次声学

学科名称

次声学是研究次声波在媒质中的产生、传播和接收及其效应和应用的科学。次声是频率低于可听声频率范围的声。它的频率范围大致为10-4～20Hz。利用接收到的被测声源所辐射出的次声波，探测它的位置、大小和其他特性，次声在大气中传播时，很容易受到大气媒质的影响，它与大气中风和温度分布等有密切的联系。声重力波在大气中传播时，在理论上可以看作是一些简正波的叠加。

发展简史

早在19世纪，就已记录到了自然界中一些偶发事件(如大火山爆发或流星爆炸)所产生的次声波。其中最著名是1883年8月27日印度尼西亚的喀拉喀托火山突然爆发，它产生的次声波传播了十几万千米，当时用简单微气压计曾记录到它。在理论方面，最早在1890年瑞利研究了大气振荡现象。第一次世界大战前后，火炮和高能炸药的出现，提供了较大的声源，促进了对次声在大气中传播现象的了解。在20世纪20年代还进行了高层大气的温度和风对次声传播影响的研究，并建立了探测高层大气的简单声学方法，为此还研制了灵敏度更高的微气压计、热线式次声传声器。30年代发展了电容次声传声器。40年代后，利用声波在大气中的传播速度与温度的均方根成正比关系的原理，提出了火箭-榴弹次声法测定高层大气温度和风速的方法，发展了次声接收和定位的新技术。

核武器的发展对次声学的建立起了很大的推动作用。使得次声接收、抗干扰方法、定位技术、信号处理和次声传播等方面都有了很大发展。核爆炸形成强大次声源，它产生的次声波在大气中可以传播得非常远。次声方法曾成为探测大气中核爆炸的主要方法之一。为此建立了许多次声观察站，进行了长时期连续记录和观察，人们还发现了大气中存在许多自然次声源，对它们的发声机制和特性有了初步的了解。现在知道的次声源有：火山爆发、坠入大气的流星、极光、电离层扰动、地震、晴空湍流、海啸、台风、雷暴、龙卷风、雷电等。认识并利用次声方法来预测它们的活动规律，已成为近代次声学研究的重要课题。

长周期的次声波在电离层中传播，使电离层受到拢动，这种以声重力波方式传播的次声波成为高空大气研究中非常活跃的课题之一。

基本内容

次声在大气中传播，次声在大气中传播具有衰减小，并受波导和重力影响等特点。声在大气中传播的衰减主要是由分子吸收、热传导、和粘滞效应引起的，相应的吸收系数与频率的二次方成正比，但在次声频，因频率很低，吸收系数很小。此外，湍流的作用也会引起次声波的衰减。但是它们的影响都很小，通常可略去不计（见声吸收）。

大气温度密度和风速随高度具有不均匀分布的特性，使得次声在大气中传播时出现“影区”、聚焦和波导等现象。图1左边给出大气温度随高度的分布（纵坐标是高度，横坐标是温度），由图1可以看到，当高度增加时，气温逐渐降低，在20km左右出现一个极小值；之后，又开始随高度的增加，气温上升，在50km左右气温再次降低，在80km左右形成第二个极小值；然后复又升高。大气次声波导现象与这种温度分布有密切关系。声波主要沿着温度极小值所形成的通道（称为声道）传播。通常将20km高度极小值附近的大气层称为大气下声道，高度80km附近的大气层称为大气上声道。次声波在大气中传播时，可以同时受到两个声道作用的影响。

在距离声源100～200km处，次声信号很弱，通常将这样的区域称为影区。在某种大气温度分布条件下，经过声道传输次声波聚集在某一区域，这一区域称它为聚焦区。

风也会对次声在大气中的传播产生很大的影响。图1右边为风速随高度的分布（纵坐标是高度，横坐标是风速），中间部分为次声在大气中传播的声线图。从图1中可以看到，顺风和逆风时差别很大：右边表示顺风情况，声线较集中于低层大气；在左边表示的逆风情况下，产生较大的影区。不同频率的次声在大气声道中传播速度不相同，产生频散现象，这使得在不同地点测得次声波的波形各不相同。

声重力波

大气的密度随高度增加而递减，如果次声波的波长很大，例如有几十千米长，这时，在一个波长的范围内，大气密度已经产生显著的变化了。当大气媒质在声波的作用下受到压缩时，它的重心较周围媒质提高，这时除了弹性恢复力作用外，它还受重力的作用。反之，当它在声波作用下膨胀时，也有附加重力作用使它恢复到平衡状态。所以长周期的次声波，除了弹性力作用外，还附加有重力的作用，这种情况下，次声波通常称为声重力波。

声重力波在大气中传播时，在理论上可以看作是一些简正波的叠加。基本上可分为声分支和重力分支。它们在大气中传播都具有频散现象。图2给出声重力波在大气中传播群速度关系，图2中So、S1、S2、S3和S4表示声分支各阶简正波。GRo和GR1表示重力分支的各阶简正波。由于重力分支主要能量在地面附近传播。相应地面附近温度较高，因此传播速度较大。

次声测量

次声测量包括次声接收、记录、探测和分析等。

次声接收

包括信号的接收和抗干扰。信号接收主要用次声传声器，将次声信号的声能转换为可供放大和传输式记录的电信号。使用的次声传声器有电容式、动圈式、驻极体式和热线式等。由于大气中存在着许多干扰，所以次声接收中还要解决抗干扰的问题，也就是提高信噪比，常用手段有预滤波、长管次声阵和其他次声阵等。次声记录的古老方法是把接收到的次声信号记录在感光纸或熏烟纸上，随着电子技术的发展，电子笔绘记录器、模拟磁带记录器、数字化磁带记录器和微计算机控制数据采集记录器已逐渐被普遍使用。

次声探测

包括识别次声信号、测定次声波的方位角和测定次声源的位置等。次声信号的提取和识别通常用滤波和多路相关技术实现；利用各种类型次声阵可测定次声波到达的方向；用多个次声阵即可交会测定出次声源的位置。

次声分析

主要是测定次声信号的特性。在时间域对波列进行各种统计分析和相关分析、在频率域进行频谱分析或功率谱分析。在空间域用速度滤波方法，进行速度特性分析。为了得到频谱随时间变化的特性，则需要同时在时间域或频率域进行动态谱分析。

应用

早在第二次世界大战前，次声方法已应用于探测火炮的位置，可是直到50年代，它在其他方面的应用问题才开始被人们注意，它的应用前景是很广阔的，大致可分为下列几个方面：

①通过研究自然现象产生的次声波的特性和产生机制，更深入地认识这些现象的特性和规律。例如人们利用测定极光产生次声波的特性来研究极光活动的规律等。

②利用接收到的被测声源所辐射出的次声波，探测它的位置、大小和其他特性。例如通过接收核爆炸、火箭发射火炮或台风所产生的次声波去探测这些次声源的有关参量。

③预测自然灾害性事件，许多灾害性现象如火山喷发、龙卷风和雷暴等在发生前可能会辐射出次声波，因此有可能利用这些前兆现象预测灾害事件。

④次声在大气中传播时，很容易受到大气媒质的影响，它与大气中风和温度分布等有密切的联系。因此可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中传播特性的测定，可以探测某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。

⑤通过测定次声波与大气中其他波动的相互作用的结果，探测这些活动特性。例如在电离层中次声波的作用使电波传播受到行进性干扰。可以通过测定次声波的特性，更进一步揭示电离层扰动的规律。同样，通过测定声波与重力波或其他波动的作用，可以研究这些波动的活动规律。

⑥人和其他生物不仅能够对次声产生某种反应，而且他（它）们的某些器官也会发出微弱的次声，因此可以利用测定这些次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况。