基于VOSviewer的聲懸浮技術研究熱點可視化分析

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

聲懸浮技術是利用聲波產生的聲輻射力將物體懸浮在空中的一種技術[1]。與磁懸浮和氣懸浮等其他懸浮技術不同，聲懸浮技術無電磁性能等限制，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的應用范圍更廣泛[2]，特別是對一些特殊應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，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的應用能力，有必要進行相關實驗探索和理論分析。

對國內外聲懸浮技術研究熱點進行了探討，檢索了1975-2021年所有聲懸浮技術的相關研究文獻，通過VOSviewer軟件對已有研究成果進行可視化歸納分析，根據研究結果提出在微生物研究和航空航天等領域中應用聲懸浮技術的設想，為有關行業提供新的應用方向。

1 研究方法與數據來源

采用VOSviewer軟件繪制知識圖譜方法，針對特定的有關聲懸浮技術重要文獻進行關鍵詞共現分析、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，探究聲懸浮技術的研究熱點及發展趨勢，旨在全面分析聲懸浮技術的研究現狀，為進一步開發其應用提供理論依據。

為了確保研究樣本的準確性與合理性，選取CNKI中國知網數據庫中的中文文獻和Web of Science數據庫中的外文文獻為樣本數據源，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篇聲懸浮技術的相關文獻(其中CNKI數據庫219篇中文文獻、WOS數據庫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數據庫導出的Refworks格式文獻，所以利用EndNote X9軟件把中文文獻轉換成RIS格式，再導入VOSviewer作可視化分析，得出聲懸浮技術的研究熱點資料。

2 聲懸浮技術的研究熱點分析

2.1 基于CNKI數據庫的中文文獻可視化分析

2.1.1 聲懸浮技術關鍵詞熱點分析

關鍵詞是論文內容的中心點，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鍵詞共現知識圖譜，能夠清楚呈現該領域的研究熱點及其相關性，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現該研究熱點的相關性結構分布，節點標簽越大則表示關鍵詞出現的頻數越多[6]。從1986-2021年CNKI數據庫相關聲懸浮研究的中文文獻來看，共有564個關鍵詞，對這些關鍵詞進行頻次統計，其中頻次2次以上的關鍵詞共計123個，頻次7次以上的高頻關鍵詞有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”“無容器處理”“聲懸浮裝置”是我國聲懸浮研究的熱點關鍵詞。

表1 CNKI數據庫關于聲懸浮研究的中文文獻 關鍵詞共現分布(頻次≥7)

對出現頻次2次以上的關鍵詞進行二次篩選，剔除與本研究無關的關鍵詞，最終得到118個關鍵詞，對這些關鍵詞進行共現可視化分析，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系，兩者聯系越密切連線越粗，反之則越細。整個關鍵詞共現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域的研究熱點有(見圖1)：利用聲懸浮裝置的優化設計來提升懸浮能力，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，利用超聲懸浮實現液滴的非接觸式操控。其中聲懸浮關鍵詞附近顯示了共晶生長、失重和微重力環境、納米流體、非接觸、無容器處理等關鍵詞，結合文獻閱讀分析可知，我國已有少量學者基于聲懸浮技術在不同領域的處理應用有了一定的研究基礎。

圖1 CNKI數據庫關于聲懸浮研究的中文文獻 關鍵詞共現聚類知識圖譜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研究，總聯系強度在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名作者聯系較為緊密，劃分為7個聚類，總聯系強度為92，合作時間較長，24名作者均來自西北工業大學的不同院系，且與其他作者之間未形成合作關系網。其中解文軍的發文量高達18篇，對該領域的研究較為深入，文獻內容既涉及聲懸浮的理論設計研究和實驗模擬分析，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律研究[9]，研究成果產出豐富。說明西北工業大學在我國聲懸浮技術的研究中具有重要地位，但也側面反映出我國聲懸浮領域的作者合作情況局限在某一特定圈子，在全國范圍內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的研究熱點發展趨勢，通過VOSviewer繪制關鍵詞共現時間軸疊加圖譜(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點，顏色由藍色(2006年)漸變為紅色(2014年)，參考相關文獻可知，1986-2006年的研究熱點以聲懸浮技術的理論研究和應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化設計和模擬分析為主；2011-2014年的研究熱點以聲懸浮條件下液滴的振蕩規律研究和近場聲懸浮的模態分析為主；2015-2021年的研究熱點以聲懸浮的不同應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年還出現了二維聲懸浮演示儀的實驗設計這一研究熱點，表明該領域研究正趨向多元化，可見對聲懸浮技術在不同領域的應用研究將成為未來的熱點。

圖3 CNKI數據庫關于聲懸浮研究的中文文獻 關鍵詞共現時間軸疊加圖譜Fig.3 Time axis overlay map of keywords co-occurrence in Chinese literature on acoustic levitation in CNKI database

2.2 基于WOS數據庫的外文文獻可視化分析

2.2.1 發文量年度分布情況

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

圖4 WOS數據庫聲懸浮領域外文文獻發文數量趨勢圖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/地區在聲懸浮領域發表相關研究文獻，文獻產出數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)。通過對國家合作網絡行可視化分析得知，合作關系密切的國家都集中在2010年之后，其中美國—中國合作關系最密切(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域正展開積極研究探討，與世界各國有著緊密的學術合作交流(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 關鍵詞共現分析

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

以關鍵詞出現的時間節點為依據，對選取的114個關鍵詞繪制共現時間軸疊加圖譜(見圖7)，圖中不同的節點顏色代表關鍵詞出現的年份，黃色代表近年來新出現的關鍵詞。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鍵詞。高頻熱點關鍵詞少且單一，說明聲懸浮技術的研究應用還不夠廣泛。

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

圖6 WOS數據庫關于聲懸浮研究的英文文獻關鍵詞共現聚類圖譜Fig.6 Keywords co-occurrence clustering map of English literature on acoustic levitation in WOS database

圖7 WOS數據庫關于聲懸浮研究的英文文獻關鍵詞共現時間軸疊加圖譜Fig.7 Keywords co-occurrence time axis superposition map of English literature on acoustic levitation research in WOS database

3 聲懸浮技術的應用前景

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

3.1 無接觸處理

無接觸清掃儀。利用聲懸浮技術設計無接觸清掃儀，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，針對不同的設備設定特定的清掃軌跡。利用無接觸清掃儀+機械自動化技術引導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和環境的要求。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，可應用于易碎部件的非接觸拾取和放置等領域。因駐波聲懸浮在徑向和軸向分量上的力都會表現出回復力的特性，利用該特性，當被搬運物相對其平衡位置(穩定懸浮位置)產生偏移時，回復力會使得物體回到平衡位置[12]。利用駐波聲懸浮能夠實現無接觸式搬運物體，可利用信息技術實現遠程操作，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無接觸交接轉換。

無接觸處理平臺。聲懸浮技術可以用于生產強腐蝕性藥物、無定型藥物和具有增強溶解度的非晶態藥物。處理有害液體生產的工廠利用超聲駐波懸浮技術，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，實現液體的無接觸式融合、分離和轉換等。

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。可利用聲懸浮技術加以機械臂搖桿操控設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 航天航空應用

航天航空領域中，空間材料科學成為新興學科。聲懸浮技術能夠克服重力和電磁干擾，模擬外太空的超常環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境下晶體的結晶、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境。可長期模擬太空環境中的無容器、微重力狀態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，完成太空環境的預設實驗，為星際分子生物學研究提供實驗環境。

4 結語

基于VOSviewer軟件對國內外聲懸浮技術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文量年度分布、文獻作者合作、文獻國家分布及合作和關鍵詞共現分析，作出對應的可視化圖譜，歸納出聲懸浮技術的研究熱點，為研究者提供了研究方向。根據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用前景，以期促進聲懸浮技術的應用。