大气声学

学科名称

大气声学（atmospheric sound）是研究大气声波(包括可闻声、次声、超声)的产生机制和各种声源的声波在大气中传播规律的分支，作为以声学方法探测大气的一种手段，也可看成是大气物理学的一个分支。大气声学的研究内容主要包括：声波衰减和异常传播现象、声波反射、折射与衍射等。

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。

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。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，如电线的摇动声、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20—20000赫兹的声波，这个频段的声波称可闻声波。低于20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(<30%)，峰值衰减系数较经典吸收大1～2个量级。③散射衰减。由于大气温度和风速的小尺度不均匀性，使部分声波能离开原传播方向而散射，引起原传播方向声波的衰减。衰减量与大气湍流状态密切相关。强湍流时的声波衰减和分子振动衰减同量级。频率越高，声波散射越强，衰减也越大。④云雾衰减。实测表明，云雾对低频声波和次声波衰减的作用较强，这类声波导致了云雾滴和空气中的水汽之间较强的热量和动量交换，以及质量转移和潜热释放。对一般可闻声频段，云并不引起额外的衰减。总体而言，可闻声在大气中衰减很大，传播距离不超过几十公里，而次声波衰减很小，可传播数千公里。

声波折射

由于大气中的温度、湿度和气压的分布不均匀，大气中各高度的声速逐渐变化，使声波的传播方向改变，即声射线的弯曲。它和光波折射一样，服从折射定律。大气中的声速其中T、e、p分别为温度(K)、水汽压和大气压(百帕)。由此可得：若铅直方向存在每公里0.1K 的逆温分布，则可引起原来在水平方向传播的声波形成与地球有相同曲率的弯曲声射线。因此，声波在实际大气中传播时路径总有较大的弯曲。当温度沿铅直方向递减时，声射线向上弯曲；反之，当温度沿铅直方向递增时，声射线向下弯曲。近地面层大气中水汽分布的不同，也对声波折射产生一定的影响。由于实际大气中对流层温度铅直递减，平流层上部温度逆增，因此空中爆炸声通过低层大气的直接传播，只能在几十公里区域内可闻，在此以远则不可闻，然而，向上传播的那部分声波，到达平流层后逐步向下弯曲，在一定远处传播到地面，形成了一个远处的异常可闻区。这种现象是声波折射的一个特例。除了由于温度和水汽分布不均匀造成的折射效应外，由于风的作用，实际声射线方向将是声速和风速的矢量和，由此引起进一步的射线弯曲，并使顺风和逆风传播时声波产生不同的弯曲（图3）。这就造成地面各方向上异常可闻区边界相对于声源的不对称性。在建立起大气温度和风廓线分布与声射线弯曲定量关系的基础上，利用多点对声波的测量，可以求得温度和风的铅直分布。在一定的大气层结条件下，可能出现一层大气，使相当部分声波集中于该层中传播而较少散逸，称为声波导。波导层可能出现在近地大气中，也可能出现在某高度上。

声波散射

由于大气经常处于湍流运动状态，其温度、湿度和风速的时空分布均有随机脉动，这使声波在大气中传播的速度在小尺度范围内也产生时空脉动，因而声波波阵面产生随机性的畸变。随机性波阵面的相干效应，使一部分声波波能脱离原传播方向而向其他方向传播，造成声波在湍流大气中的散射。声波散射的散射强度和方向分布取决于大气湍流的强度和频谱特征。在满足局地均匀各向同性运动状态的尺度范围内，声波散射强度的方向分布Is(θs)具有如下形式： Is(θ折射率湍流脉动结构常数，C2v为风速湍流脉动结构常数，c为声速。由此可见，当θs=90°，即垂直于原传播方向的方向上，不存在声波散射，但在该方向附近区域，散射强度会产生急剧变化。当θs =180°，即后向散射方向，Is(180°)仅与C2n成正比，而与C2v无关。散射强度还正比于k1/3o，亦即声波频率的1/3次方。利用声波大气散射原理已成功地研制了声雷达，用以遥感边界层大气。

声波频散

不同频率的声波在大气中具有不同的传播速度，因而在大气中传播的（非单频）次声波会产生频散。同时大气特定的温度层结和风结构对各种频率和向各个方向传播的次声波具有选择作用，即只允许某些频率的次声波作远距离传播，其余频率的传播则受到强烈抑制。这就是大气选模作用。理论上用适当的流体力学方程组、大气层结模式和边界条件，已求得基本上符合实际的解。次声波的频散和大气选模作用，在探测人工和自然声源以及解释声信号特征方面，都是十分重要的。

应用

研究大气中声波传播规律，可为各类大气中的声学工程提供基础；还可用来探测大气结构和研究大气物理过程，特别是研究边界层结构、强对流的发生发展，以及上下层大气耦合过程等。这方向的研究正和大气重力波等各类波动过程的研究密切结合。

利用无线电—声波探测系统(RASS——Radio—AcousticSounding System)来测量大气温度这一概念现已在若干国家中得到开发．其原理涉及雷达波从上行声波所造成的周期性密度起伏上发生共振后向散射．面温度剖面就由雷达回波的DopPler频谱推断出来．这种测量所要求的最大高度在目前大约是20km．但RASS技术所允许的最终高度极限仍是未知的。

随着声定位技术的发展，现在已可由若干个接收站测得的数据定出自然声源或人为声源的位置，这在预报台风、地震以及侦察核爆炸、炮位中都有具体应用。随着数字式数据处理技术的迅速改进，这类应用将日臻完善和广泛。

大气中自然源发出的声波具有极宽的频谱，此外，在周期几分钟至几十分钟内，还存在一类空气压缩力和重力共同参与作用的声重力波。不过大部分自然声源主要产生大气次声波。由于发声过程的复杂性、测量技术和识别声源方面的困难，仅对雷声作过较多的频谱测量，其他发声过程的频谱尚只能估计。

雷是伴随闪电出现的大气发声现象。雷形成的机制，主要是强烈的闪电放电时，电流通过闪电通道而产生高温高压等离子体，造成一个向通道四周传播的激震波，这个高压激震波在很短距离内迅速衰减并退化为强的可闻声和次声。20世纪60年代以来对雷声声强谱密度的测量表明，雷声声强谱的峰值所在的频率为4～125赫，有的雷声声强谱峰处于次声波段，有的在可闻声波段。一次雷在不同时刻的声音，其瞬时声强谱也存在很大差异。雷声的复杂性也为研究雷雨云提供了一种信息来源。

不同频率的声波在大气中具有不同的传播速度，因而在大气中传播的(非单频)次声波会产生频散。同时大气特定的温度层结和风结构对各种频率和向各个方向传播的次声波具有选择作用，即只允许某些频率的次声波作远距离传播，其余频率的传播则受到强烈抑制，这就是大气选模作用。次声波的频散和大气选模作用，在探测人工和自然声源以及解释声信号特征方面，都是十分重要的。

研究大气中声波传播规律，可为各类大气中的声学工程提供基础；还可用来探测大气结构和研究大气物理过程，特别是研究边界层结构、强对流的发生发展，以及上下层大气耦合过程等。

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