于无声处听惊雷——超声检测史话

显示全部楼层 · 2011-1-11 15:05:37

引子  1880
1906年4月19日，持续了数日的霏霏细雨仍笼罩着巴黎。
马车夫带着宿醉的眩晕与难耐的倦意又开始了一天的谋生。连绵的阴雨在透过浸湿的衣襟传来阵阵春寒的同时倒也带来了更多的生意，心情不错的他渐渐开始策马疾行，在转过第二个街角时马车夫并不知道他和他的马车已经注定了将要驶进物理学史。
长期地酗酒麻木了马车夫的神经，所以在撞上那个与他有着同样倦容的绅士时几乎没有做出什么应急反应。围观人群中一位医生模样的人在检查了被撞者的伤势后遗憾地摇摇头，马车夫的脸色顿时变得苍白如墙角风雨中的那朵无名小花。随后赶来的警察例行公事地在登记薄上填上死者的名字——皮埃尔·居里（Pierre Curie 1859-1906）。很显然这名年轻的警务人员并不了解这个名字，一如后世的我们多数时候也是通过他的妻子才会偶然提起他。诚然，作为第一位两次诺贝尔奖得主，居里夫人在科学史上的名头如日中天——在俺计划中本文的姊妹篇《射线检测史话》中她也将出场并扮演重要的角色。但现在请我们保持崇敬的心情而将目光重新凝视在居里身上：相对于1903年他与妻子分享的因对辐射现象的研究和发现钋和镭所获的诺贝尔物理学奖而言，他和哥哥雅克斯·居里（Jacques Curie 1855-1941）共同发现的压电效应在那个被称作物理学黄金时代的岁月里的确只能算是沧海一粟。但是，感谢居里兄弟，正是他们的这一“小小”的发现奠定了现代应用超声学的基础。
1880年，居里兄弟在研究晶体热电现象与结晶对称关系时，认为这个现象可能是由加热时晶体体积发生变化所导致的。根据这个想法他们做了许多实验，发现电气石或石英等天然矿石晶体受到压力时，由于体积变化在晶体表面会有微小电荷产生。接着他们又发现当晶体置于电场中时也会造成体积上的变化，证明了这种现象是可逆的。因为压电效应是可逆的，所以把材料因体积变化而产生电压的效应称为“正压电效应”；反之，材料因加入电压而造成体积变化的效应称为“逆压电效应”；而具有压电效应的材料则统称为“压电材料”。压电材料除了天然的晶体，如石英、电气石、罗德盐等材料以外，还能以人工的方式制造，如氧化锌、聚合物、陶瓷材料、复合材料等等。居里兄弟利用这一发现计设了一种用于精确测量微小电量的压电石英静电计——居里计，我们每个人今天仍时常会看到与用到居里计——因为它是当代石英计时控制与无线电发报的重要元件之一——至少在你低头看石英腕表的每一个不经意间。
发现压电效应的1880年，皮埃尔·居里年仅21岁，他的哥哥雅克斯·居里25岁。这一年声学的开山之祖瑞利爵士（Rayleigh, John William Strutt, Lord 1842～1919）已是四海拜服功成名就。即将名垂超声检测史并在日后让孀居多年的居里夫人情愫暗生的朗之万（Langevin Paul 1872～1946）时年8岁。接下来一系列影响超声检测发展的重大事件正在悄无声息按部就班地演变着：泰坦尼克号沉没还有32年，第一次世界大战的硝烟似乎也还依稀，潜水艇仍然还只是纸上谈兵；这一年遥远的中国大陆上满清王朝最后的挣扎——“同治中兴”已黯然落幕。代表当时金属制造与加工最先进水平的铁甲战列舰定远号在德国计设完成并准备开始制造，而14年后彻底宣判中华帝国在科技军事政治等各方面全面失败的甲午海战已是山雨欲来；这一年中国封建时代中寥若星辰的仅有几位可以称得上物理学家之一的宋应星（1587～1666）已离世214年，毫不夸张地说中华文明在世界科技史上也至少落后了214年，而造成这一恶果的祸首——科举制度，则还将再持续25年。

磨牙嚼舌：科举制度
科举制度“滥觞于隋而成熟于唐”。科举，就是由封建国家设立科目，定期举行统一考试，通过考试来选拔官吏，这种作法，也叫“开科取士”。科举制度以一种相对公平的评价方式完全替代了秦以前的世袭制、汉的举察制以及魏晋的九品中正制，其最大的优势是体现了评价制度中最基本的要素——公平。科举制度有统一的考试范围、统一的命题，有利于选拔人才，提高行政效率，对维护中央集权的封建统治起了重要作用。所以一直为各封建朝代所沿用，并不断加以发展和完善。
科举制度分为文举和武举，武举是专门选拔武官而设置的科目。武举由唐武则天长安二年（702）始置，清光绪二十七年（1901）废除，历时1200年。其考试程序与文举基本一样，只是内容与时间的不同。在中国科举史上，自唐以后，历来是文武两科，殊途并进。传说中的岳飞枪挑小梁王就是在武举考场上完成。但是，中国的科举制度历来重视文科，文科一直占据科举的绝对统治地位，对中华文明的发展影响巨大，后世提到科举时多也是单指文举。
作为封建地主阶级选拔政府官员的考试，科举的内容基本上是儒家经典。由于我国古代的语文教学是以四书五经为核心，所以儒家经典自然成为科举考试的主要内容。宋代以后，科举考试取消了诗赋，考试内容主要是三部分：对儒家经典知识的理解、运用儒家思想对时事政策的分析和政论文的写作能力。对于考试的范围与标准，历代王朝都作过明确的规定。如公元653年，唐太宗颁布《五经正义》为考试标准；公元1212年，宋宁宗以朱熹《论语集注》、  《孟子集注》为考试标准；公元1414年，明朝颁布《五经四书大全》为考试标准；清代，四书以朱熹《四书章句集注》为准，《易》以程颐传、朱熹本义为准，《书》以蔡沈传为准，《诗》以朱熹集传为准，《春秋》以胡安国传为准(以后有变)，《礼记》以陈浩集传为准等。
从考试形式看，科举基本上是笔试。其题型主要有五种:贴经(类似现在的填空)、墨义(一种简单的问答题)、策问(一种政治论文性质的问答)、论(写论述文)、诗赋(作文考试)。明代中期以后，科举考试发生了很大变化，程式严格的八股文成为经义考试的主要形式，撰写八股文成了封建士子进身的主要途径。
科举的贴经、墨义、策问、论、诗赋是考试形式的重大发展，也就是今天考试中填空、简答、论述、作文等题型的雏型。
但是科举制度有其天生的缺陷。
光绪三十一年（1905），在袁世凯与张之洞的奏请下，清庭正式废除了科举制度，从隋朝大业元年（605）的进士科算起科举整整绵延存在了1300周年。在这几乎占据了中国两千多年封建社会史五分之三和中国五千年文明史近三分之一的时间一千三百年里，科举制度的考试形式上虽有过改进与发展，但其内容却始终限定在儒家经典这一狭隘的范围内而不可避免地陷入到僵腐的结局中，尤其到了明清时期的八股文，已经僵化到了不可思议的程度。出题的范围限定在圣人的那几本书里，几千场科考下来可能其中的每一句话都曾被用来出过题了，而且数百年里积累的大量范文、例文考生们都已耳熟能详，逼得考官只能“剑走偏锋”。例如清代有一届科场题目为“时习之不”，这令人摸不着头脑的四个字其实不过是出自《论语》的“学而时习之不亦说乎”，事关社稷存亡的官员选拔考试题目竟然变态到了这种程度，所带来的后果是知识分子在经史子集中无谓虚耗，进而演化为全民性的蒙昧愚顿，直至被列强的铁蹄践踏沦为半殖民地。
中华文明在领跑世界几千年后骤然衰落，被称为“李约瑟现象”，业界研究结果一致公认，冥顽不化偏离实际的科举制度是导致李约瑟现象的重要原因。

第一章  先贤
如同把太极图案与二进制联系在一起并导出计算机是由中国人发明的一样，说老子的“大音希声”是关于超声波的最早文字记载，同样属于民族情结过于浓烈的牵强附会。但是中国古代的声学成就却并不输于西方，声学的研究起源于古人对乐律兴趣，值得庆幸的是，作为六经“诗书礼易乐春秋”之一的“乐”成为士大夫之流的一种“风雅”而得以广泛的研究。明朝没落皇室成员朱载堉（1536～1614）发明的十二平均律无论在音乐史还是声学史上都占有不可忽视的位置，春秋战国时期的编钟与北京天坛的回音壁、三音石、圆丘则是中国实用声学的最佳例证。
中国古人对于声音本质的研究记载有很多，东汉时期的思想家王充（约27～99）在《论衡》中记载了声音的产生机理及其传播与媒质的关系：“生人所以言语吁呼者，气括口喉之中，张翕其口，故能成言。”而我国古代声学的集大成者，当推明朝的宋应星。
宋应星，江西奉新县人。万历43年（1615），宋应星和他的哥哥宋应升同时考中举人。于崇祯7年出任江西分宜县教谕（相当于今天的教委主任一职）。其间，宋应星把他长期积累的生产技术等方面知识加以总结整理，编著了《天工开物》一书，于崇祯10年（1637）刊行。
在《天工开物》的《论气·气声篇》中，宋应星指出“气体浑沦之物……冲之有声焉，飞矢是也；振之有声焉，弹弦是也”，明确提出声波的概念。关于声音的产生，他认为是由于有形之物冲击空气使其振动而发声，这是世界上第一次将声音的产生与振动联系在一起。
《天工开物》是一部大百科全书式的著作。分上、中、下3卷，又细分做18卷，内容十分丰富，并有123幅精美生动的插图。上卷记载了谷物豆麻的栽培和加工方法，蚕丝棉苎的纺织和染色技术，以及制盐、制糖工艺。中卷内容包括砖瓦、陶瓷的制作，车船的建造，金属的铸锻，煤炭、石灰、硫黄、白矾的开采和烧制，以及榨油、造纸方法等。下卷记述了金属矿物的开采和冶炼，兵器的制造、颜料、酒曲的生产，以及珠玉的采集加工等。全书详细地叙述了各种农作物和工业原料的种类、产地、生产技术和工艺装备，以及一些生产组织经验和大量确切的数据，是了解我国古代科学技术成就的重要文献资料。
然而在经过满清将近三百年的统治之后，《天工开物》已经彻底从中国销声匿迹，连知道这本书名字的人几乎都没有。民国初年，在北京各大图书馆均无法找到，甚至各藏书家也没有一个人知道这本书。而当时在日本图书馆却竟然有这本书的英、俄、德、日、法等国的翻译本，而且法国还有全译本。据说当年法国皇帝拿着这本书，如获至宝爱不释手，以致将它深藏于皇帝文库中。具有讽刺意味的是，惟独在中国已找不到这本书。按照法国国家图书馆藏的《天工开物》明朝的最初原刻本重刊后，《天工开物》才在中国又广为印行，再见天日。与当前电视剧作品中对康乾盛世的歌功颂德相悖的是，相当多的学者认为中国科技的大幅度落后正是始于清康熙朝，《天工开物》这部古代科学巨著的遭遇就是一个很好的例子。
作为封建时代罕见的喜好科学的帝王，康熙的学习科学更多是出于其个人兴趣，更不可思议的是他很大的目的竟然是为了炫耀才学（尤其是在汉官面前），近年来甚至还有人根据故宫档案中保存的康熙几何演算草稿考证出他相当于现在的大专文化水平。不过就在康熙进行他“一个人的大学”时，西方科技发展已是轰轰烈烈一日千里，超声检测学的帷幕正在徐徐拉开。
也许我们每个人都曾经问过一个相同的问题：天空为什么是蓝色的？就在俺打下这行字时窗外恰好是万里无云水洗过般的蓝天。这个问题肯定困惑了我们的先祖几千年，却要等到19世纪中叶才会有正确的案——瑞利散射。1842年，斯特拉特出生在英国的一个贵族家庭，他的祖父被英国皇室策封为瑞利勋爵，这是一个世袭的爵位所以他将自然而然地成为瑞利勋爵第三。世袭制度下的子孙多有纨裤，比如法国的路易王朝与满清的八旗子弟，但瑞利勋爵第三却成为科学史上的巨人，后人习惯性地都将斯特拉特称为瑞利。
1861年，他进入剑桥大学的三一学院攻读数学（剑桥三一学院最为著名的“神位”是卢卡逊数学教授，这一职位上的每一个名字都烨烨生辉振聋发聩：牛顿、狄喇克……现在担任此职位的就是那个大名鼎鼎的霍金）。瑞利毕业后留校任教，开始的五年瑞利除了娶英国首任国务大臣的妹妹为妻外，似乎籍籍无名。1872年，他因严重的风湿病不得不去埃及和希腊过冬，在地中海温暖和煦的阳光下，瑞利开始写作那部物理学上不朽的名著——《声学原理》。这部上、下两卷本的书一直写了六年，直到1877年第一卷才初次出版。从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始，几乎所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体的振动和声的产生原理做出过贡献，而《声学原理》集三百年的大量经典声学研究成果之大成，开创了现代声学的先河，至今在理论分析工作中，还时常引用这两卷巨著。清末民初的“西学东渐”运动中，《声学原理》也被引入我国，成为中国现代物理学的一块敲门砖。
自电磁学宗师麦克斯韦（James Clerk Maxwell  1831～1879）经典的“关于电学的专题论文”开始，至居里兄弟发现压电现象的这一段时期，被称为电声学的黄金时代。瑞利的《声学原理》出版后，当时科学界的评价是“此书是如此之权威，以至结束了声学领域进一步的科学探究” 。1879年，一手创立剑桥第一所物理实验室——卡文迪许实验室的麦克斯韦辞世，空缺的实验室主任职位由瑞利继任。在这个职位上，瑞利展示了他非凡才能的另一面，凭着对科研事业的极高热情与全身心投入，他扩大了招生人数，把原只有六、七个学生的小组发展为拥有七十多位实验物理学家的先进学派。与卢卡斯教授职位类似，卡文迪许实验室主任的位置上也是精英会粹：1884年瑞利力排重议推荐年仅28岁的汤姆生（J.J. Thomson 1856～1940）接任实验室主任，汤姆生不负重托在这里发现了电子，荣获1906年的诺贝尔物理学奖。汤姆生的学生卢瑟福（Ernest Rutherford  1871～1937）接替汤姆生任卡文迪许实验室主任后，还是在这里，利用a-射线发现了原子的“行星式”有核结构，第一次打开了原子的大门，于1908年荣获诺贝尔化学奖。卢瑟福培养了很多的学生，其中有量子物理学巨擎丹麦物理学家玻尔（Bohr Niels 1885～1962），发现了原子序数与它的X-射线波长间关系的莫斯莱，还培养了中国首位核物理学家霍秉权（1903～1988）。卡文迪许实验室在近当代物理学界中有如少林武当般的地位，瑞利功莫大焉。
书归正传，瑞利在超声波领域做出了大量的早期贡献。1882年瑞利设计了一种精确测定声场中质点速度的装置瑞利盘（Rayleigh disk），是一个用细丝悬挂的刚性薄圆盘，圆盘的半径r甚小于声波的波长，在声波的作用下，根据圆盘的偏转角，圆盘的半径、厚度和密度，媒质的密度及悬挂系统的周期等，可算出质点的速度和传声器表面处的声压，由此可绝对校准传声器的声压灵敏度。1887年瑞利通过对地震学的研究发现了瑞利波（Rayleigh wave 国内习惯称为表面波）。这种波在超声检测和表面波器件中起着显著的作用，表面波器件广泛应用于音响、手机等设备，与前述居里兄弟在石英表中时刻陪伴我们一样，就在你我接听拨打每一个电话时，瑞利都会在天堂里微笑。

磨牙嚼舌：康熙与李约瑟
李约瑟（Joseph Needham 1900～1995），英国近代生物化学家和科学技术史专家。所著《中国的科学与文明》(即《中国科学技术史》)对现代中西文化交流影响深远。他关于中国科技停滞的李约瑟现象是李氏研究中国科学技术史的中心论题，他提出：尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献，但为什么科学和工业革命没有在近代的中国发生？他个人见解是中国长久没有发展，如腓尼基人和希腊人早期的城邦，缺乏要为生存而互相竞争的环境。李约瑟认为科举选拔制度下可以使中国非常有效地集中了大批聪明的、受过良好教育的人，他们的管理使得中国井然有序，并使中国发展了以整体理论，实用化研究方法的科技。比如中国古代天文学取得了很大成就，再比如大运河的修建等。但这一模式使得新观念很难被社会接受，新技术开发领域几乎是一片空白。
在西方，发展了以还原论，公式化研究方法的科技。此种科技的兴起与商业阶级的兴起相联系，鼓励较强的技术开发竞争。在中国，反对此种科技的发展的阻力太大。西方式的科技发展却能冲破这些阻力，取得现在的成就。比如欧洲国家之间的竞争使得欧洲在中国火药的基础上发明并改良火药武器。李约瑟认为在这方面，自秦朝以后的中国不但比不上相同时期的欧洲，甚至比不上春秋战国时期的中国。
在视科技为奇技淫巧大背景下，难得有一位帝王对科技感兴趣，清圣祖康熙却是一个例外。康熙与同时代的另一西方帝王——路易十四有很多相似之处，他们同样是幼年继位、雄才大略，同样具有了解世界的强烈愿望。1688年，在南怀仁的邀请下首批法国传教士受路易十四派遣几经周折抵达北京，随后得到康熙的接见。在这场意义深远的中法早期交流活动中，首先登台唱主角的就是科学。法国传教士带来了浑天器等共计大中小30箱科学仪器作为见面礼，喜好科学的康熙因此龙颜大悦。经过挑选，传教士中的张诚和白晋（汉名）被留在清朝宫廷之中，担任康熙的科学顾问。相对于路易十四个人对芭蕾的痴迷，康熙对科学的兴趣要浓烈得多，甚至于他的西方教师因他学习的勤奋而对他的健康表示担心。然而今人扼腕的是，中法两国却就此走上了不同的道路。路易十四的法兰西走上了近代化的强国之路，而大清帝国的一代明君圣主，千古一帝康熙，他除了要让汉族大臣看到“他是个多么有能力有智慧的皇帝，满人也并非‘蛮夷’”以外，对于科学的需求无非是“一部好的历法，一张准确的地图，一套数学、天文学和韵律学的系统理论”，康熙或许认为只要做到了这些———而不是超越别的国家———就能保证江山永固，但是他错了。康熙死后随着主管科技的学者型皇三子允祉在权力斗争中的失势，清帝国史上绝好的一次机会也随之消失，就此种下117年后鸦片战争的种子。

第二章  揭幕
我们先看到闪电再听见雷声并非是因为眼睛长在耳朵前面，而是证明了声音是以远低于光速的有限速度传播。虽然测量声速现在只是高中物理实验中的一个普通要求，但是历史上不同介质内声速的测量则用了近百年的时间才得以完成。今天的中学生在声速测量实验中可以在时差法、共振法和相位比较法中三选其一，而前辈们当时所手中的武器注定他们只能采用时差法——利用声与光的速度差或是不同介质中的声速差，所以在那个时代声速测量的前提是需要先测定光速。
第一个试图测量光速的人是伟大的伽利略(Galileo Galilei 1564～1642)，他选择了一对相距4.8千米的小山想以时差法测量光速，很显然以当时的设备水平这一试验必然以失败告终，在19世纪以前，没有一个人在地面上成功地测量了光速。但伽利略本人并不知道他已在无意间提供了解决问题的正确途径。
1610年伽利略用自制的望远镜首次发现木星的4个卫星。1676年，丹麦天文学家罗默（Ole Christensen Romer 1644～1710）第一次提出了有效的光速测量方法——利用木星卫星的成蚀。惠更斯（Christian Huygens 1629～1695）根据罗迈提出的数据和地球的半径，第一次计算出了光的传播速度约为200000千米/秒，1728年，英国天文学家布拉德雷(Bradley James 1693～1762)得出光速为310000千米/秒。虽然准确的光速测量需要等到迈克尔逊( Albert Abrham Michelson  1852 ～1931)在1882年才能完成，但已并不妨碍人们对声音传播速度的探索。
先来看看数学上的推导——牛顿（Isaac Newton 1642-1727）在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中推理：振动物体要推动邻近媒质，后者又推动它的邻近媒质等等，经过复杂而难懂的推导，求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根。数学家欧拉（Euler 1707-1783）在1759年根据这个概念提出更清楚的分析方法，求得牛顿的结果。但是据此算出的声速只有288米／秒，与实验值相差很大。直到1816年，法国著名的数学家、力学家和天文学家拉普拉斯（Laplace 1749-1827）（即那个著名的物理学三大怪兽之一拉普拉斯智者的提出人）指出只有在空气温度不变时，牛顿对声波传导的推导才正确，而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能是等温过程，而应该是绝热过程。因此，声速的二次方应是大气压乘以比热容比(定压比热容与定容比热容的比)与密度之比，据此算出声速的理论值与实验值就完全一致了。
1738年巴黎科学院的卡西尼（Cassini 1625-1712）、罗默、惠更斯等人利用远外山峰上的火炮进行时差法声速测量，测得结果折合为0℃时空气中的声速为1172巴黎尺/秒（332米/秒），与目前最准确的数值331.45米/秒误差仅有0.15%，在这一数据的基础上，毕奥（Biot 1744-1860）在一根长铸铁筒的一端敲击，声音就通过金属和空气传播到另一端，测出两者的时间差，就可以计算出声音在金属中的传播速度。他测出声音在铁中的传播速度约为每秒3500米（今天我们知道毕奥测得的是铁中横波声速）。
1826年春末，瑞士日内瓦湖葱翠欲滴杨柳依依，春日暖暖的阳光下游人如织，微风轻拂下湖面泛着点点金鳞。两个20出头的年轻人历经艰辛携带着炸药偷偷越过法瑞边境来到湖边。他们的古怪举动很快引起了人们的关注，在纷纷的议论声中他们径自带着一些奇形怪状的东西各自登上了一艘小船，其中的一条船上甚至还架设了一枝火枪。
这两个怪人就是瑞士物理学家丹尼尔·科拉顿(Daniel Colladon 1802—1892)和法国数学家查理士·斯特姆(Charles Sturm 1803～1855)。
斯特姆的小船上带着一根一端有2000平方厘米大的喇叭口的长管子。科拉顿的船头上则架着火枪，并在船头水下3米的地方用链索拴着一口高70厘米、重65千克的铜钟。两艘小船相距一定距离，斯特姆将长管放入水中，喇叭口对准科拉顿船头的方向，然后拿着秒表，把耳朵贴在长管子上端开口处，两眼注视着科拉顿船头上的火枪。一切准备就绪，科拉顿拉动了他那特制的杠杆。杠杆带动水中锤头猛击铜钟的同时带动了火枪的扳机，即水下铜钟鸣响与船上火枪喷火是一同进行的，而火枪的喷火点燃了紧临枪口处的一堆闪光灯专用炸药。
当时，人们已经知道光是以每秒约30万千米的速度在空气中传播，也知道声音以每秒340米的速度在空气中传播。根据这两个数据，斯特姆在看到闪光炸药发出耀眼光芒的同时按下了秒表，可以说敲铜钟与按秒表是同时进行的。很快，斯特姆从长管中听到了铜钟的声音。他按下了秒表。从这两个时间差他算出了声音在水中的传播速度。经多次校验，他们计算出声音在水中的传播速度为每秒1435米，自1490年达·芬奇(Leonardo da Vinci 1452-1519)发现了声波在水中的传播以后近400年，人类历史上第一次水中声速的测量获得了成功。
值得注意的是，所有这些声速的测量，都是在当时的“声学仪器”只有秒表和人耳的情况下完成的，这的确是相当了不起的成绩。相对于秒表而言，人耳已属相当精密的“仪器”——人耳能听到的最低声强约是10-16～10-14瓦/厘米2，古人对听力下限的实际观测的结果是“静可闻针”，这一结果相当符合事实，细针落地时的声强仅约10-15瓦/厘米2，这一声强在1000Hz时相应的空气质点振动位移仅仅是10-11米，只有空气平均分子直径的十分之一，可见人耳对声的接收实能力属惊人。一些常“见”的声强大致如下：
引起听学的声强    10-15瓦/厘米2
树叶沙沙声             10-15瓦/厘米2
耳语                         10-14瓦/厘米2
谈话                         10-11瓦/厘米2
大炮声                      10-6瓦/厘米2
超声波                      10＋4瓦/厘米2
从震耳欲聋的大炮声与超声波相比仍差了十个数量级来看，人耳听不到超声波真是一种幸运。人类很早就意识到，可能存在着人耳听不到的“声音”，但对人耳听力极限的第一份科学推测出自于克拉尼（Chladni 1756-1827）。
1809年的一天，法皇拿破仑在宫廷中召见了一个据说“可以让人看见声音”来自德国的神秘人物。这个人默不做声地在随身带来的一块薄金属平板上撒上细砂，然后用一把小提琴弓摩擦金属板。奇迹出现了，砂子在振动板的波节线上聚集起来形成了规则的图形，这就是后来用来表示声音特征的克拉尼图。拿破仑看到后兴奋异常，对众人说“克拉尼的声音被我看见了”，当场奖励了克拉尼六千法郎，并要求将他的著作《声学》翻译成法文。“克拉尼图”只是克拉尼在声学领域做出的众多贡献之一，比如在1817年克拉尼就指出了人的听觉所能听到的声音的最高频率为每秒二万二千次（22000赫兹）。
其实超声波广泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫声中含有超声成分，蝙蝠利用超声导航和觅食，金属片撞击和小孔漏气也能发出超声。与动物相比，人类的听觉有点可怜，狗和蝙蝠是可以听到高到160000赫兹的动物代表，而鲸和大象则处于声音波谱的另一端，它们可以发出并听到频率在15到35赫兹范围内的声音。
今天科学试验的结果证明人类的听力范围是20～20000赫兹，振动频率低于20赫兹的声波被称为次声波，而高于20000赫兹的声音，那就是本文的主角——超声波。
1830年，法国物理学家萨伐尔(Felix Savart 1791-1841)制作了一个高转速齿轮，用以拨动一片金属片而产生了高达24000赫兹的超声波，这一演示音调和频率关系的装置在今天的中学物理实验课上被称为发音齿轮或萨伐尔盘。从前面的章节我们已经知道，在电声学时代之前，声学观测仪器仅仅只是精巧但相对简陋的人耳，因此探测高频声波是相当困难的一件事，直至丁铎尔（John Tyndall 1820—1893）观测到声波对燃气火焰的影响并将其发展为一种敏感的探测方法后，对超声波的研究才算是得门而入。
宋应星、克拉尼、瑞利、居里兄弟……经过一代代科学家薪火相传执着不息地追求，超声学的研究已在物理学的大殿里登堂入室。接下来，触发实用超声学的不幸事件即将上演，而超声学也将要走出理论的殿堂来履行其福祉众生的使命。

磨牙嚼舌：物理学四大怪物
物理学史上有四个著名的悖论，即芝诺的乌龟、拉普拉斯的智者、麦克斯韦的精灵和薛定谔的猫。由于它们都借助于某种奇异的生物来表述，所以被统称为物理学三大怪物。
芝诺的乌龟严格说起来更应该算是哲学悖论，为了证明运动是不可能的，芝诺编了好几个著名的悖论来说明运动的荒谬性。而最有名的就是“阿喀琉斯追龟辩”：阿喀琉斯是史诗《伊利亚特》里的希腊英雄（布拉德皮特近期在好莱坞大片中为我们诠释了这个人物），他奔跑的速度是乌龟的10倍，假设他与乌龟相距100米，当他跑到乌龟现在这个位置，也就是跑了100米的时候，乌龟也已经又向前跑了10米。当他再追到这个位置的时候，乌龟又向前跑了1米，再追1米，又跑了1/10米……总之，他只能无限地接近乌龟，但永远也不能追上乌龟。芝诺的乌龟令人困扰的地方，就在于它采用了一种无限分割空间的办法，使得我们无法跳过这个无限去谈问题。
拉普拉斯则为我们假设了一位智者，他能知道在任一给定时刻作用于自然界的所有的力以及构成世界的一切物体的位置。假定这位智者的智慧高超到有能力对所有这些数据做出分析处理，那么它就能将宇宙中最大的天体和最小的原子的运动包容到一个公式中。对于这个智者来说，再没有什么事物是不确定的了，过去和未来都历历在目地呈现在它的面前。直到二十世纪初期量子物理学的发展才宣告了这名智者不可能存在。
麦克斯韦精灵则试图动摇热力学第二定律，即“不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响”。麦克斯韦的精灵可以精确区分运动速度不同的分子，并控制其运动方向，让高速运动的分子集中在一起而在没有外部做功的情况下使这一区域的温度升高。这为我们描绘了一个奇异的画面：在大海中航行的船只无需任何能源，只需由麦克斯韦精灵将海水中运动速度快的分子提取出来使之沸腾产生蒸汽推动汽轮机即可。
薛定谔的猫在物理学界引发的动荡与争议远比前三个怪物要大得多，甚至还发展出了“薛定谔的朋友”等多个拓展版本。其基本阐述为“设想有一个箱子，里面有一只活猫。一个装有镭的容器及一个装有氰化物的小瓶也放在箱子之中。镭原子会发生衰变。在这个装有活猫的密闭的箱子里，如果镭发生衰变，几打碎瓶子，使氰化物从小瓶之中释放出来，从而杀死猫；如果镭不发生衰变，小瓶也不会破碎，猫会活下去。按照哥本哈根解释，在打开箱子看猫的死活之前，猫既是死的，也是活的，因为两种可能性都存在。而且，箱子中的猫会保持这种既死又活的状态，直到有人打开箱子，发现猫要么是死的，要么是活的为止。” 这只 “既死又活”的猫让量子物理学家们坐卧不宁，霍金对此发表的评论是“每当听到薛定谔的猫时，就忍不住要去拿枪”。

第三章  Titanic
触发实用超事学的悲剧性事件位列人类十大灾难的前列。对这一事件的种种猜测与假设到今天也仍未停止，其中甚至包括相当离奇的木乃伊诅咒说。根据这一事件衍生出许多文学作品，俺个人印象较深的有排名1984年全美畅销书榜首的那本构思精巧将美苏争霸与尖端声学联系在一起的《北海沉船》，当然也少不了那部荣获第69届奥斯卡最佳影片等11项大奖的《泰坦尼克》。
1912年4月10日，被称为“世界工业史上奇迹”的“永不沉没”的“泰坦尼克号”从英国南安普顿出发驶往美国纽约开始其处女航。15日23时40分，载着1316名乘客和891名船员的豪华巨轮在与冰山相撞继而沉没，1500人葬生海底，造成了在和平时期最严重的一次航海事故，也是迄今为止最著名的一次。
泰坦尼克事件之后，召开了第一届海上生命安全国际大会，大会制定了海上船舶安全法则，对救生艇的数量，水密仓的设计等等都做出了规定。还提出应研制用于发现冰山等水下障碍物的新设备，以替代使用了十几个世纪的古老观测设备——肉眼。
泰坦尼克的悲剧发生仅仅5天后，一个叫瑞查得森的人就向英国专利局申请了用在空气中传播的声音回声定位的专利，一个月后，又申请了同样的在水下的专利，不过瑞查得森穷其一生也没能将这些专利转换为实用设备，看起来似乎更像是纸上谈兵。真正的突破是在1914年由美国波士顿潜水艇信号公司（现在是Raytheon公司的一部分）的瑞格纳德·Ａ·泰森德（Reginald A. Tessenden）完成并在美国获得的专利。泰森德的装置是一个540～1100Hz的低频发声装置，它能探测到水下二米外冰山的回声，这一装置仍然相当粗糙，而且还不能精确测定方向。不过接下来的惊天之变将会推波助澜地将其完善。
1914年6月28日上午10时，萨拉热窝。一枚炸弹扔向了正在萨市巡视的奥匈帝国皇储弗兰茨·斐迪南的座车，斐迪南机敏的司机紧急加速躲过一劫，紧跟其后的第二辆车上一名随行军官被炸身亡。  在逮补了刺客查卜林诺维奇后，王储示意继续前进时，他并不知道怀藏手枪的17岁中学生加·普林西波早已在下一个街角等候已久。
加·普林西波干净利落地干掉了斐迪南夫妇，这就是著名的“萨拉热窝事件”，第一次世界大战的烽火就此而起。大洋深处，也就此产生了一种远比冰山更为危险的水下障碍物——潜艇。
对冰山探测的研究迅速转移到如何发现潜艇上，一位年青的俄裔电气工程师切洛瓦斯基（M. Constantin  Chilowsky）于1915年在提出了一个全新的利用回波测距探测潜艇的提案，幸运的是这一提案被提交到时任法国科学院首席科学家的朗之万手上。由于朗之万当时在磁学、电离学和相对论方面的卓越贡献而声名显赫，因此在朗之万的倡导下这一提案迅速得以转化为实验。不久之后，朗之万与切洛瓦斯基就合作开发出了一套可以接收到150米远处1平方米面积靶板的回波。在切洛瓦斯基因故退出合作后，郎之万对这套设备加以改进，随着法国高频真空管放大器技术的进步，他改用石英晶体作为声发生器与接收器，探测到了6公里远处的目标，潜艇的天敌、今天在科研军事民用范围内广泛应用的水底探测技术——声纳，终于妆毕出阁。
在前面的章节我们已经看到超声波的声强远大于可闻声波，因此能量十分惊人。在朗之万的实验报告中描述到：“放在声源附近声束中的鱼被立即杀死，实验人员将手插入这一区域中有一种痛苦的感觉。”与人耳可闻声波相比较，一个600瓦/厘米2的超声波发生器可以在10分种内烧开一壶水，其能量相当于700万人集中在一起讲话1.5小时所释放的能量总合，我国北方常见的加湿器就是利用了超声波强大的能量而瞬间将水雾化。
廿世纪二十年代，超声技术的实际应用除了水下探测系统外，在其他领域也得以迅速发展。超声波被应用于空化、加热、乳化和浮动等多个方面，1929年，前苏联科学家索科夫（S.Y.Sokolov 1897～?）提出利用超声波良好穿透性来检测不透明体内部缺陷，工业无损检测的新纪元就此开始。
1940年，密歇根大学的法尔斯通教授（Floyd Firestone）提交了一种采用超声波脉冲反射法的检测装置的专利申请，使超声波无损检测成为一种实用技术。很快，超声检测技术又被应用于非工业方面，甚至用来测量猪背上脂肪的厚度以确定其出栏时间。相对于工业超声应用，迟至1946年，法尔斯通将超声反射法用以探测疾病后，超声在医学上的应用得以起步。我国的超声应用探索始于1958年，同年12月上海首先使用脉冲式A型超声探伤仪，开始进行医学探测，并分析和解释了其回声图。出于可以想见的原因，今天超声波在医学上的发展远较工业上更为尖端与普及，例如工业超声当前炙手可热的相控阵技术早已在医学领域得以应用，相信每个读者也都曾见证过B超这一常规医学检测手段。

磨牙嚼舌：朗之万与居里夫人
首先要声明的是，这段磨牙嚼舌对朗之万和居里夫人绝无半点不敬，居里夫人的名言“科学活动与私人生活无必然联系”即是针对朗之万事件而发。
由于法国科学院歧视女性和排斥外国人1910年居里夫人竞选科学院院士失败，接踵而至的是生活丑闻。朗之万的夫人公开了玛丽居里与其丈夫的信件，并闹至满城风雨。考虑到时代背景，当时结了婚的法国有钱男人有一个情妇的现象是比较普遍的，是丈夫的一种特权。只要他的情妇不抛头露面，这个男人就不会受到处罚。而居里夫人不是一个匿名的情妇，不是一个有着谦卑血统要感激被有钱男人留在身边的女人。她是一个有着自己的事业、有着自己的收入、有着自己的抱负的女人。这使得她成为一个嫉妒和仇恨的目标，其他人要曝光与羞辱她。又因为玛丽·居里如此有名，朗之万的吃醋的妻子能够用向公众曝光来威胁她。这就使得居里夫人与朗之万夫妇的三角关系变得独一无二，而居里夫人没有理智地考虑到这一点。朗之万的命运却截然不同，后来，在妻子的默许下，朗之万有了另一个情妇。但是这次他选择了一个能被接受的类型的女人：她是一个无名的秘书。
科学家也同常人一样有着七情六欲，例如2001年度诺贝尔文学奖得主英国人奈保尔在获奖致词中竟然对一些“性工作者”表示感谢，因为他没有时间和精力与更体面的女士谈恋爱。而物理学界最出名的“花心”人物莫过于薛定谔，其一生与多名女性有过感情纠葛。其中一个神秘的女人于1925年初开始陪伴在他左右，使得他在接下来的12个月里令人惊异地始终维持着一种极富创造力和洞察力的状态，并接连不断地发表了六篇关于量子力学的主要论文，近来百老汇还以这段轶闻编撰了一出名为《薛定谔的情人》的话剧。
必须一提的是郎之万是一个颇具正义感的物理学家，九一八事变后，国民政府寄望国联出面进行干涉，得到的回应却是列强们无声无为。郎之万进行了各种声援中国的活动，并批评了国际联盟对日本侵略者的纵容。在第二次世界大战期间，他坚决反对法西斯，反对侵略，为此曾被德国占领军逮捕入狱，和法西斯进行了严正的斗争。

第四章  尾声
自朗之万至法尔斯通，应用超声学的大厦拔地而起，新技术的不断涌现更加拓展了其应用范围，不过时至今天，超声波的常用激励方式仍是基于居里兄弟1880年发现的压电效应。虽然随着科技的进步，电磁、激光等新的激励手段已经出现，但由于存在种种现阶段尚不能解决的不足而未在广泛的领域内得以应用。在这栋大厦里仍旧是压电材料一统天下，虽然天然的单晶压电材料如石英在锆钛酸铅等多晶人工复合材料的挤迫下逐渐退出历史舞台。
近年来，为了物质结构等基础研究的需要，超声波的产生和接收还在向更高频率(1012赫以上)发展。例如在媒质端面直接蒸发或溅射上压电薄膜或磁致伸缩的铁磁性薄膜，就可获得数百兆赫直至几万兆赫的超声；利用凹型的微波谐振腔，可在石英棒内获得几万兆赫的超声。此外，用热脉冲、半导体雪崩、超导结、光子与声子的相互作用等方法，产生或接收更高频率的超声。
随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，目前已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子与超导结、声子与光子的相互作用等。因此，超声和电磁辐射及粒子轰击一起列为研究物质微观结构和微观过程的三大重要手段。与之有关的一门新分支学科──量子声学也正在形成。
超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超声探伤和超声成像技术都是借鉴了雷达的原理和技术而发展起来的，而超声的发展又为电子学、光电子学、雷达技术的发展提供了超声延迟线、滤波器、卷积器、声光调制器等重要的体波和表面波器件。
对于工业无损检测而言，二十世纪六十年代以来计算机技术的飞速发展，几乎给每一个行业都带来了革命性的影响，超声检测也不例外。1983年德国KK公司推出了世界上第一台便携式数字化超声波探伤仪USDI型，采用了Z80作CPU，虽然其整机重量较重（约10Kg），体积较大，功能也一般，但其自动可设置的DAC曲线，数据存储和打印功能已显示出数字化超声波探伤仪强大的生命力。1986年后，世界上各工业国家的数字化超声波探伤仪得到了迅速发展，我国自1989-90年中科院武汉物理所研制成功的国内第一台数字化超声波探伤仪KS1010型，自后数字化超声波探伤仪的发展也较快，经历了十几年的发展，目前新一代的产品向小型化和多功能方向进一步发展。经过数百年间科学家们薪火相传的努力，今天超声波具有极为广泛的应用，它可以用来清洗钟表一类的精密零件，甚至用来清洗大型的导弹壳体与核反应堆里的热交换器；它可用于钻孔，切割坚硬的物体；它能使两种不能混的液体混合起来；还可用来为食物杀菌。利用超声波可以制成超声雷达，对海洋的开发和利用具有重要意义。超声波还用于金属探伤和处理植物种子等等等等。但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学仍在不断向前发展。一如永无疆界的科学求索，超声波更多的发展与应用还有待科学家们的探索和开发。
让我们拭目以待。

跋
我一直在为下面的这些文字应该作序还是跋而困惑了很久，一如我一直在犹豫是否应在上面的文字中引入一些声学的基本原理与公式。
与大多数生于70年代的兄弟姐妹一样，我们的科普起源于《十万个为什么》，而科幻起源于叶永烈的《小灵通漫游未来》和儒勒·凡尔纳。科普书籍的可读性与趣味性无疑是其生存的根基，许多中外作者都在这方面做出了诸多尝试，例如盖莫夫的《物理世界奇遇记》和梁衡的《数理化通俗演义》。我曾经一直认为近年来独执牛耳的科普作品莫过于霍金的《时间简史》，直至有一天偶然读到那部在网上风行的《上帝掷骰子吗——量子物理史话》。这部长达25万字的网文对我的影响是极其深远的，正是它促成了我的这篇粗浅文字。我绝不敢将自己这篇乱七八遭的东西与之相提并论，但还是有意无意间偷偷地崇拜地或多或少地对其风格甚至架构进行了仿效，例如我文中“磨牙嚼舌”的章节就是对其“饭后闲谈”的露骨模仿。
有句老话叫“隔行如隔山”，在讲求整合的今天似乎不再合时宜。我想如果每个人都可以将其从事的行业写些简单的介绍性文字，那就是这些“山”间的“桥梁”。

参考文献：
《美国无损检测手册超声卷》世界图书出版社
《超声波探伤》中国锅炉压力容器安全杂志社
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