實驗名稱：單氣泡聲致發光實驗

研究方向：聲空化研究的轉機出現在1989年，美國華盛頓大學博士生蓋特因與其導師克拉姆發現了單氣泡聲致發光現象，就是空化氣泡只有一個，而且發光。這大大簡化了問題，從此對聲致發光以及空化現象的認識大大提高，超聲空化，是指當超聲波能量足夠高時，存在于液體中的微小氣泡（空化核）在超聲場的作用下振動、生長并不斷聚集聲場能量，當能量達到某個閾值時，空化氣泡急劇崩潰閉合的現象，化氣泡的壽命約0.1μs，它在急劇崩潰時可釋放出巨大的能量，并產生速度約為110m/s、有強大沖擊力的微射流，使碰撞密度高達1.5kg/cm2。空化氣泡在急劇崩潰的瞬間產生局部高溫高壓（5000K，1800atm），冷卻速度可達109K/s。超聲波這種空化作用大大提高非均相反應速率，實現非均相反應物間的均勻混合，加速反應物和產物的擴散，促進固體新相的形成，控制顆粒的尺寸和分布。利用超聲空化產生沖擊波和高速射流可以擊碎結石，進行無創手術。生物體主要成分是水，所以在人體組織內也可以產生空化效應。人們嘗試利用超聲空化產生局部高溫殺死癌細胞。超聲空化可以提高中藥萃取效率。最近，人們把藥裝在人工微氣泡內服用或注射，然后在需要釋放藥物處加上超聲，使微氣泡破裂釋放藥物，就好像激光制導導彈，大大減少副作用。還有一項技術是，利用超聲空化給細胞打孔，使藥物滲入，提高效率。

有些化學反應常溫下進度緩慢，需要催化劑或加熱。化學家們發現在很多情況下超聲空化可以起催化作用，那些可達到高溫高壓的聲空化氣泡起關鍵作用。同時在軍事領域也有應用，在魚雷或潛水艇周圍產生超氣泡，減少阻力，大大提高速度。潛艇被聲納追蹤，如何擺脫？陸地上我們通過釋放煙霧，阻礙敵人視線。而在海上，我們可以利用氣泡幕阻礙聲波探測，從而擾亂敵人的監視。超聲空化也可能應用于管道清理，比如石油管道。

實驗目的：驗證聲致發光，為后續實驗做論證和鋪墊。

測試設備：射頻功率放大器、信號發生器、示波器、壓電陶瓷、圓底燒瓶、高速攝像機等。

實驗過程：100mL左右的球形燒瓶裝滿水，水是經過特殊處理的，就是把溶于水中的空氣排除掉。燒瓶兩側用環膠粘上壓電陶瓷。信號發生器產生激勵信號，通過射頻功率放大器放大從而驅動壓電陶瓷，激發出超聲波。調節信號頻率使燒瓶產生共振，其中心成為超聲駐波波腹。用針管注入一個氣泡，氣泡會在聲壓作用下靜止在駐波波腹。小心調節聲強，關上燈，黑暗中裸眼可以觀察到藍白色的光點，就像夜空中的星星。

圖1-1單氣泡聲致發光實驗框圖

實驗結果：實驗室中可以測量單氣泡聲致發光光譜，光譜似乎與黑體輻射譜相像。計算表明，溫度越高軔致輻射的貢獻越大，光譜呈現連續譜特征；溫度相對不太高時，原子或分子線譜成分增大。一般在聲致發光溫度區域，軔致輻射以短波為主，所以，亮氣泡發光呈現藍白色，而惰性氣體原子線譜主要集中在低頻波段，所以暗氣泡通常帶有紅色。若液體是鈉鹽溶液，氣泡內可能濺進鈉原子，激發鈉雙線，因而有時氣泡還會呈現黃色。通過觀察聲致發光光譜或觀察氣泡顏色，可以估計氣泡溫度大致高低。實驗發現，在水中大量空化氣泡一起發光時，光譜中線譜成分占優，

而單氣泡聲致發光光譜多數情況是連續譜，以此可以推斷，單氣泡情形，其達到的高溫遠高于多氣泡發光時其中個體氣泡能達到的高溫。濃硫酸與水的情況有些區別，圖2-2是濃硫酸中空化氙氣泡發光照片，讀者可以比較圖2-1和圖2-2，注意圖2-1中只有一個氬氣泡，而圖2-2中卻是由成千上萬個氙氣泡組成。近期的理論研究表明，多氣泡情形，氣泡之間的相互作用其實是抑制空化強度，所以，此時氣泡壓縮過程受到其他周圍氣泡的牽制，劇烈程度減弱，氣泡內部達到的高溫自然比單氣泡情形較低。

圖2-1濃硫酸（85%）中單個氬氣泡聲致發光

圖2-2大量空化氙氣泡聲致發光形成火焰狀圖案

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審核編輯 黃宇