Acoustic control of Rayleigh-regime liquid-jet breakup using a through-hole MHz transducer

想象一下，一束水流正从水龙头中倾泻而下。起初，它看起来像一根平滑、坚实的柱体，但随着向下坠落，其表面逐渐生长出肉眼可见的涟漪，直到水流断裂成一个个独立的液滴。这种液体射流自然破碎的倾向是流体物理学中的一个基本法则，由表面张力驱动，这种张力试图将液体的表面积缩小到最小形状。科学家和工程师长期以来一直试图控制这一过程。无论是设计发动机的燃油喷射器、制造精密喷墨打印机，还是产生医疗喷雾，能够精确控制液体射流何时以及如何破碎，可能意味着在精细均匀的薄雾与混乱且低效的喷雾之间做出抉择。几十年来，研究人员尝试通过机械振动、电场或磁力来强制这种破碎，但每种方法通常都需要特定的流体特性或复杂的硬件，从而限制了其应用。

现在，一组研究人员展示了一种利用声音来控制这种破碎的新方法，具体而言是使用远超人类听觉范围的高频声波。通过在喷嘴出口处放置一个微小的振动圆盘，他们能够缩短液体射流在破碎成液滴之前所行进的距离。这种技术对普通的水以及更粘稠的混合物都有效，提供了一种紧凑且多功能的工具来操纵液体射流，而无需改变流体的化学成分，也无需向液体中添加电荷。这项研究表明，这种效应并非简单的“摇晃水流”，它涉及声波沿射流传播的方式、液体润湿喷嘴的方式以及液体流动的速度之间复杂的相互作用。

研究人员使用了一片名为铌酸锂的晶体制造了一个专门的喷嘴，这种晶体具有在施加电信号时发生振动的独特能力。他们在该晶体中心钻了一个孔作为液体出口，从而有效地使喷嘴本身成为振动源。当他们通过这个装置泵入水并开启一个频率为670万次/秒的电信号时，晶体开始剧烈振动。这种振动将声波直接发射到离开孔口的液体中。利用一台每秒能捕捉5ธาน图像的高速摄像机，团队观察了发生的情况。在没有声音的情况下，水流在破碎前会行进一段可预测的距离。当声音开启时，水流表面出现了可见的涟漪，并更早地破碎，有时甚至将行进距离缩短了一半。

然而，水的行为并非简单的“声音越大等于射流越短”的关系。研究人员发现，声音只有在达到一定强度后才有效，就像一个将射流切换到新状态的开关。在低于此阈值时，声音几乎没有影响。一旦声音足够强，射流就会显著缩短。但如果声音过强，缩短效应就会减弱，射流反而会略微变长。这表明声音不仅仅是在摇晃水，它是在触发一种有极限的特定物理反应。团队还发现，水的流动速度至关重要。当水流速较慢时，声音在缩短射流方面非常有效。当水流速较快时，声音的效果变得不那么显著，射ло的行为变得更接近于没有声音时的状态。这是因为流速较快的水在声波的影响下停留的时间较短，使得涟漪没有足够的时间生长到足以破碎射流的大小。

一项令人惊讶且至关重要的发现涉及液体与喷嘴本身的相互作用。研究人员注意到，当声音开启时，水倾向于向外扩散并涂覆在喷嘴底部，这种现象被称为“润湿”。为了测试这种润湿仅仅是副作用还是过程的关键部分，他们进行了实验：有些实验中他们仔细清除了湿润的涂层，另一些实验中则故意在底部增加了额外的水。他们发现，仅靠潮湿的喷嘴底部就能缩短射流，即使在没有声音的情况下也是如此。这意味着声音很可能有助于水的扩散，而这种扩散反过来有助于声波更有效地将能量传递到射流中。总效应是声波推动液体表面、液体在喷嘴上的扩散以及由此产生的涟漪不断生长直至射流断裂的综合结果。

团队还测试了更粘稠的液体，通过将水与甘油（一种常见的糖浆和乳液成分）混合。这些较粘稠的流体表现得不同。它们并没有等待特定的声音阈值触发，而是在开启声音后，即使在低音量下也会立即缩短射流。这表明，控制破碎的物理机制取决于液体的粘稠度或“黏性”。虽然水需要特定的推力才能启动这一过程，但较粘稠的液体对声音的反应则更加直接和即时。尽管存在这些差异，声音成功缩短了所有测试流体的破碎长度，证明了这种方法在各种液体类型中的稳健性。

最后，研究人员观察了射流破碎后形成的液滴。他们追踪了穿过摄像机视野中虚拟线的可见液滴大小。他们发现，声音改变了这些液滴的分布，创造了与无强迫射流不同的尺寸分布。然而，他们谨慎地指出，他们的摄像机只能看到一定尺寸以上的液滴。声音很可能也产生了一层细小的、肉眼不可见的微米级雾滴，但那些液滴太小，无法被他们的设备测量。可见液滴的大小并不仅仅随着声音增加而呈线性缩小；相反，液滴尺寸的模式发生了复杂的偏移，这表明声音改变的是整个破碎过程，而不仅仅是缩小最终的碎片。

这项工作建立了一种利用高频声波控制液体射流破碎的新型紧凑方式。通过将声源直接集成到喷嘴中，研究人员创建了一个小型、高效且适用于各种液体的系统，无需特殊的化学或电学特性。研究结果表明，虽然这种效应很强大，但它对流速、液体粘度和液体润湿喷嘴的方式非常敏感。对于依赖精确喷雾形成的行业，如印刷或医疗领域，这提供了一种调节液体射流的新工具，只要管理好流动条件即可。该研究并不声称已经解决了喷雾形成的所有问题，但它提供了一种清晰、可重复的缩短射流的方法，并提供了关于声音、润湿和流体速度如何相互作用以塑造液滴世界的全新理解。