張碧星：以“聲”為名酬壯志

本刊記者 胡 敬

冰心老人有一句話：“成功之花，人們往往驚羨它現(xiàn)時的明艷，然而當(dāng)初，它的芽兒卻浸透了奮斗的淚泉，灑滿了犧牲的血雨?！睉{借著多年來不為人知的勤勉敬業(yè)，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師張碧星教授在聲學(xué)研究領(lǐng)域征服了一個又一個的高峰。

緣起：以“聲”為名

聲學(xué)是一門古老的學(xué)科，早在先秦時期就有“情發(fā)于聲,生成文謂之音”之說；聲學(xué)是一門經(jīng)典的學(xué)科,它對當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、社會經(jīng)濟的進步、國防事業(yè)的現(xiàn)代化以及人們物質(zhì)精神生活的改善與提高都發(fā)揮著極其重要的作用；聲學(xué)是最具生命力的學(xué)科，從經(jīng)典聲學(xué)到現(xiàn)代聲學(xué)，其內(nèi)涵不斷在深化、外延不斷在擴大。

而張碧星與聲學(xué)結(jié)緣則是始于1988年，那時他在吉林大學(xué)物理系攻讀碩士和博士學(xué)位，在吳式樞教授（中科院院士）和王克協(xié)教授的共同指導(dǎo)下，他開始從事井孔聲學(xué)和油氣儲層探測理論方面的研究，至此埋首聲學(xué)研究刻苦鉆研。

如今張碧星已是中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲學(xué)微機電系統(tǒng)實驗室主任，目前主要研究方向是超聲檢測與成像。“中科院的科研環(huán)境非常好，它給了我一個安心做科研的平臺。”說這話的張碧星是真誠而坦率的，早年他大學(xué)畢業(yè)并做了七年中學(xué)教師，是怎樣的堅持和勤奮才使得他沒有安于現(xiàn)狀，從本科生到博士生，從助理研究員到研究室主任，他從沒放棄過自己的科學(xué)理想并在專業(yè)領(lǐng)域頗有建樹：

他在超聲成像、超聲傳播與散射、超聲電子學(xué)、井孔聲學(xué)、層狀介質(zhì)聲學(xué)等方面開展了深入系統(tǒng)的研究工作，在時間反轉(zhuǎn)成像、相控陣檢測與成像、瑞利波探測理論及方法、聲波測井理論與解釋等方面負(fù)責(zé)完成了多項國家級科研項目及橫向課題。他針對分層介質(zhì)、各向異性介質(zhì)、多孔介質(zhì)、壓電介質(zhì)等，對聲波的激發(fā)和傳播與散射機理、聲學(xué)探測理論和方法、聲成像理論和方法、超聲相控陣檢測與技術(shù)開發(fā)等問題開展了長期的科學(xué)研究，取得了一系列具有原創(chuàng)性的科研成果，在國內(nèi)外同行中引起了廣泛的關(guān)注和重視。

鉆研：超聲相控技術(shù)

超聲波可以穿透不透光的物體，利用超聲波在物體中的傳播特性可以獲得物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和聲學(xué)參數(shù)的信息，從而得到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直觀圖像，即超聲成像技術(shù)能對不透明體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到人眼可見的圖像。

超聲成像是超聲探測從定性向定量化和可視化發(fā)展的標(biāo)志，是聲學(xué)領(lǐng)域中極為重要的發(fā)展方向，在很多行業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用，而且新的檢測成像技術(shù)也在不斷地提出和發(fā)展。超聲相控陣技術(shù)就是最近十多年來迅速發(fā)展起來的一種新型超聲檢測技術(shù)，它是利用電子技術(shù)控制相控陣換能器各陣元發(fā)射信號的時間延遲和幅度實現(xiàn)聲波的聚焦發(fā)射和聚焦接收，即利用電子掃描技術(shù)快速改變各陣元信號的時延和幅度，進行快速動態(tài)聚焦和掃描成像，從而對待檢材料的各個部位進行快速的掃描、檢測與成像。和常規(guī)技術(shù)相比，它大大提高了檢測速度和精度。

由于這一技術(shù)的諸多優(yōu)勢，它已在國外很多領(lǐng)域得到了快速發(fā)展和成功應(yīng)用，如工業(yè)檢測中的管材檢測、管道焊縫檢測、核電站設(shè)備材料檢測、飛機材料檢測、鐵軌和車輪檢測等，在相關(guān)行業(yè)已不斷推出逐漸成熟的商業(yè)性超聲相控陣成像設(shè)備和儀器。然而，我國關(guān)于超聲相控陣技術(shù)研究起步較晚，目前還沒有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的任何成型的商用超聲相控陣成像儀器和設(shè)備。

針對這一狀況，張碧星教授近十年來一直堅持開展超聲相控陣檢測技術(shù)的理論、方法及實驗研究。近幾年，在國家863計劃課題資助下，開展了超聲相控陣管材檢測技術(shù)的應(yīng)用研究，取得了可喜成果。

管材在生產(chǎn)過程中，由于多種原因會產(chǎn)生多種形式的縱向和橫向的缺陷，這些缺陷對管棒材的質(zhì)量保障及安全生產(chǎn)存在著極大的質(zhì)量隱患，目前，我國鋼廠的管材超聲檢測方法幾乎都是采用常規(guī)的探傷檢測技術(shù)和設(shè)備，其檢測手段基本停留在幾十年前的檢測水平上。

對此，張碧星教授率團隊，在開展大量超聲相控陣?yán)碚摵蛯嶒炑芯康幕A(chǔ)上，專注于管材超聲相控陣檢測的應(yīng)用技術(shù)研究，結(jié)合最先進的計算機數(shù)字技術(shù)、微電子技術(shù)和機械自動化技術(shù)，攻克了一系列技術(shù)難關(guān)，在相控陣換能器探頭設(shè)計與研制、相控陣發(fā)射采集系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)上取得突破，打破了國外技術(shù)的封鎖，成功研制出我國第一臺超聲相控陣管材探傷設(shè)備，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達到國際先進水平，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，填補了我國在超聲相控陣管材檢測上的技術(shù)空白，改變了我國不能研制管材超聲相控陣檢測設(shè)備的落后現(xiàn)狀。

功成：“聲”名遠播

多年來，張碧星教授一直從事聲學(xué)無損評價的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方法研究，他完善和發(fā)展了聲表面波探測的理論體系。理論上對分層介質(zhì)的傳遞矩陣進行了改進，改善了數(shù)值計算中的高頻有效數(shù)字丟失現(xiàn)象，較大程度地提高了可計算的頻率范圍，使得在通常頻段范圍內(nèi)完全克服了有效數(shù)字丟失現(xiàn)象的難題，該方法被稱為propagator mathix法。在此基礎(chǔ)上，他對聲表面波探測理論與方法開展了系統(tǒng)深入的研究，正確地給出了聲表面波多模態(tài)的物理詮釋及內(nèi)在機理，首次提出了聲表面波“之”字形頻散曲線的形成機理，為聲表面波反演研究打開了缺口，并率先開展了聲表面波反演研究。形成了一套基本成熟的聲表面波探測的理論體系，已逐漸得到了國內(nèi)外科技工作者的認(rèn)可，目前已被大量引用。

他發(fā)展了聲學(xué)時間反轉(zhuǎn)聚焦成像理論，首次將時間反轉(zhuǎn)法應(yīng)用于各向異性介質(zhì)，提出了時間反轉(zhuǎn)聚焦增益的概念。率先在國內(nèi)開展了系統(tǒng)的聲學(xué)時間反轉(zhuǎn)聚焦理論和實驗研究，將時間反轉(zhuǎn)法應(yīng)用于水下編碼通信，極大地降低水下通信中的誤碼率，使通信距離大大增加，推動了我國水下通信研究的發(fā)展。這項工作得到了時間反轉(zhuǎn)法創(chuàng)始人、著名物理學(xué)家Fink教授的高度評價。

在井孔聲學(xué)方面，他深入系統(tǒng)地研究了模式波和臨界折射波的激發(fā)與傳播機制，指出多極源在低頻段測得的是臨界折射橫波而不是具有頻散特性的模式波，澄清了前人在該問題上的模糊認(rèn)識。對于各向異性聲測井理論，他首次采用攝動理論對各向異性地層井孔內(nèi)外聲場進行了攝動求解，得到了一套完整的理論體系，對非軸對稱各向異性聲測井理論、井中橫波劈裂等問題的研究提供了很好的理論基礎(chǔ)。

專注科研之外，張碧星教授也十分注重與國際接軌，與國際學(xué)術(shù)界建立了長期友好的合作關(guān)系。他多次參加國際學(xué)術(shù)會議，并擔(dān)任了第17屆世界無損檢測會議、第10屆西太平洋會議、第2屆中韓無損檢測會議、第5屆國際波動力學(xué)會議等國際會議的分會主席。他還發(fā)起、組織并主辦了第一屆和第二屆中日無損檢測新技術(shù)研討會。

通過與張碧星教授的交談，教授純樸而謙卑，樂觀而豁達的性格深深的感染了我們，這位在聲學(xué)領(lǐng)域里探索多年的專家，選擇了對事業(yè)執(zhí)著追求，對科研全力以赴，從而讓自己的生命厚重而有意義。祝愿他在這條充滿艱辛也藏有喜悅的攀峰途中，越攀越高！