用彈性波來做“CT”
——記南京航空航天大學航空學院教授錢征華

張方方 于德萍

當彈性介質(zhì)中某處物質(zhì)粒子離開平衡位置時，這個粒子在彈性力的作用下發(fā)生振動，同時又引起周圍粒子的振動，這樣形成的振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程稱為“彈性波”。

“‘彈性波’研究很早就有了，我們現(xiàn)在研究它，是為了把它應用到工程中。”南京航空航天大學航空學院教授錢征華說。

打個比方，在做電子計算機斷層掃描（CT）時，可以用X射線掃描人體組織器官獲得大量的數(shù)據(jù)，當這些數(shù)據(jù)以影像的形式被“繪制”成片，就能方便醫(yī)生判斷其中是否存在病變。錢征華的研究也像是另一種意義上的C T診斷——通過研究波導結(jié)構(gòu)或者復合材料結(jié)構(gòu)里彈性波的傳播規(guī)律，去發(fā)現(xiàn)其中的缺陷，從而進行定量化無損檢測。

“其實彈性波研究涉及很多應用，缺陷檢測是我們的研究動機之一?！痹阱X征華眼中，他所鉆研的科學問題最終都將指向工程應用，這方天地，值得他持之以恒地去開拓。

干一行，專一行

2017年，錢征華前往拉夫堡大學訪問

1998年走進西安交通大學工程力學系時，錢征華對這個專業(yè)所知甚少?！拔腋咧袝r物理學習還可以，對物理現(xiàn)象也比較感興趣。所以高考填報志愿時，在班主任老師的建議下，報考了與物理相關的力學專業(yè)?！辈稍L伊始，他就用一句“沒有什么特殊的故事”給自己的科研生涯定了個基調(diào)，一路至今，他的軌跡中寫滿的都是“水到渠成”。

西安交通大學工程力學專業(yè)歷史悠久，“西遷”前，可追溯到1923年高等力學實驗室的創(chuàng)建；“西遷”后，1957年建立國內(nèi)首批應用力學專業(yè)，1979年成立工程力學系。到錢征華入學那年，學校已經(jīng)設立了力學一級學科博士點。而他對專業(yè)感情的建立，就是從摸清其歷史脈絡開始的?！傲W是工科的基礎，也是連接基礎科學與工程技術的橋梁。上到大國重器，下到生活中簡單的機械零件等，都離不開力學。它跟物理學相關，但兩者差別很大，這也是為什么它能從物理學科中獨立出來的原因?！苯?jīng)過一番了解，錢征華越來越感受到力學的魅力，他唯一的想法就是“既然選擇了，就要把專業(yè)學好、搞透”。為此，他在西安交通大學踏踏實實地待了9年，一直到2007年獲得博士學位。僅從2004年至2006年，他就發(fā)表了9篇《科學引文索引》（SCI）論文，在學校里贏得了一個“發(fā)文狂人”的贊譽。

“剛開始寫論文時，自己的新見解相對較少，但只要著手去做，總會有收獲和成果?！卞X征華的表現(xiàn)深得導師們的青睞。導師王子昆教授為他創(chuàng)造了極大的自由度，讓他可以放開手腳去探索；而副導師金峰老師則幫他一起制訂博士畢業(yè)后的規(guī)劃，并將他推薦給自己在東京工業(yè)大學時期的合作導師——岸本喜久雄教授?！拔业侥沁厔傞_始還是做復合材料結(jié)構(gòu)中的彈性波理論傳播行為研究，延續(xù)了我博士期間的方向，后來才慢慢擴展?！卞X征華介紹說，到2009年轉(zhuǎn)入都市地震工程研究中心時，他的工作開始轉(zhuǎn)向工程化應用?！暗卣鸩ㄊ菑椥圆ǖ囊环N，所以看起來學科跨度大，但本質(zhì)上還是相通的，不會有什么障礙?！?/p>

那些年，錢征華深刻體會到了深耕的重要性。他看到一眾知名學者，能夠全力以赴地投身一個方向?！八麄兡茏錾?0年、20年，甚至可能做一輩子，做出自己的特色，做成領域內(nèi)的標桿，推動科學的發(fā)展?！倍δ咳局螅X征華準備帶著榜樣的力量重新出發(fā)。

2011年，錢征華在《中國青年報·海外版》上看到了江蘇省面向海內(nèi)外招聘“江蘇特聘教授”的公告，詳細列出了學科要求、專業(yè)條件和待遇保障等?！胺帕艘粋€整版”，錢征華仔細斟酌之后，將自己的材料發(fā)給了南京航空航天大學（簡稱“南航”）。那年年底，第二批“江蘇特聘教授”名單公布，80后學者錢征華成為同批次中最年輕的一位。趁著回國探親，錢征華專門去了一趟南航，從而堅定了全職回國的信念。

“當時，我已經(jīng)獲得了東京大學地震研究所的職位，一旦入職至少要做5年。但這次回去之后，我婉拒了那份工作。”錢征華回憶說，無論是對南航的考察，還是“3·11”東日本大地震后家人的擔心，都成為他回國的加速器。從此，他以南航為起點，開啟了一個新的十年。

如今，他圍繞彈性波理論與應用基礎這一中心開展工作，重點聚焦于壓電聲波器件的波動及振動分析方法、波導結(jié)構(gòu)減薄缺陷的定量化超聲無損檢測理論與方法、復雜結(jié)構(gòu)與材料中的波動頻散方程求解算法開發(fā)及應用這3個方面開展科學研究，不僅取得了系統(tǒng)性的科學成果，還獲得國內(nèi)外學術界的高度認可。這些年來，他相繼獲得教育部新世紀優(yōu)秀人才，以及江蘇省“雙創(chuàng)人才”、江蘇省自然科學基金杰青項目、江蘇省“科技副總”、江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”等支持，并先后當選俄羅斯自然科學院外籍院士和烏克蘭國家工程院外籍院士。

“學到極致，干到前列”，這是錢征華過去和現(xiàn)在努力的方向，也是未來仍將一以貫之的原則。

十年磨劍，厚積薄發(fā)

“彈性波在單一材料/結(jié)構(gòu)里的傳播行為，學術界已經(jīng)了解得很多了。但隨著工程應用復雜性的增強，所需材料本身的組分也會變得更復雜。原本在簡單的金屬材料中適用的彈性波傳播理論，到了復雜材料中就未必還能行得通?！卞X征華補充說，“這就是我們研究的意義?！?/p>

以缺陷檢測為例，復合材料與結(jié)構(gòu)中表面微小缺陷的定量化檢測結(jié)果是結(jié)構(gòu)運維過程中的重要參考信息。當彈性波在復雜材料與結(jié)構(gòu)中傳播時，一旦遇到常見的結(jié)構(gòu)缺陷，比如開裂、夾雜或者分層、孔洞等，就會發(fā)生散射、反射、衍射等行為變化。而定量化檢測，不僅要能夠識別出缺陷，還要能定位缺陷所在的位置，乃至其大小、輪廓等更精準的信息?！安还茉趪H還是國內(nèi)，這都很困難。但正因為困難，我們更需要把它搞清楚?！卞X征華說。

誠如其言，實現(xiàn)缺陷的定量化檢測面臨著諸多困難。超聲導波檢測作為當前熱門的無損檢測方法之一，憑借較高的檢測效率和檢測精度，為解決缺陷定量化檢測提供了有效途徑?；诔晫Рǖ慕Y(jié)構(gòu)缺陷無損檢測技術也廣泛應用于管道運輸、橋梁建筑、鐵路交通及航空航天領域。但傳統(tǒng)導波檢測技術在缺陷定量化檢測方面也面臨著諸多挑戰(zhàn)，比如，難以找到能夠直接適用于缺陷邊界積分方程的波傳播基本解，并且導波模態(tài)更為復雜而不便于直接利用。

針對上述困難，錢征華帶領團隊提出了一種全新的缺陷定量化檢測的超聲導波方法，這一方法仍然以缺陷的邊界積分方程為基礎，但克服了一般的基于導波的缺陷檢測方法中的常見難點——它既不需要求解被檢測結(jié)構(gòu)中的波傳播基本解，同時，也弱化了表面缺陷檢測中的波恩近似。這意味著，方法能夠適用于絕大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)中表面缺陷的定量化檢測。

“我們還開發(fā)了一種關于彈性波傳播過程中彌散曲線數(shù)值的精確計算方法，使其能夠適用于復雜材料與結(jié)構(gòu)，并開發(fā)出了彌散曲線計算軟件，對標英國帝國理工大學的Disperse軟件?！卞X征華記得，相關論文發(fā)表后，一位來自法國歐洲科學中心的博士聯(lián)系到了他們，表示想要將相應算法應用到他的課題中?！八恼n題是針對A380客機短艙復合材料面板進行缺陷檢測，他想用超聲檢測，需要對其中彈性波的傳播行為進行分析計算。論文發(fā)表后，他在致謝部分對我們的工作表示感謝，還邀請我以答辯委員的身份參加他的博士論文答辯。那是我第一次以這樣的身份參加國外的博士論文答辯?！睂﹀X征華來說，這是他回國后一項具有里程碑意義的工作。從國際到國內(nèi)，有不少團隊進行了引用。這份肯定，也使他和團隊備受鼓舞。

2018年，錢征華在江蘇湖北兩省力學會議上作報告

2021年，以錢征華為第一作者的專著《薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)分析的二維振動理論》由科學出版社出版，并被列為工業(yè)和信息化部“十四五”規(guī)劃專著?！盎貒诙辏覀兙烷_始在這方面發(fā)力了?！卞X征華說。

隨著信息化時代的到來，電子器件的微型化、集成化、高頻化發(fā)展成為必然趨勢，傳統(tǒng)的晶體、陶瓷諧振器受到材料本身工藝的限制，難以滿足新型諧振器的發(fā)展需求。近年來，一種新型諧振器產(chǎn)品成功問世，在多方面表現(xiàn)出超越傳統(tǒng)諧振器的工作性能，研究人員評估其是高性能無線通信領域的重要支撐產(chǎn)品。這種新型諧振器是基于壓電薄膜制備的體聲波器件，因此被命名為薄膜體聲波諧振器（FBAR）。

“薄膜體聲波諧振器本質(zhì)上就是一種電子元器件，可以被應用到手機通信射頻前端?！卞X征華團隊選擇這一方向，更重要的原因是他們進行市場調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，相關產(chǎn)品95%以上的份額都被美國的幾家公司壟斷，日本和歐洲也能“分一杯羹”，“但中國現(xiàn)在還沒有一家可以真正占領市場份額的企業(yè)”。而從研發(fā)上看，雖然國內(nèi)相關研究也開始走向應用，但在產(chǎn)品的性能一致性和正向設計能力等方面還欠缺較多，尚不成氣候。

近十年來，錢征華團隊一直致力于薄膜體聲波諧振器振動特性的相關研究，從基礎的頻散關系出發(fā)，結(jié)合壓電聲波器件的經(jīng)典振動理論，通過對不同振動問題的深入研究，獲得了對薄膜體聲波諧振器振動特性的系統(tǒng)認識?！芭c傳統(tǒng)諧振器相比，薄膜體聲波諧振器的結(jié)構(gòu)更為復雜、工作頻率更高，耦合模態(tài)種類也更多，因此傳統(tǒng)諧振器的結(jié)構(gòu)振動分析方法對其并不適用?！痹谥髦?，錢征華團隊提出了適用于薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)分析的兩種二維振動理論：基于冪級數(shù)展開法的高階板理論，以及基于小擾動假設的二維標量微分方程理論。前者側(cè)重于對工作機理、物理規(guī)律等進行理論探討，后者能夠成為三維實體器件模型定量化仿真分析的可靠工具。

這只是他們在相關工作上的一個縮影。如今，在薄膜體聲波諧振器理論分析和建模研究上，錢征華團隊已經(jīng)成為國內(nèi)的佼佼者。就這一方向，他們還與中國電子科技集團公司第十三研究所、寧波大學等開展了合作，在相關專利、軟件著作權等的支撐下，希望能夠在工程應用中取得更大的進展。

“航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)中的磨屑在線監(jiān)測”，是另一項令錢征華比較滿意的工作。在航空發(fā)動機中，滑油系統(tǒng)要保證其摩擦件的潤滑、散熱效果。由于這一系統(tǒng)中的滑油是循環(huán)使用的，潤滑油流經(jīng)磨損部位時，磨損微粒（即磨屑）會混入滑油中并被帶走，這就導致滑油中會包含發(fā)動機零部件磨損情況的重要信息。如果能提取出其中的磨損信息，不僅可以直接反映發(fā)動機軸承及傳動系統(tǒng)的服役狀態(tài)，還能進一步預測發(fā)動機部件的磨損變化趨勢。一旦實現(xiàn)了磨屑的實時在線監(jiān)測，也就意味著對航空發(fā)動機的運行維護管理能做到更加精細，以幫助運維人員采取更加積極主動的維護策略，并進一步實現(xiàn)發(fā)動機突發(fā)故障的預判和預警，從而提高航空發(fā)動機的可靠性?！昂娇瞻l(fā)動機、風力發(fā)電機等方面的應用都可以拓展開，但目前，同類產(chǎn)品也是被國外壟斷的?！闭f到這里，錢征華有些無奈，他堅定地認為，為了不受制于人，我國在相關領域必須要有獨立自主的研發(fā)能力。他和團隊也在推動“航空發(fā)動機油液磨屑在線監(jiān)測系統(tǒng)”的轉(zhuǎn)化進程。

十年彈指過，錢征華在南航扎下的根苗，已經(jīng)破土而出，正在茁壯成長。目前，他已在力學、機械和聲學等領域國內(nèi)外重要學術刊物和學術會議上發(fā)表第一作者和通訊作者論文200余篇，其中S C I檢索論文130余篇，論文總引用千余次；主持國家自然科學基金國際合作與交流項目、國家自然科學基金面上項目、江蘇省自然科學基金、裝備發(fā)展預研基金、航空科學基金、各類橫向項目等20余項。已獲授權國家發(fā)明專利11項，登記軟件著作權8項，出版中文專著4部，受邀參與撰寫3部英文專著各1章；受邀在國內(nèi)外學術會議上作大會邀請報告和分會場邀請報告十余次，作為大會主席和共同主席，組織召開國際會議3次。“我們?nèi)〉昧艘稽c點積累?！卞X征華謙遜地說。

良性循環(huán)，生生不息

“大三成功保研之后，聽同學說南航有一位‘學術王子’，當時就去拜訪了這位老師，他就是我現(xiàn)在的導師錢征華教授。對我們的問題，他娓娓道來，非常有耐心。而且我覺得他很年輕，在學術上一定非常有干勁，我非常愿意跟著這樣的老師搞科研?！睂W生趙梓楠在接受南航研究生會的采訪時，這樣說起他對錢征華的初印象。

錢征華的“干勁”體現(xiàn)在他選擇了一個方向，就會一直堅持做下去。來南航十余年，他已經(jīng)有了一個穩(wěn)定的團隊，其中包括7位教師和近40名學生。在培養(yǎng)學生時，他秉持著張弛有度的原則?！案憧蒲胁皇侨粘Ｊ聞招缘墓ぷ鳎瑳]有標準流程，有人習慣早起來實驗室，也有人是夜貓子，只要能在規(guī)定時間內(nèi)完成任務，我不在意過程。”錢征華認為，與其打卡式科研，不如任務型管理，讓學生得到更大的自由度。但自由不是放任，這十余年來，他和團隊一直保持著頻繁開組會的習慣?！氨热缥覀冇?個方向，就有3個小組，每周要討論幾次，一旦有什么問題，都會及時做出調(diào)整?！?/p>

“壓力肯定有，但從研究上來說，要突破瓶頸去發(fā)展，沒有捷徑，就要多花時間和精力，慢慢地把大問題變成小問題，再逐個擊破?！卞X征華說?？蒲袩o坦途，但他認為團隊已經(jīng)在“良性循環(huán)”了，這是他們能夠直面挑戰(zhàn)的底氣。

“這些年，我們已經(jīng)做了一些工作，我希望能夠把這些工作及時地跟國家需求結(jié)合起來，跟實際應用結(jié)合起來?！卞X征華再次強調(diào)他在產(chǎn)學研用轉(zhuǎn)化上的愿景。事實上，他們早已開始進行嘗試了。2020年，依托與南京光藍物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司的合作，錢征華獲得了江蘇省“科技副總”的支持。與此同時，錢征華還積極開展科研考察工作，從中尋求發(fā)展機遇?！跋Ｍ茉谖磥?～5年取得突破?！睂﹀X征華而言，彈性波研究像一棵大樹，所有圍繞它開展的工作都是不斷生長出來的枝葉。從2004年讀博到現(xiàn)在，圍繞彈性波研究，他堅持了近20年，無論遇到怎樣的挑戰(zhàn)，也從未萌生退意。

“再過20年，我們的工作能給這個研究方向留下什么，它還能不能長遠地進行下去，現(xiàn)在已經(jīng)到了該考慮的時候了?！钡侥菚r，錢征華想要看到彈性波這棵大樹，枝繁葉茂，生生不息。