李佳慧，林釗瀚，吳偉東，王寧星

(廣州工商學院工學院，廣東 佛山 528137)

0 引言

聲懸浮技術(shù)是利用聲波產(chǎn)生的聲輻射力將物體懸浮在空中的一種技術(shù)[1]。與磁懸浮和氣懸浮等其他懸浮技術(shù)不同，聲懸浮技術(shù)無電磁性能等限制，也不需要壓縮氣體，懸浮物不受電阻率、絕緣強度、磁導(dǎo)率等物理性能限制，理論上對實驗試樣的材料無任何限制，這也意味著聲懸浮技術(shù)的應(yīng)用范圍更廣泛[2]，特別是對一些特殊應(yīng)用問題的處理具有一定的意義。聲懸浮原理簡單，其裝置的控制電路容易實現(xiàn)，因此有諸多學者對此進行探討[3-4]。但要想提升聲懸浮技術(shù)的應(yīng)用能力，有必要進行相關(guān)實驗探索和理論分析。

對國內(nèi)外聲懸浮技術(shù)研究熱點進行了探討，檢索了1975-2021年所有聲懸浮技術(shù)的相關(guān)研究文獻，通過VOSviewer軟件對已有研究成果進行可視化歸納分析，根據(jù)研究結(jié)果提出在微生物研究和航空航天等領(lǐng)域中應(yīng)用聲懸浮技術(shù)的設(shè)想，為有關(guān)行業(yè)提供新的應(yīng)用方向。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

采用VOSviewer軟件繪制知識圖譜方法，針對特定的有關(guān)聲懸浮技術(shù)重要文獻進行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析、作者合作分析及國家分布合作分析，并分別繪制中英文文獻的可視化圖譜[5]，同時利用時間軸疊加圖譜，探究聲懸浮技術(shù)的研究熱點及發(fā)展趨勢，旨在全面分析聲懸浮技術(shù)的研究現(xiàn)狀，為進一步開發(fā)其應(yīng)用提供理論依據(jù)。

為了確保研究樣本的準確性與合理性，選取CNKI中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中的中文文獻和Web of Science數(shù)據(jù)庫中的外文文獻為樣本數(shù)據(jù)源，分別以“聲懸浮”和“acoustic levitation”為主題進行檢索，剔除科普性文章，最終選定1 108篇聲懸浮技術(shù)的相關(guān)文獻(其中CNKI數(shù)據(jù)庫219篇中文文獻、WOS數(shù)據(jù)庫889篇英文文獻)作為研究對象，文獻的總時間跨度為1975-2021年。由于VOSviewer軟件無法直接識別CNKI數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出的Refworks格式文獻，所以利用EndNote X9軟件把中文文獻轉(zhuǎn)換成RIS格式，再導(dǎo)入VOSviewer作可視化分析，得出聲懸浮技術(shù)的研究熱點資料。

2 聲懸浮技術(shù)的研究熱點分析

2.1 基于CNKI數(shù)據(jù)庫的中文文獻可視化分析

2.1.1 聲懸浮技術(shù)關(guān)鍵詞熱點分析

關(guān)鍵詞是論文內(nèi)容的中心點，能直觀準確地反映文獻論述或表達的主題，因此對不同的文獻繪制關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜，能夠清楚呈現(xiàn)該領(lǐng)域的研究熱點及其相關(guān)性，所得的聚類圖由不同的聚類交叉疊加形成。不同的聚類用不同的顏色表示，通過每個聚類的中心聚點可以發(fā)現(xiàn)該研究熱點的相關(guān)性結(jié)構(gòu)分布，節(jié)點標簽越大則表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻數(shù)越多[6]。從1986-2021年CNKI數(shù)據(jù)庫相關(guān)聲懸浮研究的中文文獻來看，共有564個關(guān)鍵詞，對這些關(guān)鍵詞進行頻次統(tǒng)計，其中頻次2次以上的關(guān)鍵詞共計123個，頻次7次以上的高頻關(guān)鍵詞有16個(見表1)。由表1可看出“聲懸浮”“聲輻射力”“超聲懸浮”“聲懸浮技術(shù)”“無容器處理”“聲懸浮裝置”是我國聲懸浮研究的熱點關(guān)鍵詞。

表1 CNKI數(shù)據(jù)庫關(guān)于聲懸浮研究的中文文獻 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分布(頻次≥7)

對出現(xiàn)頻次2次以上的關(guān)鍵詞進行二次篩選，剔除與本研究無關(guān)的關(guān)鍵詞，最終得到118個關(guān)鍵詞，對這些關(guān)鍵詞進行共現(xiàn)可視化分析，共獲得聚類12個，相同顏色的屬于同一個聚類，連線的粗細代表兩者之間的聯(lián)系，兩者聯(lián)系越密切連線越粗，反之則越細。整個關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類知識圖譜以聲懸浮為核心，呈散射狀分布，反映當前我國聲懸浮領(lǐng)域的研究熱點有(見圖1)：利用聲懸浮裝置的優(yōu)化設(shè)計來提升懸浮能力，超聲駐波懸浮的懸浮特性與仿真實驗研究，基于近場聲懸浮的非接觸式應(yīng)用分析，液滴在聲懸浮條件下的特性研究，利用超聲懸浮實現(xiàn)液滴的非接觸式操控。其中聲懸浮關(guān)鍵詞附近顯示了共晶生長、失重和微重力環(huán)境、納米流體、非接觸、無容器處理等關(guān)鍵詞，結(jié)合文獻閱讀分析可知，我國已有少量學者基于聲懸浮技術(shù)在不同領(lǐng)域的處理應(yīng)用有了一定的研究基礎(chǔ)。

圖1 CNKI數(shù)據(jù)庫關(guān)于聲懸浮研究的中文文獻 關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類知識圖譜Fig.1 Chinese literature keyword co-occurrence clustering knowledge map of acoustic levitation research in CNKI database

2.1.2 作者合作分析

從作者合作情況來看，共有381名作者參與聲懸浮技術(shù)研究，總聯(lián)系強度在10以上的作者共計19名，對作者合作情況作可視化分析，僅有24名作者聯(lián)系較為緊密，劃分為7個聚類，總聯(lián)系強度為92，合作時間較長，24名作者均來自西北工業(yè)大學的不同院系，且與其他作者之間未形成合作關(guān)系網(wǎng)。其中解文軍的發(fā)文量高達18篇，對該領(lǐng)域的研究較為深入，文獻內(nèi)容既涉及聲懸浮的理論設(shè)計研究和實驗?zāi)M分析，又涉及在聲懸浮條件下對Bi-Ga過偏晶合金[7]、Ag-Cu共晶合金的液相分離和無容器凝固研究[8]，還有對液滴的扇諧振蕩流動規(guī)律研究[9]，研究成果產(chǎn)出豐富。說明西北工業(yè)大學在我國聲懸浮技術(shù)的研究中具有重要地位，但也側(cè)面反映出我國聲懸浮領(lǐng)域的作者合作情況局限在某一特定圈子，在全國范圍內(nèi)未形成較大的合作圈。

圖2 作者合作可視化圖譜Fig.2 Author collaboration visualization atlas

2.1.3 研究熱點趨勢

為進一步了解我國聲懸浮技術(shù)的研究熱點發(fā)展趨勢，通過VOSviewer繪制關(guān)鍵詞共現(xiàn)時間軸疊加圖譜(見圖3)可以看到，在時間軸疊加圖譜中以2010年為時間軸中心跨度節(jié)點，顏色由藍色(2006年)漸變?yōu)榧t色(2014年)，參考相關(guān)文獻可知，1986-2006年的研究熱點以聲懸浮技術(shù)的理論研究和應(yīng)用于無容器處理的實驗研究為主；2007-2010年的研究熱點以單軸超聲懸浮裝置的優(yōu)化設(shè)計和模擬分析為主；2011-2014年的研究熱點以聲懸浮條件下液滴的振蕩規(guī)律研究和近場聲懸浮的模態(tài)分析為主；2015-2021年的研究熱點以聲懸浮的不同應(yīng)用研究和聲懸浮條件下氧化石墨烯納米流體的特性研究為主，2020年還出現(xiàn)了二維聲懸浮演示儀的實驗設(shè)計這一研究熱點，表明該領(lǐng)域研究正趨向多元化，可見對聲懸浮技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究將成為未來的熱點。

圖3 CNKI數(shù)據(jù)庫關(guān)于聲懸浮研究的中文文獻 關(guān)鍵詞共現(xiàn)時間軸疊加圖譜Fig.3 Time axis overlay map of keywords co-occurrence in Chinese literature on acoustic levitation in CNKI database

2.2 基于WOS數(shù)據(jù)庫的外文文獻可視化分析

2.2.1 發(fā)文量年度分布情況

在Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫中選取所有年份(1900-2022年)為時間跨度，以“acoustic levitation”為主題進行檢索，剔除2022年新發(fā)表的文獻4篇，共獲得889篇文獻，最早發(fā)表于1975年(1篇)，主要介紹了使用聲懸浮的亞穩(wěn)態(tài)液體的特性[10]。從WOS數(shù)據(jù)庫聲懸浮領(lǐng)域發(fā)文趨勢(見圖4)來看，聲懸浮技術(shù)的發(fā)展可分為三個階段：一是研究起步期，1975-2001年總發(fā)文135篇(15.2%)，年均發(fā)文量5篇。二是緩慢增長期，2002-2015年總發(fā)文359篇(40.4%)，年均發(fā)文量25.64篇。三是快速成長期，2016-2021年總發(fā)文395篇(44.4%)，年均發(fā)文量65.84篇，呈倍數(shù)增長。這樣的發(fā)展趨勢有效反映了聲懸浮技術(shù)的研究應(yīng)用越來越受到科研工作者的關(guān)注。

圖4 WOS數(shù)據(jù)庫聲懸浮領(lǐng)域外文文獻發(fā)文數(shù)量趨勢圖Fig.4 Trend chart of the number of foreign literature published in the field of acoustic levitation in WOS database

2.2.2 文獻國家分布及合作情況分析

在1975-2021年的889篇英文文獻中，全球共有44個國家/地區(qū)在聲懸浮領(lǐng)域發(fā)表相關(guān)研究文獻，文獻產(chǎn)出數(shù)量由多到少排名前五位的國家依次是美國(USA，197篇)、中國(China，194篇)、日本(Japan，124篇)、德國(Germany，119篇)和英國(England，66篇)。通過對國家合作網(wǎng)絡(luò)行可視化分析得知，合作關(guān)系密切的國家都集中在2010年之后，其中美國—中國合作關(guān)系最密切(合作強度為75)，中國與世界各國的研究合作主要集中在2014年之后，表明中國近年來在聲懸浮領(lǐng)域正展開積極研究探討，與世界各國有著緊密的學術(shù)合作交流(見圖5)。

圖5 國家合作分布可視化圖譜Fig.5 Visualization map of national cooperation distribution

2.2.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

通過對1975-2021年WOS數(shù)據(jù)庫的英文文獻author keywords進行分析，共獲得1 350個關(guān)鍵詞，其中頻次10次以上的關(guān)鍵詞共計14個，其中“acoustic levitation”“l(fā)evitation”“acoustic radiation force”“near-field acoustic levitation”“squeeze film”等是世界各國關(guān)于聲懸浮研究的熱點關(guān)鍵詞。選取最小出現(xiàn)頻次≥3的關(guān)鍵詞繪制可視化聚類圖譜(見圖6)，最終得到114個關(guān)鍵詞，共形成14個聚類，對各個聚類的關(guān)鍵詞進行歸納總結(jié)，可得出表2所示的幾個研究熱點主題。

以關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間節(jié)點為依據(jù)，對選取的114個關(guān)鍵詞繪制共現(xiàn)時間軸疊加圖譜(見圖7)，圖中不同的節(jié)點顏色代表關(guān)鍵詞出現(xiàn)的年份，黃色代表近年來新出現(xiàn)的關(guān)鍵詞。由圖7可知，“ultrasonic phased array(超聲相控陣)”“phased array(相控陣)”“phased arrays(相控陣)”“single droplet drying(單液滴干燥)”是2020年以來的研究熱點關(guān)鍵詞。高頻熱點關(guān)鍵詞少且單一，說明聲懸浮技術(shù)的研究應(yīng)用還不夠廣泛。

表2 不同聚類對應(yīng)的歸納主題(基于VOSviewer)Tab.2 Inductive topics corresponding to different clusters (Based on VOSviewer)

圖6 WOS數(shù)據(jù)庫關(guān)于聲懸浮研究的英文文獻關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類圖譜Fig.6 Keywords co-occurrence clustering map of English literature on acoustic levitation in WOS database

圖7 WOS數(shù)據(jù)庫關(guān)于聲懸浮研究的英文文獻關(guān)鍵詞共現(xiàn)時間軸疊加圖譜Fig.7 Keywords co-occurrence time axis superposition map of English literature on acoustic levitation research in WOS database

3 聲懸浮技術(shù)的應(yīng)用前景

通過對聲懸浮技術(shù)相關(guān)研究文獻的梳理，可知其合作研究仍存在局限性，很多領(lǐng)域還未研究開發(fā)[11]，基于上述研究提出以下幾項應(yīng)用前景：

3.1 無接觸處理

無接觸清掃儀。利用聲懸浮技術(shù)設(shè)計無接觸清掃儀，可避免接觸被清潔物和吸塵器類的氣流。還可以利用無接觸清掃儀+機械自動化技術(shù)，針對不同的設(shè)備設(shè)定特定的清掃軌跡。利用無接觸清掃儀+機械自動化技術(shù)引導(dǎo)機器人或機器手臂在整個場所展開有序清掃，以滿足精密儀器對保養(yǎng)和環(huán)境的要求。無接觸清掃儀也可以用于清潔一些易損脆弱的珍貴文物。

無接觸式搬運。這是在不接觸被搬運物的情況下移動物體，可應(yīng)用于易碎部件的非接觸拾取和放置等領(lǐng)域。因駐波聲懸浮在徑向和軸向分量上的力都會表現(xiàn)出回復(fù)力的特性，利用該特性，當被搬運物相對其平衡位置(穩(wěn)定懸浮位置)產(chǎn)生偏移時，回復(fù)力會使得物體回到平衡位置[12]。利用駐波聲懸浮能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸式搬運物體，可利用信息技術(shù)實現(xiàn)遠程操作，進行定向無接觸式搬運物體[13]，使物體不受損傷。還可以利用兩套聲懸浮裝置實現(xiàn)無接觸交接轉(zhuǎn)換。

無接觸處理平臺。聲懸浮技術(shù)可以用于生產(chǎn)強腐蝕性藥物、無定型藥物和具有增強溶解度的非晶態(tài)藥物。處理有害液體生產(chǎn)的工廠利用超聲駐波懸浮技術(shù)，可搭建聲懸浮可控超聲聚焦平臺，再配合電路控制聲波信號，使液滴懸浮移動，實現(xiàn)液體的無接觸式融合、分離和轉(zhuǎn)換等。

3.2 微生物研究

以昆蟲實驗室為例，微小生物體積小、重量較輕，容易被聲懸浮捕獲。可利用聲懸浮技術(shù)加以機械臂搖桿操控設(shè)計聲懸浮昆蟲捕捉儀[14]，使昆蟲被聲勢阱捕捉，昆蟲等微小生物懸浮在空中且無法移動，研究員可以通過搖桿實現(xiàn)昆蟲無接觸式漂浮移動，將其放置在顯微鏡等指定的研究儀器上操作。與人為接觸式昆蟲捕捉不同的是，聲懸浮技術(shù)能夠降低捕捉難度，使微小生物不被損傷。還可利用聲懸浮微小生物體重儀得出其重量。

3.3 航天航空應(yīng)用

航天航空領(lǐng)域中，空間材料科學成為新興學科。聲懸浮技術(shù)能夠克服重力和電磁干擾，模擬外太空的超常環(huán)境進行空間材料科學研究分析[15]。例如：可研究無重力和電磁力環(huán)境下晶體的結(jié)晶、超大分子鏈的形成等，為新型材料的研究提供適宜的實驗環(huán)境?？砷L期模擬太空環(huán)境中的無容器、微重力狀態(tài)和星際航行中微生物、細胞、細菌、病毒、DNA、RNA等的繁衍演變或基因改變等，完成太空環(huán)境的預(yù)設(shè)實驗，為星際分子生物學研究提供實驗環(huán)境。

4 結(jié)語

基于VOSviewer軟件對國內(nèi)外聲懸浮技術(shù)的研究文獻進行可視化計量分析，針對中英文文獻分別進行發(fā)文量年度分布、文獻作者合作、文獻國家分布及合作和關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，作出對應(yīng)的可視化圖譜，歸納出聲懸浮技術(shù)的研究熱點，為研究者提供了研究方向。根據(jù)這些資料提出了在無接觸處理、微生物研究和航天航空等方面的應(yīng)用前景，以期促進聲懸浮技術(shù)的應(yīng)用。