张碧星：以“声”为名酬壮志

本刊记者 胡 敬

冰心老人有一句话：“成功之花，人们往往惊羡它现时的明艳，然而当初，它的芽儿却浸透了奋斗的泪泉，洒满了牺牲的血雨。”凭借着多年来不为人知的勤勉敬业，中国科学院声学研究所研究员、博士生导师张碧星教授在声学研究领域征服了一个又一个的高峰。

缘起：以“声”为名

声学是一门古老的学科，早在先秦时期就有“情发于声,生成文谓之音”之说；声学是一门经典的学科,它对当代科学技术的发展、社会经济的进步、国防事业的现代化以及人们物质精神生活的改善与提高都发挥着极其重要的作用；声学是最具生命力的学科，从经典声学到现代声学，其内涵不断在深化、外延不断在扩大。

而张碧星与声学结缘则是始于1988年，那时他在吉林大学物理系攻读硕士和博士学位，在吴式枢教授（中科院院士）和王克协教授的共同指导下，他开始从事井孔声学和油气储层探测理论方面的研究，至此埋首声学研究刻苦钻研。

如今张碧星已是中国科学院声学研究所声学微机电系统实验室主任，目前主要研究方向是超声检测与成像。“中科院的科研环境非常好，它给了我一个安心做科研的平台。”说这话的张碧星是真诚而坦率的，早年他大学毕业并做了七年中学教师，是怎样的坚持和勤奋才使得他没有安于现状，从本科生到博士生，从助理研究员到研究室主任，他从没放弃过自己的科学理想并在专业领域颇有建树：

他在超声成像、超声传播与散射、超声电子学、井孔声学、层状介质声学等方面开展了深入系统的研究工作，在时间反转成像、相控阵检测与成像、瑞利波探测理论及方法、声波测井理论与解释等方面负责完成了多项国家级科研项目及横向课题。他针对分层介质、各向异性介质、多孔介质、压电介质等，对声波的激发和传播与散射机理、声学探测理论和方法、声成像理论和方法、超声相控阵检测与技术开发等问题开展了长期的科学研究，取得了一系列具有原创性的科研成果，在国内外同行中引起了广泛的关注和重视。

钻研：超声相控技术

超声波可以穿透不透光的物体，利用超声波在物体中的传播特性可以获得物体内部结构和声学参数的信息，从而得到物体内部结构的直观图像，即超声成像技术能对不透明体的内部结构得到人眼可见的图像。

超声成像是超声探测从定性向定量化和可视化发展的标志，是声学领域中极为重要的发展方向，在很多行业取得了广泛的应用，而且新的检测成像技术也在不断地提出和发展。超声相控阵技术就是最近十多年来迅速发展起来的一种新型超声检测技术，它是利用电子技术控制相控阵换能器各阵元发射信号的时间延迟和幅度实现声波的聚焦发射和聚焦接收，即利用电子扫描技术快速改变各阵元信号的时延和幅度，进行快速动态聚焦和扫描成像，从而对待检材料的各个部位进行快速的扫描、检测与成像。和常规技术相比，它大大提高了检测速度和精度。

由于这一技术的诸多优势，它已在国外很多领域得到了快速发展和成功应用，如工业检测中的管材检测、管道焊缝检测、核电站设备材料检测、飞机材料检测、铁轨和车轮检测等，在相关行业已不断推出逐渐成熟的商业性超声相控阵成像设备和仪器。然而，我国关于超声相控阵技术研究起步较晚，目前还没有具有自主知识产权的任何成型的商用超声相控阵成像仪器和设备。

针对这一状况，张碧星教授近十年来一直坚持开展超声相控阵检测技术的理论、方法及实验研究。近几年，在国家863计划课题资助下，开展了超声相控阵管材检测技术的应用研究，取得了可喜成果。

管材在生产过程中，由于多种原因会产生多种形式的纵向和横向的缺陷，这些缺陷对管棒材的质量保障及安全生产存在着极大的质量隐患，目前，我国钢厂的管材超声检测方法几乎都是采用常规的探伤检测技术和设备，其检测手段基本停留在几十年前的检测水平上。

对此，张碧星教授率团队，在开展大量超声相控阵理论和实验研究的基础上，专注于管材超声相控阵检测的应用技术研究，结合最先进的计算机数字技术、微电子技术和机械自动化技术，攻克了一系列技术难关，在相控阵换能器探头设计与研制、相控阵发射采集系统、高速数据处理与传输等关键技术上取得突破，打破了国外技术的封锁，成功研制出我国第一台超声相控阵管材探伤设备，关键技术指标达到国际先进水平，具有自主知识产权，填补了我国在超声相控阵管材检测上的技术空白，改变了我国不能研制管材超声相控阵检测设备的落后现状。

功成：“声”名远播

多年来，张碧星教授一直从事声学无损评价的基础理论和应用方法研究，他完善和发展了声表面波探测的理论体系。理论上对分层介质的传递矩阵进行了改进，改善了数值计算中的高频有效数字丢失现象，较大程度地提高了可计算的频率范围，使得在通常频段范围内完全克服了有效数字丢失现象的难题，该方法被称为propagator mathix法。在此基础上，他对声表面波探测理论与方法开展了系统深入的研究，正确地给出了声表面波多模态的物理诠释及内在机理，首次提出了声表面波“之”字形频散曲线的形成机理，为声表面波反演研究打开了缺口，并率先开展了声表面波反演研究。形成了一套基本成熟的声表面波探测的理论体系，已逐渐得到了国内外科技工作者的认可，目前已被大量引用。

他发展了声学时间反转聚焦成像理论，首次将时间反转法应用于各向异性介质，提出了时间反转聚焦增益的概念。率先在国内开展了系统的声学时间反转聚焦理论和实验研究，将时间反转法应用于水下编码通信，极大地降低水下通信中的误码率，使通信距离大大增加，推动了我国水下通信研究的发展。这项工作得到了时间反转法创始人、著名物理学家Fink教授的高度评价。

在井孔声学方面，他深入系统地研究了模式波和临界折射波的激发与传播机制，指出多极源在低频段测得的是临界折射横波而不是具有频散特性的模式波，澄清了前人在该问题上的模糊认识。对于各向异性声测井理论，他首次采用摄动理论对各向异性地层井孔内外声场进行了摄动求解，得到了一套完整的理论体系，对非轴对称各向异性声测井理论、井中横波劈裂等问题的研究提供了很好的理论基础。

专注科研之外，张碧星教授也十分注重与国际接轨，与国际学术界建立了长期友好的合作关系。他多次参加国际学术会议，并担任了第17届世界无损检测会议、第10届西太平洋会议、第2届中韩无损检测会议、第5届国际波动力学会议等国际会议的分会主席。他还发起、组织并主办了第一届和第二届中日无损检测新技术研讨会。

通过与张碧星教授的交谈，教授纯朴而谦卑，乐观而豁达的性格深深的感染了我们，这位在声学领域里探索多年的专家，选择了对事业执着追求，对科研全力以赴，从而让自己的生命厚重而有意义。祝愿他在这条充满艰辛也藏有喜悦的攀峰途中，越攀越高！