張宇甯 英國曼徹斯特大學材料系

聲空化是研究空泡在聲場下的動力學及其産生的一些物理和化學現象的一門學科。

這門學科有着豐富的内涵，比如傳熱、傳質、非線性和混沌等。圖1顯示了單個空泡在聲場下的非線性振蕩。在一個空泡振蕩周期内，空泡先逐漸膨脹，直到半徑增加至其初始半徑的數倍，然後空泡迅速地進行若幹次潰滅（即空泡半徑減小）。在一定的聲場參數下，空泡可以産生異常劇烈的振蕩，并在其内部産生高溫高壓的環境和化學反應（圖2），甚至可以發光（圖3）。目前聲空化效應應用于衆多領域。

圖1 球形空泡在聲場下的非線性振蕩示意圖

圖2 單個空泡産生的化學反應示意圖。

圖中的軌迹顯示了化學反應後的産物

圖3 單空泡聲緻發光裝置。

中間的亮點即發光中的單個空泡。

該裝置中空泡的發光非常穩定，可以持續幾天

1. 結石治療中的空化效應

體外激波碎石法是一種現在廣泛流行的無創結石治療技術，空化效應在此項治療技術中起到了重要的作用。與傳統的波不同，當激波經過流體時，由于激波攜帶很高的能量，流體内部的壓強等物理參數會驟然升高，造成激波兩側的物理量發生劇烈的變化。在激波的作用下，空泡會劇烈的振蕩并且在此過程中也釋放出激波，與原有激波産生相互作用。空泡在潰滅過程中會産生很強的破壞力（如産生微射流等)，處于其周圍的物體會受到不同程度的破壞。

體外激波碎石法1980 年由德國的公司發明，并于1983 年實現商業化，随後成為治療結石的一項常規技術。治療過程中，在激波發生器和人體接觸的部位進行一定的特殊處理，保證産生的聚焦的激波（波形見圖4）可以比較容易的穿過人體的脂肪和組織等部位，最終作用在人體中的結石部位并将其擊碎。激波粉碎結石的機理包含很多物理效應，包括應力的破壞，空化效應和疲勞等。

圖4 典型的用于碎石的激波的波形

圖4顯示了一個典型的體外激波碎石法采用的完整的激波波形。首先該波的壓力在很短的時間内迅速升高到約40MPa，然後逐步降低到約負50MPa，最後逐漸恢複到初始的壓力值。一般來講，一次治療需要約1500～3000個如圖4 中所示的激波脈沖，治療過程大概持續30分鐘左右。治療的目的為，通過高能量的激波将人體内的結石粉碎為較小的碎塊，以便可以自然的通過尿道等部位排出人體或者通過服用相關藥物溶解掉。在體外激波碎石過程中，空化效應扮演着重要角色（圖5）。圖5（a）和（b）分别顯示了理論計算得到的空泡在聚焦的激波作用下的半徑變化及其産生的壓力波的示意圖。圖5（c）顯示了采用水聲器測量得到的空泡産生的壓力波的示意圖。圖5 中，聚焦的激波大約在250ms到達聚焦中心，人體中自然存在的微米尺度的空泡在激波的作用下首先被強力的壓縮（圖5中250ms 左右區域），然後微空泡急劇膨脹到毫米級空泡（圖5中250～620ms 區域），最後，這些空泡劇烈的潰滅（圖5中620ms 左右區域）。在空泡潰滅過程中，将産生強烈的激波，并産生高速微射流。整個空化雲（即由很多空泡組成的空泡團）潰滅的物理過程見圖6。整個空化雲呈半球形，接近結石部分的空泡先向内部收縮，最終整個空化雲在其中心劇烈潰滅。因此，在體外激波碎石法治療過程中，産生的空化效應可以協助治療，促進結石的粉碎和分解等。

圖5 （a）空泡的半徑随時間變化示意圖；

（b）空泡産生的壓力波随時間變化示意圖；

（c）通過水聲器檢測到的壓力信号随時間變化示意圖

圖6高速攝影拍攝到的體外激波碎石過程中結石表面的空化雲潰滅過程

需要指出的是，空泡對激波能量在人體中的傳輸過程有非常重要的影響。當激波在充滿空泡的液體中傳播時，由于空泡的振蕩和引起的激波反射等物理過程的存在，激波的能量會很大程度地被耗散掉，從而導緻激波能量無法聚焦在結石附近。例如，如果激波傳送的頻率過高（如頻率高于1 Hz），由于前面的激波産生的空泡來不及溶解掉，激波的能量會大量被空泡耗散掉，從而導緻無法達到預定的治療效果。因此，合理的選擇激波的參數是達到良好治療效果的一個重要因素。

盡管體外激波碎石法被廣泛應用，該方法卻有一定的副作用（如可能引起出血、高血壓、血栓和腎損傷等），可能引起病人治療期間的不适，并且對膽結石和比較大的結石無明顯療效。鑒于該方法的上述缺點，一些新興的替代技術（比如腎盂鏡激光碎石術等）已經得到一定程度的應用。其他正在研發中的碎石技術包括體外無創聚焦超聲波碎石法（波形見圖7）。該技術主要采用聚焦的超聲波在結石表面産生空化雲，利用空化雲破裂過程中産生的強大的破壞力将結石逐漸粉碎成細小的粉末。該方法首先采用高頻的超聲波（如圖7 中的3.82 MHz 的超聲波）促使空化雲在結石表面的形成和激發空化雲的振蕩，随後再利用低頻的超聲波（如圖7 中的545 kHz 的超聲波）誘發空化雲的潰滅，超聲波的能量會在空化雲内部不斷的傳遞和聚集，最後在空化雲内部某處強烈的釋放，對結石形成強有力的破壞，“咬”下一小塊結石。整個上述過程大概持續80～90ms，經過一小段間歇後，上述過程不斷的重複，最終整個結石将被徹底粉碎為非常細小的粉末，可以很方便的從人體内排出。很多患者經過體外激波碎石法治療後，其被粉碎後的結石依然很大，其等效直徑可能大于2 mm，無法順利從人體内排出，而體外無創聚焦超聲波碎石法的相關實驗顯示，治療後，結石被空化效應完全粉碎為細小的粉末（圖8），可以很方便的通過尿道等從人體内排出。另外，由于聚焦超聲技術的發展，超聲波的聚焦精度遠遠高于激波，可以對結石進行“精确打擊”，避免傷及無辜（如周圍的組織等），這樣可以大大削弱治療過程中産生的并發症。體外無創聚焦超聲波碎石法仍在發展中，是一項很有前途的結石治療技術，期待不久的将來能用到臨床治療中。

圖7 用于碎石的聚焦超聲波的波形示意圖

圖8 體外無創聚焦超聲波碎石法治療後的結石及其碎片

2. 聲空化和海洋生物擱淺

為了更好的偵測潛艇等，海軍自20世紀60年代以來就開始使用主動聲納（原理見圖9）。中頻聲納頻率為1～10 kHz；低頻聲納頻率小于1 kHz。主動聲納的基本原理是首先由聲納發射出探測信号，然後通過接收探測信号遇到物體反射回來的反射波對目标進行分析（例如類型、位置和形狀等）。為了增加探測的距離，一般主動聲納的功率都比較大。聲納對于海洋動物的影響是多方面的，而與聲空化相關的效應卻鮮為人知。

9 主動聲納的原理圖

近些年來，人們發現很多的海洋生物（主要是鲸魚和海豚等）擱淺事件與海軍的軍事演習在時間和空間上有着很強的關聯。2002年9 月24日，有10個國家參與的北大西洋公約組織的代号為“Neo Tapon2012”的國際海軍演習在西班牙加那利群島附近進行。在使用主動聲納4小時後，演習地點附近發現有14頭不同種類的海洋生物擱淺（圖10）。随後，科學家通過解剖擱淺的海洋生物屍體（圖11）指出海軍演習過程中使用的聲納可能是造成此事件的罪魁禍首。在擱淺的海洋動物體内（尤其是肝髒），發現了大量的不同尺度的空泡（圖11）。在局部部位，空泡體積甚至占到總體積的90%。一些微小空泡（直徑在50～750 mm 之間）的存在可能導緻海洋生物的肝髒組織被壓縮、血管膨脹、局部出血和嚴重的細胞壞死等。

圖10 在加那利群島附近擱淺的海洋生物

圖11 海洋生物肝髒部位發現的空泡。

（a）解剖圖，空泡的直徑為0.2～6.0 cm；

（b）顯微鏡圖，圖中空泡的直徑為50～750 mm

那麼這些不正常的空泡到底是從哪裡來的呢？這些空泡又是如何影響鲸魚等海洋生物的正常活動呢？

學術界有兩種解釋：第一種解釋認為鲸魚受到聲納的噪音等驚吓，快速浮上水面造成類似于潛水病的症狀。但近年來的一些後續研究并不支持此觀點。在一次測試中，科學家給一頭突吻鲸貼上了“标簽”，并跟蹤其在聲納使用過程中的行為。實驗表明，該鲸魚緩慢下潛，然後停止其進食活動，遠離聲源，并最終浮上水面。這與之前科學家所推測的鲸魚會在聲呐的幹擾下快速浮出水面并不相符。

另一種解釋認為擱淺可能跟空泡在含有高飽和度氣體的環境中和高功率的聲場作用下的增長有關。人們很早就發現在聲場的作用下，由于在空泡與周圍流體之間存在質量的傳遞，空泡會緩慢的增長（圖12）或縮小。經過幾代人不懈的努力，這方面的理論已被逐漸完善，其理論預測值與實驗測量值基本吻合，已被學術界廣泛的認可和接受。對于固定的頻率和特定大小的空泡，聲場的強度存在一個阈值。當聲場強度高于此阈值時，空泡增長；當聲場的強度低于此阈值時，空泡縮小。通常，為了使探測距離更遠，主動聲納的功率遠高于此阈值。當周圍的流體中的氣體處于過飽和狀态時，空泡的增長速度将顯著加快。理論推測，在深海動物中，氮氣在組織中的過飽和度将達到300%。在這樣高的過飽和度環境中，在聲納的作用下極可能激發空泡的迅速增長和振蕩。空泡振蕩過程中産生的強大的破壞力可以造成海洋生物内部組織的損傷（圖11），最終導緻海洋生物擱淺的悲劇。盡管獲取上述理論的直接證據是非常困難的，但科學家通過設計一套體外的實驗對此問題進行了研究。結果顯示，在動物組織中氣體保持一定的高飽和度的條件下，聲波的存在對于空泡的增長有決定性的影響，能大大促進其生長。

圖12 空泡在聲場作用下的增長過程

由于海洋生物在聲納作用下擱淺的問題非常複雜，很難進行直接的實驗去驗證上述學術假說，因此其真正的原因至今仍是一個謎，學術界仍存在争論，尚無普遍接受的觀點。

3．利用空化效應的

碳納米管切割技術

碳納米管（圖13）是一種圓柱形中空的納米結構，是碳元素的一種同素異形體（即相同元素組成，但不同形态的單質）。碳納米管自1991 年被發現以來，由于其超常的強度，良好的柔韌性，高熔點等獨特的性質引起了學術界的廣泛關注。例如，2012年10月29日，IBM 的研究人員宣稱采用主流半導體工藝第一次将一萬多個碳納米管制作的晶體管精确地放置在了一顆芯片内，并通過了可行性測試，邁出了納米材料取代矽的第一步。工業生産出來的碳納米管的微觀特性（如長度和直徑等）參差不齊，需要進一步的處理（如切割等）。

圖13 （單壁）碳納米管

由于碳納米管的直徑很小（一般在1～20 nm範圍），傳統的切割工藝在這樣小的尺度下已無用武之地。近年來，聲空化技術逐漸用于對碳納米管簇進行切割。在聲場（一般為20 kHz的低頻超聲）的作用下，溶液中的空泡（其直徑約為幾十微米大小）附近的壓力場發生劇烈變化，從而引起空泡的振蕩。由于微米尺度的空泡通常是球形的，空泡的振蕩方式主要是徑向的（即空泡中心到空泡邊緣的方向），在空泡附近形成了一個來回振蕩的速度場，對處于其中的碳納米管産生作用力，從而使空泡附近的碳納米管被切割。不同長度的碳納米管在空泡産生的流場下的動力學行為有顯著區别（圖14）：

圖14 不同長度的碳納米管在空泡振蕩産生的流場作用下的示意圖。

圖中黑色部分為碳納米管

短碳納米管：在空泡流場的作用下會發生旋轉，長度的方向與空泡的徑向一緻。由于在碳納米管的兩端的速度場不同，離空泡較近的一端速度比離空泡較遠的一端大。碳納米管在該流場的作用下不斷的伸縮，從而導緻最終被切斷。

長碳納米管：在空泡流場的作用下，其長度方向與空泡的切線方向一緻。由于流場的作用，碳納米管被壓曲，從而導緻斷裂。

上述兩種不同的作用機理将導緻不同長度的碳納米管在相同聲場參數的作用下被切割的速率不同。通過對聲場的參數和其作用時間的調節，采用這種技術可以從宏觀上控制碳納米管簇（統計意義上）的長度等參數。該項技術仍在進一步研發和完善中。

4. 結束語

近些年來，基于聲空化效應的醫學治療（如采用基因傳遞和藥物傳輸方法治療腫瘤）等領域逐漸成為熱點，并且已取得一定的成果。這些嶄新的領域的出現也為聲空化這一傳統領域的研究增添了新的活力和動力。

本文選自《現代物理知識》2014年第1期 時光摘編

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!