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破坏舰艇、大坝的居然是一群小泡泡?
来源: 日期:2019-5-31 14:48:11 浏览次数:18

导语:你曾对眼镜店里的“超声波清洗机”感到好奇、疑惑吗?在SELF讲坛上,中科院声学所的白立新带大家深入发掘这听不见的超声波在水中的生命──激荡出万千的泡泡,在压力的抑扬顿挫下,所成就的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

以下内容由白立新演讲精编而成:

“看见”声音

白立新首先播放了一段名为“声音图案”的音乐,进一步带大家思考:听音乐的时候,并不是每个人的头脑中都浮现出线条或某种图案,也有可能是倾向于某种情绪──比如在音乐中听出了神秘感──其实声音本身就可以实现自我的图案化。他把食盐颗粒撒在铝板表面上,然后放出声音,食盐会形成图案──中心是个圆,外面也是个圆,再把频率调高一下看这些食盐颗粒发生了移动,继续调高频率看看花纹越来越复杂──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。



随着频率的增加,食盐花纹变得越来越复杂

自然中有很多我们听不到的声音!

每秒钟振动次数低于20次的声波──我们称之为次声波──超出了我们的听觉范围,我们是听不见的。比如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──也是我们听不见的。

超声波,大作用

记得到眼镜行清洗镜片时,一阵嗡嗡作响后戴上眼镜重新拥有清明的视线吗?有人会问超声波为什么能把污渍清除干净?超声波不是听不见吗,那么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:



首先是“声流效应”──超声波在液体中传播的时候,会使推动流体发生流动──频率越高则流速越快,我们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。还有“热效应”──超声波属于一种机械能,最终会耗散成低品位的热能,就是分子的无规则运动。

最重要的“空化效应”

超声波在水中产生了无数泡泡,而和这些泡泡密切相关的一个作用叫“空化效应”。清洗眼镜时,我们听到机器中的液体发出的噪音,实际上就是这些小泡泡发出的,也是泡泡的作用才使得镜面的污渍被清除干净。



再看这些小泡泡能对一艘轮船做了什么?能把轮船的推进器给打坏!叶片边缘破坏的痕迹叫做蚀坑,这些蚀坑并不是化学腐蚀造成的,它是由这些小泡泡打出来的。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推进器。

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!



这是一个泄洪洞,大家看泄洪洞前面有一个巨大的一个蚀坑。注意那个白点──那是一个人,所以这个洞和蚀坑实际尺度是非常的大,也是小泡泡造成的。



在泄洪洞反弧段的末端,流速发生突然的变化而产生一个低压区,小泡泡就在这里产生。那小泡泡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,会产生压力的变化──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泡泡就变小,过程中它会产生变形。

泡泡一个周期内的情况





变形之后产生了微射流,同时释放出冲击波。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,称之为“溃灭”,英文叫collapse,每一次collapse就相当于是小爆炸一样。

泡泡实际上的应用在什么地方?

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,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。



这是液体中的空泡(左) 这个是壁面附近的空泡(右)

(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)



这是白立新绘制的一张空化树:根部表示基础研究;枝叶表示应用研究。泡泡是以流体力学、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。

以超声碎石为例



那个球体表示人体内的一个结石,借助这些泡泡可以把结石给打碎,而不需要开刀。

这些泡泡就像气球,随波逐流、弱不禁风但也像铅球一样掷地有声

在超声场中这些泡泡都是以集群的形式出现,它在胀缩的同时发生宏观的移动,大量的泡泡相互作用就形成了空间的分布,称之为“空化结构”。空化结构若控制得当,可以让这些小泡泡重复地沿着预设的线路输运颗粒物;还可以让它形成空化云的字母。



(IOA,Institute of Acoustics是中科院声学所的首字母的缩写。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,白立新说自己也常常产生一种错觉──他会问自己这些泡泡是活的吗?它们的行为何以表现得如此协调和统一?他把这些泡泡当作一个整体,研究了它们的宏观稳定性、记忆效应、表面张力和胶体属性……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自组织行为而已。但是在白立新眼里它们就是一群有生命的小精灵,和它们的交流是他生命的一部分!


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