對聲空化效應的應用綜述論文

　　1.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年以來就開始使用主動聲納(原理見圖9)。中頻聲納頻率為1~10kHz;低頻聲納頻率小于1kHz。主動聲納的主要原理是首先由聲納發(fā)射出探測信號,然后通過接收探測信號遇到物體反射回來的反射波對目標進行分析(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,比如可能會引起海洋生物的恐慌和干擾其回聲定位系統(tǒng)等。這里主要講述的是與聲空化相關的效應。近些年來,人們發(fā)現(xiàn)很多的海洋生物(主要是鯨魚和海豚等)擱淺事件與海軍的軍事演習在時間和空間上有著很強的關聯(lián)。2002年9月24日,有10個國家參與的北大西洋公約組織的代號為“NeoTapon2012”的國際海軍演習在西班牙加那利群島(CanaryIslands)附近進行。在使用主動聲納4小時后,演習地點附近發(fā)現(xiàn)有14頭不同種類的海洋生物擱淺(圖10)。隨后,科學家通過解剖擱淺的海洋生物尸體(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內(尤其是肝臟),發(fā)現(xiàn)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50~750m之間)的存在可能導致海洋生物的肝臟組織被壓縮,血管膨脹,局部出血和嚴重的細胞壞死等。那么這些不正常的空泡到底是從哪里來的呢?這些空泡又是如何影響鯨魚等海洋生物的正常活動呢?學術界有兩種解釋:第一種解釋認為鯨魚受到聲納的噪音等驚嚇,快速浮上水面造成類似于潛水病的癥狀。但近年來的一些后續(xù)研究并不支持此觀點。在一次測試中,科學家給一頭突吻鯨貼上了“標簽”,并跟蹤其在聲納使用過程中的行為。實驗表明,該鯨魚緩慢下潛,然后停止其進食活動,遠離聲源,并最終浮上水面。這與之前科學家所推測的鯨魚會在聲吶的干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(huán)境中和高功率的聲場作用下的增長有關。人們很早就發(fā)現(xiàn)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閾值。當聲場強度高于此閾值時,空泡增長;當聲場的強度低于此閾值時,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閾值。當周圍的流體中的氣體處于過飽和狀態(tài)時,空泡的增長速度將顯著加快。理論推測,在深海動物中,氮氣在組織中的過飽和度將達到300%。在這樣高的過飽和度環(huán)境中,在聲納的作用下極可能激發(fā)空泡的迅速增長和振蕩�？张菡袷庍^程中產生的強大的破壞力可以造成海洋生物內部組織的損傷(圖11),最終導致海洋生物擱淺的悲劇。盡管獲取上述理論的直接證據(jù)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。由于海洋生物在聲納作用下擱淺的問題非常發(fā)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,學術界仍存在爭論,尚無普遍接受的觀點。

　　2.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,但不同形態(tài)的單質)。碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)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將一萬多個碳納米管制作的晶體管精確地放置在了一顆芯片內,并通過了可行性測試,邁出了納米材料取代硅的第一步。工業(yè)生產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)。由于碳納米管的直徑很小(一般在1~20nm范圍),傳統(tǒng)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20kHz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(fā)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產生作用力,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產生的流場下的動力學行為有顯著區(qū)別(圖14):短碳納米管:在空泡流場的作用下會發(fā)生旋轉,長度的方向與空泡的徑向一致。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,從而導致最終被切斷。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致。由于流場的作用,碳納米管被壓曲,從而導致斷裂。上述兩種不同的作用機理將導致不同長度的碳納米管在相同聲場參數(shù)的作用下被切割的速率不同。通過對聲場的參數(shù)和其作用時間的調節(jié),采用這種技術可以從宏觀上控制碳納米管簇(統(tǒng)計意義上)的長度等參數(shù)。該項技術仍在進一步研發(fā)和完善中。

　　3.結束語

　　由于篇幅所限,本文僅從聲空化眾多應用中選取三例做簡要介紹。近些年來,基于聲空化效應的醫(yī)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(xiàn)也為聲空化這一傳統(tǒng)領域的研究增添了新的活力和動力。

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