科普 | 从拍西瓜说开去——无损检测技术

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。

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、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。这种技术成为声全息。这样物体内部的情况就大致了如指掌了。

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的信息。这就是现今所谓的彩超诊断。

人工地震勘探

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。如图，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的是不是人类认识过，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（对应频率范围30 PHz到30EHz）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。

总起来说，人类到目前所用的无损检测技术，无非是向物体送入一个波动，然后检测得到的反应。拍西瓜是送入一个声波。超声波检测是送入一个超声波，看他穿透和衰减的情况。而x光透视、CT和核磁共振，也都无非是送入一种不同频率的波。不同的波，穿透和衰减的性质不同，所以就有不同的用处。例如x光对于硬组织分辨率比较高，所以多用于骨科诊断。而核磁共振对于软组织分辨率比较高，所以多用于脑组织的病变诊断。在送入波动后，检测技术也在进步。计算机和传感器的发展，为处理各种类型的物理量和大量的数据提供了条件。

科学技术的发展是无止境的，近年来医学诊断技术的飞快发展，得益于基础科学的发展。预计未来的发展，也会是这样。