趣说空泡（13）：空泡砰砰响

张宇宁

生活中，我们可能都有过这样的经历，将一个空瓶放入水中，一串串气泡便不断的从瓶口溢出，并发出“砰砰”的响声。这在生活中是非常司空见惯的现象。为什么空泡的产生会伴随着“砰砰”的声响呢？借助高速摄影技术，我们对其中的物理机制有了更深刻的认识。

当空泡即将脱离瓶口的时候，空泡与瓶口的连接处会形成一个类似于喉部的区域（图一），中间部位随着时间逐渐变细，直到最后完全分离。由于分离的一瞬间的速度非常快，会产生一个朝向空泡的射流（图二），同时发出声响（图三）。这个声响便是我们平时听到的“砰砰”的声音。

图一 空泡与喷口形成的区域[2]

图二 空泡与喷口分离时形成的向上的射流（jet）[2]

图三 空泡与喷口分离瞬间的声场信号和高速摄影图片[2]

此后，空泡会迅速的升起至水面，随后破裂并消失。在这个过程中，空泡与瓶口破裂的一瞬间的强大的作用力使空泡进入震荡状态（即体积随着时间不断震荡），空泡振动过程中也会伴随着声响。空泡的振动频率和空泡大小有关，大空泡的震荡频率较低而小空泡的震荡频率较高。其实，我们有时候听到的肠胃里面咕噜咕噜的声音也是其中气泡破裂时产生的。

空泡的这些现象不仅仅只存在于我们日常生活中，在海洋，医学和声学等研究领域的空泡均有类似的性质。

小实验

采用不同粗细的瓶口（一定程度上控制产生空泡的大小），听一下空泡的声音有何不同。可以在一个小水缸里做此实验，并且采用医院常用的听诊器来放大声音，使其更为容易分辨。

参考文献

[1] BBC 4 Pop! The science of bubbles.Wed 3 Apr 2013 http://www.bbc.co.uk/programmes/p0176phj

[2] Czerski, H., & Deane, G. B. (2010). Contributions to the acoustic excitation of bubbles released from a nozzle. The Journal of the Acoustical Society of America, 128, 2625.

[3] Deane, G. B., & Czerski, H. (2008). A mechanism stimulating sound production from air bubbles released from a nozzle. The Journal of the Acoustical Society of America, 123(6), EL126-EL132.

[4] Zhang, Y. and Li, S. C. (2010). “Notes on radial oscillations of gas bubbles in liquids: Thermal effects,” J. Acoust. Soc. Am. 128, EL306-309. DOI: 10.1121/1.3474220

[5] Zhang, Y. (2013). “Heat transfer across interfaces of oscillating gas bubbles in liquids under acoustic excitation,” International Communications in Heat and Mass Transfer, 43, 1-7. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2013.01.007