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，人們往往驚羨它現時的明艷，然而當初，它的芽兒卻浸透了奮斗的淚泉，灑滿了犧牲的血雨。”憑借著多年來不為人知的勤勉敬業，中國科學院聲學研究所研究員、博士生導師張碧星教授在聲學研究領域征服了一個又一個的高峰。

緣起：以“聲”為名

聲學是一門古老的學科，早在先秦時期就有“情發于聲,生成文謂之音”之說；聲學是一門經典的學科,它對當代科學技術的發展、社會經濟的進步、國防事業的現代化以及人們物質精神生活的改善與提高都發揮著極其重要的作用；聲學是最具生命力的學科，從經典聲學到現代聲學，其內涵不斷在深化、外延不斷在擴大。

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

如今張碧星已是中國科學院聲學研究所聲學微機電系統實驗室主任，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，早年他大學畢業并做了七年中學教師，是怎樣的堅持和勤奮才使得他沒有安于現狀，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理想并在專業領域頗有建樹：

他在超聲成像、超聲傳播與散射、超聲電子學、井孔聲學、層狀介質聲學等方面開展了深入系統的研究工作，在時間反轉成像、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責完成了多項國家級科研項目及橫向課題。他針對分層介質、各向異性介質、多孔介質、壓電介質等，對聲波的激發和傳播與散射機理、聲學探測理論和方法、聲成像理論和方法、超聲相控陣檢測與技術開發等問題開展了長期的科學研究，取得了一系列具有原創性的科研成果，在國內外同行中引起了廣泛的關注和重視。

鉆研：超聲相控技術

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部結構和聲學參數的信息，從而得到物體內部結構的直觀圖像，即超聲成像技術能對不透明體的內部結構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展的標志，是聲學領域中極為重要的發展方向，在很多行業取得了廣泛的應用，而且新的檢測成像技術也在不斷地提出和發展。超聲相控陣技術就是最近十多年來迅速發展起來的一種新型超聲檢測技術，它是利用電子技術控制相控陣換能器各陣元發射信號的時間延遲和幅度實現聲波的聚焦發射和聚焦接收，即利用電子掃描技術快速改變各陣元信號的時延和幅度，進行快速動態聚焦和掃描成像，從而對待檢材料的各個部位進行快速的掃描、檢測與成像。和常規技術相比，它大大提高了檢測速度和精度。

由于這一技術的諸多優勢，它已在國外很多領域得到了快速發展和成功應用，如工業檢測中的管材檢測、管道焊縫檢測、核電站設備材料檢測、飛機材料檢測、鐵軌和車輪檢測等，在相關行業已不斷推出逐漸成熟的商業性超聲相控陣成像設備和儀器。然而，我國關于超聲相控陣技術研究起步較晚，目前還沒有具有自主知識產權的任何成型的商用超聲相控陣成像儀器和設備。

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的應用研究，取得了可喜成果。

管材在生產過程中，由于多種原因會產生多種形式的縱向和橫向的缺陷，這些缺陷對管棒材的質量保障及安全生產存在著極大的質量隱患，目前，我國鋼廠的管材超聲檢測方法幾乎都是采用常規的探傷檢測技術和設備，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理論和實驗研究的基礎上，專注于管材超聲相控陣檢測的應用技術研究，結合最先進的計算機數字技術、微電子技術和機械自動化技術，攻克了一系列技術難關，在相控陣換能器探頭設計與研制、相控陣發射采集系統、高速數據處理與傳輸等關鍵技術上取得突破，打破了國外技術的封鎖，成功研制出我國第一臺超聲相控陣管材探傷設備，關鍵技術指標達到國際先進水平，具有自主知識產權，填補了我國在超聲相控陣管材檢測上的技術空白，改變了我國不能研制管材超聲相控陣檢測設備的落后現狀。

功成：“聲”名遠播

多年來，張碧星教授一直從事聲學無損評價的基礎理論和應用方法研究，他完善和發展了聲表面波探測的理論體系。理論上對分層介質的傳遞矩陣進行了改進，改善了數值計算中的高頻有效數字丟失現象，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完全克服了有效數字丟失現象的難題，該方法被稱為propagator mathix法。在此基礎上，他對聲表面波探測理論與方法開展了系統深入的研究，正確地給出了聲表面波多模態的物理詮釋及內在機理，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，已逐漸得到了國內外科技工作者的認可，目前已被大量引用。

他發展了聲學時間反轉聚焦成像理論，首次將時間反轉法應用于各向異性介質，提出了時間反轉聚焦增益的概念。率先在國內開展了系統的聲學時間反轉聚焦理論和實驗研究，將時間反轉法應用于水下編碼通信，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展。這項工作得到了時間反轉法創始人、著名物理學家Fink教授的高度評價。

在井孔聲學方面，他深入系統地研究了模式波和臨界折射波的激發與傳播機制，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。

專注科研之外，張碧星教授也十分注重與國際接軌，與國際學術界建立了長期友好的合作關系。他多次參加國際學術會議，并擔任了第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屆國際波動力學會議等國際會議的分會主席。他還發起、組織并主辦了第一屆和第二屆中日無損檢測新技術研討會。

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，這位在聲學領域里探索多年的專家，選擇了對事業執著追求，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！