾萬次甚至更高，這種高速振動和“剪切效應”也是清洗的一部分。還有“熱效應”──超聲波屬于一種機械能，最終會耗散成低品位的熱能，就是分子的無規則運動。

最重要的“空化效應”

超聲波在水中產生了無數泡泡，而和這些泡泡密切相關的一個作用叫“空化效應”。清洗眼鏡時，我們聽到機器中的液體發出的噪音，實際上就是這些小泡泡發出的，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一艘輪船做了什么？能把輪船的推進器給打壞！葉片邊緣破壞的痕跡叫做蝕坑，這些蝕坑并不是化學腐蝕造成的，它是由這些小泡泡打出來的。推進器是位于輪船的尾部，輪船行駛的過程中需要推進器高速的旋轉，在葉片的背面和葉梢的部分就會有大量的這樣的氣泡，正是這些氣泡打壞了推進器。

你認為這些小泡泡只能干這點壞事？！

那你還真小瞧它了！這些泡泡甚至能危及一座大壩的安全！

這是一個泄洪洞，大家看泄洪洞前面有一個巨大的一個蝕坑。注意那個白點──那是一個人，所以這個洞和蝕坑實際尺度是非常的大，也是小泡泡造成的。

在泄洪洞反弧段的末端，流速發生突然的變化而產生一個低壓區，小泡泡就在這里產生。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候，會產生壓力的變化──如果壓力低到一定的程度，它就會產生這些小泡泡，然后高壓來臨的時候泡泡就變小，過程中它會產生變形。

泡泡一個周期內的情況

變形之后產生了微射流，同時釋放出沖擊波。由于動量的不平衡，在這個泡泡的頂部就會產生變形凹陷，同時形成一個穿透液體內部的一個高速射流打在壁面上。這個泡泡變小的過程實際上是非常快的，稱之為“潰滅”，英文叫collapse,每一次collapse就相當于是小爆炸一樣。

泡泡實際上的應用在什么地方？

這些泡泡會對浸在液體中的各個方向的壁面進行高效的清洗，由于空泡的體積變化非常大，在這個變小的過程中能量高度的集中，在空泡的內部，會形成幾千攝氏度的高溫和幾千個大氣壓的壓力，同時釋放出強烈的沖擊波和高速的微射流──這種極端的物理環境，就使得這些泡泡如同一個個化學反應器，使得常溫常壓下不能發生或者難以發生的化學反應得以發生。

這是液體中的空泡(左) 這個是壁面附近的空泡(右)

（這些空泡貼附在壁面上不斷地游走，每秒鐘幾萬次的沖擊壁面，不知疲倦地對壁面進行清掃）

這是白立新繪制的一張空化樹：根部表示基礎研究；枝葉表示應用研究。泡泡是以流體力學、空泡動力學、傳熱傳質、成核理論為基礎的，在各行各業形成了非常廣泛的應用。比如說超聲清洗、聲化學、過程強化、摻混、破乳、乳化……等等。

以超聲碎石為例

那個球體表示人體內的一個結石，借助這些泡泡可以把結石給打碎，而不需要開刀。

這些泡泡就像氣球，隨波逐流、弱不禁風但也像鉛球一樣擲地有聲

在超聲場中這些泡泡都是以集群的形式出現，它在脹縮的同時發生宏觀的移動，大量的泡泡相互作用就形成了空間的分布，稱之為“空化結構”。空化結構若控制得當，可以讓這些小泡泡重復地沿著預設的線路輸運顆粒物；還可以讓它形成空化云的字母。

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

研究這些泡泡久了，白立新說自己也常常產生一種錯覺──他會問自己這些泡泡是活的嗎？它們的行為何以表現得如此協調和統一？他把這些泡泡當作一個整體，研究了它們的宏觀穩定性、記憶效應、表面張力和膠體屬性……實際上這些泡泡是沒有生命的，它們的行為只是瞬間產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！