弱不禁風的小氣泡，卻擁有危及一座大壩的“超能力”
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為中國科學院聲學所白立新演講實錄：
不知道大家聽這段音樂的時候，頭腦中浮現出了怎樣的畫面？
這段音樂取自專輯，名為
《聲音圖案》
，作曲家是想透過一種意象式的表達來實現聲音的圖案化。
我想大家聽音樂的時候，並不是每個人的頭腦中都浮現出了線條或者某種圖案，也有可能是傾向於某種情緒──比如說在音樂中聽出了神秘感。
看見聲音
其實，在我們這些研究聲音的人看來，聲音並不需要藉助這種意向或者想象力來實現其圖案化。
聲音本身就可以實現自我的圖案化
。
例如，我們將食鹽顆粒撒在鋁板上。食鹽顆粒在鋁板表面會形成一個很好玩的圖案——中心是個圓，外面也是個圓。
如果再把頻率調高，這些食鹽顆粒會發生移動，自己跑了！
我們繼續調高頻率，可以看到花紋還會變。這個圖案越來越複雜了，大概有一圈、兩圈、三圈、有四圈了。
這個圖案還會繼續變，因為
隨著頻率的提高，波長會變短
，有限範圍內它會出現更多的花紋，變得越來越複雜。這就是
真正的聲音圖案
。
我們聽到了聲音，也看到了聲音，實但際上在自然界中還有很多我們聽不到、感知不到的聲音。
比如說，
蝴蝶扇動翅膀的聲音
，蝴蝶每秒鐘扇動翅膀大概有5到6次，這個頻率太低，我們是聽不到的；
但是，我們能輕易地聽到蜜蜂扇動翅膀的嗡嗡聲，因為它大概
每秒鐘扇動翅膀幾百次
之多。
每秒鐘振動次數低於20次的聲波，我們稱之為
次聲波
。因為次聲波超出了我們的聽覺範圍，所以我們是聽不見的。
比如說大象，大象並不是我們看起來那麼沉默寡言，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。
每秒鐘振動次數高於兩萬次的聲波，我們稱之為
超聲波
，超聲波我們也是聽不見的。
在自然界中，除了我們所熟知的蝙蝠和海豚之外，還有一些其他的生物也能發出超聲波，比如老鼠、蚯蚓、蟈蟈、蛐蛐，它們都會發出超聲波。
我們人類當然也可以製造出產生超聲波的裝置，比如說
超聲波清洗機
是最簡單的一種。
超聲波清洗機的清洗槽的底部裝了一個換能器，換能器震動的時候會向液體中輻射出超聲波；
而輻射超聲波能迅速清洗掉玻璃片上難除的汙漬。同時，清洗機會發出滋滋的響聲。
那
超聲波為什麼會把汙漬清除乾淨？
它是如何清除的呢？超聲波我們不是聽不見嗎？那麼剛才這裡面為什麼發出滋滋的響聲？
所以我們需要先了解
超聲波在液體中傳播
過程中發生的物理效應。
超聲波在液體中傳播的時候，會使
推動流體發生流動
，這種宏觀流動稱之為“
聲流效應
”，頻率越高，流速越快，我們甚至可以用這種方式來製造超聲水泵。
並且，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，這種高速振動和剪下效應也是清洗的一部分，但並不是最主要的；
另外，還有一個就是“
熱效應
”，超聲波屬於一種機械能，它最終會耗散成熱能，也就是分子無規則運動；
最後，最重要的一個物理效應就是“
空化效應
”。
空化效應非常的特別，它是和液體中的一些小泡泡相關聯，所以
與其說我是研究聲學的，還不如說我是研究這些小泡泡的
。
泡泡的威力
剛才提到的超聲波清洗機清洗時發出的噪音，實際上就是這些小泡泡發出的。在正式介紹這種小泡泡之前，我們先來看一看這些小泡泡都做了什麼？
小泡泡能把輪船的推進器給打壞！
下圖是推進器的葉片。它邊緣的“傷痕”，叫做
蝕坑。
這些蝕坑並不是化學腐蝕造成的，而正是由這個小泡泡打出來的。
推進器位於輪船的尾部，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這個推進器。
如果你認為這些小泡泡只能幹這點壞事，那你還真小瞧它了！這些泡泡甚至能
危及一座大壩的安全
！
水壩要蓄水，但是水壩也要洩洪。下圖是一個洩洪洞。大家可以看到，洩洪洞前面有一個
巨大的蝕坑
。
大家注意那個白點──那是一個人，所以這個洞是非常的大，這個蝕坑也非常的大。
而這個蝕坑就是這些小泡泡的一個“傑作”。
但這些蝕坑為什麼出現在這裡呢？
在示意圖中可以看到，在洩洪洞反弧段的末端，水的流速突然發生了變化，產生了一個
低壓區，小泡泡就在這裡產生
，而蝕坑恰恰也是出現在這裡。
那麼，小泡泡是如何產生的，它為什麼有這麼大的威力呢？
超聲波在液體中傳播時，會產生壓力的變化，
高速流體脈動會有壓力的變化
。
當低壓來臨的時候，如果壓力低到一定的程度，它就會產生這些小泡泡；高壓來臨的時候，它就會變小。
在長大變小的過程中，它會產生變形，我們看一個週期內的情況，
變形之後產生了微射流，同時釋放出衝擊波
。
如果一個泡泡在壁面附近，由於動量的不平衡，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，我們稱之為
“潰滅”
，每一次潰滅就
相當於是小爆炸一樣
。
我們來看看空泡長什麼樣子。首先是液體中的空泡。
然後是是壁面附近的空泡。
這些空泡
像不像一個掃地機器人
？這些空泡貼附在壁面上不斷地遊走，每秒鐘幾萬次的衝擊壁面，不知疲倦地對壁面進行清掃。
打個比方，我的拳頭是個泡泡，它會貼附在壁面上。然後，立起來的時候它會貼附在壁面上，倒過來它也會貼附在壁面上，這是由於力的作用。
所以，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
。
由於空泡的體積變化非常大，大氣泡會迅速的變小，在變小的過程中，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
釋放出強烈的衝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，使常溫常壓下不能發生或者難以發生的化學反應得以發生。
泡泡的這種性質使得它們有許多的應用。
泡泡的應用
這是我繪製的一張空化樹：它的根部表示基礎研究；枝葉部分表示的是應用研究。
這些泡泡雖然很小，但是它
真的不簡單
。
它以流體力學、空泡動力學、傳熱傳質、成核理論為基礎，在各行各業形成了非常廣泛的應用，比如超聲清洗、聲化學、過程強化、摻混、破乳、乳化等等。
下面介紹一個超聲碎石的例子，
模擬超聲碎石
的過程。
如果球體表示人體內的一個結石，不需要開刀動手術把這個結石取出來，而是藉助這些
泡泡可以把結石給打碎
，這些泡泡看似柔弱，但實際上它的力量還是很大的。
在超聲場中，這些泡泡很少以單個的形式存在，它們都是
以叢集的形式出現。
這些泡泡在長大之後，它在脹縮的同時還會發生宏觀的移動，大量的泡泡相互作用形成空間上的分佈，我們稱之為“
空化結構
”。
下面這張圖顯示的就是我們實驗室拍攝的各種空化結構。
如果控制得當，我們可以讓這些小泡泡幹很多事情，可以讓這些小泡泡可
重複地沿著預設的線路輸運顆粒物
。
那些亮點實際上是一些玻璃碎屑，這些玻璃碎屑沿著預設的線路從一點移動到另一點。
我們甚至還可以讓它形成空化雲的字母：這些
小泡泡排布成字母IOA
，Institute of Acoustics就是中科院聲學所的首字母的縮寫。
研究這些泡泡久了，我自己也常常產生一種錯覺。
我會問自己，這些泡泡是活的嗎？它們有生命嗎？它們何以表現的？它們的行為
何以表現得如此協調和統一
？
沿著這個思路，我把這些泡泡當作一個整體進行研究，研究它們的宏觀穩定性、記憶效應、表面張力和膠體屬性等等。
這些泡泡實際上是沒有生命的，它們的行為只是
瞬間產生又瞬間潰滅的自組織行為
而已。
但是在我眼裡，
它們就是一群有生命的小精靈
，和它們交流已經成為我生命的一部分了。
“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網路資訊中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多資訊。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。
