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大气声学

来源:大科普网 | 时间:2013-06-16 | 关注度:197

大气声学是研究起源于大气的声波的产生机制和各种声源的声波在大气中的传播规律的学科,作为以声学方法探测大气的一种手段,是大气物理学的一个分支。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。
 

大气声学 - 简史

 

大气声学瑞利1877年出版《声学原理》

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。

 

大气声学 - 声波

 

 

大气声学大气遥感探测设备

声源 
大气中的声源包括人工声源和自然声源两类。人工声源包括人工爆炸声和飞行器发出的声音等。自然声源包括非纯粹大气发声和纯粹大气发声两种,前者包括流星穿入大气、海浪和地震激发起的大气声波,以及风和地表障碍物的摩擦发声等,后者包括强风暴系统中大气运动引起的湍流发声和对流发声、雷声以及极光发声等。大气中自然源发出的声波具有极宽的频谱,其高频端达102~103赫(雷声频谱的高频端),低频端周期达几分钟。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,习惯上称为大气次声波。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。

 

雷声  
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。对闪电次声波产生机制的解释,还有一种理论,认为闪电过程中数十库电量突然被中和,使原有荷电云内的电应力突然释放,由此造成荷电云的突然压缩,这个压缩波会形成频率十分之几赫至几赫的次声波。还缺乏适当的实际测量来判断两种机制各自的重要性。由于闪电放电的复杂性,不同闪电的雷声在时间变化和强度等方面也有很大差异,大体可分为炸雷(clap,持续时间1秒左右的强烈雷声脉冲)、闷雷(peal,重复数次的隆隆声脉冲)和拉磨雷(rumble,持续较长时间的低沉声响)三种。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。

大气声学 - 内容

 

大气声学传播,亦称为能量频散

声波在大气中传播时同大气相互作用而产生的各种声波传播效应,主要包括衰减、吸收、散射、折射和频散等。

 

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 的经验公式为

大气声学

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=PoT =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。大气中的声速大气声学,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(见大气静力稳定度)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Iss)具有如下形式: Is(θ<s)=1.52k/1/3ocos2θs【0.13C2n+cos2(θs/2)C2v(4c2)】【2sin(θs/2)】-11/3 上式中θs为散射角,ko波数,C2n为由温度和湿度脉动引起的声波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。

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。 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。

大气声学 - 应用

 

大气声学 - 相关学科

次声学、超声学、电声学、音乐声学、语言声学、建筑声学、生理声学、生物声学、水声学、物理学、力学、热学、光学、声学、电磁学、核物理学、固体物理学、大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大气电学、平流层大气物理学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气象学、森林气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学。