• 汇集公众科学智慧交流科学思想见解
  • 点燃科学智慧火花构建互动交流平台
科学智慧火花
科学前沿学术沙龙
查看评论  0                

声学基础研究--声空化研究的回顾和思考

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中国科学院老科学技术者协会声学所分会
举办时间:2018-10-18       【字号: 访问量:

目录

简介
主持人致辞
主旨报告
讨论与交流
主要专家简介:
  1. 苏媛(主持人)中科院老科协声学所分会副理事长
  2. 沈建中(主旨报告人)现任中国科学院老科协声学所分会理事长。曾任中国科学院声学研究所超声物理与探测实验室主任、中国声学学会功率超声分会主任、研究员
  3. (以下按姓氏笔画排列)
  4. 朱  埜,中科院老科协声学所分会会员,研究员
  5. 朱厚卿,中科院老科协声学所分会会员,研究员
  6. 刘永怀,中科院老科协声学所分会会员,高级工程师
  7. 孙德兴,中科院老科协声学所分会会员,副研究员
  8. 杜支前,中科院老科协声学所分会会员,高级工程师
  9. 李亚楠,中国科学院老科学技术工作者协会办公室主任助理
  10. 何远光,中国科学院老科学技术工作者协会执行理事长兼秘书长
  11. 罗恩生,中科院老科协声学所分会会员
  12. 柳天明,中科院老科协声学所分会会员
  13. 桂文庄,中国科学院老科学技术工作者协会副理事长,研究员,原中科院高技术局局长
  14. 郭成彬,中科院老科协声学所分会会员,研究员
  15. 麻莉雯,中国科学院老科学技术工作者协会办公室主任
  16. 程明昆,中科院老科协声学所分会会员,研究员
  17. 裴力伟,中科院老科协声学所分会会员,副研究员
  18. 缪家駖,中科院老科协声学所分会会员,研究员
展开

【简介】

 

声空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动,当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。气泡的寿命很短,它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量,并产生速度很高、有强大冲击力的微射流,在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压。声空化导致的极端条件研究十分重要,但是目前研究还很不充分,理论模拟与现实实验有较大的差距,是目前声学基础前沿问题。

[返回]

 

【主持人致辞】

 

苏媛:首先,感谢各位专家、老师和同学们参加本次老科协声学所分会举办的沙龙活动。今天我们讨论的主题是声空化作用和作为声学基础研究前沿问题目前的现状和存在的困难,由我们分会理事长沈建中老师作主旨报告。下面有请沈建中老师!

[返回]

 

【主旨报告】

 

沈建中:声学基础研究--声空化研究的回顾和思考

今天我的报告题目是《声学基础研究》,通过回顾我们过去进行的声空化研究工作,一方面提出如何开展进一步研究的新思路,一方面归纳出声学基础研究遇到过什么困难,如何解决困难,该怎么进行。我自己的想法,沙龙报告和科技报告是有所区别的,科技报告要具有很强的科技性,而沙龙就可以放开一点,可以自由地讨论一些问题。所以大家如果觉得我讲的有问题,可以随时提出来,我们进一步讨论。报告结束后,我们也安排了专门的讨论环节,讨论的内容也不局限于报告,可以扩展。

在职期间,对于声空化研究,我做了很多工作,有一点感想跟大家谈一谈。对于基础研究来讲,怎么进行,困难在什么地方,是不是还要继续?为什么提是不是还要继续呢?我是有点担忧,可能会中断。也声明一下,本报告的部分内容来自于网络。

大家知道声学主要研究什么?我们人有五大感官,声学是人类最早研究的物理现象之一,它可能比所有的东西都研究得早。但是它虽然研究很早,但仍有很多问题,下面要讲某几个到现在还没解决的问题。另外声学的概念特别广泛,它的研究和应用无处不在,在工、医、生、农、商、学、研等应用领域都有涉及,而且也在不断开拓新的领域。我们对于声学的研究非常广泛,可以说是上天入地下海,甚至于登顶;最后是关乎人类自身,我们对声音的感受,人与人之间的交流,用音乐来治愈病痛等等。总而言之,声学无处不在。

从我的理解,声学大概分以下四个方面:

1) 作为自然科学,声学主要研究声波怎么产生、传播、接收和声的效应;

2) 作为技术学科,声学在通讯、测量、处理、加工等方面影响很大;

3) 作为工程学科,声学在建筑、武器、水下定位与通讯、地下资源勘察等等领域,应用广泛;

4) 作为艺术来讲,声学涉及到艺术、音乐等等。

一直以来对于声学基础研究就有很多方面,主要可以分为两大类,一个是与各个学科对应的基础研究,还有跟重大应用相应的基础研究。基础研究往往是不带有目的性的,它是一种发现,通过探索来发现新的东西。他是有可能失败的。基础研究的另外一个功用是解惑,比如对一个东西有疑问,我们通过基础研究,来解决这个疑问。举个例子,海水为什么是蓝的?这个问题大家都有疑问,最后拉曼把它解决了。

我今天讲的问题牵涉到一个小的范围就是声与物质的相互作用中,声空化和声空化的效应。

对于声空化的研究,并不简简单单的是为了应用,主要目标是探索未知世界,未知才更加神秘。未知世界首先是物理学基本规律。声空化因其自身特点可以在一个小范围内创造极端条件,比如高温、高压、高速变化等。研究的目标就包括探索声空化能够达到什么样的极端条件。但是对于极端条件的测量和最大价值化的应用,都是很困难的事。研究的另一个任务就是开拓对于这样的极端条件的测量方法和技术。

我这里简单地讲一下什么叫做声空化。

声空化发生在液体当中。液体当中一个微小的气泡,微小到纳米级的,几个纳米、几十个纳米,在超声波的作用之下它会发生振荡、生长、收缩、崩溃等等一系列动力学过程,我们把这个过程叫做声空化。声空化指气泡在声的作用下,体现为膨胀,收缩,再膨胀,再收缩,周期性增长和收缩,或者非周期性增长和收缩,最终崩溃的一个过程。这个过程有一个特点,这个气泡的壁在收缩的时候,它是以超音速来收缩的。音速在水里面是每秒1500米,它能达到超音速以几千米每秒的速度来崩溃,这个过程会产生高温、高压、强电、发光等等现象。这些现象如今已经广泛的应用在我们的工业上、生活中。

我们过去的研究就是希望来探索这个问题。

过去建立的理论模型有一种是单一的气泡,只研究一个气泡。相对而来的问题是怎么消除别的气泡,只保留一个,并将其稳定住。另外一种理论模型是多泡,即一群气泡。多泡比单泡更加复杂,因为泡与泡之间还会发生相互作用。

空化有两种,一种叫做稳态空化,一种叫做瞬态空化。稳态空化就是气泡的运动随着所加载的声做重复的、周期的变化,声一停它就停了,声不停它就不停。瞬态空化是气泡在声的驱动下,急速地变大变小,最后在声压的作用下,急速地塌缩变小,直至溃灭消失。瞬态空化更加重要,研究起来更加困难。

影响声空化的因素很多,这些因素可以用一些空化参数来研究。空化核,是指产生空化气泡的种子。与空化核有关就有许多参数。空化核的数量、大小和大小的分布;空化核的内含物是什么,等等。另外是空化阈值,声压低了是不会空化的,声压大到什么程度才能空化,刚刚能引起空化的声压就是空化阈值。还有空化的动态,空化时怎么变化的过程。空化的剧烈程度,如何来描述?这个基本问题到现在为止还没有解决。有人提出用‘空化强度’这个量,我认为空化强度这个名称现在是打问号的,值得讨论的,并且需要进一步地研究,我在下面再展开讲这个问题。

这是我们已经完成的研究,我们观察一个气泡,观察到一个单泡发光,声致发光,它不是化学的发光。有一种发光,比如咱们的手表、钟表上面涂了一层萤光物质,用光照射后,放在黑暗的地方就发亮,这种叫做萤光。这是化学的发光。在液体里放一种萤光物质,遇超声波能够发亮,这也是化学的发光,我们不研究。我们研究物理的发光,一种可以持续不断的光。声致发光发出的是超短波长的光,一种蓝色的可见光。有的人蓝光色盲,有的人蓝光不敏感,这些人就看不见,你能看见就说明你的眼睛很好。

这种情况下发光状态虽然只能持续几十皮秒,非常短,但它是在连续发光,所以你能够看见这个光。

我们通常的解释就是因为气泡内部极端的高温和高压,产生了冲击波和等离子体区,所以产生了光。

图1

气泡声致发光如图所示。气泡外面是水。这个气泡在超声波的作用下,一会变大一会变小,气泡里的小黑点代表气体里的分子和原子。图中标尺的长度是0.2微米。气泡在塌缩到一定程度时就发出光。

再解释一下气泡的溃灭。气泡的溃灭与气泡的破灭是完全不同的过程。气泡的溃灭是指气泡由大变小,最后变没的过程,这不同于气球由小到大最终破灭的过程。破灭产生不了高温、高压,只有溃灭才能产生高温、高压。我们讲气泡的溃灭,有的人叫湮灭,有的人叫塌缩等等,这是学术上的不同说法。

图2

再看图2,这个泡在变化的时候,最典型的形状很像苹果,完全不是球形,而是中间呈凹陷状。在水里面大致就是这个形状。

图3

当气泡靠近容器壁时,气泡的形状会持续变化,变到后来长出一个尾巴,像锥子一样,锥子尖指向容器壁。这是气泡典型的形状,如图3所示。通常人们会认为气泡是一个球,但现在看来并非如此。首先,这个锥形是非常尖的;第二,它是非常有力的,呈向外喷射状。它碰到固体的边时,会打击出一个小窟窿、一个麻点,所以超声波作用时间长了以后,固体的边和抛光的面就会变毛。正因为这个力量是非常大的,作为超声清洗的机理之一,即超声波可以清洗肮脏的油、污渍等等。它的条件是一定要靠近固体边,就是气泡和固体边相互作用。所以通过这两张图,我们能看出来,空化气泡里面研究的学问是很深的。

大致来说空化有几个特点,具体研究的时候数据会根据实际情况有所变化。

空化能够产生两种聚焦:空间域聚焦与时间域聚焦。纪念应崇福院士诞辰一百周年的时候,陈伟中教授报告讲了这个问题。空化气泡的空间域聚焦,气泡由大变小,一个微米大小的气泡可以变到纳米,变到分纳米,从10-6变成10-10,因此它的压缩是104量级。空化气泡的时间域的聚焦,我们的超声波用的是20kHz,50个微秒的周期。但是到了发光的时候,是飞秒的量级,从10-5变到10-15,因此它的压缩是1010量级。空间加上时间的聚焦其可以达到1014量级,这是百万亿倍的压缩,因此它产生了极端的高温,产生一个热点,在水里面产生很热的点。这个热点的功率密度非常大。这导致极端的高温、高压,爆聚式冲击波,高温离子体,很强的电场等等。强的电场有的研究者发现了,有的研究者没有做出来。像这类事情还得考虑怎么做。

一般来说,在假设各种条件以后,理论模拟温度可以达到 到 ,就是1百万到1千万度,和太阳表面的温度相同或者比之更高,因此有的人提出来用超声空化可以激发核聚变,因为它达到了核聚变所需的条件。

很麻烦的一个事情就是,温度从室温上升达到上百万度,是在非常快的时间内完成的,其变化速率超过 到 。这是极高的速率。到目前为止,这样高速率的变化高温的测量实际上是没有人能够做到的。

分析气泡的运动,过去一般就是用Rayleigh-Plesset方程,通过在方程中不断地添加修正项,使之更加接近实际情况。修正项包括气体的性质、液体的性质、温度、环境、材料等等,也考虑了液体的黏滞和液体的表面张力。RP方程到现在为止,好多人还都在用,但有待进一步的改进。

声学所历史悠久,最早是汪承灏院士做这方面的研究。在院士们的带领下,声学所取得了很大的成绩。这里展示两种产生气泡的实验设备,一种设备我们起名叫做刹管法设备,用一个弹簧悬挂起一个装水的玻璃管,将玻璃管往下拉,而后松手,弹簧就把管子拉上来,走到上面被一个限位装置阻挡,就突然刹车了,这一刹车,里面的液体就被拉开了,产生气泡。这个气泡是瞬间的,瞬间由小变大再由大变小就没了。这个刹管法是研究单一气泡的方式,叫做瞬态的单一气泡,从这个气泡的运动变化发现了刚才讲的发光等等现象。这个气泡发出的光脉冲极其短暂,用仪器才能记录下来。

另一个设备没有起名字,是我们在研究过程中自己做的一个东西,就是研究稳态气泡的设备。这设备是一个复杂的总体系统,包括声悬浮系统、气泡产生器、声学监测系统、测试系统、同步系统、稳定系统和辅助系统。设备的关键装置是一个充水的玻璃圆柱,圆柱底部贴有超声波换能器。圆柱里面有两个导线,突然给它施加电压并短路,这个导线发生高温,烧出很多气泡。超声波换能器从圆柱底部向上发出超声波,经过圆柱顶部的反射板反射,由声波干涉产生声陷阱,就把气泡给陷住了。因此我们可以在声陷阱中逮住一个小气泡。这个小气泡是几微米大小的,在超声波的作用下不断地振动、变化,最后发出一个蓝光。在暗室里可以看见,这是稳态发光。瞬态发光,因为速度过快,肉眼不可见,只能用仪器记录。而稳态发光我们是可以用肉眼看见的。

测量气泡的大小由测试系统完成。我们使用非常传统的方法,物理学叫弥散射方法。我们也试图用高速照相的方法观察气泡的运动。在那么远的距离看这么小的东西,需要具有远距离的显微功能的设备,这个显微镜很难找。通常,显微镜的观察距离是一毫米左右。望远镜可以看很远但是不能显微。可见测量技术要求非常高。

瞬态发光的时候,发光的光脉冲很强,每一个周期它都会发光。气泡越来越弱,光也越来越弱。

一个问题是实验结果和理论预测的差异很大。另一个是强非线性不容易稳定,它根本不是平衡态,甚至我们对温度的概念已经产生疑问了。什么叫温度?温度大家都说是平衡态的内能的表示,而我们是高速的非平衡态,这在物理学上是个挑战。气泡虽然很小,内部的分布是具有很可观的不均匀性。内冲击波理论,受影响因素太多,驻波、气泡大小等等,对结果影响很大,对我们测量也是很大的问题。

这些问题表明,现在的研究有待深入或继续。怎么深入、怎么继续是个值得探讨的问题。

过去的理论研究就介绍到这,下面讲讲空化的应用。

先讲一个应用,该应用跟本文讲的声空化没有关系。通过某种方法,使在水下兵器的四周产生大量空化气泡,水下兵器被空穴包围了。水下兵器变成在空气中发射的状态,而不是在水里发射,阻力大大减小,使其速度非常之快。

另外一个空化应用是探索性的,叫做声致核聚变。声致核聚变可用于可控核聚变。什么叫做可控核聚变呢?我们知道原子能是非常厉害的,我们知道核弹和氢弹,原子能发电。核弹和氢弹是没有控制的。原子能发电应用的是可控核裂变。但是,核聚变,就是低原子量的原子合并成大原子量的原子,同时大量释放能量。核聚变比核裂变厉害得多,氢弹比原子弹厉害得很多。但是,核聚变目前来讲不可控,持续的核聚变要么不发生,要么发生就是核爆炸。科学家在1955年的时候提出规划,要在50年内实现可控核聚变。1955年到现在,50年的期限已经过去很多年了,可控核聚变却远远没有实现。这个案例表明,科学问题不是可以用规划来解决的。我们进行的声致核聚变探索研究,最终失败了,其相关研究也基本上终止了。声致核聚变,有悖于正统的研究可控核聚变的道路。声致核聚变,究竟在物理原理上讲是行不通的,还是尚有一线光明?

对此,近来有一点想法。可能很多老同志都生过煤球炉,用火柴点煤球炉能点着吗?点不着的,必须引火。先烧纸、纸烧木片,烧着木材,木材再烧煤球,这就是引火,就叫做逐级点燃。用纸、木头、煤逐渐点燃。我们声致核聚变,能不能也用这个道理?这是一个思路。

另外一个思路,来自BBQ。我曾经在美国接触到BBQ。BBQ就是到公园里生起煤火烤肉,野餐。用于BBQ的煤球用打火机一点就着了。为什么他的煤球用打火机就点着了?因为这些煤球实际上是混合燃料,引火材料已经均匀地混合在煤球中间了。所以将来如果我们要去搞声致核聚变,我们也可以发展混合燃料。为什么我们要实现可控核聚变呢?因为可控核聚变有两大好处:第一,核燃料在海里面大量地存在,成本很低,就是所谓的氘元素。第二,它聚变以后很少产生核废料,不污染环境。声致核聚变研究,其所需要的经费虽然很大,但是与耗资巨大的托克马克等研究相比,其费用几乎是可以忽略不计的。在一些研究新思路的指引下,声空化导致极端物理条件的研究应该继续进行。

为应用目标,声空化基础研究,是要继续搞下去。基础研究要实现一个目的,就是在理论上、在实验上能够做到,声空化究竟能达到多高的温度、多高的压强、有多大的作用范围。这个研究我们前面做了,但是没有做到底,原因很简单,缺少相应的经费。

下面讲讲我们基础研究的艰难,艰难问题主要包括四个方面,一个是立项困难,一个是维持困难,一个是转化困难,最后一个是人员缺少,就是这四大方面。

立项困难是根本性的。这主要来自三个方面:目标不明确、成败难预测、投入产出比不确定。目标不明确,是研究目标难于明确。你做基础研究,你搞应用研究,就像刚才说的我们要做声致核聚变,那么基础研究你是研究什么?你能做到什么?成败难预测,声子的能量那么低,怎么能够引发核聚变?失败的可能性是很大的。投入产出比不确定,人家问我,给你一百万,你能做出什么来?你能发表几篇文章?我确实无话可说。学术界有不同的看法是常规现象。但是,由于这些原因,就难以说服评委们,特别是难以打动科学大咖们。这里,顺带说一句,考核确实需要定量化,但是过于看重定量化,过于看重功利,我认为是不科学的。特别是,对于探索性的研究是有阻碍的。

在我们的声空化研究项目立项时,发生过一件很有意思的事情。我们得到了一张光碟。这是美国好莱坞拍的一个科幻反间谍电影的光碟。电影的大意是,美国实现了声控核聚变,建立了声控核聚变发电站。北京的科学家到美国去盗窃该项科技成果,最后被美国特工破获和挫败。这张光碟对我们立项起到了促进作用。

科学研究,特别是基础研究,不应该是功利的。举一个国际上的例子来说明这个问题。麦克斯韦方程组是麦克斯韦在1865年提出来的。如此漂亮的一个表达,直到现在,我们还跳不出他的圈子,没人超越。然而,麦克斯韦实施这项研究,没有应用目标、没有功利、不为获奖,实际上也没有获奖,他只管研究。麦克斯韦方程组影响深远。马可尼利用麦克斯韦方程组预言的电磁波,应用电磁波实现无线电通讯,这影响到我们每一个人,我们的手机、我们的电视、社会的通讯都是利用无线电波。过了四十年,1909年,马可尼得了诺贝尔奖。无线电通讯这个实际应用是建立在麦克斯韦方程组这个基础研究成果之上的。基础研究是一个基石,不能够放弃。我们放弃了,人家就会前进。谁能搞出来都是好的,对整个人类是有好处的。

下面举一个例子说明声空化研究立项的困难。在声空化的研究和应用中,有一个很基本的问题,就是如何表征声空化的剧烈程度。声学中有一个最基本的量,声强,它用于表征声场的强弱。自然而然地,人们试图用‘空化强度’来表征空化场的空化的剧烈程度。到目前为止很多人在用空化强度这个概念。然而,‘空化强度’,如何定义?如何测量?没有人能够说清楚。

最早发现这个问题是我们搞超声清洗的同事提出来的。人们公认,超声清洗机理是超声空化。超声清洗设备的超声空化指标要做成什么样才好?从理论层面来讲,就是需要一个或一些表征声空化的剧烈程度的物理量。然而,问题不那么简单。空化的物理本质是非线性的、不单调的,影响空化的因素多,空化的效应多,所有这些使‘空化强度’具有不确定的意义。最简单的,是不是空化泡越大越好?是不是泡越多越好?是不是泡大的小的呈某个比例比较好?这三个都是可以测量的,就是弥散射的测量。测出来的东西,结果发现跟空化的环境、空化的液体、大气压等等很多因素有关。它们不能确定地用来定量地表征声空化的剧烈程度。空化的效应多,使用不同的效应表征空化场所得到的结果互相并不一致。选哪种效应来确定强度难以抉择。空化场还有空化屏蔽效应,前面的空化场把后面的空化场屏蔽掉了,这使得出现声强高了空化场反而弱了的现象。所有这些都表明需要进行如何表征空化场的空化剧烈程度的基础研究。然而,问题是谁给经费来研究?能给多少经费来研究?

让人为难的事情是:从文字字面的角度,空化强度,这个问题太简单了,太基本了,难道还需要经费投入去研究吗?从应用的角度,他能够产生多少效益,难道还值得投入经费去研究吗?从管理的角度,希望急功近利,要求短平快,能够实现从这项研究中获利吗?特别是,学术界对于问题的认识还有不同的看法。如何能够打动专家们、大咖们、管理者们,是一个大难题。立项困难由此可见。

基础研究的第二个艰难问题是维持困难。这主要是经费短缺。实验需要用一种材料叫做氘化丙酮,氘化丙酮它是以毫升来计的,一毫升320元,买一升就要32万元,我们的实验装置是装两升,那就要70多万。另外丙酮一打开盖就蒸发到大气里去了。不要说对人体有害,钱就这么蒸发掉了。所以要做实验,就必须得有大量的钱来维持这个问题。维持费用很困难,特殊要求的设备,这个设备也是比较贵的,要做,一个是能不能做,一个是很贵,所以维持很困难。

第三个艰难问题是转化困难,本身能有什么成果都不知道,有了以后怎么转化也不知道。另外成果可能很超前,现在根本用不着,另外就是要转化成果,可能需要很多装置,因此转化也很困难。

第四个艰难问题是人才短缺。这个问题更加重要。它需要高端的专业人士来做研究。什么是高端?我们都是站在巨人的肩膀上来做研究,咱们都喜欢说这句话。但是巨人的肩膀你要能够先爬上去,巨人的肩膀你都爬不上去,怎么行?你要有爬得上巨人肩膀的人来做这件事情,所以要有高端的人才。然而,高端的人才只能拿最普通的老百姓的工资,他的薪资水平很低,那么这样就很难维持。此外,探索性的研究不一定能成功,他没有希望,他有失败的风险。这些原因使能够长期坚持的人才很少。因此我觉得要搞一个稳定的科学队伍,对我们来讲是非常重要的事情。

我这里引用爱因斯坦的话,他说:“发现一个问题远比解决一个问题更为重要。”我们需要高端人才来发现问题,组织一支高端人才的队伍来解决问题。

下面我讲一讲跟声学相关的诺贝尔奖在哪?声学学科很小,不起眼,但是,声学研究是能够攻入诺贝尔奖的阵地的。这是我一家之言。我觉得,一个是声空化的研究和应用,超声学如果在这里弄出点名堂来,这是很厉害的;还有一个就是在人工智能上,语言声学,解决声的奥秘,解决人跟计算机的关系;还有生理心理声学,从声学入手突破人脑活动机理研究的瓶颈,这个已经有两个人证明了,一个是奥地利的学者,一个是美国的学者。他们都是研究声接收和人的关系,他们获得了诺贝尔奖。

最后讲讲今年的诺贝尔奖。突然公布光学镊子得诺贝尔奖了。我虽然有些纳闷,但不管怎么说他已经得了诺贝尔奖了。光学镊子就是用光学的办法形成三维势阱,把微粒固定在那里。它的方法就是用大的透镜把激光聚焦,聚焦在焦点的位置。这个是一九七几年开始做的工作,这个工作出来以后发现有很大的问题,但现在没有宣传这个问题,就是激光的能量太高了,聚焦以后能量密度就更高了。他要搬用的是细胞,这个细胞就给杀死了,很可能你看到的细胞是死掉的细胞。为此,研究开发了声学镊子,是美国宾州大学最早提出来的。用两束声表面波形成干涉场,干涉场里面形成很多势阱,可以把微粒固定在势阱里。它和光学镊子比较,因为声能量很低,声学镊子对细胞不会破坏,不会损伤细胞。这是最重要的。此外,光学镊子只能处理一个,声学镊子可以处理一群。声学镊子还有很多优点,它的能耗很低,设备体积很小。

谢谢大家!

[返回]

 

【讨论与交流】

 

桂文庄: 我在局里工作的时候就听说你们在做声空化这方面的研究,对声空化做了一些简单的了解,知道这个很困难。今天听了你的报告,第一次对这个事情有了比较全面的了解。我主要想请教以下两个问题。第一个问题是我们预测声空化可以达到 到 的温度,那么这样的一个温度对于核聚变到底够不够呢?现在还没有实验能够证明或者测量出来到底达到多少,第一步是不是要优先考虑把这方面搞清楚,这是我个人的一个想法,不知道考虑的对不对。第二个问题是你刚才说空化的气泡尺寸可以到分纳米,到分纳米就是一个埃,几个埃的尺度,这已经到原子尺度了,到原子尺度,它的效应是不是应该显示出有量子效应的出现?对于这些问题过去有没有考虑,或者现在有没有考虑?

沈建中:我讲的报告就是这个意思,对声空化的研究,过去就是我们得到了资金,也得到了很多的支持。那么这个支持,它不用提一个应用背景,这就不好办了,这个问题到现在,我为什么说要继续呢?我进一步研究就是回答到底达到多少这个问题。

有一个美国人提出来,后来发表一篇论文,发表这篇论文编辑拿不定主意,不知道对不对,编辑犹豫再三,征求了很多人的意见,大部分人说不能发。他想这是新东西,说不能发的人不见得能了解这些事,他还是发了,一发就引起轰动。引起轰动以后,我们这边才给的资金支持,电影是插曲之一。结果有了资金以后,美国那边开始说你做了,我们重复不了。最后就说他学术造假,后来他到普度大学去,普度大学发表声明说他没有造假。所以我觉得科学是完全存在这种技术问题的。

讲一个小故事。研究某种新材料,有些人跟着老师研究了一辈子也没做出来,老师退休了。他们三个人按照老师的资料,忽然做出来了,并且因此而提了局级干部。但是以后的试验又失败了。因此技术问题常常会有不确定性因素。那么到目前为止为什么测不出来?我觉得要发展一种测量高速变化的物理量的实验手段,但是这个实验手段需要巨大的资金支持,所以声空化的研究局限在这么小的范围之内,因为它这个范围就是微米、纳米级的,这些东西都只是假设的,理论上的,实验上能不能做到,实验上能不能测量,一直是个问号。对这些问号如果能够研究,那么也许会有突破,但是也许不能突破。所以到现在为止没有资金支持是原因之一,没有资金支持不能说对还是不对,只是说做这个事情很困难。

到目前为止,这些数据都是有问题的。有一个物理假设,关于泡在变大变小的过程当中有没有物质传递?泡在变小的时候,里面的气体可能有水蒸气,水蒸气跑出去了,气泡里的东西少了。水蒸气跑与不跑,计算出来的温度差很多。假定气泡里的东西跑与不跑都需要理由。究竟跑了没跑,这里面就需要进一步研究。

他们和上海应用物理所合作,发现单靠声空化是不能够引起核聚变的。但是它在核聚变的时候,你把声加上去之后,它的效果会加强,起到辅助作用,它是做到了这一点。后来他们有没有发表结果,我不知道,我就没有看到文章,但是有辅助作用。起个辅助作用,能够降低条件,也是一个很大的好处。现在激光点火,点到现在也点不起来,它也有这个问题。

到目前为止也没有证明它能够引起核聚变,数据上的可能性,咱们所的钱教授写了篇文章,他说的温度比我们说的温度还要高四个数量级。不同的理论假设,他是咱们声学所最大的理论家,他写了一篇文章,他写文章的时候,他有好多前提假设,这个前提假设能不能满足都要打问号了。但是作为理论分析,我假设以后就可以在下面算的,是这样的,算出来的结果比普通的温度还要高。还有热容量,时间很短,激发很小,总能量不够。点火,我点不了你,可以点它,先点纸再点木材再点煤球,这种有希望的应用不要轻易放弃,后面讲的是怎么应用的事情。

超高速的物理量的变化,这个测试设备现在要发展也是很困难的,只能够通过它的效应、通过它的结果来反推。所以这个也需要很多的研究。但是怎么研究?不光是资金的问题,研究方向通过什么来研究还是要探讨。

桂文庄:高速相机是否可以达到要求,有没有可能有一些技术可以达到?

沈建中:不可能,先我以前了解的水平,国际上最高的水平超快速度的检测是 ,就是变化率是 ,我们现在可能超过 的变化率,它反应不过来了。另外就是他们现在的高速相机,对我们声学上几乎没有作用,举个例子来说,每秒1百万张的高速相机,一张照片是一个微秒间隔。如果一千万张,是0.1微秒。这种现象它的发光的结构是飞秒级的,差五个数量级,就捕捉不到。可能拍一千张照片,也拍不到一张有用的照片。而一千万张的高速相机很难做到,能做到也十分昂贵。

所里给我们30万的资金支持,买了一个高速相机,每秒钟10万张。这个高速相机在拍10万张的时候,只有64个像素。速度高了以后相片缩小了,最后就拍成一小块,拍也拍不清楚。拍到百万张的时候,这个相片要拍得很大,相机就很贵。对于声学来讲,一兆的频率就是一周期就用一秒,10兆就是0.1微秒。所以高速相机在声学里头应用有限,这个高速比我们的低速都要低。

后来我们还发展了一个技术,不是用高速的办法,而是用静态的,用动画片一样的形式,重复照相,把快速过程记录下来。后来国际上都采用这种方法,我们把它叫做动态光弹技术,就是拍一张张静态照片连接起来放。这个技术,在一九八几年的时候,声学所在世界上是领先的,我们可以达到别人达不到的高度。

裴力伟:咱们所现在做空化效应准备怎么做?做到什么程度?有什么发展方向?

沈建中:我最近看到一篇发表的文章,做的工作是测量空化强度,而这恰恰是我怀疑的问题。我本身一直在讲没有空化强度这个概念。我们研究声学的都知道声强,声的能量密度,这是很确定的。泡的大小很容易测,泡的分布很容易测,它现在用光学办法来测泡的分布,他们不是测单泡,而是测多泡,很多泡,这是在实验上的改进。但是空化强度这个概念应用,很可能是错误,至少是个怀疑。什么叫空化强度?空化的能量?到目前为止没有一个人能回答出来。定义不了就需要资金支持,而资金就会牵扯到其他的问题。

桂文庄:现在激光核聚变现在还是实现不了聚变,声学用超声波注入能量才有多大?

沈建中:这种思路我觉得应该可以考虑。

做声的成本比它低得多,缺点就是大家都不相信,没有成功之前是没人相信你的。就像我们做发光之前,很多人不相信。

何远光:我想问在声空化研究的实验过程里面,目前全国的科技队伍的力量里面有没有人做?还是就您一个人做?如果除了您以外有别的高校在做或者别的人在做,目前怎么样?

沈建中:全国基本上三家,南大、声学所,还有同济声学所,基本上是我们三家在做。我们之间有合作,互相有联系。南大在物理上做的比较深,而且它可能比我们强。还有个别的像清华,和我们都有合作关系。因为这牵扯到量子,牵扯到很深的物理学的基础知识背景。我在物理方面比较匮乏,难度大一点,相对而言南大在物理方面强一些。陕西师大,他们研究多泡,能力弱一点,深入不下去。

好莱坞不知道怎么突发奇想拍了这样的片子,也许他们在研究一些我们不知道的东西,老外做事有的是保密的,我们不知道他们是不是在做。

朱 埜:声学是宏观物理学的概念,宏观声空化实验能够使单个气泡小到10-10的纳米量级,出现声致发光现象,已经属于微观物理研究范围,微观物理现象是不能用诸如强度、温度、速度、亮度等宏观物理量来度量的,现在量子理论(量子力学和量子化学等)中的测不准原理本身就反映了这种微观物理的波粒两重性和时频对应关系,这类研究继续深入要想获得政府或有关部门资金资助,就需要你给他们讲清楚,让他们相信,但现在还没有人可以说清楚。

科学研究工作都不应以获取诺贝尔奖为目标,所有得诺奖的人不知道自己会得奖,他们从事研究的初衷是兴趣,探索和追求。我平时喜欢看CCTV9电视频道动物世界栏目,那些动物专家跑到非洲,南美去研究动物,一待就是好几年,辛辛苦苦在荒郊野外对各类动物的行为进行长期观察并收集数据,说不请为了什么?这需要研究人员有顽强的探索精神。当然首先要有好奇心理,而后产生兴趣,有了兴趣就不会放弃地去探索它的来龙去脉,去发现和追求自然的奥秘,这个过程有时需要你毕生的精力。

60年前,我们的老所长-汪德昭院士跟我们新来工作的100多个青苗大学生讲的第一句话是‘你们要当无名英雄’,至今我记忆尤新。我们多数人遵循这种教导,在对此后专业工作,以浓厚的兴趣和极大的热情忘我投入,不求功利,埋头苦干,锲而不舍地努力探索,其中不少同志成为我们这个专业的领军人物,有的直到今天,已经耄耄之年还活跃在研究工作岗位上,我所的张,侯等四位院士以及侯自强,商尔昌,朱维庆和向大威等教授无不是我们最好的楷模。

声空化研究能够观察到声致发光,就宏观研究来讲已经达到极致,大胆设想声致核聚变,也不见得不可能。但是从事高端研究需要这样的精英,除对科学极大的好奇和探索精神外,他们还乐于发现,敢于怀疑,善于设想、精于求证,而如今在我们声学领域,确实欠缺这样的人才,这涉及我们的教育问题,包括从小的思想素质和后期的文化修养教育。

要达到预期的研究成果,你就得去研究实现的条件,可能非常困难,没有资金支持,没有资源支持,这都是科学研究道路上的正常现象,困难可一步步攻克,条件可一步步创造,但不能因此就消磨掉自己的探索精神,要始终不忘初心。使之不断激发成果的实现。

科学发展需要有对应的环境支持,科学可以改造环境,但也可能破坏环境,核聚变给人类创造了财富,但同时污染了我们生存的环境,就说声空化研究,超强声呐功率发射可以更远距离探测,但所造成的空化,足以杀死人类赖以生存的海洋生物。这就是为什么我们要研究环境,保护环境的原因,如果我们的科学发展不注意环境保护,人类科学发展越高,人类可能消亡得越快。因此 我认为有些高科技研究还是悠一点好。

罗恩生:对于声空化我之前听说过,有所了解,沈老師讲的很全面,很深入,特别是结合您过去的一些研究成果,让我有了更深入的了解,也为您缺乏经费支持而未能进一步深入研究所遗憾。我们声学所是应用型研究所,侧重创新技术、创新算法的研究。技术开发和科学研究一样需要条件,需要社会支撑,资金支持。没有设备就无法测量观察。这就涉及到我们国家的科研经费管理体制问题。过去我们的一些研究项目是有技术条件保障经费的,但是这方面国家部门支持往往是滞后的,项目研究结束了,有结果了,经费才下来。但是因为这个研究已经做完了,所以便将经费挪到其他项目上。这就给技术保障经费验收时带来困难。挪东?西对付验收的现象时有发生。这个问题需要正视解决。

我们国家对于资金支持要有前瞻性,要懂得应用技术里面的特殊性。科普不但要对老百姓推广,也要对相关的国家部门进行科普。有了及时的资金支持,才能在这方面好好的深入研究。沈老師刚才讲的虽然很特殊,但是却真实反映了我们科研经费管理需要改进的状况。

沈建中:同济大学最早提出来空化在医学上的应用,在B超或者超声多普勒的应用很广泛。超声多普勒通过打一种图像增强剂即造影剂来测血液的速度。造影剂的结构就是空泡,需要在血液中打一串空泡来进行显影。在空泡的四周糊一层蛋白质,打进去造影,结果这个空泡在那就碎了,就是刚才说的溃灭了就产生高温、高压,就把血管给打出窟窿来了,就腐蚀了。他开头立项研究如何避免在超声作用下造影剂损害人的血管。他立项的时候,几乎异口同声给毙了。多亏基金委的主任对此有所了解,给了他主任基金,作为资金支持。现在研究造影剂的队伍越来越壮大,很多人在重复研究这个东西。这是避免在超声作用下造影剂损害人的血管,第一次将空化应用在医学上,后来有了更多的资金支持,空化的应用也越来越广泛。

何远光:现在有一个非常低噪声的前提,可能有空泡理论在起作用,我来喊一个任务,解决稳定的前提没问题,可以用气泡的办法,空化的办法来解决降噪的问题,这样的话需要再多的资金支持都不是问题。那你的思路能不能转换一下,结合这个研究,解决国家重大的军事问题,然后进一步地把技术理论搞得更清、更透,这样的话可能性会更大一些。

朱 埜:创造鱼雷头部气泡空间,使鱼雷有如在空气中飞行速度,我看是不可能的,因为那意味着你至少要创造有那么大的鱼雷飞行气泡空间。

沈建中:我之前在网上查阅过,俄罗斯研究的那个不同于用声来产生气泡,它是用某种方法相当于是产生气泡的导流罩,进而减少了鱼雷的阻力。音速是1500米/秒,它这个速度是很快的,100米/秒就是相当快的速度,它比美国的那个要快两倍。

我希望咱们所里面能够把这个工作继续下去,未来可以给我们所增光。现在来看真正要弄是很难的,可能的方法还是应用养基础,自己养自己。

桂文庄:你把目标提到核聚变,这个提的有点问题。

沈建中:太高了。

桂文庄:大家非常关心可控核聚变这个事情,你用声学来做这个事情有点不靠谱,你提出这样的目标肯定得不到资金支持。我们讲需要有应用目标,长远的应用目标是需要有研究背景的,研究的结果最后能够在哪里发挥作用,这是一贯思路。我们强调应用技术研究并不是说现在马上见效,但是一定要有长远的目标。我觉得现在咱们国家这个体制,现在这个状态,你需要有一个长远的目标,因为你要是完全说我什么目标都没有,这个研究下去恐怕是非常难以得到支持。

但是我在想咱们国家现在已经发展到新的时期,我们现在提出创新驱动这个目标。我们提出来需要我们的原始创新,如果我们都是比较短视地看到基金发挥作用的东西,这个大目标是实现不了的。在网上查阅到各国投入的技术研究比,咱们现在总的R&D经费大概是非常高的,世界上大概是第三还是第几。但是从构成上面来看,美国、日本、韩国等很多国家,R&D的基础研究大概能占到15%到20%的基础比例,我们国家大概只有百分之几。这就是我们国家的现状,对研究支持力度不够。现在基金委比较重视这些问题了,会支持一些不是大家都同意的情况。但是对这种非常前沿的,现在看不出来有什么结果的研究项目,怎么去支持,现在还是缺乏一个环境的。随着我们国家的发展,随着大家对技术研究的认识的提高,我们知道最近习主席的讲话都谈到了对技术研究的支持,我觉得情况会慢慢变好的。

所以我觉得沈老师刚才提出来的一些困惑和困难的地方,可能在一段时间还会存在,但是这个情况我觉得会逐步好转。声空化的研究,我觉得是不是我们还是踏踏实实把声空化的物理、机理、一些风险搞清楚,很多基础问题都没搞清楚,我们突然一下提出那么大的目标,自然难以得到全方位的支持,所以我们需要把自己的目标提得比较切实一点。目标必须要提出来,有了目标,才会有前进的方向。现在如果声学所能够在这方面有很好的计划,能够来做,这个情况会慢慢改变的。这方面未知的东西太多,但研究的人不太多,国际上没有什么突出成果,这正好是技术研究的特点,我觉得应该去做这件事情。

但是我确实觉得咱们现在为了得到资金支持,往往会故意夸大成果,刚刚有点眉目,便会加大成果的渲染,这种方法不可取,需要改进。

朱厚卿:我提个意见,这一次沈建中讲声空化还有一些值得反思、思考。不只是我们声学所,还有其他所也有很多老年科普,我们已经七八十岁了,比起我们,对年轻人科普显得更加重要。最近所里的年轻人越来越多,科学院能不能办一个老年科普的网站,把各个单位的科普的介绍文章放在网站上,使得大家都可以了解,因为它不仅是科学普及,它有很多思考以及对以后的打算,有了这个科普网站,使得大家不管是老年人还是年轻人都可以去看,普及科学。因为我也听了,我觉得很有启发,有很多帮助,比起我们,对年轻人来讲,我觉得应该更有好处。

第二,沈建中讲超声空化,这个题目有老有新。我记得前两天报道了超声中心的超声空化研究,有个博士叫吴鹏飞,是咱们超声中心的,他把超声空化跟什么东西结合起来我没仔细研究,来扩大它的应用范围进一步研究。沈建中讲了,超声的应用五花八门,但是真正用在大范围、大规模的很少,因为大力的推广很难,尤其空化的强度,空化在小范围里面能空化,大范围比如湖里面做不到空化。

我们退休了,所里提供给我一个房间,我在所里面走走,经常碰到这些问题。大庆油田比较早的油田输油管道,怎么把它稀释降稠能够运过来,现在加个电炉加温烧。咱们有个大课题,关于超声降稠的,在网站上看到说效果非常好,但是对于超声降稠很好我是不相信的。超声空化,一个烧杯里面空化强度很大,能够把原油像沥青那样把它烧化在炉子上面,然后超声波作用,作用了八个小时,冷下来它还是稠的,并没有降,所以我对超生降稠并不是很相信。

沈建中提到超声核聚变,且今年甚至发光大家都能看得见,超声核聚变大家都重复不了,之前做出来的都是假的,他们现在提出来是没有别的思路能够解决这个问题。这些东西我觉得都是很难解决的,因为咱们能解决能源问题就已经很不错了。局部的超声空化是非常有效果的,在细胞粉碎、中药材的提取方面都很有用。但是真正空化的强度怎么来衡量是很困难的问题,这个问题我现在碰到都解决不了。

最早前几年我们科学院有个化冶所,花了十几万从美国买来一台声强计。说明书里面有篇参考文章,是我们西北工业大学一个叫梁兆惠(音)的研究生的硕士论文,他的论文被美国人拿来用了基础研究搞了声强计,实际上把噪声的大小作为声强大小,那个噪声频率很宽,从几K到几兆,所以就弄了这个。这个东西也没有很好地解决,因为我们国内也有生产这个,买来以后解剖完了改进再出口,他现在也出口到美国,当然便宜得多。我用它来做超声空化,并跟化冶所相比较,但也没有解决超声空化的测量。同样的东西,拿它比较,也没有很好地解决。所以超声空化这个问题,到现在为止无论是计量,还是理论上都无法解决。因为超声除了空化以外,它有冲流,就是水像喷泉那样喷,这个理论上也不好解决,数学上也很难。我曾经问过我们声学所的第一把手、第二把手,声学所现在能不能解决这个问题,他们都说现在解决不了。空化还是很难的,但是现在还是有人在不断地研究。这些研究要有效应,还要有投资,他要看效益,这个也很自然,技术研究也有,但是这个到现在为止一直没有好好解决,这是很困难的问题。

对于超声的应用也是很难的。最近我碰到一个烧杯里小范围的空化,这个很容易。真正需要解决的是大范围的空化,那是很难的。你现在到太湖去玩,还能闻到经久不散的臭味。超声的应用空化问题很多,有个人叫沈庄珠(音),他在研究功率超声,他到我这里来,对我说是超声污染,我说小范围的烧杯里面你可以做污染。水一拿来,一看里面有大肠杆菌,很脏的,但是现在你要把水整个都做氯气消毒,你用超声波去消毒做不了的,因为你没那么大的强度。所以沈庄珠(音)弄了半天,最终也没有结果。

超声空化小范围应用有很好的效果,大范围应用很困难。主要是超声空化的强度、范围、计量都很难解决。我想到沈建中讲的内容,能够在网站上让大家看看,让大家有启发,我想对科学的发展有帮助。

桂文庄:我以前对声空化这块确实了解不多。今天听完了之后很受启发,我觉得沈老师讲得非常好,对基础研究来说非常重要。

我们国家已经到了一个新的阶段,这个新的阶段对科学院来说,对我们国家来说应该更加重视基础研究,应该给技术更加宽松的环境,使得它能够发展得更好。另外我也觉得咱们现在整个社会科研的氛围还是有些问题,比方说急功近利、考核文章多少指标等等问题,有量化的考核,考核的越来越厉害。

今天沈老师提的这些问题非常重要。但是我觉得我们还是要把目标定得切实一些,基础研究一定要弄明白我要干什么,要解决什么样的问题。对于这些有可能达到应用的,我们要记得去研究这些东西,要把应用背景说得很切实。我们一步就做到核聚变,这是很难的,我们很难这样做。现在我们确实有一些地方也看到了,为了申请一个好的项目,一点基础研究的东西便夸大的很过分,这样的现象比比皆是。

随着我们社会的发展,我们国家的发展,对技术研究会越来越重视。我们科学院一定要把技术研究做好,我们不要去做和大学相比的完全自由探索式的技术研究,那个没有优势。大学里面人才济济,环境宽松,资金支持比较到位。对科学院来说,技术研究要做比较长远性的部署,将来在某个方面能够有预期的发展结果,这是科学院的特点。

我觉得这次我们的学术沙龙搞得很好,一个是它的题目提得好,题目提的是问题研究的东西,以声空化研究作为一个议题,这个题目是现在问题太多,而且都没有解决的领域,这个领域恰恰是我们一直去研究的。但是要想在声学所形成很庞大的队伍当然很不现实,我们声学所至今还是以国家的主要任务为它的主要工作。但是我们不妨部署一些点去做这些事情,这是前沿的工作,我觉得要做件工作确实不容易。沈老师说了这样的事,因为我们研究的东西,现在还是宏观尺度上的研究。如果声空化要深入到微观尺度上的话,确实会出现非常多的新的东西,而这些东西我们很不熟悉。这些东西该怎么研究,我觉得从我们声学所来考虑,可能还是要考虑怎么去做这件事。

何远光:我离开声学所33年,今天回娘家很亲切。我就谈一些我的体会:今天学术沙龙的成功举办感到十分的可喜可贺。感谢沈建中老师在百忙之中给我们做了如此精彩的报告,受益良多。

想要做好一件事,首先你要有所追求,然后懂得奉献,最后你才能成功。这个哲理,是我们作为科研人员应该遵从的道路,是我们应该继续发扬的风格,也是我们做科研工作的责任。今天沈老师做的报告,填补了我们一些知识的空白,也增长了我们的知识。沈老师在报告里面从技术研究的角度,谈到了技术研究目前遇到的问题和前景,也谈到了现在困难的地方。对于如何克服这些困难,大家提了很多很好的思路。

但是这次沙龙美中也有不足,就是我们在学科发展上的讨论还不太够。全国目前搞空化的科研力量非常弱,只有三个单位。在这种情况下,我们这个学科要怎么发展、怎么布局呢?我们声学所在里面要不要起领头羊的作用?如果我们准备做这个工作,具体应该怎么办?例如我们可以给院里提什么样的好意见来组织全员的力量共同促进学科的发展?或者我们要做什么题目、立什么项目来组织全国的力量或者院里的力量来做这个事情?诸如此类的问题,我觉得在这方面还是稍微有点欠缺,值得更深入的讨论。

另外,这种沙龙最好邀请所领导参加。使所领导了解到我们的意见,给予研究更多的支持。我们这个学科的布局,我们这个学科能不能成为重点,这都是要通过我们的宣传、通过我们的工作才能得到认可。所以还是希望可以请到所领导来亲自参加学术沙龙活动,这样比间接传递要好得多。同时,还要做到老中青相结合,请有影响的院士和专家参加讨论。

朱 埜:我们这些老同志和年轻人在一起工作,有一些矛盾是难免的,但是必须要交流。在沙龙会议上大家可以相互交流,谈谈自己的想法和看法,互相可以争论探讨。沙龙的目的不同于我们老同志聚会的见面发牢骚,我们要有交流,有探讨,在讨论中相互收益。

苏 媛:今天的沙龙圆满结束,感谢各位老师给我们提了很多宝贵的建议,首先是请年轻人来做报告,下次我们一定会留意,并且也一定多多邀请有发言权的院士来参加。还有,一定尽全力去邀请所里领导来参加,还要找懂相关科研的人员一起来,多多参与,才会更深入地了解,给予更多的支持。这些都建议特别好,我和沈老师特别有启发,虚心接受。

最后,我们再次感谢院里的领导还有在座的老同志们!

[返回]

 
查看评论