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676 2018 年 9 月

在1964年，汪承灏院士等 [6] 就开展了瞬态单一空化
1 引言
泡的研究。改革开放之后，刹管法空化泡脉动和发
声波的传播导致媒质内部物质振动，形成密 光一直是应崇福院士等 [7] 感兴趣的研究课题之一。
1995年，稳态声致发光成了魏荣爵院士课题组 [8] 的
度、压力起伏。足够强的声波进入液体后，在声波
稀疏、负压相，拉伸作用使得液体内部分子键链断 主要研究方向。国家自然科学基金委连续三次重点
裂，形成空腔；空腔在表面张力的作用下形成气泡。 项目资助声空化相关研究，取得了一系列成果。
[1]
这就是声空化 (Acoustic cavitation) ，形成的气泡 目前，人们正在各个领域中应用或者尝试应用
声空化效应，比如，超声清洗、超声粉碎、超声降解、
尺度在微米和毫米之间，称之为空化泡 (Cavitation
超声萃取以及超声手术刀等。声空化已经在小空间
bubble)。理论上可以通过具体液体的键能来估计空
或者实验室里成功地应用，然而，当超声空化进入大
化所需要的最小声压幅度，即空化阈值 (Cavitation
threshold)。结果显示液体比如纯水的空化阈值在 规模应用的时候，人们遇到了实质性的困难。当声
波从换能器辐射面发射进入液体，在辐射面附近具
10 bar 量级，这是一个很大的声压，很难通过电声
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有最大的声压幅度，产生最强的声空化，大量的空化
转换方式获得。实际上，地球表面的水都富含气体，
水生动物可以在水下呼吸到氧气。这些溶解在水中 泡聚集于辐射面附近，对声波进行强烈的散射和吸
的气体，构成了水中的结构缺陷，使得声空化阈值显 收，导致声波能量的局域化，这种现象称之为空化屏
蔽 (Cavitation screening)。空化屏蔽阻碍了声空化
著下降，一般不足 1 bar。为了区别这两种不同空化
的大规模应用。应崇福先生 [9] 曾经多次发文呼吁开
阈值的声空化，前者称之为理想声空化，后者就是有
核声空化，溶在液体中的气体称为空化核。几乎所 展声空化产业化应用的基础研究。在应先生 100 周
有的声空化研究都指的是有核声空化。由于声波的 年诞辰之际，介绍我对空化屏蔽的研究以及大规模
应用空化效应的可能性探索，以感谢应先生生前对
含义可以延伸到任何形式的压力波，包括连续波和
声空化研究的鼓励和推动。
脉冲波，因此，声空化实际上是很常见的，比如我们
将一瓶饮用水摔在桌上激发了很多气泡。
2 声空化液体中的反常衰减
声空化的研究可以追溯到 100年前的 Rayleigh
爵士 [2] 关于螺旋桨空蚀的研究。它能够一直吸引人 声空化效应在实验室里非常显著，但大规模应
们的注意力，主要原因是空化泡的高效聚能能力。 用存在困难。其主要原因是空化泡对声传播的屏蔽
自从 1990 年，Crum 等 [3] 观察到了单个悬浮空化泡 作用。为了研究这种屏蔽作用，我们构建了一个高
的稳态发光现象，即单泡声致发光 (Single bubble 精度的一维空化液体声压测量系统(见图1)。
sonoluminescence) 之后，基于单气泡的动力学测量
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取得了实质性的进展。人们发现，在常规声压 (bar GPIB ˙԰
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量级) 驱动下，空化泡脉动的最大半径和最小半径
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之比，即半径压缩比，可达 100 量级，相应的体积压
缩比是 10 量级。而随时间的演化过程是非线性的， ᫾ઈӜᦡኸ
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绝大多数时间处于膨胀过程，压缩过程极其短暂。 ႃ఻
对一个 10 Hz 量级超声波驱动下的空化泡，声周期
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在10 µs 量级，而气泡塌缩时间在 100 ps 量级，时间 ૱ᑟ٨
压缩比为 10 ，时空总压缩比高达 10 。因此，声波 ඵയ
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驱动下的空化泡是一个优秀聚能系统。可以将很低
的声能量密度提升到可见光的量级，实现声致发光。 图 1 声压测量实验系统框图
Taleyyarkhan 等 [4] 进一步提升声驱动强度，尝试声 Fig. 1 Schematic diagram of the pressure mea-
致聚变(Sonofusion)。声致聚变存在很大争议，但空 surement system
化泡内部具有极端高温高压已是不争的事实 [5] 。声 工作液体为纯水，装在一条 1000 mm 长的水平
空化研究一直是我国声学研究的重要方向之一，早 放置的方形水槽中。水槽里面的工作液体和外界液