基于VOSviewer的声悬浮技术研究热点可视化分析

李佳慧，林钊瀚，吴伟东，王宁星

(广州工商学院工学院，广东 佛山 528137)

0 引言

声悬浮技术是利用声波产生的声辐射力将物体悬浮在空中的一种技术[1]。与磁悬浮和气悬浮等其他悬浮技术不同，声悬浮技术无电磁性能等限制，也不需要压缩气体，悬浮物不受电阻率、绝缘强度、磁导率等物理性能限制，理论上对实验试样的材料无任何限制，这也意味着声悬浮技术的应用范围更广泛[2]，特别是对一些特殊应用问题的处理具有一定的意义。声悬浮原理简单，其装置的控制电路容易实现，因此有诸多学者对此进行探讨[3-4]。但要想提升声悬浮技术的应用能力，有必要进行相关实验探索和理论分析。

对国内外声悬浮技术研究热点进行了探讨，检索了1975-2021年所有声悬浮技术的相关研究文献，通过VOSviewer软件对已有研究成果进行可视化归纳分析，根据研究结果提出在微生物研究和航空航天等领域中应用声悬浮技术的设想，为有关行业提供新的应用方向。

1 研究方法与数据来源

采用VOSviewer软件绘制知识图谱方法，针对特定的有关声悬浮技术重要文献进行关键词共现分析、作者合作分析及国家分布合作分析，并分别绘制中英文文献的可视化图谱[5]，同时利用时间轴叠加图谱，探究声悬浮技术的研究热点及发展趋势，旨在全面分析声悬浮技术的研究现状，为进一步开发其应用提供理论依据。

为了确保研究样本的准确性与合理性，选取CNKI中国知网数据库中的中文文献和Web of Science数据库中的外文文献为样本数据源，分别以“声悬浮”和“acoustic levitation”为主题进行检索，剔除科普性文章，最终选定1 108篇声悬浮技术的相关文献(其中CNKI数据库219篇中文文献、WOS数据库889篇英文文献)作为研究对象，文献的总时间跨度为1975-2021年。由于VOSviewer软件无法直接识别CNKI数据库导出的Refworks格式文献，所以利用EndNote X9软件把中文文献转换成RIS格式，再导入VOSviewer作可视化分析，得出声悬浮技术的研究热点资料。

2 声悬浮技术的研究热点分析

2.1 基于CNKI数据库的中文文献可视化分析

2.1.1 声悬浮技术关键词热点分析

关键词是论文内容的中心点，能直观准确地反映文献论述或表达的主题，因此对不同的文献绘制关键词共现知识图谱，能够清楚呈现该领域的研究热点及其相关性，所得的聚类图由不同的聚类交叉叠加形成。不同的聚类用不同的颜色表示，通过每个聚类的中心聚点可以发现该研究热点的相关性结构分布，节点标签越大则表示关键词出现的频数越多[6]。从1986-2021年CNKI数据库相关声悬浮研究的中文文献来看，共有564个关键词，对这些关键词进行频次统计，其中频次2次以上的关键词共计123个，频次7次以上的高频关键词有16个(见表1)。由表1可看出“声悬浮”“声辐射力”“超声悬浮”“声悬浮技术”“无容器处理”“声悬浮装置”是我国声悬浮研究的热点关键词。

表1 CNKI数据库关于声悬浮研究的中文文献 关键词共现分布(频次≥7)

对出现频次2次以上的关键词进行二次筛选，剔除与本研究无关的关键词，最终得到118个关键词，对这些关键词进行共现可视化分析，共获得聚类12个，相同颜色的属于同一个聚类，连线的粗细代表两者之间的联系，两者联系越密切连线越粗，反之则越细。整个关键词共现聚类知识图谱以声悬浮为核心，呈散射状分布，反映当前我国声悬浮领域的研究热点有(见图1)：利用声悬浮装置的优化设计来提升悬浮能力，超声驻波悬浮的悬浮特性与仿真实验研究，基于近场声悬浮的非接触式应用分析，液滴在声悬浮条件下的特性研究，利用超声悬浮实现液滴的非接触式操控。其中声悬浮关键词附近显示了共晶生长、失重和微重力环境、纳米流体、非接触、无容器处理等关键词，结合文献阅读分析可知，我国已有少量学者基于声悬浮技术在不同领域的处理应用有了一定的研究基础。

图1 CNKI数据库关于声悬浮研究的中文文献 关键词共现聚类知识图谱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

从作者合作情况来看，共有381名作者参与声悬浮技术研究，总联系强度在10以上的作者共计19名，对作者合作情况作可视化分析，仅有24名作者联系较为紧密，划分为7个聚类，总联系强度为92，合作时间较长，24名作者均来自西北工业大学的不同院系，且与其他作者之间未形成合作关系网。其中解文军的发文量高达18篇，对该领域的研究较为深入，文献内容既涉及声悬浮的理论设计研究和实验模拟分析，又涉及在声悬浮条件下对Bi-Ga过偏晶合金[7]、Ag-Cu共晶合金的液相分离和无容器凝固研究[8]，还有对液滴的扇谐振荡流动规律研究[9]，研究成果产出丰富。说明西北工业大学在我国声悬浮技术的研究中具有重要地位，但也侧面反映出我国声悬浮领域的作者合作情况局限在某一特定圈子，在全国范围内未形成较大的合作圈。

图2 作者合作可视化图谱Fig.2 Author collaboration visualization atlas

2.1.3 研究热点趋势

为进一步了解我国声悬浮技术的研究热点发展趋势，通过VOSviewer绘制关键词共现时间轴叠加图谱(见图3)可以看到，在时间轴叠加图谱中以2010年为时间轴中心跨度节点，颜色由蓝色(2006年)渐变为红色(2014年)，参考相关文献可知，1986-2006年的研究热点以声悬浮技术的理论研究和应用于无容器处理的实验研究为主；2007-2010年的研究热点以单轴超声悬浮装置的优化设计和模拟分析为主；2011-2014年的研究热点以声悬浮条件下液滴的振荡规律研究和近场声悬浮的模态分析为主；2015-2021年的研究热点以声悬浮的不同应用研究和声悬浮条件下氧化石墨烯纳米流体的特性研究为主，2020年还出现了二维声悬浮演示仪的实验设计这一研究热点，表明该领域研究正趋向多元化，可见对声悬浮技术在不同领域的应用研究将成为未来的热点。

图3 CNKI数据库关于声悬浮研究的中文文献 关键词共现时间轴叠加图谱Fig.3 Time axis overlay map of keywords co-occurrence in Chinese literature on acoustic levitation in CNKI database

2.2 基于WOS数据库的外文文献可视化分析

2.2.1 发文量年度分布情况

在Web of Science核心合集数据库中选取所有年份(1900-2022年)为时间跨度，以“acoustic levitation”为主题进行检索，剔除2022年新发表的文献4篇，共获得889篇文献，最早发表于1975年(1篇)，主要介绍了使用声悬浮的亚稳态液体的特性[10]。从WOS数据库声悬浮领域发文趋势(见图4)来看，声悬浮技术的发展可分为三个阶段：一是研究起步期，1975-2001年总发文135篇(15.2%)，年均发文量5篇。二是缓慢增长期，2002-2015年总发文359篇(40.4%)，年均发文量25.64篇。三是快速成长期，2016-2021年总发文395篇(44.4%)，年均发文量65.84篇，呈倍数增长。这样的发展趋势有效反映了声悬浮技术的研究应用越来越受到科研工作者的关注。

图4 WOS数据库声悬浮领域外文文献发文数量趋势图Fig.4 Trend chart of the number of foreign literature published in the field of acoustic levitation in WOS database

2.2.2 文献国家分布及合作情况分析

在1975-2021年的889篇英文文献中，全球共有44个国家/地区在声悬浮领域发表相关研究文献，文献产出数量由多到少排名前五位的国家依次是美国(USA，197篇)、中国(China，194篇)、日本(Japan，124篇)、德国(Germany，119篇)和英国(England，66篇)。通过对国家合作网络行可视化分析得知，合作关系密切的国家都集中在2010年之后，其中美国—中国合作关系最密切(合作强度为75)，中国与世界各国的研究合作主要集中在2014年之后，表明中国近年来在声悬浮领域正展开积极研究探讨，与世界各国有着紧密的学术合作交流(见图5)。

图5 国家合作分布可视化图谱Fig.5 Visualization map of national cooperation distribution

2.2.3 关键词共现分析

通过对1975-2021年WOS数据库的英文文献author keywords进行分析，共获得1 350个关键词，其中频次10次以上的关键词共计14个，其中“acoustic levitation”“levitation”“acoustic radiation force”“near-field acoustic levitation”“squeeze film”等是世界各国关于声悬浮研究的热点关键词。选取最小出现频次≥3的关键词绘制可视化聚类图谱(见图6)，最终得到114个关键词，共形成14个聚类，对各个聚类的关键词进行归纳总结，可得出表2所示的几个研究热点主题。

以关键词出现的时间节点为依据，对选取的114个关键词绘制共现时间轴叠加图谱(见图7)，图中不同的节点颜色代表关键词出现的年份，黄色代表近年来新出现的关键词。由图7可知，“ultrasonic phased array(超声相控阵)”“phased array(相控阵)”“phased arrays(相控阵)”“single droplet drying(单液滴干燥)”是2020年以来的研究热点关键词。高频热点关键词少且单一，说明声悬浮技术的研究应用还不够广泛。

表2 不同聚类对应的归纳主题(基于VOSviewer)Tab.2 Inductive topics corresponding to different clusters (Based on VOSviewer)

图6 WOS数据库关于声悬浮研究的英文文献关键词共现聚类图谱Fig.6 Keywords co-occurrence clustering map of English literature on acoustic levitation in WOS database

图7 WOS数据库关于声悬浮研究的英文文献关键词共现时间轴叠加图谱Fig.7 Keywords co-occurrence time axis superposition map of English literature on acoustic levitation research in WOS database

3 声悬浮技术的应用前景

通过对声悬浮技术相关研究文献的梳理，可知其合作研究仍存在局限性，很多领域还未研究开发[11]，基于上述研究提出以下几项应用前景：

3.1 无接触处理

无接触清扫仪。利用声悬浮技术设计无接触清扫仪，可避免接触被清洁物和吸尘器类的气流。还可以利用无接触清扫仪+机械自动化技术，针对不同的设备设定特定的清扫轨迹。利用无接触清扫仪+机械自动化技术引导机器人或机器手臂在整个场所展开有序清扫，以满足精密仪器对保养和环境的要求。无接触清扫仪也可以用于清洁一些易损脆弱的珍贵文物。

无接触式搬运。这是在不接触被搬运物的情况下移动物体，可应用于易碎部件的非接触拾取和放置等领域。因驻波声悬浮在径向和轴向分量上的力都会表现出回复力的特性，利用该特性，当被搬运物相对其平衡位置(稳定悬浮位置)产生偏移时，回复力会使得物体回到平衡位置[12]。利用驻波声悬浮能够实现无接触式搬运物体，可利用信息技术实现远程操作，进行定向无接触式搬运物体[13]，使物体不受损伤。还可以利用两套声悬浮装置实现无接触交接转换。

无接触处理平台。声悬浮技术可以用于生产强腐蚀性药物、无定型药物和具有增强溶解度的非晶态药物。处理有害液体生产的工厂利用超声驻波悬浮技术，可搭建声悬浮可控超声聚焦平台，再配合电路控制声波信号，使液滴悬浮移动，实现液体的无接触式融合、分离和转换等。

3.2 微生物研究

以昆虫实验室为例，微小生物体积小、重量较轻，容易被声悬浮捕获。可利用声悬浮技术加以机械臂摇杆操控设计声悬浮昆虫捕捉仪[14]，使昆虫被声势阱捕捉，昆虫等微小生物悬浮在空中且无法移动，研究员可以通过摇杆实现昆虫无接触式漂浮移动，将其放置在显微镜等指定的研究仪器上操作。与人为接触式昆虫捕捉不同的是，声悬浮技术能够降低捕捉难度，使微小生物不被损伤。还可利用声悬浮微小生物体重仪得出其重量。

3.3 航天航空应用

航天航空领域中，空间材料科学成为新兴学科。声悬浮技术能够克服重力和电磁干扰，模拟外太空的超常环境进行空间材料科学研究分析[15]。例如：可研究无重力和电磁力环境下晶体的结晶、超大分子链的形成等，为新型材料的研究提供适宜的实验环境。可长期模拟太空环境中的无容器、微重力状态和星际航行中微生物、细胞、细菌、病毒、DNA、RNA等的繁衍演变或基因改变等，完成太空环境的预设实验，为星际分子生物学研究提供实验环境。

4 结语

基于VOSviewer软件对国内外声悬浮技术的研究文献进行可视化计量分析，针对中英文文献分别进行发文量年度分布、文献作者合作、文献国家分布及合作和关键词共现分析，作出对应的可视化图谱，归纳出声悬浮技术的研究热点，为研究者提供了研究方向。根据这些资料提出了在无接触处理、微生物研究和航天航空等方面的应用前景，以期促进声悬浮技术的应用。