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北大教授趣解:无损检测的民间智慧

在瓜地里的瓜把式,或者卖瓜的营业员,要判断哪个瓜熟了,只要往瓜上轻轻一拍,听声音,就能够做出判断。有时为了更仔细些,他们把瓜用一只手端起来,另一只手拍一拍,一边听声音,一边凭端瓜的那只手的感觉,就可以综合做出判断。



也许你会问,要判断瓜的生熟,把瓜切开不就一目了然了吗?当然了,不过切开的瓜,就不能较长时间保存。如果是生瓜,存放几天,它还能够自然成熟。可是把它切开后,不能存放太久,就会造成浪费。在我们要了解一件东西内部的情况时,直接打开看(例如切开西瓜)是一种办法,这通常被称为有损检验。因为把它打开了,当然对它是有损伤的。用手拍一拍西瓜,听声音,这称为无损检验法。



刚才我们说的对西瓜的生熟检验,卖瓜的当然会选择无损检验了。因为对于生瓜,可以放几天等待熟了继续卖。


实际上我们需要检验的东西是多种多样的。一根大型机器上的轴,其中有没有微裂纹;一件大型的铸件,其中有没有砂眼;人的肺部有没有结核菌感染,地底下有没有矿藏,海关需要了解旅客的行李箱里有没有违禁物品,等等问题,都需要回答。特别是最好用无损检验的方法来回答,有的也只能用无损的方法来回答。而要用无损方法来检验这些不同的问题,从方法的原理上来说,还是我们一开头说的拍西瓜办法的发展。



一般的固体物体都可以发出声音。拍西瓜就是凭借拍西瓜发出的声音来判断生熟的。固体物体也能够传播声音,拍西瓜时,端西瓜的那只手会感觉传来的振动。一般说,生瓜的硬度比熟瓜大(即弹性系数较大),而同样形状的物体中,弹性系数大的物体频率高。我们又知道物体发声的频率还与物体的密度有关。不过生瓜和熟瓜的密度差别不会太大。所以有经验的高手听声音大致就能够判断瓜的生熟。


其实,用声音来检验的方法,年代已经非常早了。早在一二百年之前,在医学上人们就已经用所谓叩诊法来诊断人体深部是否正常。特别是看肺部是不是有由于结核病引起的空洞。其道理和拍西瓜相同。方法是用左手中指末稍兩指节緊貼于被检部位,其余手指要稍微抬起勿与体表接触;右手各指自然弯曲,以中指的指端垂直叩击左手中指第二指节背面。听叩击的声音,有清浊之别,便可以大致确定是否有病。自然是有空洞时声音比较低沉。


叩诊图

据说俗语“敲竹杠”,是来自海关的无损伤检验。海关人员为了检查来船是否携带犯禁的鸦片,需要敲击来船的竹篙或竹子。听其声音,看其中是否有违禁品。这和拍西瓜是一个道理。由于海关人员经常借机敲诈勒索,久而久之,“敲竹杠”便成为敲诈勒索转义语了。


二十世纪初,人们发现了超声波,很快人们便发现超声波的一些重要特点。频率在每秒20000次以上的声音,人耳听不见,所以称为超声波。它有穿透性强、方向性好的特点。用超声波进行无损检验会有更优秀的性能。它的原理和拍西瓜完全是一个道理。不同的是,西瓜是用手去拍,而用超声波检验是用一个超声波发生器将生出的超声波传送到被检测的物体内部,然后在物体另外的地方安放一个超声波的接收器或显示设备。这样,就能够根据超声波传播中的直射、衰减、受阻、反射等不同情况,来判断物体内部的结构。



最早超声波被用于检测构件的探伤,后来用于医学诊断。现在医学上常用的超声波诊断仪,所用的超声波频率一般在1~5兆赫之间。


二十世纪末随着激光技术的发展,有一种全息照相技术出现。它的原理是,把同一频率的激光束分成两束;一束激光直接投射在感光底片上,称为参考光束;另一束激光投射在物体上,经物体反射或者透射,就携带有物体的有关信息,称为物光束。物光束经过处理也投射在感光底片的同一区域上。在感光底片上,物光束与参考光束发生相干叠加,形成干涉条纹,这就完成了一张全息图。


全息再现的方法是:用一束激光照射上面得到的全息图,这束激光的频率和传输方向应该与参考光束完全一样,于是就可以再现物体的立体图象。人从不同角度看,可看到物体不同的侧面,就好像看到真实的物体一样,只是摸不到真实的物体。


利用这一原理,同样可以拍摄物体内部的声全息图。这种技术称为声全息。这样物体内部的情况就基本了如指掌了。

技术人员在调试拍摄激光全息图的数字合成全息照相系统


在医学上,超声波与声音的多普勒效应相结合应用,不仅能够探测身体内部组织的结构分布,而且还可以辨认血流的速度信息。这就是现今所谓的彩超诊断。


我们经常需要了解地下的结构,看是否有矿藏。这时,可以把地球这个大物体看做像西瓜一样。不过用手拍一拍就无济于事了,需要用一个有一定能量的爆炸,或巨大的落锤来激发一个人工地震。这时,地震波可以通过地层传播与反射。我们在若干个地方放置探测器来接收传来的信号,把这些探测器得到的地震信号进行分析,就能够得到地质构造的大致情况,从中判断有没有矿藏。


人工地震勘探


       如上图,在左边地坑里面有一个爆炸造成人工地震,那辆汽车在进行多点测量。得到的讯号绘制在图的右半边。从中可以得到地下密度变化的三个地层。根据地震波的速度还能够计算出层间的距离。图的右边有一辆车正在挖掘地坑,准备做下一次的人工地震。


1895年伦琴发现了一种可以穿透许多种常见光不能穿透的物体的射线,当时不知道这种射线是不是人类认识过,所以称为X射线。后来也就发现,它是一种波长为范围在0.01纳米到10纳米之间的电磁辐射波。自然这种新射线便很快用于无损检验上,特别是用于医疗诊断上。由于X射线遇到比较密实的物体衰减得快,而遇到稀疏的物体衰减得慢。所以从拍摄的胶片上就能够发现人体或物体内部的异常。迄今,X射线的感光片对于肺部、骨骼、牙齿等有无病变,仍然是最常规的诊断手段。




X射线透视片有一个缺点,就是它是一张平面的图像。很难判断沿射线方向上异常部分的深度。


随着计算机的发展,人们将X射线与计算机分析相结合产生了一种新的技术:计算断层摄影(Computed Tomography),简称CT。1969年英国的电子学工程师汉斯菲尔德(Sir Godfrey Newbold Hounsfield,1919–2004)首先设计成电子计算机断层成像装置。1972年这一成果在放射学年会上公布于世。1979年与之前(1963、1964年)发表论文论证CT原理的美国物理学家科马克(Allan MacLeod Cormack,1924–1998)共同获得了诺贝尔医学生物学奖。


CT的原理是,由变换位置的X射线管发出的X射线束对所选层面变换方向进行扫描,由探测器接收。测定透过的X射线量,经模/数转换器转换成数字信号,转入计算机储存。X射线在物体内部的每一点(由于该点的密度不同)都有一个衰减值,而衰减值是物体密度的函数。计算机存储的是关于X射线束的初始坐标和射线不同倾角的数值,从这些数值要去计算物体内部的密度,这首先从数学原理上来说是可能的。由存储的这些数据可以通过计算得到该层面各单位容积的X射线衰减值,也就相当于各部分的密度值,经数/模转换器在阴极射线管影屏上转成CT图像。临床上将此图像再摄于胶片上,医生可以通过它来更准确的诊断。



与CT技术发展的同时,还有一种诊断技术产生。这就是上世纪80年代进入临床应用的核磁共振技术。


1946年,费利克斯·布洛赫(Felix Bloch,19051983)和爱德华·珀塞尔(Edward Mills Purcell,19121997)发现,将具有奇数个核子(包括质子和中子)的原子核置于磁场中,再施加以特定频率的射频场,就会发生原子核吸收射频场能量的现象,这就是人们最初对核磁共振现象的认识。为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。


核磁共振的基本原理是:原子核有自旋运动,在恒定的磁场中,自旋的原子核将绕外加磁场作回旋转动,叫进动(precession)。进动有一定的频率,它与所加磁场的强度成正比。如在此基础上再加一个固定频率的电磁波,并调节外加磁场的强度,使进动频率与电磁波频率相同。这时原子核进动与电磁波产生共振,叫核磁共振。核磁共振时,原子核吸收电磁波的能量,记录下的吸收曲线就是核磁共振谱(NMR-spectrum)。由于不同分子中原子核的化学环境不同,将会有不同的共振频率,产生不同的共振谱。记录这种波谱即可判断该原子在分子中所处的位置及相对数目,用以进行定量分析及分子量的测定,并对有机化合物进行结构分析。


核磁共振用到医学上,即Megnetic Resonance(MR)是医学影像学的一场革命,生物体组织能被电磁波谱中的短波成分,如X射线等穿透,但能阻挡中波成分,如紫外线、红外线及短波。人体组织允许磁共振产生的长波成分,如无线电波穿过,这是磁共振应用于临床的基本条件之一。核子自旋运动是磁共振成像的基础,而氢原子是人体内数量最多的物质;正常情况下人体内的氢原子核处于无规律的进动状态,当人体进入强大均匀的磁体空间内,在外加静磁场作用下原来杂乱无章的氢原子核一起按外磁场方向排列并继续进动,当立即停止外加磁场磁力后,人体内的氢原子将在相同组织相同时间下回到原状态,这称为驰豫(Relaxat

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