汪德昭(1905.12.20-1998.12.28)，我国著名物理学家、中国水声事业奠基人、中国科学院资深院士。他所从事的大气中大小离子平衡态的研究成果，被国际物理学界认为是“目前普遍接受的朗之万-汪德昭-布里加理论”。汪德昭院士为我国国防水声学事业的开拓和建设做出了突出贡献。

在法国的主要研究成果

一、空气中大小离子平衡态的研究。

上个世纪末至本世纪初，作为近代物理学重要内容之一的电磁学刚刚起步不久，人们在广泛探索无线电技术的应用时发现，在距地面５０—１０００千米的高空大气圈内，在太阳光（主要是紫外线）的照射下，气体分子会电离成为正离子和自由电子，使大气内形成随高度不同电子密度也不同的气层，通称电离层或电离圈。短波波段的无线电波能被电离层反射返回地面，从而完成远距离无线电通信。后来人们又发现，低空大气层（距地面几百米至１０余千米）中也存在带电离子，它们对通信，对云、雾、雨、雪的形成和发展，也就是对气象、农业生产和人类生活，都具有十分重要的作用。当时，年轻的法国物理学家郎之万对深入研究低空大气层中的这些离子表现出了特别的兴趣。为了找到比较“干净”的大气，１９０４年，他独自爬上高达３００米的巴黎埃菲尔铁塔进行了时间长达几个月的实验研究。结果，他发现空气中存在着体积很“大”的“大离子”。这在当时是一个重要的发现。

郎之万的这项研究工作引起了当时国际物理学界的密切注意，带动了一系列研究工作。但是，国际上的这些研究工作结果，存在着很大的分歧，主要是有关大小离子平衡态的各种重要参数，世界各地发表的数据差异很大，相差几倍甚至几十倍。而这些测量都是由著名学者做的，都是几十次甚至上百次重复测量的平均值，其严肃性是不容怀疑的。那么，问题在哪里呢？

这一研究课题是由郎之万发端的，但是因为他当时还有许多其他重要的工作要做，抽不出时间来把这一研究推向深入。１９３４年１０月２０日汪德昭正式成为郎之万的研究生，于是郎之万把课题交给了他。从此，汪德昭开始踏上了科研的征程。

低空大气中存在有体积不同的大离子和小离子。这些大、小离子有的带有正电荷，有的带有负电荷，还有不带电荷的中性粒子，即通常所说的微小的悬浮质点。当它遇到带正电荷的小离子时，小离子会把自己的电荷给它，使它成为带正电荷的大离子；同样，如果遇到带负电荷的小离子，就会变成带负电荷的大离子。而正负大离子在大气中的迁移率是十分微弱的。据郎之万测定，在电压为１伏特时，每秒会移动０．００３厘米，因而正负大离子本身相遇而发生电性中和的机会是极少的，可以忽略不计。所以，制约着大离子增长或消灭的，是带着电荷的小离子。而小离子的产生也不是无限制的，因此，在一定空间内，经过一定的时间后，其中的大离子本身的增长与消灭相等，大离子的数目是一个常数，于是就成为平衡状态。

为了摸清大小离子达到平衡态的规律，需要人们研究的是：大离子的数量与悬浮质点的数量、体积大小的关系，与小离子浓度的关系，以及大离子本身合成的系数，此外还包括，大离子的迁移率虽然微弱，但它的移动谱线是什么样的，等等。所有这些都需要通过测定，才能上升形成理论。而世界各地的测定值却相去甚远。为了解决这个难题，汪德昭花了几个月的时间进行文献调查研究和分析，认为各地区所测数据之所以有差异，首先是因为测定是在自然条件下进行的，各地条件不一，没有控制悬浮质点的体积、密度、电离强度，等等；其次是没有一套较完整的理论来描述大离子的合成机理。于是，他建议在试验室里用人工的方法创造一个可以控制的环境，从实验和理论两个方面来系统地研究大、小离子的平衡态。

这个建议得到了郎之万的同意和鼓励，汪德昭便开动脑筋，创造性地设计实验。他用人工制成均匀的烟中的悬浮质点来获得大离子，而用Ｘ射线或放射性铍产生小离子。当大、小离子达到平衡态时，汪德昭进行测量，共测量了：（１）大离子的数量随悬浮质点数量而变化的情况；（２）大离子的数量随悬浮质点大小而变化的情况；（３）大离子的数量随小离子浓度而变化的情况；（４）大离子的合成系数随悬浮质点的大小而变化的情况；（５）大离子迁移率的谱。

在测量工作中，汪德昭创造性地应用了几种非常简单但又解决问题的方法。例如，为了测量悬浮质点的数目，他设计、创造了一种简便的光学与静电计相结合的仪器，既可以观察烟的浓淡，又可以测出总电荷而计算出离子的数量；为了测量悬浮质点的大小，他采用了称量与计算结合的方法，求出了大离子直径的近似值是２．５９×１０－５厘米；为了测量大离子的迁移率，他采用了交流电场法，观察大离子的正弦运动，得出其迁移率约为３．６×１０－５厘米２·秒－１·伏特－１。

汪德昭应用这些方法在实验室实际测量的结果，各项参数和理论计算值很符合，而且是国际上发生争论的两大派所得数值（一派偏高，一派偏低）的平均值。与此同时，汪德昭还和郎之万共同推导出大离子合成系数理论，并应用于低空大气层中，解决了国际上争论多年的问题。

１９４０年，汪德昭以这项研究为主要内容写成论文，通过了法国国家科学博士学位的答辩。１９４５年，法国科学院鉴于这项成果开创了精确研究大、小离子平衡态的方法，并建立了大、小离子平衡态的新理论，向汪德昭颁发了“虞格”奖金。这种奖金每年颁发一次，只发给一名有重要创造性研究成果的学者。１９５５年４月，在爱尔兰首府都柏林召开的“国际凝聚核学术讨论会”上，平衡态理论被定为“郎之万－汪德昭－布里加理论”。现在，这个理论已成为大气电学中的经典理论。

二、“负光致效应”的证实。

在一般情况下，光的辐射压力作用在空气中悬浮质点上时，质点会沿着力的方向产生运动。这种现象被称作“光致效应”。所谓“负光致效应”，则是指悬浮质点沿着力的相反方向运动。这种现象曾经引起Ａ．爱因斯坦（Ｅｉｎｓｔｅｉｎ）的重视。爱因斯坦在１９３９年７月１０日写信给郎之万时曾提到，“这些效应至今还不能解释”。

 “负光致效应”到底存在不存在？１９４６年过后不久，汪德昭决定用实验来回答这个问题。他精心设计了一个可以排除一切可能的外界干扰（包括电磁干扰）的高真空（达到１０－６毫米汞柱）的实验装置，在其中进行的实验结果证明，负光致效应确实存在。至于其原因如何，尚待做出回答。当时，巴黎大学的光学专家、法国科学院院士Ｊ．卡巴纳（Ｃａｂａｎｎｅｓ）看了汪德昭的实验以后称赞说：“这是一个重要的关键性的实验。”

三、用β射线控制纸张和照相干板药膜厚度

汪德昭是早期探索把人工放射元素应用在工业上的科学家之一。１９４７年，他设计、试验应用β放射源于控制纸张的厚薄上。由于印制纸币对纸张的均匀度要求极高，于是，他把自己的设计最早用在造币纸的生产上。在纸的一面放置两台能量相同的β放射源，而在纸的另一面放置两台放射线接收计。当两台接收计的指针指示同一数字而且恒定不变时，表明纸的厚度是均一的。如果两台接收计指示的数字不一，则表明纸张两边的厚度不一；如果指示的数字有变化，则表明前后生产的纸张厚度不匀。应用这样一种简单的测量方法，保证了造币纸对厚度均一的要求。这种测量方法现在已推广到普通印刷机上。

１９５２年，汪德昭在法国的图鲁士城把这种测量方法用于控制照相干板药膜的厚度上。人们一般认为，干板的药膜经过放射线照射后会感光和变黑。汪德昭想，当放射线弱到一定程度而且扫描时间很短时，情况应当有所不同——不会感光却能测出药膜厚度来。于是他做了多次实验，证明在弱放射性下干板药膜不会感光，照出的照片仍然有效。这项试验打破了人们的旧观念。

四、测出二硫化碳液体吸收超声波准确数据

郎之万是世界上第一个用压电晶体和当时刚刚发明不久的无线电高频线路相结合而产生稳定的大功率超声波的人。超声波在工业生产中可用于清洗、粉碎、探伤等，有着广泛的应用前景，所以各国科学家都很关心超声波在液体中能量被吸收的规律。当时，人们不仅按照斯托克斯－基尔霍夫（Ｓｔｏｋｅｓ－ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ）的超声吸收机理，算出了吸收系数的理论值，而且实际测定了多种化学物质的溶液（水、酸、碱、盐）吸收系数，结果二硫化碳的吸收系数的理论值与实验值相差较大，不同作者的实验值也很不相同。１９４６年，汪德昭利用在郎之万实验室的有利条件，对二硫化碳的吸收系数进行了测定。他采取各种措施排除干扰，采用非常纯的二硫化碳，把超声波的频率调整得非常准确，测出了二硫化碳液体吸收超声波的数值在频率Ｎ＝１．６３×１０６赫兹时，αａ／Ｎ２＝４．５００×１０－１７。这个数值被超声工作者认同和采用。

开拓了新中国的国防水声科学研究

• 培训骨干，组建机构。

汪德昭于１９５６年底回国后，开始在中国科学院原子能研究所从事有关材料的研究。１９５８年初夏，汪德昭被派往苏联进行水声学考察，以便组建并开展我国国防水声学研究。当时，发展国防水声学，建立起中国的水下万里长城——反潜探测系统，对我国是极为重要、具有战略意义的大事。考虑到这一点，汪德昭毅然接受任务，挑起重担。

从莫斯科考察归来，汪德昭调任中国科学院电子学研究所副所长兼七室主任，这个研究室就是国防水声研究室。这时，汪德昭并没有挑选水声学的前沿课题，去追求自己在学术上的新建树，而是甘当“工作母机”，去遴选和培养国防水声学研究的骨干力量。为了解决人员来源问题，经过周恩来总理批准，从重点高等院校抽调了１００名还差半年或一年毕业的优秀在校大学生，提前毕业分配到中国科学院，参加水声学研究工作，通过实践边干边学。汪德昭亲自为这些学生上课，组织人员编写和翻译教材，并带领年轻人一点一点地研制实验设备。经过汪德昭的悉心指导和热情培养，我国逐步形成了一支能够“攻坚”的国防水声科研队伍，有些研究工作活跃在国际同类领域的前沿；当年被人称为“青苗”的１００人中，有相当数量的人员具有国际学术声誉。

经过几年的筹备和充实，１９６４年７月１日，以水声学为重点，包含声学各分支学科的综合性声学研究所——中国科学院声学研究所正式成立，汪德昭担任所长。在此之前，在他的筹划下，已在我国先后建立起南海、东海和北海３个水声科学研究站。

 “文化大革命”中，声学研究所曾经三次改变隶属关系。１９６７年划归国防科委领导，１９６９年划归海军司令部七院领导，１９７０年１０月，声学研究所被拆散，水声部分划归国家海洋局，其余超声和电声部分划归中国科学院物理研究所。１９７７年８月，汪德昭给邓小平写信，建议立即恢复声学研究所。邓小平采纳了他的建议，１９７９年１月，声学研究所恢复，汪德昭继续担任所长，直到１９８４年。

• 参与中苏联合水声学考察。

根据中苏两国政府和科学院的协议，中苏两国的水声学专家于１９６０年１月至３月，在我国南海联合进行了水声学考察。汪德昭自始至终领导和参与了考察中的水声学实验。为了全面掌握考察进程，除了事先与苏方共同商订考察计划外，汪德昭还要求各研究组每天填写“科学考察活动日志”，主要内容是摘记每天执行的实验项目、内容、情况、参加人员等。通过日志的积累和统计，为这次考察活动提供了宝贵的记录。

汪德昭注意利用一切机会培养青年人。考察期间，他组织苏联方面专家给青年讲课，以后又组织大家把讲课内容加以整理，编写成一本讲义，供学习参考之用。

由于中苏关系破裂，１９６０年３月，参加考察的苏方科技人员按照其政府的要求毁约回国，并要把上万米的水声考察数据记录（电影胶片）带回苏联。在这突如其来的事件面前，汪德昭冷静沉着，处变不惊，经过研究请示，他派人先期回到北京将资料加以复制，而后把原片按协议交给了苏方。事后，他又组织青年科技人员参加考察花了半年时间，把这些资料整理完毕，编写成８本水声学的考察报告——我国第一批水声学研究报告。

根据联合考察的资料，汪德昭计算了我国主要的几种声纳的最佳频率，提供给海军设计使用。他还指出了我国南海海域若干特殊的水声情况，并提出对敌作战时，我方潜艇应采取的措施，供海军参考。

• 提出了我国水声学研究的指导思想。

水声学是研究水中声波的产生、传播、接收和计量等问题及其应用的一门学科。水中声波的速度依传播介质的性质和状态（如温度、盐度、压力）的不同而不同。人们可以通过设置在水下的声波传感器——被动式声纳探测到潜艇航行时发出的声音，并辨别其所在的方向和距离，也可以用声纳探测鱼群或其他水下发声物体。

我国是世界最大的沿海国之一。北起鸭绿江口，南到北仑河口，海岸线长达１８０００多公里；同时，海况又比较特殊，无论是南海、黄海、东海还是渤海，沿岸水深一般不超过２００米，大陆架一般宽达几十公里。针对我国海洋的实际情况，为了真正建立起反潜预警体系，汪德昭经过实地考察和深思熟虑，于１９５８年提出了我国国防水声研究的指导思想应当是“由近及远，由浅入深”，即先开展近海、浅海的水声特征的研究，而后再研究远海、深海的水声特征。实践证明，汪德昭提出的这个指导思想是行之有效的。几十年来，在他的指导下，我国许多浅海声场研究在国际上处于领先地位。

四、水声学基础研究硕果累累。

汪德昭是一位实验物理学家，擅长动手做实验；同时又是一位非常重视基础研究和应用基础研究的科学家。他深知，没有雄厚的基础研究做后盾，是不可能更好地为声纳现代化服务的。声波的传播受海洋条件的影响很大，不进行大量的水声物理的理论和实验研究，就不能很好地设计与使用水声设备。因此，在他的指导下，声学研究所在水声学基础研究中取得了很多创造性的成果。其中主要有：

（１）在简正波声场理论研究的基础上，严格证明了简正波－射线表达式之间的变换关系，并导出了简正波－射线混合公式，受到了国际水声学界的公认。这一理论不但为水声的系统设计提供了海洋声场直观的物理和信息图象，而且为系统最佳处理的方案设计和反演海洋中被测对象的信息特征提供了依据。

（２）在声场的时空实验方面，确定了声场时间和空间的相干范围，证实了浅海声场的横向相关性在一定范围内随传播距离增加而增加的结论。在国际上首次获得了１３０公里远程横向相关达６００米的数据，为远场被动检测和测距的空间布阵接收设计提供了可靠的物理依据。

（３）在浅海声场中，海底的声学性质是一个关键性的影响因素。经对高声速海底的小掠角反射损失进行理论分析，得出了反射损失的频率关系，主要归因于粗糙表面的散射损失，为高声速海底小掠角反射特性的参数描写提供了理论基础。

（４）在海洋中，水温随深度增加而下降。但到一定深度以后，温度就不再随深度增加而降低。可是声速是随温度和静压力的增加而增加的。这样，在海洋深处就存在一种声道对声传播很有利的自然波导，声波可以在海洋深处传播得很远；而且在一定距离上，声波会聚焦在一起，会聚区的声强，要比在声速均匀的海水中声音按球面扩散的情况大百倍以上。这是有关深海声场研究中的一个重要课题。１９７８年，时年７３岁的汪德昭，率领大批科技人员亲自登舰，在南海进行了我国第一次深海水声实验，他的学生张仁和发展了一种新的广义相积分近似，提出了“反转点会聚区”的概念，解决了反转点会聚区声场计算问题。同时，这一实验与理论预言相符，证实了我国南海深海中存在着很强的反转点会聚区。

除此之外，他们还在浅海声场研究、低噪声信道、海洋内波对声场起伏的影响，以及远程混响模型等方面，取得了很大的成绩。同时，他们对南海、东海、北海等３个主要海区的水声传播规律也积累了大量海上实验数据，许多数据、规律被国内有关单位在设计和研制新型水声设备时采用；也为海军声纳的使用提供了依据。不少著名国际水声学家表示，中国的水声研究可能仅次于美国，比前苏联还强。美国高尔德（Ｇｏｕｌｄ）公司国际电子部的总裁曾公开表示，浅海声场方面最有发言权的是中国。

• 为声纳现代化服务。

早在二次大战时期，汪德昭就随同郎之万一起，为法国的海军研制过大功率的声纳，提高了法国海军的反潜能力，为反法西斯战争做出过贡献。回国以后，汪德昭一面指导青年人开展水声学的基础理论研究，一面继续组织力量，开展有关水声工程和设备方面的研究。７０年代末，国际上声纳的信号处理发展有两个特点：一是将迅速发展的参量信号模型等统计信号处理技术用于声纳信号处理，以提高声纳对复杂环境的适应能力。二是将大规模集成电路和微处理机用于声纳，使声纳信号处理设备向智能化、通用化和积木化方向发展。汪德昭及时抓住了这些特点，７０年代末，他自费从法国带回了微处理机，并很快改变了声纳信号处理设备，使声学研究所以信号处理设备为核心的声纳新技术研究进入了一个新的发展阶段。

水声换能器及材料的研究

同时，他还狠抓了水声换能器及材料的研究。由汪德昭直接领导的换能器研究室，研制成了凹型弯张换能器，与国际上通行的凸型弯张换能器相比，具有很高的灵敏度、体积速度和抗静压强度，特别是凹型结构能利用多模式振动达到宽频带工作，在国际上处于领先地位。

由于做了这些工作，声学研究所对国防建设和国民经济建设都做出了直接贡献。例如，在国防建设方面，他们研究的极性相关和数字与波束定向技术已被国内普遍采用。正是这些新技术，诞生了我国第一台近岸水下预警声纳，结束了敌方潜艇在我国近海海域招摇而过的局面。此外，２０号鱼雷声制导系统、鱼雷靶场跟踪系统、５０５潜用综合声纳等，都在相应的岗位上发挥了各自的作用。在经济建设方面，利用水声自适应技术，很快就研制出了一种十分灵敏而别致的报警设备。利用声纳技术研制出的７６１型波束渔探仪，不仅能搜索、跟踪鱼群，而且能在显示器上直观地指出鱼群的方位、距离和鱼群大小。沪渔３８７号渔轮在试用作业中，利用该渔探仪测到了２０００米远处的大鱼群，结果一次网鱼２１２吨。ＱＰＹ－１型浅地层剖面仪用于勘察水下地层结构，对港口建设、航道疏浚，以及铺设海底电缆等工程都能起到相当作用。我国太湖成因的勘察，就是由中国科学院南京地理研究所利用这种浅地层剖面仪完成的，从而使ＱＰＹ－１蜚声海外