1939 年底，冯·卡门在美国科学促进协会（American Associ－ation for the Advancement of Science）和美国数学学会（AmericanMathematical Society）做了题为“工程师与非线性问题拼搏”的讲演（The Engineer Grapples with Nonlinear Problems）。该文于次年发表于美国数学学会会 报上。文中，他写道：“在许多情况下，工程师靠简化假设，就能将他的问 题线性化，并且一本数学教材，就能容易地提供他所需的全部工具。但是， 如果工程师遇到的是一个真正的非线性问题，也就是说，线性化使其变得毫 无意义，此时，往往工程师就不得不靠自己与非线性拼搏了！”
卡门的讲演，真实地反映了当时的情景。
　　首先，经过 200 年的积累，通过对压杆失稳、非线性振动和三体问题等 典型非线性问题的研究，非线性力学已积累了相当的认识和理论。例如，庞 加莱从三体问题的研究，已认识到在非线性系统中，一种我们觉察不到的起 因可能产生一个显著的、我们决不会看不到的结果。
其次，当时的工业和生产，已提出大量重大问题，迫切希望解决。一是
飞行跨越声障的问题，二是航空采用的薄壁构件的行为，三是新材料，如塑 料、纤维等的出现和应用。这些需求都提出了大量的非线性力学问题。跨越 声障要了解激波，采用薄壁构件要解决大变形屈曲，使用新材料要遇到非线 性物性。这些问题，往往与线性化了的问题有根本性质上的不同，因此，不 论是处理工具还是基本概念都要靠拼搏，去开拓、创新。
因此，在本世纪上半叶的物理学革命的大潮中，看起来处于旁观地位的
力学，一方面开拓了航空等大型新兴工业，另一方面，继承着欧拉、庞加莱 等人的传统，率先向非线性领域突进了。当时，大概几乎还没有人意识到， 这个突进，在本世纪后半叶竟发展成了超越牛顿开始的机械论、又超越当时 的物理学革命家们开创的还原论的一种新的自然观。
　　当前，社会和产业发展面临的迫切问题，或许可以概括为：可持续发展、 国家在世界经济中的竞争力、重大工程寿命预测和自然灾害预报等。如何解 决这些问题，除了社会因素之外，大家或许会想到先进的信息、材料和生命 科学技术。但是，如果稍加注意便会发现，问题主要涉及的是宏观物质世界 的运动，特别是它们的运动模式的变化。例如，我们之所以关心可持续发展 战略，一个重要原因，是不希望生存环境的负荷超过某个临界状态，以便我 们能生存于良性循环之中。又如，构成国家竞争力的要素固然很多，但突破
　　
常规（可比拟为非线性外推）的硬软件工程技术，却依然是竞争力的核心。 如在本世纪上半叶构成西方军力、生产力重要部分的航空业，就曾密切依赖 于上面引述过的声障、薄壁件、新材料三方面的突破。因此，以宏观物质的 多层次运动为主要研究对象的非线性力学及其应用，将会对我们的社会发展 和生产起很大的作用。
　　举一些更具体的典型例子，也许会更形象。如：起飞重量为数百吨，机 体尺寸为半个足球场大小的民航机，虽然乘客都能清楚看到机翼的明显颤动 和位移，但它却在气体中安全地飞行。反面的例子，如大跨度的桥梁，在风 载下坍塌是时有所闻的。1940 年全长 1.6 公里，列为当时世界第三的美国 Tacoma 大桥，在大风下激烈振荡，坍塌。其原因就是设计师不了解风和大桥 的非线性相互作用，只按静载设计造成的。不幸的是，这类事故至今仍未能 完全消除。最近，美国一座数百米高的电视塔突然倒塌，就是一例。
　　面对未来，待解决的重要问题更多。重大工程，如水坝、机组运行了多 年；或大型武器，如战略武器贮备了多年，它们还能安全可靠运行多久？什 么时候到了临界状态，怎么预先测知？再如，空天飞机等新型飞行器，面临 燃料在超声速流动状态下的混合和点火，对于流速超过了声速的流动，混合 规律是什么呢？还有，对于自然灾害频繁的我国，我们能在多大的可靠程度 上预报地震、台风、洪水等重大自然灾害，等等。这类社会和科学发展中的 重大的、未解决的问题，不胜枚举。
归纳各种各样、大大小小的应用，典型化的非线性力学问题，或者可以
举以下典型问题为例：1.三体问题。1887 年瑞典国王奥斯卡二世（OscarⅡ） 悬赏 2500 克朗，征求解答：太阳系是否是稳定的？例如某个星球是否会与太 阳相撞。众所周知，太阳系有九大行星，问题是十分复杂的。其中所含的基 本问题是，三个质点在万有引力作用下的运动，简称三体问题。其困难在于 给定初始位置和速度，并不能像机械论判定的那样，确定以后任意瞬时的位 置与速度，从而确定是否二个质点会相撞等。
2.屈曲。1744 年欧拉研究过细杆在轴向力压缩下的变形。该细杆在轴向
力较小时保持轴向变形，但当轴向载荷超过某一临界值后，压杆变形倾向于 其一侧拱曲。这种现象被称为压杆屈曲或解的分叉。板、壳等一大类构件在 受载时，均会发生这种偏离原对称平衡位置的不对称变形。因此，广义上它 是弹性系统稳定性的问题。它的特点和难点在于，从一个对称平衡变形态中， 怎么会又冒出另一个非对称的屈曲模态，屈曲以后，什么变形模态是最可能
的。
　　3.非线性振动。振动是极常见的现象。大家都熟悉简谐振动，特别是通 过富氏分析，了解了基频振动和高频分量的作用。但到了非线性振动，一系 列完全不同的新现象出现了。其中由负阻尼引起的自激振动——系统靠内部 维持振动，和次谐波共振（分频）——系统外部强迫激励几分之一的频率振 动，最引人注目。不断分频而导致混沌，把确定性动力系统和随机统计结合 了起来。
　　4.孤立子。上世纪 30 年代，J.R.Russell 在英国一条运河中，骑马追踪 观察到一个突起的水峰能长时间维持其形状和运动速度，沿河道持续行进， 被称为孤立波。二次大战后，费米等人计算非线性弹性弦，发现类似的现象。
到 60 年代，Zabusky 和 Kruskal 才指出这是一类由非线性和色散的强耦合， 形成的非常稳定的、即使碰撞也不改变形状的、像粒子一样的波结构，称为

孤立子。它表明在非线性（力学）现象中，除了分叉和不确定性解的另一个 侧面，即非常有组织的结构。这个力学理论，在 20 年后，竟成了远距离光纤 通讯的核心概念。
　　5.激波或叫冲击波。在连续的流动中，当质点运动速度超过物质中的声 速时，连续的流动会变成不连续的，也就是压力、速度、密度都会形成一个 突跃。然而激波的出现不是预先给定的，它是强非线性造成的一个自由界面， 飞行体在这种情况下遇到的麻烦就叫“声障”。二次大战期间，美国洛克希 德公司新造的战斗机，当时速为 0.8 声速时，曾机毁人亡。事后检查，局部 流速超过声速，激波不仅减弱升力，而且造成整机强烈振动而失去平衡。后 来发现在固体中，甚至在交通车辆流中，激波也起着重要作用。
　　6.湍流。湍流被称为是经典物理学中的最后的疑难。湍流问题难在哪里？ 其关键是，它是一个真正的“多体”问题。例如，其自由度可用雷诺数的 9/4 次方估计，即使雷诺数为 104，其自由度已高达 109，相当目前计算机能力的 上限。在湍流中，各种不同空间和时间尺度的大小旋涡相互嵌套着，能量在 其间传输。强非线性相互作用，使得难以将看似有序的大尺度拟序结构与“混 乱”的小尺度结构分割开来。湍流既是复杂流动向我们的挑战，也是长期以 来，人们窥视复杂运动普遍规律的一个窗口。
7.破坏。容易想象，固体破坏的物理本质，是从原子键的断开，到宏观
固体的分离的全面展示。正因为如此，它跨越了从原子间距（?）到宏观工 件（mm～m）之间 107～1010 的跨度，因此，其间的复杂性，可与湍流相比。 以至，钱学森把它列入连基本概念还不清楚的一类问题。有时候，忽略细节 的宏观处理，如伽里略开始的强度理论，能提供一些可信的结果。然而，有 时，一些微观细枝末节却又牵一发而动全身，造成“蝼蚁之穴，溃堤千里” 的惊人效果。多层次的非线性相互作用，在这里布置了一座迷宫，我们尚未 找到合适的通道。
上面所列的几个问题，决不是非线性力学的全部，而仅是几个示范例子，
它表明的共同特征，目前可以概括为以下几点：
　　1.局部之和不等于整体。因此不可能把对整体的认识，简单还原为对若 干局部的认识；另一方面，大量单元按某些简单规律的多次重复，可能其总 效应并不简单。
2.不确定性。或者称确定性的随机行为，混沌即是一例。应该讲，在压
杆屈曲中所显示的解的分叉，就是这种不确定性的原由之一。湍流则应是这 方面一个活的沟通理论与实际的例子。
　　3.组织性。强非线性耦合，还会造成与不确定性完全相反的一面，即坚 不可摧的有组织的结构，孤立子是这方面的典型范例。
　　4.复杂性。由上面几点合起来看，构成了现象谱的复杂性，而且不同特 征或模式间的转换，由某种底蕴暗流所控制，表现上有突变性。
这些共性的根源可能来自三方面：非线性、非平衡、多层次。 因此，站在世纪之交的人们，面临着自然观，从机械论，进而到还原论，
再进而到非线性演化的发展。周光召在 1995 年的科学大会上讲，我们“看到 的将是与牛顿，爱因斯坦创建的决定性的、简单和谐的模式不同，而是一个 演化的、开放的、复杂的世界，这是一幅更接近真实的世界图景。”在这样 一种观察中，非线性力学，曾起过突进作用。半个世纪以前，冯·卡门的大 声疾呼“工程师与非线性问题拼搏！” 现在，已成为大批工程师和科学家，

从航空、航天到大型土木和海洋工程，从气象预报、地震预报到污染控制和 生态环境保护领域的协同行动。但是，核心困难往往卡在强非线性耦合作用， 及其引起的突变性问题上。显然，非线性力学是理论和实践，科学与工程的 一个关键交汇点。因此，希望科研领导部门认识到，非线性力学的研究，是 推动我国工程和科学发展的一种有长远影响的内在动力，予以重视和支持。 最后，应该强调，在近代史中，中国人只在少数学科，对近代科学有记 入史册的贡献，非线性力学就是一个“中国人最有成就的学科”。（见钱伟 长引林家翘语，《力学进展》1983.13.P117）。如周培源对一般湍流的模式 的研究，钱学森的跨声速流相似率和壳体非线性失稳理论，钱伟长的扁球壳 跳跃变形理论，郭永怀的奇异摄动法（PLK 法——庞加莱，莱特希尔，郭永 怀方法）等。因此，中国的非线性力学研究者，在国家和社会的需要提出如 此重大的一些非线性力学问题的时候，在自然科学新观点又滋生于一大类非 线性力学问题的时候，理应继承力学界前辈的传统，勇于创新，勇于开拓，
做出符合时代要求的贡献。

核武器和核试验

吕敏

国防科工委系统工程研究所


　　吕敏 核物理学家。1931 年 4 月 20 日生于江苏丹阳，1952 年毕业于浙 江大学，后到中科院近代物理所工作并读研究生，1959 年至 1962 年在苏联 杜布纳联合原子核所工作。现任国防科工委系统工程研究所研究员、中国核 学会副理事长。1991 年当选为中国科学院院士。在核试验的物理诊断领域长 期从事系统的开创性工作。



一、核武器的作用和地位
　　自从 1945 年原子弹问世以来，由于核武器具有巨大威力，得到各国政府 高度重视，在国际政治，军事，外交等各个方面起着重要的作用。
　　1.军事上的作用 美国 1945 年原子弹研制成功以后，匆忙将仅有的两颗 投向日本本土，炸毁了广岛、长崎两座城市，造成几十万人的伤亡。这是历 史上核武器实战使用的唯一例子，它促使了日本提早投降。核武器的杀伤力 是其他武器无法相比的，因此美国、苏联两个超级大国大力发展核力量，把 它看作军事力量的主要支柱。其他有条件的国家也努力建立自己的核力量。
2.威慑作用 第二次世界大战结束以来，还没有在实战中使用过核武
器。但是美、苏曾多次威胁要使用核武器，企图迫使对方让步，他们实行核 威慑战略，企图起到“不战而屈人之兵”的作用。冷战时期美苏双方都拥有 庞大的核武库，但因为害怕对方报复而不敢发动战争。美国前国防部长麦克 纳马拉曾宣称，只要命中约二百个氢弹就足以摧毁苏联这样的大国，使几千 万人伤亡、工业损失二分之一、多数大城市被毁。而美苏各自的核武器数以 万计，双方处于“确保相互摧毁”的“恐怖平衡”状态，这种状态持续了几 十年。
3.大国地位的象征 拥有核武器不但说明军事力量的水平，而且说明科
学技术和工业水平的发达。现有的五个核国家正是安全理事会的五个常任理 事国。拥有核武器已经成为大国地位的象征，它将大大提高一个国家在国际 外交斗争中的发言权。
　　4.核武器的前途 冷战结束以后，两极对立的军事、政治局面发生变化， 核军备控制取得了进展，美俄两国已经开始裁减他们的核武库。美俄英法纷 纷重新审查各自的核战略，核武器的战略作用有所下降，但是他们仍然把核 武器当作他们军事力量的重要支柱。未来几十年内核武器仍将存在，仍将在 国际政治、外交上起重要的作用。
　　5.我国核武器的作用 我国发展核武器是被迫而为之，五六十年代我国 曾几次受到美苏企图使用核武器的实际威胁。为了打破核垄断、核讹诈，我 国发展了少量核武器，完全是为了自卫，纯属防御性质，假如某个大国要用 核武器攻击我国，他也将遭到我们的报复。我国一贯主张全面禁止和彻底销 毁核武器，承诺不首先使用核武器，不对无核国家和无核地区使用或威胁使 用核武器。
　　
　　我国拥有了核武器，在军事上对核大国起报复威慑的作用，在政治外交 上提高了国际地位，大大鼓舞了全国人民的斗志。研制核武器的过程大大促 进了我国科学技术的发展。当然，我们也为此投入了一定的财力和大量技术 力量。




1.核武器的构成

二、核武器的构成与分类

核武器由两大部分组成：核弹头和运载发射系统。 核弹头由核战斗部和壳体组成。核战斗部包括核爆炸装置和引爆控制系
统，核装置是真正起战斗作用的组成部分，引爆后它将发生核反应，释放巨 大的能量。核武器的威力决定于核装置的性能。
　　运载发射系统将核战斗部投射到预定的目标，实施攻击。运载发射系统 种类很多，包括飞机、各种导弹。运载发射系统的能力将决定核武器的射程
（打击距离）、命中精度、生存能力等许多重要的性能参数。 核武器系统还应该包括指挥控制系统。由于核武器的巨大威力和政治影
响，核武器的使用必须非常谨慎，必须由国家最高领导决策，因此必须建立 和保持严密的指挥控制系统。
2.衡量核武器性能的主要参数
　　·射程 能够实施打击的最大距离，为实施战略攻击，往往需要达到几千 公里，甚至上万公里。
·威力 核武器的爆炸威力可以从千吨 TNT 当量起直到几百万吨 TNT 当
量。比威力，即核弹头的威力与质量之比，是衡量核武器性能的重要参数。
　　·命中精度 为了打击加固的目标，需要准确命中，据称美国战略导弹命 中的圆偏差 CEP 可达 100 米以内。
·生存能力 核武器的生存能力，特别是在核攻击下的生存能力是十分重
要的性能指标。它决定于核武器的隐蔽性能、机动性能、加固性能等。
　　·突防能力 核武器必须突破对方的防御系统才能达到预定目标，突防能 力决定于核弹头的隐身性能、机动能力、诱饵性能等。
核武器的性能将从综合以上各种能力获得。
3.核武器的分类
　　从作战使用的目的可以划分为两大类：战略核武器和战术核武器。还有 一类核武器用于防空和导弹防御。
战略核武器用于攻击对方战略目标，包括军事目标、经济目标或城市。
一般需要有较大的威力和射程，由于各国战略地理位置不同，战略核武器并 无明确的射程界限。根据运载发射方式的区别，战略核武器又可以分为三种：
　　·远程或洲际导弹 核弹头由陆基多级导弹发射，弹头一般在地球引力作 用下自由飞行，也称弹道导弹。远程或洲际导弹发射的核武器可以是单弹头， 也可以是分导式多弹头。
　　·潜射导弹 导弹由潜艇携带，作战时从海洋中发射。潜艇可以隐蔽在海 洋中，可以获得较高的生存能力。潜射导弹可以用多弹头。
　　·机载核武器 由远程轰炸机携带的核炸弹或核巡航导弹，可以用于攻击 对方后方的战略目标。
　　美俄两个核大国都拥有三种战略核武器，被称为三位一体的战略核力 量。
　　
　　战术核武器用于战场作战，攻击对方的战术目标。战术核武器的威力相 对较小，射程较短。战术核武器也有各种不同的发射方式，包括核航空炸弹、 核导弹、核炮弹、核鱼雷、核地雷、核深水炸弹等。

三、核武器爆炸装置及其研究制造
　　核武器爆炸装置简称核装置，是核武器的关键部件。引爆后核装置中发 生核反应，释放核能，引起爆炸。
1.核装置分类及其原理
　　·原子弹 原子弹核装置完全利用裂变能量。平时核装置中核材料处于次 临界状态，引爆后周围的高能炸药向内聚爆，压缩裂变材料，使它们的密度 显著增加，高密度的核材料达到超临界状态，此时注入中子点火，引起核裂 变链式反应，发生核爆炸。
　　·增强弹 在原子弹裂变材料中心放少量聚变材料氘和氚。当裂变材料发 生链式反应，释放能量，利用裂变能量点燃聚变材料，聚变反应产生高能中 子，高能中子又增强裂变反应。增强弹释放的主要是裂变能量，但有聚变反 应增强，也称助爆弹。因为有聚变增强，高能炸药的用量可以减少，从而使 核装置的重量和体积减小。为使少量的聚变材料发生聚变反应，需要创造高 温高压的燃烧条件，这是一项很难的科学技术问题，要经过大量复杂、精确 的理论计算，要经过多次试验，才能取得成功。
·氢弹 氢弹由初级和次级组成。初级可以是原子弹或助爆弹，次级则包
含裂变材料和氘化锂-6。初级发生核爆炸，释放巨大能量，核材料成为高温 等离子体，发出大量 X 射线，X 射线传到次级，对次级进行压缩，此时锂核 在中子作用下产生了氚，因此能够发生氘氚聚变反应，产生聚变能量并发出 高能中子，而高能中子打在裂变材料上又发生裂变反应，因此氢弹有时也称 为裂变-聚变-裂变三相弹。高能中子可以使铀-238 发生裂变反应，因此可以 利用铀-238 作为部分氢弹的核材料。氢弹原理曾经是重要的军事机密，近年 来，报刊文献中，特别是美国的报刊文献中陆续有所透露，但氢弹的具体构 造仍然是保密的。
·第三代核武器 采用特殊设计的核装置，使核武器爆炸时突出某一种效
应，或实现效应定向，如增强中子、电磁脉冲、产生 X 射线激光等。希望把 它们用于战略防御、战术应用等特殊场合。对第三代核武器的作用始终存在 着分歧看法，在技术上又遇到很大困难，现在美国政府已经放弃了研制计划。
2.核武器爆炸装置的研制
　　从核武器的工作原理可以看出，核武器的研制是一件极其复杂的科学技 术任务。它涉及许多的物理学科：如裂变物理、聚变物理、高温高密度等离 子体物理、中子物理、辐射输运、中子输运、爆轰物理、高压状态方程等等。 在解决上述问题时不可避免要进行大量的数值计算，为解决复杂的高精度二 维数值计算，必须使用最高速度、最大容量的计算机。由于问题极其复杂， 理论计算和实验研究必须密切配合进行，需要进行实验室的各种分解实验； 需要进行不发生核反应的外场爆轰实验，并进行爆轰时的闪光 X 射线照相， 也称冷试验；最后在核试验场进行真实的国家试验，也称热试验。
　　除上述各种原理性问题需要解决以外，还有大量的工程技术问题需要解 决。最重要的是需要各种高性能的材料，仅核材料就包括武器级钚、高浓铀、
锂-6、氘、氚等，生产这些关键的核材料就将牵动整个的核工业系统。其他

像特种高能炸药，特种金属等的研究生产也要牵动许多工业部门。 上面我们只涉及到核装置本身有关的问题，除此外，核武器的战斗部还
应该包括引爆控制系统，中子源等，它们将涉及许多重要的电子行业。 我们只讨论了核武器战斗部的研制工作，没有讨论有关核武器运载和发
射设备的研制，它们将牵动另外一大批学科专业。
3.我国核武器研制成功是全国上下齐心协力，大力协同的成果
　　我国许许多多的科研院所和工业厂矿参与了核武器研制的事业。许多有 名望的科学家和众多的科学技术人员为此贡献了全部的聪明才智，甚至毕生 的精力。
　　目前核试验虽然已经停止，但为使我国的核武器更加安全可靠、更具有 威慑实力，还有很多的事情要做，还有很多科学技术的难关需要攻克。




1.核爆炸分类

四、核爆炸与核爆效应

　　按爆炸的目的区分，有作战使用，核武器试验，和平利用等核爆炸。按 爆炸方式区分，有大气层、地下、高空、水下等核爆炸。大气层爆炸包括空 中爆炸和地面爆炸。不同方式的核爆炸其爆炸效应很不相同。作战使用时要 根据不同的作战目的来选择爆炸方式。
2.核爆炸效应
　　（1）大气层核爆炸的效应 一旦发生核战争，对生命财产造成最大规模 毁伤的是大气层核爆炸，它的毁伤因素主要有：冲击波、光辐射、早期核辐 射、放射性沾染和电磁脉冲。
核爆炸瞬间释放出巨大的能量，使核装置物质变成高温高压等离子体，
温度可达数千万度，压力可达 1015 帕，它向外发射热辐射并猛烈地向外膨胀 压缩周围空气，形成火球。火球压缩空气形成冲击波，向外辐射能量形成光 辐射。火球膨胀、上升、冷却、成为烟云，烟云飘过时造成地面放射性沾染。 伴随着核反应过程，产生大量的中子和γ射线，γ射线与空气作用，激励出 很强的电磁脉冲。
·冲击波 冲击波是造成人员，房屋，装备，工程设施破坏的主要因素。
楼房的破坏阈值约 18 千帕，一个百万吨当量的氢弹爆炸，可以造成 7—8 公 里范围内的楼房破坏
·光辐射 光辐射可以烧伤人员的皮肤；可以引燃干燥的易燃物质，其阈
值约 13—21 焦耳/厘米 2。一个百万吨当量的氢弹爆炸可以使十几公里的易 燃材料燃烧。
　　·核辐射 核辐射可以造成人员伤亡和电子线路和器件的破坏。由于中子 和γ射线在空气中传播距离较短，核辐射的破坏效应限于近距离。
　　·放射性沾染 放射性沾染可以直接或间接对人员造成伤害，受到较大剂 量时可引起放射病。爆炸高度较小，特别是地面爆炸时，会造成很大面积的 放射性沾染，并且将存在很长时期。
　　·电磁脉冲 电磁脉冲可以使未采取防护措施的电子、电力、通信系统受 到破坏或干扰。
　　（2）高空核爆炸效应 距地面几十公里以上的高空已接近为真空，核爆 炸不再形成大气层那样的火球和冲击波，核爆炸的能量以 X 射线和核辐射的 形式发出。在爆炸点附近，射线很强，可用于破坏近距离的目标。美俄都曾
　　
研制成功以高空核爆炸效应为基础的反弹道导弹防御系统，现在莫斯科仍然 部署着以核反核的弹道导弹防御系统。
　　高空核爆炸对地面的主要效应是核电磁脉冲。高空爆炸的γ射线射向地 面时，在 20—30 公里高空的空气中打出电子流，激励出很强的、大范围的电 磁脉冲。外国专家认为，在核战争初期，先实施高空核爆炸，可以造成对方 几百甚至几千公里范围内的通信、指挥、控制系统失灵。
　　（3）地下核爆炸效应 地下核爆炸主要用于核武器试验，它的主要效应 是地震波。
　　（4）水下核爆炸效应 水下核爆炸主要用于摧毁港口设施和水面、水下 舰艇，它的效应主要是水中冲击波和巨浪。

五、核武器试验
1.核试验的目的和试验方式


　　核试验的目的主要有两个方面：改进武器和研究它的破坏效应。为了改 进武器，核试验中要安排较多的诊断测量项目，以便获取更多的实测数据， 用于检验和改进理论设计。为了研究破坏效应，则需要安排许多效应物体， 暴露在核爆炸破坏作用之下，研究各种破坏的阈值，为核战争中使用核武器 及防护核攻击服务。另外还有一种核试验，其目的是研究和平利用核爆炸的 可能性。
有大气层试验和地下试验两种主要核试验方式。大气层核试验又包括地
面、塔上、空中等爆炸方式。核国家早期都采用大气层核试验，它有利于研 究核武器的破坏效应，也可以进行某些诊断测量。后来各国先后转而进行地 下核试验，它可以避免放射性污染，又有利于诊断测量，可以把测量用的探 测器对准核装置、布置在很靠近的地方。地下核试验可以采用竖井和平硐两 种方式，平硐试验更有利于进行辐照效应实验。
2.核武器试验中的诊断测量
　　为了改进核装置的设计，了解核装置的实际性能，需要通过核试验实际 测量核装置爆炸的工作过程。在核试验中要进行两大类的诊断测量：实时物 理诊断及放射化学分析诊断。
（1）实时物理诊断 实时物理诊断主要测量核装置的核反应过程，例如：
测量核反应的时间过程，包括核链式反应的增长速率，各种核反应发生和发 展的时间关系等；测量聚变反应的温度；测量核反应活性区大小和形状；测 量核反应产生的中子能谱等等。整个核装置爆炸过程仅持续微秒量级，因此 实时物理诊断测量系统都应该具备纳秒、甚至亚纳秒的时间响应，需要使用 最现代化的快速核电子学设备和技术。为了测量数据和测量设备安全，记录 设备必须放在距爆心较远的地方，因此在物理诊断测量中还要解决快信号的 远距离传输，核爆炸强电磁脉冲的干扰等问题，为此要研究高性能电缆和光 缆等等。
　　核装置爆炸是一个瞬息即逝、不可重复的过程。物理诊断要在十分恶劣 的环境条件中，精确测量中子、γ射线、X 射线的强度和它们随时间、空间 的变化，并且测量要在无人操作、自动控制的条件下进行。瞬时诊断测量必 须保证万无一失、一次成功，稍有疏忽就没有补救的余地。这是一项十分艰 巨，而又充满吸引力的科学技术任务。
　　
　　（2）放射化学分析诊断 采取核爆炸后产生的有代表性的样品，用放化 分析的方法分析测量，获取核装置爆炸过程中核材料发生变化的各种参数。 爆炸后剩余的各种核材料、裂变产物、结构材料和大量的岩石混合在一起， 要进行放化分析，首先要进行微量样品的精确定量化学分离和纯化，然后进 行准确的物理测量，并扣除各种本底干扰。
　　通过放化分析可以获得许多重要的参数：如裂变当量，聚变当量，铀、 钚、锂、氚的燃耗，铀和钚的同位素生成等等。在核装置的特定位置布放指 示剂，通过放化分析可以获得该处的中子通量。测量氚和气体裂变产物也可 以获得裂变和聚变的重要信息。
　　获取有代表性的样品是进行放化分析的先决条件，地下核试验中采用钻 孔取样的方法获得爆后玻璃体样品。利用预先适当埋设的增强胶管可以获得 爆后气体样品。
3.核试验的试验技术
　　核试验是国家级的大型试验，实施核试验是一项巨大的系统工程。为了 圆满完成一次核试验，除了核装置的设计制造、各种诊断测试的准备以外， 还要做好核试验技术的准备。核试验技术，是指保证安全可靠地进行核试验 所需要的技术。
为了保证试验安全，要进行安全设计和论证，包括试验场地的选择、爆
心埋设深度的确定、竖井井筒或平硐坑道的堵塞方案、管道、电缆的密封措 施等。要进行长期和短期的风速、风向、降水天气预报。地下核试验以后要 监测放射性泄漏情况。
核试验控制要保证核装置解除保险、点火引爆、测试仪器等都按预定的
时间顺序准确启动和关闭，核试验控制技术的特点是要求绝对可靠。 为了做好工程保障，必须提前做好地质勘探分析工作。为了获得满足核
试验要求的井筒，要设计制造大断面深井硬岩钻机，断面要达到几个平方米，
深度达几百米。要设计制造安放核装置的深水密封容器，要设计制造吊装塔 架和吊装杆，要设计制造用于安放诊断探测器的测试钢架和安装调试塔，要 掌握深井打筑混凝土塞和井筒回填技术，要掌握硬岩中定向钻孔取样技术等 等。

六、和平利用核爆炸
　　自世界上发生第一次核爆炸以后，就有许多科学家提出要将核爆炸用于 非军事目的，并且进行了多方面的探索。几十年来，美国进行了 48 次和平利 用核爆炸的核试验，苏联进行了 115 次和平利用的核爆炸，其中一部分已经 有实际应用价值。
1.几种和平利用核爆炸的途径
　　·工业应用核爆炸 例如：大型挖掘工程，探索是否能利用核爆炸开挖运 河等；刺激石油天然气生产；利用核爆炸产生的压力封闭油气井喷；建造地 下洞库，如苏联已建成若干个天然气贮存库；利用核爆炸产生的地震波进行 大范围地质研究。
　　·科学研究方面的应用 利用核爆炸产生的强中子流和高温高压条件下进 行（在实验室无法进行的）科学研究。已经进行过短寿命同位素的许多能级 的中子截面测量；多重中子俘获后产生的超重元素的性质研究；特殊材料的 高压状态方程测量等。
　　
　　·某些新概念设想 国内外学者还不断提出一些新的设想，如利用核爆炸 发电、用核爆炸拦截向地球飞来的小行星、用核爆炸建筑拦江水坝、在喜马 拉雅山用核爆炸凿洞引水等。但仅仅停留在概念设想上，都还没有达到进行 可行性讨论的程度。
2.和平利用核爆炸的前景
　　过去的研究和试验表明和平利用核爆炸有其优越性，70 年代还举行过几 次和平利用核爆炸的国际讨论会，但是和平利用核爆炸的前景并不乐观。主 要有两方面的阻力：其一是公众对放射性的惧怕心理，使工业上的应用难于 实际推广；另一方面是军备控制，为防止有的国家可能利用和平核爆炸进行 核武器试验，最近通过的全面禁止核试验的条约中就把和平核爆炸也列为暂 时禁止。

七、全面禁止核试验和核军备控制
1.禁止核试验的谈判
　　早在 50 年代，美苏等国已经就限制和禁止核试验的问题展开讨论，并且 签订了部分禁止核试验条约（LTBT）、限制核试验当量条约（TTBT）。他们 没有就全面禁止核试验达成协议，因为他们都在努力改进各自的核武器，不 能停止核试验。当他们的战略核武器已经发展到很高水平，改进的余地不大 时，美国才主张全面禁试，开始积极推动全面禁止核试验条约（CTBT）的谈 判。希望通过签订条约，防止出现新的核国家，并且限制其他国家（包括中 国在内）继续改进核武器，以达到巩固自己的核优势的目的。目前 CTBT 的谈 判已经告一段落，已经在联合国大会通过，我国已经签字。但是由于印度的 反对，条约未能生效。虽然尚未生效，估计在若干年内几个核国家都不会再 进行核试验。停止核试验意味着很难再发展新型号的核爆炸装置。但是核武 器战斗部的非核部分仍然可以不断地发展改进，至于核武器的运载和发射部 分的研究发展，则不会受到限制。
2.核军备控制和发展与前景
　　随着冷战结束、苏联解体，核军备控制进展较快。美苏间的军备竞赛得 到遏制，美俄之间签订了裁减核力量的条约 START 和 STARTⅡ，开始裁减各 自的核武器。1995 年核不扩散条约得到无限期延长。CTBT 也已有 90 多个国 家签署。不久将就禁止核武器用的裂变材料的生产开始谈判。一旦达成协议， 将有利于防止核扩散，也将对核国家增加核武器数量带来困难，但美俄等国 已经积累了大量剩余的核材料，这项协议对它们将不会发生任何影响。
　　俄国尚未批准核裁军协议 STARTⅡ，一旦得到批准并开始执行以后，美 俄可能会推动包括我国在内的多边核裁军。美俄拥有最大量的核武器，即使 在执行 STARTⅡ以后，它们各自的核武器数量也将超过其他三个核国家拥有 核武器之和。因此在美俄进一步裁减核力量以前，我们认为进行多边核裁军 的谈判是不现实的。
　　虽然核不扩散条约已经无限期延长，核不扩散的危险仍然存在，印度等 国仍不愿意放弃其核选择。
　　
声学在现代科学技术中的作用

张淑仪

南京大学声学研究所
　　张淑仪（女） 声学家。1935 年 12 月 7 日生于浙江温州，1956 年毕业 于南京大学，1960 年该校研究生毕业。现任南京大学声学研究所所长、中国 声学学会常务理事、国际电气电子工程学会高级会员等职。1991 年当选为中 国科学院院士。对凝聚态物质（液体和固体）中多种模式的超声波传播规律 进行了较深入仔细的实验与理论研究。



　　声学是一门研究声音的发生、传播、接收以及声波与物质相互作用的科 学。随着科学技术的发展，声学进入了各个应用技术领域。在现代工业、国 民经济、国防建设、科学研究和日常生活的各个领域，无不和声学发生联系。 因此声学是一门渗透性很强的学科。
　　声学技术的广泛应用，首先要归功于声波的物理特性。声波是机械振动 在物质（气体、液体和固体）中传播的结果，声波能穿透电磁波和光波所不 能透过的介质。声波的振动频率范围很广，从 1/1000 赫到 100 万亿赫（10－
4～1014Hz）。频率在 20 赫到 20 千赫范围内的声波为人耳所能所见，属音频
范围。20 千赫至 100 兆赫为超声，100 兆赫至 100 千兆赫为特超声，100 千 兆赫以上为热声子运动范围，20 赫以下为次声。不同频率的声波有不同的激 发和接收方式以及不同的应用领域。
以下就几个主要的领域加以简单介绍：

一、声学和物理学
　　声学是物理学的一个重要分支，也是物理学中最古老的分支之一。在物 理学的发展中，声学有着卓越的贡献。首先，声学所研究的机械振动及其在 各种物质中传播的属性是物理学的本质之一。Rayleigh 于 19 世纪末最早提 出声波动理论，对后来的各种波动传播理论的发展有重要作用。
在声与物质相互作用的研究过程中，到目前为止，虽然主要是研究物质
的声速、声衰减及密度、弹性系数（粘滞系数）等宏观量，但通过宏观量的 测量，可以揭示物质微观世界的本质。如分子声学从超声传播速度和衰减及 其弛豫效应的测定，可以研究气体中分子的各种运动之间的能量转移以及分 子间的能量转移、液体中的各种分子结构有关的动力学过程，以及固体物质 的相变、缺陷、晶粒尺寸乃至微观的分子结构、半导体和超导体中的能隙及 能级分布情况等。
　　当声波强度较强时，除了线性效应之外，还有非线性效应出现。早在本 世纪二三十年代，就已发现高强声波在液体中产生空泡（因液体耐压而不耐 拉），在空泡内聚能可达 1011 巴（相当于 108 大气压），温度可升至 104°K
（即 10000 度）以上，因而导致发光等特殊现象，亦称“声致发光”。空泡 中的超高温和超高压引起物理学家和化学家的重视，希望有可能引起核聚变 等重要的物理和化学效应。近年来，发现非线性参量对不均匀结构及相变的 响应比线性物理量更为敏感。此外，固体物质的非线性性质引起声波的非简

谐共振、混频、高次谐波产生等等，其机理均可归结为原子之间相互作用势 的存在以及分子内平衡位置的改变等等。总之，高频声波的传播与声子-声 子、声子-电子以及声子与其他激子间的相互作用相联系的。
　　至于非线性声学所研究的孤子、分岔与混沌的问题是自然界普遍存在并 有重要应用前景的现象，是目前非线性动力学的一个重要主题之一。通过水 波孤子和混沌的研究，可以直接观察到孤子的形成，多孤子相互作用及孤子 和混沌之间的相互转化过程等，显示了物理现象的统一性，从而对揭示自然 界的普遍规律有积极的意义。
　　在超低温条件下研究 He 超流的意义上来看，从第一声（即通常声波）到 第五声的研究，可以探求在超低温下液氦的各种热力学参量，从而对超流相 微观结构的研究具有特殊的意义。

二、超声在工业上的应用
　　超声的工业应用是超声技术的重要应用领域之一，应用范围非常广泛， 归纳起来主要有两大类：一是超声加工处理；二是超声检测。
1.大功率超声的工业应用 利用大功率超声波作用于物质，可改变物质的性质和状态。例如，在含
有烟雾粒子和灰尘的气体中发射大功率超声，不同尺度的粒子振动速度不
同，则互相碰撞，从而可加速粒子的凝聚；在液体中发射大功率超声，会在 液体中产生“空化现象”，即波动引起的稀疏过程使液体产生空泡，压缩过 程使空泡破碎而在周围产生机械冲力。从而可实现清洗、乳化、脱气以及使 固体粒子悬浮、或使高分子分解和聚合，促进化学反应等；在固体中发射大 功率超声，可用于粉碎、研磨，切割、加工和焊接等等。
此外，利用固体中超声波的特殊波形，研制成超声马达，具有体积小、
响应快、精度高和无电磁感应等特殊性能，适用于传真机、打印机等现代化 办公设备中传送纸张。
2.超声检测和无损评价
　　在当前高科技发展中，先进的材料及各种器件、设备的研究和发展越来 越引起重视。相应地对无损评价技术的要求也越来越高。超声无损评价（或 超声检测）与电磁波、X 光及粒子探测技术并列为探索物质的四大技术。
超声波由于能穿透电磁波、光波等无法穿透的物质，同时又能在两种物
质（两者的密度和声速显著不同）的界面上反射。如果某种物质内部存在不 均匀性，如气泡、裂痕、夹杂、疏松、位错或脱粘等缺陷，就会引起超声波 的反射。因此，利用超声波能探测物质内部的结构（缺陷和不均匀分布）等。 目前，利用各种超声探伤仪可以对各种机械零部件，包括航空、航天飞机机 壳及发动机零部件等进行无损检测，也可用于对装载核反应物质的容器、输 油和输气管道以及锅炉等压力容器进行无损检测等。
　　另一方面，超声显微镜可用于微米量级的微观结构或缺陷的研究和探 查，可以研究材料和微型器件的介观特性和结构。近年来，在电子显微镜、 隧道显微镜及原子力显微镜基础上发展的电子声显微镜、隧道声显微镜及调 制力显微镜等新型显微镜成像系统，更将声成像分辨率提高到纳米量级，从 而有可能在原子尺度的量级上研究材料的表面和亚表面结构。
　　超声技术还可用于测量流体的流速、流量、粘度、温度及液位等。因此 也是一种重要的测量技术。
　　
　　近年来，由于激光技术的飞速发展，利用激光脉冲激发超声波成为当前 的研究热点之一。激光脉冲可以非接触式地在凝聚态物质中激发超声波，从 而可以实现遥感遥测的任务。同时，由于激光束可以聚焦，因而可以对小尺 寸材料进行激光超声研究。

三、光声学与激光超声
　　当强度调制的激光束照射于物质（包括气体、液体和固体）时，物质吸 收光能而产生热，周期性热流使周围的介质热胀冷缩而激发声波，这种将光 能转化为声能的现象称为光声效应。其中间过程为热能的转换和传递的过 程，因此亦称热波。
　　由于光声效应与物质的光学、热学、力学等性质以及几何结构有关，因 此测定光声信号可以检测物质的宏观、介观乃至微观特性和结构等。利用光 声效应研究、分析和检测物质的方法即为光声热波技术。通常有光声谱仪用 于成分和能级结构分析，以及光声显微镜用于空间结构分布的检测。
　　另一方面，有关材料的光学、电学等性质的研究已有大量的工作，但有 关热学性质的研究则为数甚少，原因主要是缺乏有效的测试手段。新型的热 波技术正是有效地解决了这个问题，并且适合于测量小尺寸样品的热学性 质，如热扩散系数、热传导等。对于某些利用其散热或抗热性能的材料，检 测其热学性质是极为重要的。近十年来，随着近代光学（激光）技术、电子 技术及声学技术的发展，光声技术（或称热波技术）也以不同的测试方法和 多种形式发展起来。与红外照相（热像）技术相结合发展的热脉冲回波成像 技术，适合于对航空、航天飞机、输气、输油管道等大型机件的非接触式大 面积的无损检测，国外已在许多部门发挥作用。
随着脉冲激光技术的发展，利用脉冲激光激发超声波，便成为非接触式
激发超声波的有效手段。为此相应地发展了多种非接触式检测振动和位移的 新方法，其中最主要的要属光干涉法。将光激发和光检测相结合形成非接触 式激发和检测声波的全光学方法，适用于在极端环境下（高温、高压、腐蚀 及放射性等）对材料和设备进行分析和测试。近年来利用皮秒（10－12 秒） 或飞秒（10－15 秒）量级的超短激光脉冲在凝聚态物质中激发 1011 赫以上频 段的特高频声子。即在固体中激发接近固体的晶格振动频率的特超声，可以 直接研究固体中热声子、电子及其有关的量子力学意义上的效应。在液体中 激发特超声，可以研究液体分子受激振荡及超快弛豫过程等。
由于光声效应反映的是物质吸收光能后产生热能及声能，因此与传统的
光学方法相比，具有更高的灵敏度，并且对测试的样品没有特殊的要求，因 此更为实用，成为传统光学技术的有力补充。
　　利用激光脉冲在水中激发声脉冲，可用于江、湖、河、海的水下目标及 海洋地层结构探测或水下通信，也是当今水声学的研究课题之一。

四、声电子技术
　　声波历来是人类实现信息转递的主要媒介。随着现代科学技术的进步， 信息交流日益频繁，并且逐渐发展为远距离通讯。因此对信息的优质传递提 出更高的要求。最常用的信息传递载体是无线电波，近年来还利用光缆，即 利用光波。但是，以声波为载体，并对信号进行加工处理有其特殊的优越性， 因此是很重要的一个方面。声电子学就是研究以声波作为信息载体，在声波
　　
的产生、传播和接收过程中，对信息进行加工处理的一个学科分支。
　　在 60 至 70 年代，曾经利用声波在固体内激发和传播的过程制作固体声 波器件，有滤波器、延迟线等等，以代替常用电阻、电容和电感组合的滤波 器或用电缆实现信号延迟。因电磁波在电缆内的传播速度比固体中超声波的 传播速度快 105 倍，如要实现相同的延迟时间，声波器件是 1 厘米时，电缆 长度要 1 公里左右。因此利用声电子器件，可使无线电元器件小型化、固定 化，并且性能稳定、制作方便。
　　70 年代初期，声表面波器件问世，它的优点是对换能器的形状可以任意 设计，因此为器件的性能改进提供了极为方便的途径。其次是器件的制作只 是利用与半导体集成电路工艺极为类似的生产程序，因此重复性好，性能稳 定，体积更小型化，并可实现批量生产，为声电子器件开拓了广阔的应用领 域，发展迅速。声表面波器件可对信号完成传递、延迟、滤波、展宽、压缩、 移频、调制、解调、开关、放大、编码、解码、卷积相关、频谱分析、富氏 变换及其他数学变换等信号处理功能。声表面波器件广泛应用于通讯、雷达、 电子对抗、电视广播、光电子学以及传感控制等领域。目前主要是几十兆赫 至几百兆赫频段。
　　随着移动电话的发展，声电子器件将向更高频、更精确、更小型化发展。 向高频发展方面，目前工艺上可接受的声表面波器件高频限是 1GHz 左右。
另一方面，为超声电子技术进一步发展的需要，推动相应的理论基础同
时发展起来。除有关声表面波的基础理论迅速发展之外，也推动声与半导体 载流子、声与声、声与光等相互作用的机理的研究和发展。作为声波的激发、 传播和检测的基础，晶体物理与技术也相应地进一步向纵深发展起来。

五、生物医学超声
　　自第二次世界大战以来，先进的工程技术与生物医学相结合，逐步发展 形成了一个新的科学技术分支，称为生物医学工程。20 世纪后半期，生物医 学发展很快，将超声技术与生物医学相结合，即形成生物医学超声分支学科。 近年来，超声诊断在医院中已普遍推广，许多疾病都可由超声诊断仪器
（如 A 型扫描仪，B 型超声断面显像仪，多普勒血流图等等）早期发现。超
声多普勒成像系统可以对颅脑内血管及血流情况以彩色图形进行实时显示。 甚至发展到对全身各部位的血流进行多普勒彩色图形显示。超声与 X 光、核 磁共振成为医学三大诊断手段。
为了能更准确地诊断早期病灶，了解声波参量与生物组织的生理和病理
状态之间的关系是至关重要的。因此，声波在生物器官和组织内的传播规律 的研究引起很大重视，超声诊断仪器设备也在不断发展之中。最近，利用非 线性参量成像，有别于上述的根据声速和衰减等线性参量成像的传统设备， 对生物组织的病理现象更为敏感。
　　此外，还将多媒体技术用于超声诊断，建立图形档案与通讯系统，其特 点是可以存储管理大量病人超声诊断图像信息，并进行三维组合形成立体信 息。
　　大功率超声还可使人体局部加热，并且超声波的振动可进入人体，因此， 热效应、振动效应以及由强振动引起的空化效应均可以用于治疗疾病，促进 药物的扩散。甚至用于外科手术，如眼科手术、骨骼修复，肿瘤消除等等。
　　
六、声化学和声空化
　　本世纪 20 年代，首次发现超声波有加速二甲基硫酸酯的水解和亚硫酸还 原碘酸钾反应的作用，由于当时的超声技术处于较低水平，研究和应用都受 到一定的限制，未引起化学家足够的重视。
　　近 20 年来，利用超声来加速化学反应，增加反应产率和引发新的化学反 应等声化学研究有了突破性的结果，正在国际范围内引起声学和化学学术界 的重视。声化学技术在生产上可望首先为合成塑料、洗涤剂、制药和化肥等 化工工业方面带来重大变革，因此受到化工生产行业的极大关注。
　　近年来的研究表明，高功率超声在液体中产生的非线性现象引起声空化 是声化学主要的物理过程。因为声空化是集中声场能量迅即释放的过程，在 空化泡崩溃时，短时间内产生的高温、高压、强冲击波和射流，为一般条件 下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种非常特殊的物理环境，开辟 了新的化学反应通道。
　　为了进一步提高声化学反应的效率，声学界和化学界的科学家们对声化 学产额与声学参数之间的关系进行了较系统深入的研究，如声化学反应器和 换能器的结构、声场形式、辐照声强与声功率、辐照时间、频率效应及信号 波形等，对产额的影响进行了大量的研究。
由于“声化学”与其相联系的“声致发光”同是令人感兴趣的两个过程，
要求化学家和声学家密切合作，用空泡中微观物理本质来解释观察到的宏观 现象。当前国际声化学界认为，化学研究应优先注意的尖端项目之一就是物 质在超高温和超高压的极端条件下的化学行为，因其有助于了解化学效应， 开辟新途径。可以肯定，声化学科学的发展必将有新的贡献。

七、语言信息处理


　　语言历来是信息传递的要素。研究语言的特征、识别和合成一直是声学 工作者的重要任务，由此近 20 年来已形成了声学新分支——语言声学。语言 声学主要研究语言特征谱，从而实现自动识别、人工合成和压缩编码等，对 人民生活、国民经济和国防建设都是密切相关的。
随着信息科学的发展，信息技术的应用已深入到人类社会的各个方面，
对社会进步产生重大的影响。语言声学的研究也由于信息技术和计算机科学 的发展而取得了很大进展，并在某些方面有所突破。
1.语言识别：
　　国际上，特定说话人和任意说话人的连续语言识别系统已经达到很高的 识别率，这使语言识别系统朝实际应用方向迈进了一大步。因而旅行信息查 询、飞机订票、城市查勘以及办公室管理等特殊应用场合的语言识别和语言 理解系统都取得了较好的效果。国内在孤立音节和孤立词识别方面也已取得 相当大的进展，识别率一般可达到 90％。相继研制中、小字表的声控电话查 号系统、汉字语音输入系统、命令识别系统、电话数字语音识别系统等。汉 语连续语音识别的研究也已起步。
　　但要使语音人机交互系统达到实际商用水平还有许多重要的科学问题需 要解决，如处理背景噪声、信道噪声、应付陌生词、陌生用户和非预期的输 入，系统必须具备多种层次的鲁棒性。
2.语言合成：

　　由于计算机语言输入、输出可实现最为友好的语言合成，所以近年来得 到了新的发展。当前语言合成系统可分为两大类：一类是利用数字化技术预 先存储语言数据；另一类则是利用语言参数和发音规则产生语言，从而还可 以实现文语转换系统。
　　这种人机交互语言应用前景很广泛。在国外许多电话公司已开始试用， 如机场、车站等交通和其他商业部门也是重要的使用场合。此外，为残疾人 提供朗读或助讲等等。
　　通常，语言和听觉常常是联系在一起的，而听觉研究的一大特点是心理- 物理实验的成功。改变物理量听取受试者的反映，以估计出生理和心理的变 化。20 年来，已证明耳蜗结构模型的正确，近年来，更以现代通信系统的观 点来分析人耳的结构，相当成功。但神经系统和大脑如何处理这些信息还在 研究之中。听觉的研究也可能是研究大脑功能的重要途径，人们对此期望很 大。

八、水声信号处理技术
　　海洋覆盖着地球表面的四分之三，蕴藏着丰富的能源、矿产和蛋白质资 源，海洋和大气间的热交换，又在极大程度上影响着地球的气象和环境。因 此，海洋的研究与开发利用，日益受到世界上各国科学界与政府部门的重视。 声波是唯一能在海水中有效地进行远距离信息传递的载体。蓝绿光在海 水中衰减 123dB/Km。100Hz 超长电磁波在海水中衰减为 345dB/Km，但 100Hz 声波在海水中的衰减则仅为 0.0015dB/Km。声波能在水下传播很远距离，而 光波和电磁波则在很短距离内就会被完全吸收。因此，所有的水下探测、通 讯、导航、遥控等活动都离不开声学。但海水中声速低，高频声波在海水中 的衰减增长迅速，海洋信道又属于不平整双界面随机不均匀介质信道，因而 水声信号信息量小，传递过程中时变、空变及多途效应严重。要满足不同实 际工作要求，需采用多种措施。应该说，水声技术是广泛领域的现代科学技
术的高度结合。
　　至今，人类就多种海洋环境因素对声波传播的影响已有较系统深入的研 究。美、俄等国水声考察范围遍及全球各大海域，并建立了较为完整的数据 库。此外，全球海域气候的声监测计划是精确地测量全球范围内海洋的温度 以提供全球气候变化的直接证据。
为了水声研究，水声换能器的研制成为重要的课题。因此也促进了研制
水声换能器的压电材料和磁致伸缩材料的研究与制造。研制新型换能器的多 元压电复合材料、高分子合成材料、光纤材料等也引起极大的重视，并出现 换能器材料和换能器设计的专家系统。
　　水声信号处理是当前水声研究中十分活跃的领域。大规模高速芯片的发 展和并行算法的开发，提供了十分有力的工具。我国在这一方面的工作也有 着可喜的成就。

九、环境声学
　　环境科学是当今研究的前沿热点之一，其中环境声学由于人类生存条件 的变化，也已引起很大的重视。
　　由于人类生活在充满声音的世界上，语言用于交流思想、表达感情，音 乐丰富了人们的精神生活，给人以美的享受。但各种噪声却干扰了人们的工
　　
作和生活环境。如何使需要听的声音听得清晰悦耳，而将不需要的噪声抑制， 是近百年来声学研究的一个重要方向。
　　本世纪前半期，主要研究建筑物（如报告厅、音乐厅、剧院、体育馆等） 内的声学效果。自 Sabine 提出混响的概念及混响时间的计算，开辟了建筑声 学的研究领域，先后发展了室内声场理论及混响时间的测量方法。为了改善 厅堂内音质及隔绝室外噪声，对吸声材料和隔声材料进行了理论和实验研 究。在评价厅堂音质方面，有客观评价和主观评价两个方面，客观评价主要 是从厅堂的物理特性来考虑，而主观评价则是以人的主观感受为准则，牵涉 到人的生理和心理状态。因此主观评价和客观评价往往不一致。实际上对于 传播语言为主的厅堂和以演奏音乐为主的厅堂要求也是不一样的。这就是建 筑声学方面的复杂问题。
　　在本世纪中期，现代工业和交通飞速发展。伴随着出现大量的噪声问题， 机器噪声（如纺织厂，机械厂，锯木厂等），交通噪声等等。噪声妨碍人的 健康，影响人们的工作和生活，干扰精密仪器的运转。高强度噪声还会造成 人们听力丧失，甚至损坏房屋建筑。因此在 60 年代前后，“噪声控制”作为 一门独特的学科从建筑声学中分离出来，得到迅速发展。不少建筑声学家把 研究方向转为研究噪声及其控制。包括噪声源的分析，噪声对人类的影响， 噪声的治理等等。一般采取隔绝的方式，近年来则发展有源消噪和减振的方 式，即人为地有目的地产生次级声振动信号去抵消原有噪声，从而达到消噪 和除噪的目的。其特点是体积小，成本低，降噪效果好，特别适合于军事和 国防方面的应用。

十、电声系统及其应用
　　近年来，由于高科技发展和人民生活水平的不断提高，对于电声系统提 出了更高的要求。首先，由于通讯系统的飞速发展，作为通讯系统的关键元 器件的传声器（话筒）和扬声器（喇叭），除音质好之外，对外形（如小型 化）等也有特殊要求。此外，随着立体声技术的发展以及人们欣赏能力的提 高，对扬声器和组合音响设备也有更高要求，特别是脉冲编码调制录音技术 和数字音频唱片的出现，要求扬声器同时承受功率大、动态范围大、频响宽 广平坦、失真小和瞬态响应良好等特性。
相应的电声系统的计算机辅助设计和测试的技术和理论以及电声系统的
测试方法等均有很大的发展。 除上述有关方面之外，还有声光相互作用及其在系统控制和信号处理中
的应用，超声在农业上的应用，音乐和乐器的研究，生理和心理声学，以及 大气和地球中传播次声研究等等，都是直接对人类文明生活和生产有重要作 用，由于篇幅所限，不能一一详细介绍。
　　总之，声学是一门与人类的生活、文明和生产息息相关的学科，必将在 今后的科技发展中发挥更大的作用。
　　
展望 21 世纪的 高分子化学与工业

冯新德

北京大学化学系


　　冯新德 高分子化学家。1915 年 10 月 12 日出生于江苏吴江。1937 年毕 业于清华大学。1942～1945 年浙江大学化工系研究生。1948 年获美国诺脱丹 大学博士学位。曾任清华大学化学系教授，兼辅仁大学教授。北京大学化学 系教授、高分子化学教研室主任，兼任中国科学院化学研究所及感光化学研 究所研究员。1980 年当选为中国科学院院士（学部委员）。长期从事高分子 化学的教学与科研。



　　所谓高分子，可以粗略地分为天然高分子与合成（人工）高分子。自古 以来天然高分子对于人类的生活始终是密切相关的。无论是作为食物的蛋白 质与淀粉还是作为织物的棉、毛与蚕丝都是天然高分子，此外，利用竹、棉、 麻等纤维造纸是我国古代的天然高分子加工技术，再如，利用桐油与大漆作 为油漆、涂料乃至漆制品又是我国古代的传统技术。
19 世纪中叶开始了对天然高分子的化学改性与应用，而后又发展到高分
子的人工合成，笼统地说主要包括塑料、橡胶、纤维与油漆涂料等，可分述 为下：
一是天然橡胶的利用开发与改性。在中美洲与南美洲，15 世纪左右当地
人用天然橡胶球做游戏与生活用品如容器与雨具等，18 世纪法国人发现南美 洲亚马孙河有野生橡胶树，橡胶一词当地印地安语即“木头流泪”的意思， 割开橡树皮即流出乳液，后来叫天然橡胶乳，19 世纪中叶，英国人取种子种 植在锡兰（斯里兰卡）成功，逐渐扩大到马来西亚与印尼等地，但是天然胶 乳制成固体生胶后如何溶解与加工是一大问题。直到 19 世纪 40 年代美国人 发现用松节油、硫黄与碳酸铅共热后得到不粘而有弹性制品即所谓硫化技 术，因此，到 1920 年左右，亚洲地区天然橡胶出口量达 70 多万吨，与当时 巴西的野生橡胶出口量相同。
二是天然纤维素的改性。19 世纪，德国人开始用硝酸溶解棉纤维结果可
以纺丝或成膜，但易燃烧，最后制成所谓无烟炸药，如果加入樟脑，可以加 工成塑料叫赛璐珞又能制作照相底片或电影胶片，但要着火，此外也用在汽 车车身的喷漆工艺。稍后，英国人用氢氧化钠处理棉纤维得到丝光纤维，再
用 CS2 溶后纺丝成粘胶纤维，也可用木浆做帘子线与玻璃纸及人造丝等。但
80 年代后期因 CS2 有污染问题故当另找它法，而工厂多半停产。此外，另有
德国人用醋酐进行纤维素酯化成醋酸纤维，由于不易燃烧故多用于照相底片 与电影胶片，以及飞机机身涂料或者重新纺丝制成人造丝织物。
　　三是最早的塑料。在 20 世纪初，美国人用苯酚与甲醛反应可得到用作电 绝缘器材的酚醛树脂，这是最早的合成高分子，与此同时，俄国人用酒精制 丁二烯，再用钠使之聚合成橡胶，二次大战后德国人与美国人又发展成一类 十分重要的合成橡胶即丁二烯与苯乙烯共聚而得的丁苯橡胶。
　　
　　尽管有以上几方面的重要成果并建立了工业，但当时对天然高分子与合 成高分子的结构并不清楚，因此，对聚合反应历程也还不了解。

一、高分子化学的建立与发展
虽然当时已经确认淀粉具有（C6H10O5）n 通式，水解后得葡萄糖，由于
不知道它们之间如何连接，所以认为是葡萄糖或它的环状二聚体的缔合体。 同样，天然橡胶裂解可得异戊二烯（C5H6），也是不知它们之间为何连接以 及它的末端结构，因此，也认为是二聚环状结构的缔合体。当时德国化学家 Staudinger（施陶西格）首先提出淀粉与橡胶的大分子概念，并不是缔合， 认为它们具有胶体状不等于它们是胶体，他进一步阐明它们的稀溶液粘度与 分子量的定量关系，并在 1932 年出版了一部关于高分子有机化合物的论著， 后来公认为这是高分子化学作为一门新兴学科的建立。
　　对大分子概念的一个有力证实就是 1935 年美国杜邦公司发表以己二胺 与己二酸缩聚而成高分子聚酰胺，即尼龙 6-6，并于 1938 年工业化，即大家 所熟知的尼龙袜，但是却不知当时二次大战后期美军使用的降落伞就是这尼
龙 6—6 做的。
　　40 年代乙烯类单体的自由基引发聚合发展很快，实现工业化的包括聚氯 乙烯（PVC），聚苯乙烯（PS）和有机玻璃（PM-MA）等，这是合成高分子蓬 勃发展的时期。进入 50 年代，从石油裂解而得的α-烯烃主要包括乙烯与丙 烯，分别由德国人 Ziegler（齐格勒）与意国人 Natta（纳塔）发明用金属络 合催化剂聚合而成聚乙烯即低压聚乙烯与聚丙烯，前者 1952 年工业化，后者
1957 年工业化，这是高分子化学的历史性发展，因为可以由石油为原料而且
又能建立年产 10 万吨的大厂，为此他们二人后来都获得了诺贝尔奖金。试 问，这是只有 30 年历史的一门新兴学科如何能如此快速发展成一个大型工 业？这是其它化学工业所没有过的，理由何在？
理由之一是高分子学科特征，广义的高分子化学包括高分子合成化学与
高分子结构与性能的高分子物理二个方面，它们与高分子的加工应用共三个 方面始终是互相交叉，互相配合，相辅相成。如果合成上有所突破，通过结 构与性能研究就能较快地考虑加工应用，所以 1972 年获诺贝尔奖金的美国高 分子科学家 Flory（费洛里）说过，高分子化学是一门迅速发展的科学，它 既是一门基础科学又是一门应用科学。显然这是高分子品种能较快地进入工 业化的很有力的论证。
理由之二是高分子合成也就是聚合方法的特征，先以缩聚反应为例，它
是来源于有机合成中的缩合反应，所不同的是前者为单功能团后者为双功能 团：
　　缩合反应：A－X＋Y－BA－B＋X－Y 这是平衡反应，要使反应向右必需 有一反应物 A－X 或 B－Y 大大过量，一般产量在 70－80％已经不错了。
　　反应：X－A－X＋Y－B－Y-（AB）－n＋nXY 也是平衡反应，要形成高 分子即 n1，二个反应物的配比最好是 1：1，如果 2：1 根本不能成高分子 只能如 2X－A－X＋Y－B－YX－A－B－A－X＋2XY，以涤纶 PET 为例，配比 与分子量的关系如下：
1：1.01 PET 分子量～10000
1：1.001 PET 分子量～20000
有应用价值的 PET 树脂，分子量要在 1-2 万之间，因此它们的配比差不

能＞1％只能在 0.1-1.0％之间。可见与缩合反应大不相同，而且转化率还必 需＞99.5％，说明高分子合成中缩聚反应的技术要求远远高于一般的有机合 成。
　　再以聚合反应为例，乙烯类单体的引发剂一般用过氧化物，由此产生自 由基而引发聚合。但过氧化物极易爆炸，一般有机合成很少用它。再如乙烯 或丙烯的络合催化聚合，所用催化剂（Ziegler－Natta 催化剂）都是金属有
机化合物，例如 AlR3 与 TiCl3 怕水又怕氧与热，容易冒烟起火。但却要用作
大工业生产的催化剂，这就要求高精技术。因此有人说做高分子合成中聚合 反应必需有勇有谋，颇有道理。
60 年代，由于要飞往月球而出现耐高温高分子的研究热。耐高温的定义
是在 N2 中，500℃能使用一个月，在空气中，300℃能使用一个月。其结果主
要分为二大类，一类是芳香聚酰胺例如间苯二胺与间苯二酰氯缩聚得到的高 分子叫 Nomex，当时作为太空服原料。以如对苯二胺与对苯二酰氯缩聚得到 高分子又叫 Kevlar，属于耐高温的高分子液晶，现在用于超音速飞机的复合 材料中。另一类是杂环高分子，例如聚芳亚酰胺（PI）和作为高温粘合剂的 聚苯并咪唑（Polybenyimidazole PBI）为现在的宇航飞行所需材料打下了基 础。

二、80 年代以来的时代特征
　　这一二十年以来的特征有三：一是能源，由于石油资源的逐渐减少，人 们在积极考虑其它能源，例如太阳能、氢能与原子能的开发，但也必需看到 石油的主要用途是作为燃料，用于化学工业的仅占 7％，其中作为高分子原 料的只有 5％，因此一般认为即使下世纪，高分子的主要原料仍可来自石油。 另一方面，特种油田高分子用于二次或三次采油颇有成效，可见，很有助于 石油能源开发。二是材料，高分子在材料领域中有它特殊的地位，特别是交 通工具，可以替代比重较大的金属与陶瓷，以及木材及其它天然材料。例如 汽车车身与车壳结构材料中已经有 50％用高分子材料，下世纪将增至 70％-
100％。再如宇航与航空机身与机翼，减轻重量可以大大省油，因此都用高分
子复合材料，从 80 年代的 30—40％总重量，至 90 年代的 50—60％，估计
21 世纪可达 70—80％。三是环保与保健，其中包括医用高分子，利用保健及 环保的耐火、耐辐射、耐老化的高分子材料以及高分子包装材料的二次利用 与自动降解。可以看到高分子对于这三个时代特征有不可忽视的关系。

三、80 年代以来的高分子工业
　　一是通用高分子及其发展：所谓高分子材料主要包括塑料、橡胶与纤维 三大合成材料，其中塑料占总量的 80％。在塑料中占 80％的量大面宽的叫做 通用高分子，包括高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯（PP）以及聚氯乙烯（PVC） 与聚苯乙烯（PS）。在 1985 年的总产量为 6500 万吨到 1995 年为 1.2 亿吨，
10 年间长了一倍，可见发展迅速，为人民生活所需要。同时值得注意的还有 工程塑料与复合材料。
工程塑料的建立与发展，例如能耐高温 100℃-160℃的尼龙，聚碳酸酯
（PC），聚酯（PET 与 PBT）及聚苯醚（PPO）。到了 90 年代又发展更高耐热
200℃-240℃的聚醚砜（PES），聚苯硫醚（PPS），聚醚醚酮（PEEK）及聚酰 亚胺（PAI）的所谓耐高温工程塑料。与此同时还有复合材料的建立与发展，

例如开始用玻璃纤维的复合材料发展至用碳纤维甚至 Kevlar 液晶纤维的耐 高温复合材料。
　　二是非结构高分子材料与功能高分子：80 年代以来高分子粘合剂与油漆 涂料也都向耐高温方向发展，也就是高分子从结构材料向非结构材料方面发 展。还有更重要的是功能高分子的多方面发展，例如利用吸附性能作为海水 淡化及其它如离子交换树脂与分离膜的属于化学功能高分子；应用于光导纤 维与光刻胶的属于光功能高分子；具有导电性能的电功能高分子及作为人工 脏器与药物控释的医学功能高分子。因此功能高分子的兴起是 80 年代以来的 十分重要的发展。

四、现代高分子工业的特征
　　一是精细高分子（Fine Polymer）或称高价（附加）高分子（High Value Polymer），指的是产量小，价格高的品种。兹将各大类高分子和价格与产量 列下：
价格（美元/公斤） 产量（相对） 通用高分子 ～ 1 ＋＋＋＋＋ 工程塑料 ≤ 2 ＋＋＋ 有机玻璃 ≤ 4 ＋＋＋ 精细高分子 ＞ 10-100 ＋

精细高分子是包括功能高分子与含氟高分子及耐高温高分子的总称。
　　二是工业利润来源：从上表可见精细高分子的利润远远高于通用高分 子，为此各国各大工业公司在 80 年代后竞相开发精细高分子。工业公司的利 润有如下的变化，精细高分子的利润占公司总利润的百分率如下：
1986 年 美国～ 50 ％ 德国～ 53 ％ 日本～ 55 ％ 1990 年 美国～＞ 50 ％ 德国～ 60 ％ 日本～ 60 ％

可见，同样来自石油原料，加工不同的产品利润不同，总的如下：油品
＜化工品＜一般高分子产品＜精细高分子产品。因此工业部门安排精细高分 子的 R/D（研究/发展）对公司的兴旺发展十分重要。
三是精细高分子的 R/D 问题。首先必须要有远见，要从基础应用研究入
手，例如日本东丽（Toray）公司为了开发医用高分子，在 70 年代先建立了 基础研究所，主要是研究新产品的试制以及专利的申请，随后建立了工程研 究所，对较有希望的项目进行放大及中试，因此，到 70、80 年代开始生产人 工肾与血管导管，可见精细高分子必需要有自己的创新才能立足。例如日本 三家最大的高分子纤维公司都生产人工肾，但每家的原料却不同，包括醋酸 纤维、聚乙烯醇与聚甲基丙烯酸甲酯，这点是十分重要的。
　　四是工业公司研究部门的战略安排，无论是认为 R/D 或 R/D·M（M＝ Market）为高分子现代工业的中心问题，但关键都在于人才，因此东丽公司 明确告诉大家，“先要有优秀人才才能有优秀的产品”。产品要有特色，有 竞争能力，有市场。一般而论他们招聘人才主要渠道是通过大学或研究院教 授的推荐，然后面试。他们重视科学素质并不太考虑业务的专业对口，要有 创造性，能出专利，这就必需有创造性的科学训练，而学校的基础研究往往
　　
就是训练学生创造性的最好方式，因此可以说工业研究最需要的还是有创造 性才能的有基础研究水平的应用研究人员，由此才能理解所谓应用研究的水 平往往取决于基础研究的水平。那么工业研究部门与高等院校及科学院方面 的合作研究又是如何，以美国 40 年代为例，当时工业部门研究能力较弱，高 分子研究主要靠大学有关教授带研究生做，50 年代改为学校做基础研究，工 业部门分做应用研究，由大学教授每月去公司一二次指导，可以保证保密问 题。因此，学校对工业部门主要输送人才及技术，工业部门对学校教授主要 提供科研经费。80 年代以来又一种合作方式是在学校开设属于公司的研究 室，经费与人员都出自公司，这样有关教授可经常去学校的公司研究室指导 工作，既有利研究进行又保证保密问题。目前，这种方式在美国与日本都有， 总起来看，工业部门与学校的合作在于一方提供科研经费，另一方提供优秀 人才，这是合理的渠道。学校本身仍然是进行基础研究和培养有创造能力人 才的场所。