保罗 · 朗之万于1917年研制了压电石英传感器，用于探测德国U型潜艇。这一发明至今仍是所有现代超声技术的基础。
巴黎先贤祠是法国最受尊崇公民的最后安息之地。四位著名的物理学家长眠在那里：皮埃尔 · 居里（Pierre Curie）、玛丽 · 居里（Marie Curie）、让 · 佩兰（Jean Perrin）和保罗 · 朗之万（Paul Langevin）。在生活中，这四位科学家关系也很亲密，他们因对科学、人性和彼此的热爱而团结在一起。与埋葬在先贤祠的三位同胞不同，朗之万从未获得过诺贝尔奖。也许正因为这一点，他并未获得与居里夫人相同的标志性地位。
20世纪初，朗之万在电磁学、抗磁性、双折射和相对论等领域作出了许多贡献。为了纪念朗之万150周年诞辰，本文重点介绍他在一个方面的工作：第一次世界大战期间，他发现石英的压电特性可用于产生和接收超声波。尽管他的工作也会在压电现象、电声转导和水下探测相关的历史评论中被提及，但朗之万在战时对超声的研究是我们不可忽略的。
第一次世界大战期间，协约国的军队使用炫目的伪装试图使德国U型潜艇难以探测到目标舰艇的位置和速度。亚瑟·利斯默（ArthurLismer）于1919年的画作《奥林匹克号与归来的士兵》描绘了奥林匹克号（泰坦尼克号的姊妹船）停靠在新斯科舍省哈利法克斯码头上的场景。这艘船有着令人眼花缭乱的迷彩涂装
早年生活
朗之万1872年1月23日出生在巴黎的一座小房子里，那里靠近今天的圣心大教堂。此时的巴黎人刚刚承受了 1870—1871 年普法战争期间城市被占领的创伤，也经历了 1871 年 5 月上层对短命的巴黎公社的血腥镇压。作为1881年法国引入免费公共教育的受益者，朗之万一生都致力于普及教育对社会的重要性。
1914年8月，第一次世界大战爆发，此时朗之万在科学上已经有了国际性的影响力。他曾代表法国参加1904年在美国密苏里州圣路易斯举行的国际艺术与科学大会。作为一名优秀的语言学家，他可以与参加1911年在比利时布鲁塞尔举行的第一届索尔维物理学会议的各国物理学家轻松交谈。朗之万是阿尔伯特 · 爱因斯坦（Albert Einstein）的密友，并且在德国和英国都有可以共事的同伴。对他来说，与德国人作战和与他在英国的朋友作战没什么区别：作为一个和平主义者，他不相信战争是解决冲突的手段。因此，战争爆发时，他加入了预备役担任中士，在凡尔赛执行非战斗任务。
1911年10月30日至11月3日在比利时布鲁塞尔举行的第一届索尔维物理学会议的与会者。朗之万站在最右边，他的旁边是爱因斯坦
居里夫人认为，这是对朗之万创造性思维的巨大浪费。1914年底，她正在前线操作第一台X射线检测机。而朗之万则因无法回到巴黎市工业物理化学学院教授学生而焦头烂额。正如居里夫人在1915年1月给朗之万的一封信中所写的那样：“我们正在经历一段艰难的时期，像你这样的人需要立刻承担你该完成的任务。你可以而且必须做很多事情。”
超声波水下探测
不久之后，朗之万的办公桌上出现了一份报告。它的作者是年轻的俄罗斯工程师康斯坦丁 · 奇洛夫斯基（Constantin Chilowski），他建议使用高频声音脉冲的回声来探测水下物体。虽然回声探测的想法并不新鲜，但朗之万意识到奇洛夫斯基的想法很有原创性。来自低频源的声音通常会向各个方向传播，但是如果声源很大并且频率足够高，我们就可以制作出类似探照灯的声音束。
这完全取决于声音在海水中的波长λ。在频率为 1 kHz 时，人类可以听到的波长 λ 约为 1.5米。但光源的直径需要五个λ或更多个才能在水下产生声束，这意味着1 kHz发射器的直径至少需要7.5米——这样的体积太大了，无法安装在航行的船只上。但是在100 kHz的超声波频率下，λ约为15毫米，因此回声检测系统可以在船上安装并投入使用。人们对水中声音的特性知之甚少，以至于朗之万最初考虑了从15 kHz到174 kHz的多个频率。当然，该方案还取决于声波在某一频率下传播的距离，因为它们会由于衰减得太厉害而无法被检测到。
有没有其他超声波源可以在水下产生声束？1912年泰坦尼克号沉没后，物理学家和气象学家刘易斯 · 弗莱 · 理查森（Lewis Fry Richardson）建议使用超声波在镜子的焦点处放置一个水下汽笛来探测冰山。另一方面， 奇洛夫斯基设想了一个大型水下扬声器。经过一番考虑，朗之万否定了这两个选择。他认为应该使用一种低惯量、低损耗的设备，并且可以在水下维持电压驱动。
应朗之万的要求，1915 年 3 月，法国海军开始资助他的巴黎市工业物理化学学院实验室的实践研究计划。他与奇洛夫斯基合作，设计了一种被称为发声电容器的超声波发射器。他们使用一块薄薄的云母作为电介质，把它固定在金属板上，作为电容器的一个电极。水形成了另一个电极。海军借给朗之万一个实验用电弧发射器，用于产生高频驱动电压。到1915年7月，他已经可以制造出大约100 mW/cm2的超声波强度。他通过观察辐射对薄膜的驱动来确认超声波的发射效果。
朗之万曾设想过一个集成脉冲回波系统，但没有使用聚光镜作接收器。 奇洛夫斯基和工程师马塞尔 · 图尼尔（Marcel Tournier）设计了一种特殊的基于炭精麦克风的碳颗粒水听器，用于接收空气中的音频。为了提高灵敏度，他们将麦克风安装在抛物面镜的焦点上。朗之万让图尼尔负责构建和测试工作系统。测试在塞纳河取得了成功，于是他们在 1916 年 4 月将工作转移到土伦的海军基地。
“一块石头，两盘锡纸”
尽管法国人对水下探测很感兴趣，但对于他们的英国盟友来说，解决这个领域的科研问题可能更为紧迫，因为他们的补给线正受到德国U型潜艇的威胁。英国皇家海军的任务之一就是改进潜艇探测的方法。朗之万在英国的科研对手是物理学家欧内斯特 · 卢瑟福（Ernest Rutherford）。尽管卢瑟福更喜欢使用水听器作为监听设备，但他仍然对其他选择持开放态度。
1916年5月，卢瑟福团队的一部分人员应物理学家莫里斯 · 德布罗意（Maurice de Broglie）的邀请，访问了朗之万在法国组建的超声研究小组。访问进行得很顺利。八月，卢瑟福对与英国海军部合作的加拿大物理学家罗伯特 · 博伊尔（Robert Boyle）在探索超声技术方面的工作进行了指导。 博伊尔首先专注于接收器，他在 1916 年秋天制作并测试了几种麦克风。但他同时也在努力寻找可靠的超声波来源。
1917年初，朗之万向德布罗意提交了一份进度报告，德布罗意于当年2月将其带到英国。在报告中，朗之万描述了他在超声项目上取得的进展。他意识到大面积扁平炭精麦克风可能比小型麦克风更有效，于是使用了一个带有发声电容和两个用于无线电接收器的附加组件：音频放大器和外差检测器。但他承认，他的设计仍然需要一些技术调整。例如，发射器经常因为1微米云母膜产生火花导致出现故障。如果海洋条件不平静，静水压力也会在炭精麦克风中产生噪声。尽管存在这些问题，朗之万还是建议英国科学家继续他的方法。
朗之万很快就开始使用石英代替碳颗粒。石英是二氧化硅的常见结晶形式，它的晶体是具有不同末端的六角棱柱。正如雅克 · 居里（Jacques Curie）和皮埃尔 · 居里兄弟在1880—1881年发现的那样，它还具有压电特性：当石英晶体被压缩或拉伸时，其表面会产生电荷；相反，在晶体上施加电压会导致晶体尺寸略有变化。
极性电荷在三个特定方向上会出现极大值，每个方向都平行于晶体的三对棱柱面，并且位于垂直于棱柱轴的平面上。当石英用作压电器件时，电极总是放置在垂直于这样一个极轴的平面上，该极轴被定义为x轴。居里兄弟让巴黎光学仪器制造商伊万 · 韦莱因（Ivan Werlein）为他们切割了两片特定的石英。第一个即为右图中显示的圆柱体，后来被称为x切工，其加工方式是沿 x 轴压缩或拉伸。第二个被称为 y 切工，即右图中的矩形棱柱。它具有一对垂直于 x 轴的电面，沿 y 轴施加应力。
正如同事图尼尔后来回忆的那样，朗之万要来了居里兄弟的原始x切工石英。朗之万把它放在长凳上，将电极连接到他们为炭精麦克风开发的无线电接收器上。当朗之万把手表放在石英上时，他通过扬声器听到了手表的滴答声。这是非常重要的突破。在几天的时间里，朗之万和他的团队建造了一个原型超声波接收器，该接收器采用居里的 x 切工石英板作为传感器。
很快，一个新的10厘米乘10厘米的x切工石英传感器从韦莱因提供的大型晶体上切割了出来。尽管朗之万担心石英的压电特性可能会因高频振动而减弱，但实际上该器件既灵敏又稳定。由于并没有证据表明存在与频率相关的损耗因子，朗之万对这一优雅简单的解决方案赞不绝口，他将其描述为“仅有一块石头、两盘锡纸的器件”。
博伊尔于 1917 年 4 月前往法国学习更多切割石英相关的知识，并参观了土伦的海军造船厂。6月15日，英法联合考察团在华盛顿特区全面介绍了他们的进展，这促使几个美国实验室也开始研究这项技术。11月，朗之万的压电石英接收器成功通过了水下回波检测和通信测试。它仍然使用云母传感器来产生超声波束。
x切工和y切工石英示意图。晶体底部的圆柱体是朗之万在石英传感器中使用的x切割板。矩形棱镜l× b× d是 y切割板
石英发射器
当博伊尔于1917年4月抵达法国拜访朗之万时，这位法国物理学家正开始研究使用石英作为压电发射器。他很快发现x切工石英可以成功地传输超声波。朗之万激发 16 毫米的纯石英晶体切片，产生厚度共振，估计可以产生约 1 kW 的声功率。来访的美国物理学家罗伯特 · 伍德（Robert Wood）后来指出，朗之万的声波束杀死了游过它的小鱼，并对将手放在其路径上的人造成了“几乎无法忍受的痛苦”。朗之万建立了后来所有超声波技术的基础。
在迈向现代超声波电路的重要一步中，朗之万的团队用可调谐振荡器取代了电弧发射器。之后，他意识到，当驱动频率与石英的自然共振频率相同时，电能向声能的转移效率最高——类似于钟发声的原理。他通过实验确定，当石英片的厚度正好是石英弹性介质中声波波长的一半时，就会发生初级共振。
但朗之万只能通过估算声速来设置正确的厚度。他测试的第一个晶体共振频率约为150 kHz，这比他想要的频率高。他通过测量声束中声信号和电磁信号之间的干涉波长来估计超声波的频率。这种直接测量的方式使他能够精确地将晶体厚度与谐振频率联系起来。
朗之万专注于研究晶体在机械共振下所产生的额外增益，并将其添加到调谐放大器的谐振增益中。但有一个迫在眉睫的问题：频率越高，水中热黏性效应产生的吸收就越多。100 kHz的频率太高了，朗之万通过计算得到，将其降低到40 kHz可以使范围增加6倍。但是产生该频率所需的石英晶体厚度就需要超过50毫米。这种大小的自然形成晶体很少见，因此这种方法有些不切实际。
朗之万还面临着另一个问题。为了保持定向声束，传感器的直径必须与频率成反比。这意味着传感器的总质量需要增加。从实验室内的体积扩大到船只内需要的传感器体积，这并不容易。
为了解决这些问题，他开发了后来被称为朗之万三明治传感器的器件。他将一块 4 毫米厚的 x 切工石英板粘在两块 3 厘米的钢板之间，从而创造了一种新的装置，其中的共振频率由整个结构所决定而不仅仅取决于石英。他将较小的石英碎片镶嵌成直径 10 厘米的大小，从而为40 kHz定向波束创造了一个面积足够大的传感器。博伊尔、朗之万和团队成员之间继续保持着密切的联系，他们都在努力寻找难觅踪迹的石英。最终，法国海军武官在波尔多找到了一家枝形吊灯供应商，博伊尔惊讶地发现它的仓库里装满了像煤一样堆积着的天然石英晶体。
两次世界大战间隔期间的超声波
1918 年 10 月，在巴黎举行的一次关于超音速的联合会议上，朗之万公开了自己的研究思路。作为创新者，他提出了一种用于浅水区的扇形梁设计，并讨论了折射和声空化方面的难题。朗之万计划在7艘法国船只上安装他设计的超声波系统，并在12艘英国船只上安装博伊尔设计的超声波系统。
法国海军拥有的共振石英夹层传感器。该仪器直径为10厘米，现在在巴黎市工业物理化学学院展出。它内部右侧的钢板上附有石英马赛克
战争在两国海军都无法利用超声波探测敌方潜艇之前就已经结束了。从这个角度上说，朗之万做的是一件失败的工作。用于开发新技术的财政投资并没有挽救生命，也未能阻止协约国在1917年因U型潜艇而损失总计约600万吨的船只。但超声波慢慢开始引起学术界、工业界和军方的注意。
朗之万拒绝了移居美国的邀请，而是将注意力转向了他发明的技术在和平时期的应用。他与电气工程师查尔斯-路易斯 · 弗洛里松（Charles-Louis Florisson）合作，开发了第一台商用超声波深度探测设备，并申请了专利。第一次探测于 1920 年 10 月在尼斯附近进行。到 1920 年代后期，他们的超声波深度探测仪已获得广泛认可并安装在商船和客船上。1930年代，朗之万最初的发现被用于生产薄而小的石英板，这些石英板可以产生频率超过1 MHz的超声波束，并且不需要粘基板或马赛克。
朗之万的超声技术专利很快在英国和美国法院遇到了问题。尽管在美国的案件拖延了20年，但他的知识产权最终在这两起案件中都得到了成功的辩护。对这些案件提出异议的决定引起了学者们的注意，因为这似乎与他们的观点相冲突，即科学是一项共同的努力，其结果应该是公共资产。但朗之万的专利申请似乎很可能是出于他的合作伙伴的愿望，也是出于他自己的愿望： 奇洛夫斯基想在俄罗斯以外推广他的职业成就；弗洛里松需要为他的深度探测设备提供商业保护；朗之万的妻子珍妮可能希望改善家庭的财务情况。
朗之万慷慨地将与专利相关的部分收入分配给雅克 · 居里和皮埃尔 · 居里的女儿伊雷娜和埃芙。他通过这种方式感谢居里兄弟发现了石英的压电互易性，这对于其在超声检测中的使用至关重要。
第一次世界大战后的所有超声工作都源于朗之万的科研突破。博伊尔回到加拿大阿尔伯塔省，在那里他继续研究超声波计量和超声波空化。在英国，与博伊尔合作的物理学家之一弗兰克 · 劳埃德 · 霍普伍德（Frank Lloyd Hopwood）在伦敦圣巴塞洛缪医院进行了许多基于朗之万工作的生物物理实验。
也许受朗之万工作启发最著名的研究人员是伍德，他在战时访问法国图卢兹实验室期间对超声波产生了兴趣。战后，美国金融家阿尔弗雷德 · 李 · 卢米斯（Alfred Lee Loomis）与他接洽，提出想要资助一个实验室。当卢米斯询问研究意向时，伍德想起了朗之万的工作，并建议他们探索“超音速”。利用以非常高功率驱动的简单石英传感器，伍德和卢米斯取得了惊人的成果，并为卢米斯在纽约塔克西多公园新建立的实验室带来了巨大的宣传效果。
尽管伍德在法国时便得知了朗之万的研究成果，但美国大多数其他科学家和实业家在 1917 年 6 月英法代表访问华盛顿特区时才了解到朗之万的科研突破。那次访问激发了亚历山大 · 尼科尔森（Alexander Nicolson）对被称为罗谢尔盐的压电晶体特性的研究，以及沃尔特 · 卡迪（Walter Cady）对石英压电谐振器的研究。然而，随着战争从记忆中消失，人们对超声波的兴趣也逐渐减弱。直到第二次世界大战时，扫描声呐才被广泛用于定位潜艇。
在两次世界大战期间，朗之万成为欧洲最资深和最受尊敬的物理学家之一。在1920年代，他在法兰西学院教授了一系列物理课程，主题包括超声波、量子物理学、磁学和相对论。为了表彰他的资历，他被选为第六届和第七届索尔维会议的负责人，这一会议是当时物理学在国际上的熔炉。
在第二次世界大战期间，德国占领了法国，朗之万因战前的反法西斯活动而被软禁在特鲁瓦。1945 年 3 月 3 日，在回到巴黎后，人们为他组织了推迟已久的 73 岁生日仪式，资深科学家、政治领袖、教育家和战时抵抗运动的代表出席了仪式。全球许多国家的代表纷纷前来祝贺，其中包括英国、苏联、希腊、南斯拉夫和中国的相关人士。1946年12月19日，朗之万去世。他在生前和身后受到了广泛的爱戴和尊重。
朗之万的遗产：医学中的超声波
超声波的医疗用途——包括诊断和治疗——是朗之万留给今天的人们最切实的遗产。1949年，在朗之万首次从事超声工作30多年后，第一次医学超声会议在德国埃尔兰根召开。在会议上，朗之万的同事弗洛里松回忆说，朗之万曾预测超声波有朝一日可能会用于药物治疗。
保罗·朗之万肖像（1945—1946），作者是巴勃罗·毕加索（Pablo Picasso），目前收藏在巴黎陆军博物馆
具有讽刺意味的是，超声波治疗不是在法国，而是在德国开始发展起来。与脉冲回波系统一样，工作频率约为1 MHz的石英传感器是技术突破的关键。用于治疗的超声波的科学原理是由柏林西门子公司的物理学家雷马尔 · 波尔曼（Reimar Pohlman）提出的，他在1939年证明了中等功率的超声波暴露可能对人体有益而不会造成损害。到埃尔兰根会议时，至少有10家欧洲公司正在销售超声治疗设备。除一家外，其他所有人都使用x切工石英压电传感器。另一方面，用于诊断的超音波出现在1950年代。最初使用的传感器仍然是石英，尽管它们很快被陶瓷铁电体取代。
朗之万遗留的工作仍然弥漫在医学超声领域。压电传感器仍然是超声设备中使用的主导技术。声功率依然使用辐射来测量，就像朗之万所做的那样。传感器分层是朗之万面对的一个主要问题，现在也仍然是一个难题。折射和吸收引起的伪影仍需识别。谐波成像依然需要基于对有限振幅传播的理解，这是朗之万在1920年代首次提出的。
卡迪是一位压电领域的先驱，他在1946年将朗之万描述为“现代科学和超声波艺术的鼻祖”。朗之万的科学天才在于解锁石英的压电性，同时令其充当超声波源和接收器，并开发了第一个有效的超声波脉冲回波系统。他的石英发射器为超声波清洁、声化学和手术开辟了道路。他的脉冲回波系统使超声源、无损检测和医学扫描的发展成为可能。如今，全球医用超声扫描仪的销售额每年约为80亿美元。超声扫描是一种经济高效、安全、便携且无创的医疗技术。和平主义者朗之万肯定会赞许这一点。
资料来源 Physics Today
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本文作者弗朗西斯·达克（Francis Duck）是一位退休的医学物理学家，现居英国，目前主要撰写有关医学物理学史的书籍和文章