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科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”

出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为中国科学院声学所白立新演讲实录：
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 。
科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”
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；
而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 。
那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 。
科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”
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 。
科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”
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 。
科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”
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 。


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