于無聲處聽驚雷——超聲檢測史話

只看該作者 · 2011-1-11 15:05:37

引子  1880
1906年4月19日，持續了數日的霏霏細雨仍籠罩著巴黎。
馬車夫帶著宿醉的眩暈與難耐的倦意又開始了一天的謀生。連綿的陰雨在透過浸濕的衣襟傳來陣陣春寒的同時倒也帶來了更多的生意，心情不錯的他漸漸開始策馬疾行，在轉過第二個街角時馬車夫并不知道他和他的馬車已經注定了將要駛進物理學史。
長期地酗酒麻木了馬車夫的神經，所以在撞上那個與他有著同樣倦容的紳士時幾乎沒有做出什么應急反應。圍觀人群中一位醫生模樣的人在檢查了被撞者的傷勢后遺憾地搖搖頭，馬車夫的臉色頓時變得蒼白如墻角風雨中的那朵無名小花。隨后趕來的警察例行公事地在登記薄上填上死者的名字——皮埃爾·居里（Pierre Curie 1859-1906）。很顯然這名年輕的警務人員并不了解這個名字，一如后世的我們多數時候也是通過他的妻子才會偶然提起他。誠然，作為第一位兩次諾貝爾獎得主，居里夫人在科學史上的名頭如日中天——在俺計劃中本文的姊妹篇《射線檢測史話》中她也將出場并扮演重要的角色。但現在請我們保持崇敬的心情而將目光重新凝視在居里身上：相對于1903年他與妻子分享的因對輻射現象的研究和發現釙和鐳所獲的諾貝爾物理學獎而言，他和哥哥雅克斯·居里（Jacques Curie 1855-1941）共同發現的壓電效應在那個被稱作物理學黃金時代的歲月里的確只能算是滄海一粟。但是，感謝居里兄弟，正是他們的這一“小小”的發現奠定了現代應用超聲學的基礎。
1880年，居里兄弟在研究晶體熱電現象與結晶對稱關系時，認為這個現象可能是由加熱時晶體體積發生變化所導致的。根據這個想法他們做了許多實驗，發現電氣石或石英等天然礦石晶體受到壓力時，由于體積變化在晶體表面會有微小電荷產生。接著他們又發現當晶體置于電場中時也會造成體積上的變化，證明了這種現象是可逆的。因為壓電效應是可逆的，所以把材料因體積變化而產生電壓的效應稱為“正壓電效應”；反之，材料因加入電壓而造成體積變化的效應稱為“逆壓電效應”；而具有壓電效應的材料則統稱為“壓電材料”。壓電材料除了天然的晶體，如石英、電氣石、羅德鹽等材料以外，還能以人工的方式制造，如氧化鋅、聚合物、陶瓷材料、復合材料等等。居里兄弟利用這一發現計設了一種用于精確測量微小電量的壓電石英靜電計——居里計，我們每個人今天仍時常會看到與用到居里計——因為它是當代石英計時控制與無線電發報的重要元件之一——至少在你低頭看石英腕表的每一個不經意間。
發現壓電效應的1880年，皮埃爾·居里年僅21歲，他的哥哥雅克斯·居里25歲。這一年聲學的開山之祖瑞利爵士（Rayleigh, John William Strutt, Lord 1842～1919）已是四海拜服功成名就。即將名垂超聲檢測史并在日后讓孀居多年的居里夫人情愫暗生的朗之萬（Langevin Paul 1872～1946）時年8歲。接下來一系列影響超聲檢測發展的重大事件正在悄無聲息按部就班地演變著：泰坦尼克號沉沒還有32年，第一次世界大戰的硝煙似乎也還依稀，潛水艇仍然還只是紙上談兵；這一年遙遠的中國大陸上滿清王朝最后的掙扎——“同治中興”已黯然落幕。代表當時金屬制造與加工最先進水平的鐵甲戰列艦定遠號在德國計設完成并準備開始制造，而14年后徹底宣判中華帝國在科技軍事政治等各方面全面失敗的甲午海戰已是山雨欲來；這一年中國封建時代中寥若星辰的僅有幾位可以稱得上物理學家之一的宋應星（1587～1666）已離世214年，毫不夸張地說中華文明在世界科技史上也至少落后了214年，而造成這一惡果的禍首——科舉制度，則還將再持續25年。

磨牙嚼舌：科舉制度
科舉制度“濫觴于隋而成熟于唐”。科舉，就是由封建國家設立科目，定期舉行統一考試，通過考試來選拔官吏，這種作法，也叫“開科取士”。科舉制度以一種相對公平的評價方式完全替代了秦以前的世襲制、漢的舉察制以及魏晉的九品中正制，其最大的優勢是體現了評價制度中最基本的要素——公平。科舉制度有統一的考試范圍、統一的命題，有利于選拔人才，提高行政效率，對維護中央集權的封建統治起了重要作用。所以一直為各封建朝代所沿用，并不斷加以發展和完善。
科舉制度分為文舉和武舉，武舉是專門選拔武官而設置的科目。武舉由唐武則天長安二年（702）始置，清光緒二十七年（1901）廢除，歷時1200年。其考試程序與文舉基本一樣，只是內容與時間的不同。在中國科舉史上，自唐以后，歷來是文武兩科，殊途并進。傳說中的岳飛槍挑小梁王就是在武舉考場上完成。但是，中國的科舉制度歷來重視文科，文科一直占據科舉的絕對統治地位，對中華文明的發展影響巨大，后世提到科舉時多也是單指文舉。
作為封建地主階級選拔政府官員的考試，科舉的內容基本上是儒家經典。由于我國古代的語文教學是以四書五經為核心，所以儒家經典自然成為科舉考試的主要內容。宋代以后，科舉考試取消了詩賦，考試內容主要是三部分：對儒家經典知識的理解、運用儒家思想對時事政策的分析和政論文的寫作能力。對于考試的范圍與標準，歷代王朝都作過明確的規定。如公元653年，唐太宗頒布《五經正義》為考試標準；公元1212年，宋寧宗以朱熹《論語集注》、  《孟子集注》為考試標準；公元1414年，明朝頒布《五經四書大全》為考試標準；清代，四書以朱熹《四書章句集注》為準，《易》以程頤傳、朱熹本義為準，《書》以蔡沈傳為準，《詩》以朱熹集傳為準，《春秋》以胡安國傳為準(以后有變)，《禮記》以陳浩集傳為準等。
從考試形式看，科舉基本上是筆試。其題型主要有五種:貼經(類似現在的填空)、墨義(一種簡單的問答題)、策問(一種政治論文性質的問答)、論(寫論述文)、詩賦(作文考試)。明代中期以后，科舉考試發生了很大變化，程式嚴格的八股文成為經義考試的主要形式，撰寫八股文成了封建士子進身的主要途徑。
科舉的貼經、墨義、策問、論、詩賦是考試形式的重大發展，也就是今天考試中填空、簡答、論述、作文等題型的雛型。
但是科舉制度有其天生的缺陷。
光緒三十一年（1905），在袁世凱與張之洞的奏請下，清庭正式廢除了科舉制度，從隋朝大業元年（605）的進士科算起科舉整整綿延存在了1300周年。在這幾乎占據了中國兩千多年封建社會史五分之三和中國五千年文明史近三分之一的時間一千三百年里，科舉制度的考試形式上雖有過改進與發展，但其內容卻始終限定在儒家經典這一狹隘的范圍內而不可避免地陷入到僵腐的結局中，尤其到了明清時期的八股文，已經僵化到了不可思議的程度。出題的范圍限定在圣人的那幾本書里，幾千場科考下來可能其中的每一句話都曾被用來出過題了，而且數百年里積累的大量范文、例文考生們都已耳熟能詳，逼得考官只能“劍走偏鋒”。例如清代有一屆科場題目為“時習之不”，這令人摸不著頭腦的四個字其實不過是出自《論語》的“學而時習之不亦說乎”，事關社稷存亡的官員選拔考試題目竟然變態到了這種程度，所帶來的后果是知識分子在經史子集中無謂虛耗，進而演化為全民性的蒙昧愚頓，直至被列強的鐵蹄踐踏淪為半殖民地。
中華文明在領跑世界幾千年后驟然衰落，被稱為“李約瑟現象”，業界研究結果一致公認，冥頑不化偏離實際的科舉制度是導致李約瑟現象的重要原因。

第一章  先賢
如同把太極圖案與二進制聯系在一起并導出計算機是由中國人發明的一樣，說老子的“大音希聲”是關于超聲波的最早文字記載，同樣屬于民族情結過于濃烈的牽強附會。但是中國古代的聲學成就卻并不輸于西方，聲學的研究起源于古人對樂律興趣，值得慶幸的是，作為六經“詩書禮易樂春秋”之一的“樂”成為士大夫之流的一種“風雅”而得以廣泛的研究。明朝沒落皇室成員朱載堉（1536～1614）發明的十二平均律無論在音樂史還是聲學史上都占有不可忽視的位置，春秋戰國時期的編鐘與北京天壇的回音壁、三音石、圓丘則是中國實用聲學的最佳例證。
中國古人對于聲音本質的研究記載有很多，東漢時期的思想家王充（約27～99）在《論衡》中記載了聲音的產生機理及其傳播與媒質的關系：“生人所以言語吁呼者，氣括口喉之中，張翕其口，故能成言。”而我國古代聲學的集大成者，當推明朝的宋應星。
宋應星，江西奉新縣人。萬歷43年（1615），宋應星和他的哥哥宋應升同時考中舉人。于崇禎7年出任江西分宜縣教諭（相當于今天的教委主任一職）。其間，宋應星把他長期積累的生產技術等方面知識加以總結整理，編著了《天工開物》一書，于崇禎10年（1637）刊行。
在《天工開物》的《論氣·氣聲篇》中，宋應星指出“氣體渾淪之物……沖之有聲焉，飛矢是也；振之有聲焉，彈弦是也”，明確提出聲波的概念。關于聲音的產生，他認為是由于有形之物沖擊空氣使其振動而發聲，這是世界上第一次將聲音的產生與振動聯系在一起。
《天工開物》是一部大百科全書式的著作。分上、中、下3卷，又細分做18卷，內容十分豐富，并有123幅精美生動的插圖。上卷記載了谷物豆麻的栽培和加工方法，蠶絲棉苧的紡織和染色技術，以及制鹽、制糖工藝。中卷內容包括磚瓦、陶瓷的制作，車船的建造，金屬的鑄鍛，煤炭、石灰、硫黃、白礬的開采和燒制，以及榨油、造紙方法等。下卷記述了金屬礦物的開采和冶煉，兵器的制造、顏料、酒曲的生產，以及珠玉的采集加工等。全書詳細地敘述了各種農作物和工業原料的種類、產地、生產技術和工藝裝備，以及一些生產組織經驗和大量確切的數據，是了解我國古代科學技術成就的重要文獻資料。
然而在經過滿清將近三百年的統治之后，《天工開物》已經徹底從中國銷聲匿跡，連知道這本書名字的人幾乎都沒有。民國初年，在北京各大圖書館均無法找到，甚至各藏書家也沒有一個人知道這本書。而當時在日本圖書館卻竟然有這本書的英、俄、德、日、法等國的翻譯本，而且法國還有全譯本。據說當年法國皇帝拿著這本書，如獲至寶愛不釋手，以致將它深藏于皇帝文庫中。具有諷刺意味的是，惟獨在中國已找不到這本書。按照法國國家圖書館藏的《天工開物》明朝的最初原刻本重刊后，《天工開物》才在中國又廣為印行，再見天日。與當前電視劇作品中對康乾盛世的歌功頌德相悖的是，相當多的學者認為中國科技的大幅度落后正是始于清康熙朝，《天工開物》這部古代科學巨著的遭遇就是一個很好的例子。
作為封建時代罕見的喜好科學的帝王，康熙的學習科學更多是出于其個人興趣，更不可思議的是他很大的目的竟然是為了炫耀才學（尤其是在漢官面前），近年來甚至還有人根據故宮檔案中保存的康熙幾何演算草稿考證出他相當于現在的大專文化水平。不過就在康熙進行他“一個人的大學”時，西方科技發展已是轟轟烈烈一日千里，超聲檢測學的帷幕正在徐徐拉開。
也許我們每個人都曾經問過一個相同的問題：天空為什么是藍色的？就在俺打下這行字時窗外恰好是萬里無云水洗過般的藍天。這個問題肯定困惑了我們的先祖幾千年，卻要等到19世紀中葉才會有正確的案——瑞利散射。1842年，斯特拉特出生在英國的一個貴族家庭，他的祖父被英國皇室策封為瑞利勛爵，這是一個世襲的爵位所以他將自然而然地成為瑞利勛爵第三。世襲制度下的子孫多有紈褲，比如法國的路易王朝與滿清的八旗子弟，但瑞利勛爵第三卻成為科學史上的巨人，后人習慣性地都將斯特拉特稱為瑞利。
1861年，他進入劍橋大學的三一學院攻讀數學（劍橋三一學院最為著名的“神位”是盧卡遜數學教授，這一職位上的每一個名字都燁燁生輝振聾發聵：牛頓、狄喇克……現在擔任此職位的就是那個大名鼎鼎的霍金）。瑞利畢業后留校任教，開始的五年瑞利除了娶英國首任國務大臣的妹妹為妻外，似乎籍籍無名。1872年，他因嚴重的風濕病不得不去埃及和希臘過冬，在地中海溫暖和煦的陽光下，瑞利開始寫作那部物理學上不朽的名著——《聲學原理》。這部上、下兩卷本的書一直寫了六年，直到1877年第一卷才初次出版。從17世紀初伽利略研究單擺周期和物體振動開始，幾乎所有杰出的物理學家和數學家都對研究物體的振動和聲的產生原理做出過貢獻，而《聲學原理》集三百年的大量經典聲學研究成果之大成，開創了現代聲學的先河，至今在理論分析工作中，還時常引用這兩卷巨著。清末民初的“西學東漸”運動中，《聲學原理》也被引入我國，成為中國現代物理學的一塊敲門磚。
自電磁學宗師麥克斯韋（James Clerk Maxwell  1831～1879）經典的“關于電學的專題論文”開始，至居里兄弟發現壓電現象的這一段時期，被稱為電聲學的黃金時代。瑞利的《聲學原理》出版后，當時科學界的評價是“此書是如此之權威，以至結束了聲學領域進一步的科學探究” 。1879年，一手創立劍橋第一所物理實驗室——卡文迪許實驗室的麥克斯韋辭世，空缺的實驗室主任職位由瑞利繼任。在這個職位上，瑞利展示了他非凡才能的另一面，憑著對科研事業的極高熱情與全身心投入，他擴大了招生人數，把原只有六、七個學生的小組發展為擁有七十多位實驗物理學家的先進學派。與盧卡斯教授職位類似，卡文迪許實驗室主任的位置上也是精英會粹：1884年瑞利力排重議推薦年僅28歲的湯姆生（J.J. Thomson 1856～1940）接任實驗室主任，湯姆生不負重托在這里發現了電子，榮獲1906年的諾貝爾物理學獎。湯姆生的學生盧瑟福（Ernest Rutherford  1871～1937）接替湯姆生任卡文迪許實驗室主任后，還是在這里，利用a-射線發現了原子的“行星式”有核結構，第一次打開了原子的大門，于1908年榮獲諾貝爾化學獎。盧瑟福培養了很多的學生，其中有量子物理學巨擎丹麥物理學家玻爾（Bohr Niels 1885～1962），發現了原子序數與它的X-射線波長間關系的莫斯萊，還培養了中國首位核物理學家霍秉權（1903～1988）。卡文迪許實驗室在近當代物理學界中有如少林武當般的地位，瑞利功莫大焉。
書歸正傳，瑞利在超聲波領域做出了大量的早期貢獻。1882年瑞利設計了一種精確測定聲場中質點速度的裝置瑞利盤（Rayleigh disk），是一個用細絲懸掛的剛性薄圓盤，圓盤的半徑r甚小于聲波的波長，在聲波的作用下，根據圓盤的偏轉角，圓盤的半徑、厚度和密度，媒質的密度及懸掛系統的周期等，可算出質點的速度和傳聲器表面處的聲壓，由此可絕對校準傳聲器的聲壓靈敏度。1887年瑞利通過對地震學的研究發現了瑞利波（Rayleigh wave 國內習慣稱為表面波）。這種波在超聲檢測和表面波器件中起著顯著的作用，表面波器件廣泛應用于音響、手機等設備，與前述居里兄弟在石英表中時刻陪伴我們一樣，就在你我接聽撥打每一個電話時，瑞利都會在天堂里微笑。

磨牙嚼舌：康熙與李約瑟
李約瑟（Joseph Needham 1900～1995），英國近代生物化學家和科學技術史專家。所著《中國的科學與文明》(即《中國科學技術史》)對現代中西文化交流影響深遠。他關于中國科技停滯的李約瑟現象是李氏研究中國科學技術史的中心論題，他提出：盡管中國古代對人類科技發展做出了很多重要貢獻，但為什么科學和工業革命沒有在近代的中國發生？他個人見解是中國長久沒有發展，如腓尼基人和希臘人早期的城邦，缺乏要為生存而互相競爭的環境。李約瑟認為科舉選拔制度下可以使中國非常有效地集中了大批聰明的、受過良好教育的人，他們的管理使得中國井然有序，并使中國發展了以整體理論，實用化研究方法的科技。比如中國古代天文學取得了很大成就，再比如大運河的修建等。但這一模式使得新觀念很難被社會接受，新技術開發領域幾乎是一片空白。
在西方，發展了以還原論，公式化研究方法的科技。此種科技的興起與商業階級的興起相聯系，鼓勵較強的技術開發競爭。在中國，反對此種科技的發展的阻力太大。西方式的科技發展卻能沖破這些阻力，取得現在的成就。比如歐洲國家之間的競爭使得歐洲在中國火藥的基礎上發明并改良火藥武器。李約瑟認為在這方面，自秦朝以后的中國不但比不上相同時期的歐洲，甚至比不上春秋戰國時期的中國。
在視科技為奇技淫巧大背景下，難得有一位帝王對科技感興趣，清圣祖康熙卻是一個例外。康熙與同時代的另一西方帝王——路易十四有很多相似之處，他們同樣是幼年繼位、雄才大略，同樣具有了解世界的強烈愿望。1688年，在南懷仁的邀請下首批法國傳教士受路易十四派遣幾經周折抵達北京，隨后得到康熙的接見。在這場意義深遠的中法早期交流活動中，首先登臺唱主角的就是科學。法國傳教士帶來了渾天器等共計大中小30箱科學儀器作為見面禮，喜好科學的康熙因此龍顏大悅。經過挑選，傳教士中的張誠和白晉（漢名）被留在清朝宮廷之中，擔任康熙的科學顧問。相對于路易十四個人對芭蕾的癡迷，康熙對科學的興趣要濃烈得多，甚至于他的西方教師因他學習的勤奮而對他的健康表示擔心。然而今人扼腕的是，中法兩國卻就此走上了不同的道路。路易十四的法蘭西走上了近代化的強國之路，而大清帝國的一代明君圣主，千古一帝康熙，他除了要讓漢族大臣看到“他是個多么有能力有智慧的皇帝，滿人也并非‘蠻夷’”以外，對于科學的需求無非是“一部好的歷法，一張準確的地圖，一套數學、天文學和韻律學的系統理論”，康熙或許認為只要做到了這些———而不是超越別的國家———就能保證江山永固，但是他錯了。康熙死后隨著主管科技的學者型皇三子允祉在權力斗爭中的失勢，清帝國史上絕好的一次機會也隨之消失，就此種下117年后鴉片戰爭的種子。

第二章  揭幕
我們先看到閃電再聽見雷聲并非是因為眼睛長在耳朵前面，而是證明了聲音是以遠低于光速的有限速度傳播。雖然測量聲速現在只是高中物理實驗中的一個普通要求，但是歷史上不同介質內聲速的測量則用了近百年的時間才得以完成。今天的中學生在聲速測量實驗中可以在時差法、共振法和相位比較法中三選其一，而前輩們當時所手中的武器注定他們只能采用時差法——利用聲與光的速度差或是不同介質中的聲速差，所以在那個時代聲速測量的前提是需要先測定光速。
第一個試圖測量光速的人是偉大的伽利略(Galileo Galilei 1564～1642)，他選擇了一對相距4.8千米的小山想以時差法測量光速，很顯然以當時的設備水平這一試驗必然以失敗告終，在19世紀以前，沒有一個人在地面上成功地測量了光速。但伽利略本人并不知道他已在無意間提供了解決問題的正確途徑。
1610年伽利略用自制的望遠鏡首次發現木星的4個衛星。1676年，丹麥天文學家羅默（Ole Christensen Romer 1644～1710）第一次提出了有效的光速測量方法——利用木星衛星的成蝕。惠更斯（Christian Huygens 1629～1695）根據羅邁提出的數據和地球的半徑，第一次計算出了光的傳播速度約為200000千米/秒，1728年，英國天文學家布拉德雷(Bradley James 1693～1762)得出光速為310000千米/秒。雖然準確的光速測量需要等到邁克爾遜( Albert Abrham Michelson  1852 ～1931)在1882年才能完成，但已并不妨礙人們對聲音傳播速度的探索。
先來看看數學上的推導——牛頓（Isaac Newton 1642-1727）在1687年出版的《自然哲學的數學原理》中推理：振動物體要推動鄰近媒質，后者又推動它的鄰近媒質等等，經過復雜而難懂的推導，求得聲速應等于大氣壓與密度之比的二次方根。數學家歐拉（Euler 1707-1783）在1759年根據這個概念提出更清楚的分析方法，求得牛頓的結果。但是據此算出的聲速只有288米／秒，與實驗值相差很大。直到1816年，法國著名的數學家、力學家和天文學家拉普拉斯（Laplace 1749-1827）（即那個著名的物理學三大怪獸之一拉普拉斯智者的提出人）指出只有在空氣溫度不變時，牛頓對聲波傳導的推導才正確，而實際上在聲波傳播中空氣密度變化很快，不可能是等溫過程，而應該是絕熱過程。因此，聲速的二次方應是大氣壓乘以比熱容比(定壓比熱容與定容比熱容的比)與密度之比，據此算出聲速的理論值與實驗值就完全一致了。
1738年巴黎科學院的卡西尼（Cassini 1625-1712）、羅默、惠更斯等人利用遠外山峰上的火炮進行時差法聲速測量，測得結果折合為0℃時空氣中的聲速為1172巴黎尺/秒（332米/秒），與目前最準確的數值331.45米/秒誤差僅有0.15%，在這一數據的基礎上，畢奧（Biot 1744-1860）在一根長鑄鐵筒的一端敲擊，聲音就通過金屬和空氣傳播到另一端，測出兩者的時間差，就可以計算出聲音在金屬中的傳播速度。他測出聲音在鐵中的傳播速度約為每秒3500米（今天我們知道畢奧測得的是鐵中橫波聲速）。
1826年春末，瑞士日內瓦湖蔥翠欲滴楊柳依依，春日暖暖的陽光下游人如織，微風輕拂下湖面泛著點點金鱗。兩個20出頭的年輕人歷經艱辛攜帶著炸藥偷偷越過法瑞邊境來到湖邊。他們的古怪舉動很快引起了人們的關注，在紛紛的議論聲中他們徑自帶著一些奇形怪狀的東西各自登上了一艘小船，其中的一條船上甚至還架設了一枝火槍。
這兩個怪人就是瑞士物理學家丹尼爾·科拉頓(Daniel Colladon 1802—1892)和法國數學家查理士·斯特姆(Charles Sturm 1803～1855)。
斯特姆的小船上帶著一根一端有2000平方厘米大的喇叭口的長管子。科拉頓的船頭上則架著火槍，并在船頭水下3米的地方用鏈索拴著一口高70厘米、重65千克的銅鐘。兩艘小船相距一定距離，斯特姆將長管放入水中，喇叭口對準科拉頓船頭的方向，然后拿著秒表，把耳朵貼在長管子上端開口處，兩眼注視著科拉頓船頭上的火槍。一切準備就緒，科拉頓拉動了他那特制的杠桿。杠桿帶動水中錘頭猛擊銅鐘的同時帶動了火槍的扳機，即水下銅鐘鳴響與船上火槍噴火是一同進行的，而火槍的噴火點燃了緊臨槍口處的一堆閃光燈專用炸藥。
當時，人們已經知道光是以每秒約30萬千米的速度在空氣中傳播，也知道聲音以每秒340米的速度在空氣中傳播。根據這兩個數據，斯特姆在看到閃光炸藥發出耀眼光芒的同時按下了秒表，可以說敲銅鐘與按秒表是同時進行的。很快，斯特姆從長管中聽到了銅鐘的聲音。他按下了秒表。從這兩個時間差他算出了聲音在水中的傳播速度。經多次校驗，他們計算出聲音在水中的傳播速度為每秒1435米，自1490年達·芬奇(Leonardo da Vinci 1452-1519)發現了聲波在水中的傳播以后近400年，人類歷史上第一次水中聲速的測量獲得了成功。
值得注意的是，所有這些聲速的測量，都是在當時的“聲學儀器”只有秒表和人耳的情況下完成的，這的確是相當了不起的成績。相對于秒表而言，人耳已屬相當精密的“儀器”——人耳能聽到的最低聲強約是10-16～10-14瓦/厘米2，古人對聽力下限的實際觀測的結果是“靜可聞針”，這一結果相當符合事實，細針落地時的聲強僅約10-15瓦/厘米2，這一聲強在1000Hz時相應的空氣質點振動位移僅僅是10-11米，只有空氣平均分子直徑的十分之一，可見人耳對聲的接收實能力屬驚人。一些常“見”的聲強大致如下：
引起聽學的聲強    10-15瓦/厘米2
樹葉沙沙聲             10-15瓦/厘米2
耳語                         10-14瓦/厘米2
談話                         10-11瓦/厘米2
大炮聲                      10-6瓦/厘米2
超聲波                      10＋4瓦/厘米2
從震耳欲聾的大炮聲與超聲波相比仍差了十個數量級來看，人耳聽不到超聲波真是一種幸運。人類很早就意識到，可能存在著人耳聽不到的“聲音”，但對人耳聽力極限的第一份科學推測出自于克拉尼（Chladni 1756-1827）。
1809年的一天，法皇拿破侖在宮廷中召見了一個據說“可以讓人看見聲音”來自德國的神秘人物。這個人默不做聲地在隨身帶來的一塊薄金屬平板上撒上細砂，然后用一把小提琴弓摩擦金屬板。奇跡出現了，砂子在振動板的波節線上聚集起來形成了規則的圖形，這就是后來用來表示聲音特征的克拉尼圖。拿破侖看到后興奮異常，對眾人說“克拉尼的聲音被我看見了”，當場獎勵了克拉尼六千法郎，并要求將他的著作《聲學》翻譯成法文。“克拉尼圖”只是克拉尼在聲學領域做出的眾多貢獻之一，比如在1817年克拉尼就指出了人的聽覺所能聽到的聲音的最高頻率為每秒二萬二千次（22000赫茲）。
其實超聲波廣泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫聲中含有超聲成分，蝙蝠利用超聲導航和覓食，金屬片撞擊和小孔漏氣也能發出超聲。與動物相比，人類的聽覺有點可憐，狗和蝙蝠是可以聽到高到160000赫茲的動物代表，而鯨和大象則處于聲音波譜的另一端，它們可以發出并聽到頻率在15到35赫茲范圍內的聲音。
今天科學試驗的結果證明人類的聽力范圍是20～20000赫茲，振動頻率低于20赫茲的聲波被稱為次聲波，而高于20000赫茲的聲音，那就是本文的主角——超聲波。
1830年，法國物理學家薩伐爾(Felix Savart 1791-1841)制作了一個高轉速齒輪，用以撥動一片金屬片而產生了高達24000赫茲的超聲波，這一演示音調和頻率關系的裝置在今天的中學物理實驗課上被稱為發音齒輪或薩伐爾盤。從前面的章節我們已經知道，在電聲學時代之前，聲學觀測儀器僅僅只是精巧但相對簡陋的人耳，因此探測高頻聲波是相當困難的一件事，直至丁鐸爾（John Tyndall 1820—1893）觀測到聲波對燃氣火焰的影響并將其發展為一種敏感的探測方法后，對超聲波的研究才算是得門而入。
宋應星、克拉尼、瑞利、居里兄弟……經過一代代科學家薪火相傳執著不息地追求，超聲學的研究已在物理學的大殿里登堂入室。接下來，觸發實用超聲學的不幸事件即將上演，而超聲學也將要走出理論的殿堂來履行其福祉眾生的使命。

磨牙嚼舌：物理學四大怪物
物理學史上有四個著名的悖論，即芝諾的烏龜、拉普拉斯的智者、麥克斯韋的精靈和薛定諤的貓。由于它們都借助于某種奇異的生物來表述，所以被統稱為物理學三大怪物。
芝諾的烏龜嚴格說起來更應該算是哲學悖論，為了證明運動是不可能的，芝諾編了好幾個著名的悖論來說明運動的荒謬性。而最有名的就是“阿喀琉斯追龜辯”：阿喀琉斯是史詩《伊利亞特》里的希臘英雄（布拉德皮特近期在好萊塢大片中為我們詮釋了這個人物），他奔跑的速度是烏龜的10倍，假設他與烏龜相距100米，當他跑到烏龜現在這個位置，也就是跑了100米的時候，烏龜也已經又向前跑了10米。當他再追到這個位置的時候，烏龜又向前跑了1米，再追1米，又跑了1/10米……總之，他只能無限地接近烏龜，但永遠也不能追上烏龜。芝諾的烏龜令人困擾的地方，就在于它采用了一種無限分割空間的辦法，使得我們無法跳過這個無限去談問題。
拉普拉斯則為我們假設了一位智者，他能知道在任一給定時刻作用于自然界的所有的力以及構成世界的一切物體的位置。假定這位智者的智慧高超到有能力對所有這些數據做出分析處理，那么它就能將宇宙中最大的天體和最小的原子的運動包容到一個公式中。對于這個智者來說，再沒有什么事物是不確定的了，過去和未來都歷歷在目地呈現在它的面前。直到二十世紀初期量子物理學的發展才宣告了這名智者不可能存在。
麥克斯韋精靈則試圖動搖熱力學第二定律，即“不可能從單一熱源取熱，使之完全變為有用功而不產生其他影響”。麥克斯韋的精靈可以精確區分運動速度不同的分子，并控制其運動方向，讓高速運動的分子集中在一起而在沒有外部做功的情況下使這一區域的溫度升高。這為我們描繪了一個奇異的畫面：在大海中航行的船只無需任何能源，只需由麥克斯韋精靈將海水中運動速度快的分子提取出來使之沸騰產生蒸汽推動汽輪機即可。
薛定諤的貓在物理學界引發的動蕩與爭議遠比前三個怪物要大得多，甚至還發展出了“薛定諤的朋友”等多個拓展版本。其基本闡述為“設想有一個箱子，里面有一只活貓。一個裝有鐳的容器及一個裝有氰化物的小瓶也放在箱子之中。鐳原子會發生衰變。在這個裝有活貓的密閉的箱子里，如果鐳發生衰變，幾打碎瓶子，使氰化物從小瓶之中釋放出來，從而殺死貓；如果鐳不發生衰變，小瓶也不會破碎，貓會活下去。按照哥本哈根解釋，在打開箱子看貓的死活之前，貓既是死的，也是活的，因為兩種可能性都存在。而且，箱子中的貓會保持這種既死又活的狀態，直到有人打開箱子，發現貓要么是死的，要么是活的為止。” 這只 “既死又活”的貓讓量子物理學家們坐臥不寧，霍金對此發表的評論是“每當聽到薛定諤的貓時，就忍不住要去拿槍”。

第三章  Titanic
觸發實用超事學的悲劇性事件位列人類十大災難的前列。對這一事件的種種猜測與假設到今天也仍未停止，其中甚至包括相當離奇的木乃伊詛咒說。根據這一事件衍生出許多文學作品，俺個人印象較深的有排名1984年全美暢銷書榜首的那本構思精巧將美蘇爭霸與尖端聲學聯系在一起的《北海沉船》，當然也少不了那部榮獲第69屆奧斯卡最佳影片等11項大獎的《泰坦尼克》。
1912年4月10日，被稱為“世界工業史上奇跡”的“永不沉沒”的“泰坦尼克號”從英國南安普頓出發駛往美國紐約開始其處女航。15日23時40分，載著1316名乘客和891名船員的豪華巨輪在與冰山相撞繼而沉沒，1500人葬生海底，造成了在和平時期最嚴重的一次航海事故，也是迄今為止最著名的一次。
泰坦尼克事件之后，召開了第一屆海上生命安全國際大會，大會制定了海上船舶安全法則，對救生艇的數量，水密倉的設計等等都做出了規定。還提出應研制用于發現冰山等水下障礙物的新設備，以替代使用了十幾個世紀的古老觀測設備——肉眼。
泰坦尼克的悲劇發生僅僅5天后，一個叫瑞查得森的人就向英國專利局申請了用在空氣中傳播的聲音回聲定位的專利，一個月后，又申請了同樣的在水下的專利，不過瑞查得森窮其一生也沒能將這些專利轉換為實用設備，看起來似乎更像是紙上談兵。真正的突破是在1914年由美國波士頓潛水艇信號公司（現在是Raytheon公司的一部分）的瑞格納德·Ａ·泰森德（Reginald A. Tessenden）完成并在美國獲得的專利。泰森德的裝置是一個540～1100Hz的低頻發聲裝置，它能探測到水下二米外冰山的回聲，這一裝置仍然相當粗糙，而且還不能精確測定方向。不過接下來的驚天之變將會推波助瀾地將其完善。
1914年6月28日上午10時，薩拉熱窩。一枚炸彈扔向了正在薩市巡視的奧匈帝國皇儲弗蘭茨·斐迪南的座車，斐迪南機敏的司機緊急加速躲過一劫，緊跟其后的第二輛車上一名隨行軍官被炸身亡。  在逮補了刺客查卜林諾維奇后，王儲示意繼續前進時，他并不知道懷藏手槍的17歲中學生加·普林西波早已在下一個街角等候已久。
加·普林西波干凈利落地干掉了斐迪南夫婦，這就是著名的“薩拉熱窩事件”，第一次世界大戰的烽火就此而起。大洋深處，也就此產生了一種遠比冰山更為危險的水下障礙物——潛艇。
對冰山探測的研究迅速轉移到如何發現潛艇上，一位年青的俄裔電氣工程師切洛瓦斯基（M. Constantin  Chilowsky）于1915年在提出了一個全新的利用回波測距探測潛艇的提案，幸運的是這一提案被提交到時任法國科學院首席科學家的朗之萬手上。由于朗之萬當時在磁學、電離學和相對論方面的卓越貢獻而聲名顯赫，因此在朗之萬的倡導下這一提案迅速得以轉化為實驗。不久之后，朗之萬與切洛瓦斯基就合作開發出了一套可以接收到150米遠處1平方米面積靶板的回波。在切洛瓦斯基因故退出合作后，郎之萬對這套設備加以改進，隨著法國高頻真空管放大器技術的進步，他改用石英晶體作為聲發生器與接收器，探測到了6公里遠處的目標，潛艇的天敵、今天在科研軍事民用范圍內廣泛應用的水底探測技術——聲納，終于妝畢出閣。
在前面的章節我們已經看到超聲波的聲強遠大于可聞聲波，因此能量十分驚人。在朗之萬的實驗報告中描述到：“放在聲源附近聲束中的魚被立即殺死，實驗人員將手插入這一區域中有一種痛苦的感覺。”與人耳可聞聲波相比較，一個600瓦/厘米2的超聲波發生器可以在10分種內燒開一壺水，其能量相當于700萬人集中在一起講話1.5小時所釋放的能量總合，我國北方常見的加濕器就是利用了超聲波強大的能量而瞬間將水霧化。
廿世紀二十年代，超聲技術的實際應用除了水下探測系統外，在其他領域也得以迅速發展。超聲波被應用于空化、加熱、乳化和浮動等多個方面，1929年，前蘇聯科學家索科夫（S.Y.Sokolov 1897～?）提出利用超聲波良好穿透性來檢測不透明體內部缺陷，工業無損檢測的新紀元就此開始。
1940年，密歇根大學的法爾斯通教授（Floyd Firestone）提交了一種采用超聲波脈沖反射法的檢測裝置的專利申請，使超聲波無損檢測成為一種實用技術。很快，超聲檢測技術又被應用于非工業方面，甚至用來測量豬背上脂肪的厚度以確定其出欄時間。相對于工業超聲應用，遲至1946年，法爾斯通將超聲反射法用以探測疾病后，超聲在醫學上的應用得以起步。我國的超聲應用探索始于1958年，同年12月上海首先使用脈沖式A型超聲探傷儀，開始進行醫學探測，并分析和解釋了其回聲圖。出于可以想見的原因，今天超聲波在醫學上的發展遠較工業上更為尖端與普及，例如工業超聲當前炙手可熱的相控陣技術早已在醫學領域得以應用，相信每個讀者也都曾見證過B超這一常規醫學檢測手段。

磨牙嚼舌：朗之萬與居里夫人
首先要聲明的是，這段磨牙嚼舌對朗之萬和居里夫人絕無半點不敬，居里夫人的名言“科學活動與私人生活無必然聯系”即是針對朗之萬事件而發。
由于法國科學院歧視女性和排斥外國人1910年居里夫人競選科學院院士失敗，接踵而至的是生活丑聞。朗之萬的夫人公開了瑪麗居里與其丈夫的信件，并鬧至滿城風雨。考慮到時代背景，當時結了婚的法國有錢男人有一個情婦的現象是比較普遍的，是丈夫的一種特權。只要他的情婦不拋頭露面，這個男人就不會受到處罰。而居里夫人不是一個匿名的情婦，不是一個有著謙卑血統要感激被有錢男人留在身邊的女人。她是一個有著自己的事業、有著自己的收入、有著自己的抱負的女人。這使得她成為一個嫉妒和仇恨的目標，其他人要曝光與羞辱她。又因為瑪麗·居里如此有名，朗之萬的吃醋的妻子能夠用向公眾曝光來威脅她。這就使得居里夫人與朗之萬夫婦的三角關系變得獨一無二，而居里夫人沒有理智地考慮到這一點。朗之萬的命運卻截然不同，后來，在妻子的默許下，朗之萬有了另一個情婦。但是這次他選擇了一個能被接受的類型的女人：她是一個無名的秘書。
科學家也同常人一樣有著七情六欲，例如2001年度諾貝爾文學獎得主英國人奈保爾在獲獎致詞中竟然對一些“性工作者”表示感謝，因為他沒有時間和精力與更體面的女士談戀愛。而物理學界最出名的“花心”人物莫過于薛定諤，其一生與多名女性有過感情糾葛。其中一個神秘的女人于1925年初開始陪伴在他左右，使得他在接下來的12個月里令人驚異地始終維持著一種極富創造力和洞察力的狀態，并接連不斷地發表了六篇關于量子力學的主要論文，近來百老匯還以這段軼聞編撰了一出名為《薛定諤的情人》的話劇。
必須一提的是郎之萬是一個頗具正義感的物理學家，九一八事變后，國民政府寄望國聯出面進行干涉，得到的回應卻是列強們無聲無為。郎之萬進行了各種聲援中國的活動，并批評了國際聯盟對日本侵略者的縱容。在第二次世界大戰期間，他堅決反對法西斯，反對侵略，為此曾被德國占領軍逮捕入獄，和法西斯進行了嚴正的斗爭。

第四章  尾聲
自朗之萬至法爾斯通，應用超聲學的大廈拔地而起，新技術的不斷涌現更加拓展了其應用范圍，不過時至今天，超聲波的常用激勵方式仍是基于居里兄弟1880年發現的壓電效應。雖然隨著科技的進步，電磁、激光等新的激勵手段已經出現，但由于存在種種現階段尚不能解決的不足而未在廣泛的領域內得以應用。在這棟大廈里仍舊是壓電材料一統天下，雖然天然的單晶壓電材料如石英在鋯鈦酸鉛等多晶人工復合材料的擠迫下逐漸退出歷史舞臺。
近年來，為了物質結構等基礎研究的需要，超聲波的產生和接收還在向更高頻率(1012赫以上)發展。例如在媒質端面直接蒸發或濺射上壓電薄膜或磁致伸縮的鐵磁性薄膜，就可獲得數百兆赫直至幾萬兆赫的超聲；利用凹型的微波諧振腔，可在石英棒內獲得幾萬兆赫的超聲。此外，用熱脈沖、半導體雪崩、超導結、光子與聲子的相互作用等方法，產生或接收更高頻率的超聲。
隨著人們能產生和接收的超聲波頻率的不斷提高，目前已正在逐步接近點陣熱振動的頻率，利用這些甚高頻超聲的量子化聲能來研究原子間的相互作用、能量傳遞等問題是十分有意義的。通過對甚高頻超聲聲速和衰減的測定，可以了解聲波與點陣振動的相互關系及點陣振動各模式之間的耦合情況，還可以用來研究金屬和半導體中聲子與電子、聲子與超導結、聲子與光子的相互作用等。因此，超聲和電磁輻射及粒子轟擊一起列為研究物質微觀結構和微觀過程的三大重要手段。與之有關的一門新分支學科──量子聲學也正在形成。
超聲學是一門應用性和邊緣性很強的學科，從它一百多年來的發展可以看出，超聲學是隨著它在國防、工農業生產、醫學、基礎研究等領域中應用的不斷深入而得到發展的。它不斷借鑒電子學、材料科學、光學、固體物理等其他學科的內容，而使自己更加豐富。同時，超聲學的發展又為這些學科的發展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超聲探傷和超聲成像技術都是借鑒了雷達的原理和技術而發展起來的，而超聲的發展又為電子學、光電子學、雷達技術的發展提供了超聲延遲線、濾波器、卷積器、聲光調制器等重要的體波和表面波器件。
對于工業無損檢測而言，二十世紀六十年代以來計算機技術的飛速發展，幾乎給每一個行業都帶來了革命性的影響，超聲檢測也不例外。1983年德國KK公司推出了世界上第一臺便攜式數字化超聲波探傷儀USDI型，采用了Z80作CPU，雖然其整機重量較重（約10Kg），體積較大，功能也一般，但其自動可設置的DAC曲線，數據存儲和打印功能已顯示出數字化超聲波探傷儀強大的生命力。1986年后，世界上各工業國家的數字化超聲波探傷儀得到了迅速發展，我國自1989-90年中科院武漢物理所研制成功的國內第一臺數字化超聲波探傷儀KS1010型，自后數字化超聲波探傷儀的發展也較快，經歷了十幾年的發展，目前新一代的產品向小型化和多功能方向進一步發展。經過數百年間科學家們薪火相傳的努力，今天超聲波具有極為廣泛的應用，它可以用來清洗鐘表一類的精密零件，甚至用來清洗大型的導彈殼體與核反應堆里的熱交換器；它可用于鉆孔，切割堅硬的物體；它能使兩種不能混的液體混合起來；還可用來為食物殺菌。利用超聲波可以制成超聲雷達，對海洋的開發和利用具有重要意義。超聲波還用于金屬探傷和處理植物種子等等等等。但是，超聲學仍是一門年輕的學科，其中存在著許多尚待深入研究的問題，對許多超聲應用的機理還未徹底了解，況且實踐還在不斷地向超聲學提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學仍在不斷向前發展。一如永無疆界的科學求索，超聲波更多的發展與應用還有待科學家們的探索和開發。
讓我們拭目以待。

跋
我一直在為下面的這些文字應該作序還是跋而困惑了很久，一如我一直在猶豫是否應在上面的文字中引入一些聲學的基本原理與公式。
與大多數生于70年代的兄弟姐妹一樣，我們的科普起源于《十萬個為什么》，而科幻起源于葉永烈的《小靈通漫游未來》和儒勒·凡爾納。科普書籍的可讀性與趣味性無疑是其生存的根基，許多中外作者都在這方面做出了諸多嘗試，例如蓋莫夫的《物理世界奇遇記》和梁衡的《數理化通俗演義》。我曾經一直認為近年來獨執牛耳的科普作品莫過于霍金的《時間簡史》，直至有一天偶然讀到那部在網上風行的《上帝擲骰子嗎——量子物理史話》。這部長達25萬字的網文對我的影響是極其深遠的，正是它促成了我的這篇粗淺文字。我絕不敢將自己這篇亂七八遭的東西與之相提并論，但還是有意無意間偷偷地崇拜地或多或少地對其風格甚至架構進行了仿效，例如我文中“磨牙嚼舌”的章節就是對其“飯后閑談”的露骨模仿。
有句老話叫“隔行如隔山”，在講求整合的今天似乎不再合時宜。我想如果每個人都可以將其從事的行業寫些簡單的介紹性文字，那就是這些“山”間的“橋梁”。

參考文獻：
《美國無損檢測手冊超聲卷》世界圖書出版社
《超聲波探傷》中國鍋爐壓力容器安全雜志社
百度搜索引擎www.baidu.com
維基百科http://www.wikicn.com
三思科學論壇http://www.oursci.org/bbs/oursci/