[科普中国]-大气声学

简介

大气声学是研究声音在实际大气中发生和传播的声学分支，以声学方法作为探测大气的一种手段，它也可以看成是大气物理学的一个分支.研究表明.大气中的各种声波可分为自然的和人为的两大类:前者主要来源于一系列气象现象和其他地球物理现象，如台风、地震等.这些现象主要产生次声波，其他常见的自然可听声则大多来自空气流中某些物体的振动.人为的声音主要是工业和交通噪声等。2

从声学观点来看，大气是一种运动着的不均匀媒质，大气声学的重大课题都与声在大气中传播时所发生的现象相关联。大气的密度和温度随高度而降低，而温度在某些高度重新增长。在这种规则的不均匀性上，叠加着温度和风随气象条件的变化以及不同尺度的随机湍流脉动。所有这些不均匀性都对声传播产生强烈影响：无湍流大气的分层不均匀性使声音产生折射；湍流不均匀性引起声音的散射和减弱。

背景知识在人类赖以生存的地球大气中，充斥着各种各样的声波，次声，可听声、超声。次声波—“声重力波”“内重力波”“行星波”“大气潮”超声波因其在空气中的强烈衰减而只能传播很短距离。

大气中产生声波的源地称声源，分为人工声源与自然声源。1人们说话或开动机器、触发爆炸等产生的声波即为人工声源，而自然界的地震、闪电、海浪等发出声波则是自然声源。后者主要来源于一系列气象现象和其他地球物理现象，它们不仅产生可听声而且更产生次声；风的呼啸是由于大气涡旋通过各种障碍物时被破坏而产生的。其他一些常见的自然声则大多来自空气流中某些物体的振动，如电线的嗡嗡声、树叶的沙沙声等。声波分为可闻声波、次声与超声波。人耳是灵敏的声波接收器，但由于大气中的声波频率范围很宽广，正常人的耳朵大约能够听到频率为16—20000赫兹的声波，这个频段的声波称可闻声波。低于16赫兹的声波称次声，例如地震、强风暴、飞行火箭等可发出次声，海水中的水母能接收次声波。高于20000赫兹的声波称超声波例如超声探测仪、医疗仪可产生超声波，蝙蝠、猎狗、猫等能听到某些超声波。

1、人工声源：

（1）高空爆炸：20世纪50年代：从B-29飞机上掷下1800KG的炸弹，在225-450KM以外用环形阵传声器来记录声音，推断平流层的温度和风。

（2）核爆炸：为了对远方大气核爆炸试验的检测、定位和当量估算，推动了大气中低频声波和声重力波的长距离传输研究。航天飞机爆炸，火箭发射，超音速飞机等。

2、自然声源

（1）台风、海浪、山背波、风暴潮、雷声、大风、冰雹、连绵雨。

（2）火山喷发、地震、极光、陨石坠落、日蚀。

山背波：在一定的气流和一定的山形走向条件下所产生的一种山区特有的次声波，其典型周期约为40秒，振幅近0.5Pa。当空气足够饱和产生云时，肉眼可以看到非常壮观而独特的云相，它是造成猛烈晴空湍流的重要原因。飞机的晴空颠簸就是它造成的。

风暴潮：猛烈对流性风暴所产生的次声强度很大，周期约12秒至2分钟，可以在数百米到1千公里以外被检测到。

人为的声音中主要是工业和交通工具的噪声，特别是超音速喷气机飞行时产生的冲击波传播问题，日益引起人们的注意。如果大气条件有利于这种波的聚焦，那么地面上的建筑物和人的健康就会受到危害。

发展简史声在大气中的折射是最早引起人们注意的声学现象之一，对它的研究始于声学的萌芽阶段。为了澄清当时流传的“英国的听闻情况比意大利的好”这一说法，英国牧师德勒姆于1704年同意大利人间韦朗尼以实验证明：在适当考虑风的影响之后，这两国的声传播情况并没有什么差别。由此开创了大气声学领域。但是直到19世纪后半叶，大气声学才继续得到发展。

19世纪中叶以后，物理学家雷诺、斯托克斯和廷德耳等人分别对风、风梯度和温度梯度的声折射效应，以及大气起伏对声的散射进行了研究。瑞利在其1877年出版的巨著《声学原理》中，对包括这些工作在内的声学研究成果在理论上给予了全面的总结和提高。

20世纪初，在测量爆炸的可闻区时，发现了爆炸源周围的声音的“反常”传播现象：在距强烈爆炸中心周围数百千米的可闻区之内，存在一个宽达一百千米的环状寂静区；可闻区外，在离声源200公里左右的距离上又出现了一个可闻区，称为异常可闻区。

埃姆登随后从理论上解释了这种异常传播现象，认为是由平流层逆温和风结构所引起的声波折射，为此，在20～30年代曾进行了爆炸声波异常传播的较大规模试验，一方面验证了异常传播的理论，另一方面从探测结果推算平流层上部大气的温度和风。而对流星尾迹的观察证明，在证明同温层顶确实存在逆温层。同时，从爆炸声波异常传播试验中发现了次声波，开始了大气次声波的研究。

从泰勒开始，逐步引进湍流理论来研究大气的小尺度动力学结构，并以这种观点重新研究声散射；奥布霍夫将声散射截面同端流动能谱密度联系起来，对大气声散射作出初步的定量解释；伯格曼首先以相关函数研究了散射。以后的许多工作都围绕着如何表达总散射截面的问题展开。

当对大气进行声探测时，不得不解决复杂的逆问题。20世纪50年代后期采用火箭携带榴弹在高空爆炸，在地面上测量其发出的声波，获取了80公里以下的大气温度和风廓线的分布。到50年代末，建立了较完善的大气声波散射理论。

20世纪60年代末，在原有“声雷达”基础上大大改进了的回声探测器对大气物理的研究起了很大推动作用，导致了大气声学许多方面的进展，例如在声传播过程中相位和振幅起伏的研究，用次声“透视”大尺度的大气过程，高功率声辐射天线附近的非线性效应，噪声的问题，与多普勒效应有关的问题等等。

特征声波是指由空气的可压缩性产生的振动在空气中的传播。

大气声学的特性：声速与温度成正变关系，有效声速是声速与风速的矢量和。近年来，利用折射的新途径，对声波传播时相位和振幅起伏的研究，借助次声对大尺度过程作深入了解。

研究内容声波衰减由于大气对声波的吸收和散射，入射声波的强度在传播方向上逐渐减弱。它和光波在大气中衰减(见大气消光)一样，通常按指数律衰减。引起衰减的机制为：①空气分子的经典吸收。这由空气分子的粘性和热传导所造成。分子粘性使声波传播时所引起的空气运动受到阻尼，声能用于克服摩擦力而转变为热能。粘性越大，振动越快（声频越高），声波的衰减越大。声波在空气中传播时，引起空气微粒的机械振动，使气体介质不断发生疏密变化。气体密（压缩）时要增温，疏（膨胀）时要降温，由此各部分之间形成了温差。由于空气的热传导，热量将从高温处向低温处输送，这些能量不能再还原为声波机械振动，从而造成声波衰减。②空气分子的吸收。声波传播造成分子转动和振动的能量变化，当这些能量重新转换为声能时，出现了时间张弛，使部分声能损耗而转化为热能。经典吸收和转动吸收都和声波频率f的平方成正比，声波衰减系数α ，Po为准大气压（1013.25百帕），P 为实际气压（百帕），To为293K，T 为实际气温(K)。当P=Po，T =To时，衰减系数α约为1.6×10-7f2分贝/公里。在分子振动能级引起的衰减中，被激发的氧和氮的振动能由于和水汽分子的振动能级相近，产生了能量转移，最后被激发的水汽分子产生红外辐射而消耗了声能。因此分子振动衰减同声波频率和大气中水汽含量均有关系。对相对湿度不同的大气，声波的衰减系数随声波吸收频率变化的曲线而不同，但都出现明显的峰值。并且峰值都位于相对湿度低的区域(