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大氣聲學是研究大氣聲波的產生機制和各種聲源的聲波在大氣中傳播規律的分支,作為以聲學方法探測大氣的一種手段,也可看成是大氣物理的一個分支。

1簡介

聲在大氣中的折射是最早引起人們注意的聲學現象之一,對它的研究始於聲學的萌芽階段。為了澄清
瑞利1877年出版《聲學原理》

  瑞利1877年出版《聲學原理》

當時流傳的「英國的聽聞情況比義大利的好」這一說法,英國牧師德勒姆於1704年同義大利人間韋朗尼以實驗證明:在適當考慮風的影響之後,這兩國的聲傳播情況並沒有什麼差別。由此開創了大氣聲學領域。但是直到19世紀後半葉,大氣聲學才繼續得到發展。

2發展史

19世紀中葉以後,物理學家雷諾、斯托克斯和廷德耳等人分別對風、風梯度和溫度梯度的聲折射效
大氣遙感探測設備

  大氣遙感探測設備

應,以及大氣起伏對聲的散射進行了研究。瑞利在其1877年出版的巨著《聲學原理》中,對包括這些工作在內的聲學研究成果在理論上給予了全面的總結和提高。
20世紀初,在測量爆炸的可聞區時,發現了爆炸源周圍的聲音的「反常」傳播現象:在距強烈爆炸中心周圍數百千米的可聞區之內,存在一個寬達一百千米的環狀寂靜區;可聞區外,在離聲源200公里左右的距離上又出現了一個可聞區,稱為異常可聞區。
埃姆登隨後從理論上解釋了這種異常傳播現象,認為是由平流層逆溫和風結構所引起的聲波折射,為此,在20~30年代曾進行了爆炸聲波異常傳播的較大規模試驗,一方面驗證了異常傳播的理論,另一方面從探測結果推算平流層上部大氣的溫度和風。而對流星尾跡的觀察證明,在證明同溫層頂確實存在逆溫層。同時,從爆炸聲波異常傳播試驗中發現了次聲波,開始了大氣次聲波的研究。
從泰勒開始,逐步引進湍流理論來研究大氣的小尺度動力學結構,並以這種觀點重新研究聲散射;奧布霍夫將聲散射截面同端流動能譜密度聯繫起來,對大氣聲散射作出初步的定量解釋;伯格曼首先以相關函數研究了散射。以後的許多工作都圍繞著如何表達總散射截面的問題展開。
當對大氣進行聲探測時,不得不解決複雜的逆問題。20世紀50年代後期採用火箭攜帶榴彈在高空爆炸,在地面上測量其發出的聲波,獲取了80公里以下的大氣溫度和風廓線的分佈。到50年代末,建立了較完善的大氣聲波散射理論。
20世紀60年代末,在原有「聲雷達」基礎上大大改進了的回聲探測器對大氣物理的研究起了很大推動作用,導致了大氣聲學許多方面的進展,例如在聲傳播過程中相位和振幅起伏的研究,用次聲「透視」大尺度的大氣過程,高功率聲輻射天線附近的非線性效應,雜訊的問題,與多普勒效應有關的問題等等。

3聲波衰減

由於大氣對聲波的吸收和散射,入射聲波的強度在傳播方向上逐漸減弱。它和光波在大氣中衰減(見大氣消光)一樣,通常按指數律衰減。引起衰減的機製為:①空氣分子的經典吸收。這由空氣分子的粘性和熱傳導所造成。分子粘性使聲波傳播時所引起的空氣運動受到阻尼,聲能用於克服摩擦力而轉變為熱能。粘性越大,振動越快(聲頻越高),聲波的衰減越大。聲波在空氣中傳播時,引起空氣微粒的機械振動,使氣
大氣聲學

  大氣聲學

體介質不斷發生疏密變化。氣體密(壓縮)時要增溫,疏(膨脹)時要降溫,由此各部分之間形成了溫差。由於空氣的熱傳導,熱量將從高溫處向低溫處輸送,這些能量不能再還原為聲波機械振動,從而造成聲波衰減。②空氣分子的吸收。聲波傳播造成分子轉動和振動的能量變化,當這些能量重新轉換為聲能時,出現了時間張弛,使部分聲能損耗而轉化為熱能。經典吸收和轉動吸收都和聲波頻率f的平方成正比,聲波衰減係數αPo為準大氣壓(1013.25百帕),P為實際氣壓(百帕),To為293K,T為實際氣溫(K)。當P=Po,T=To時,衰減係數α約為1.6×10-7f2分貝/公里。在分子振動能級引起的衰減中,被激發的氧和氮的振動能由於和水汽分子的振動能級相近,產生了能量轉移,最後被激發的水汽分子產生紅外輻射而消耗了聲能。因此分子振動衰減同聲波頻率和大氣中水汽含量均有關係。對相對濕度不同的大氣,聲波的衰減係數隨聲波吸收頻率變化的曲線而不同,但都出現明顯的峰值。並且峰值都位於相對濕度低的區域(<30%),峰值衰減係數較經典吸收大1~2個量級。③散射衰減。由於大氣溫度和風速的小尺度不均勻性,使部分聲波能離開原傳播方向而散射,引起原傳播方向聲波的衰減。衰減量與大氣湍流狀態密切相關。強湍流時的聲波衰減和分子振動衰減同量級。頻率越高,聲波散射越強,衰減也越大。④雲霧衰減。實測表明,雲霧對低頻聲波和次聲波衰減的作用較強,這類聲波導致了雲霧滴和空氣中的水汽之間較強的熱量和動量交換,以及質量轉移和潛熱釋放。對一般可聞聲頻段,雲並不引起額外的衰減。總體而言,可聞聲在大氣中衰減很大,傳播距離不超過幾十公里,而次聲波衰減很小,可傳播數千公里。

4聲波折射

由於大氣中的溫度、濕度和氣壓的分佈不均勻,大氣中各高度的聲速逐漸變化,使聲波的傳播方向改變,即聲射線的彎曲。它和光波折射一樣,服從折射定律。大氣中的聲速其中T、e、p分別為溫度(K)、水汽壓和大氣壓(百帕)。由此可得:若鉛直方向存在每公里0.1K 的逆溫分佈,則可引起原來在水平方向傳播的聲波形成與地球有相同曲率的彎曲聲射線。因此,聲波在實際大氣中傳播時路徑總有較大的彎曲。當溫度沿鉛直方向遞減時,聲射線向上彎曲;反之,當溫度沿鉛直方向遞增時,聲射線向下彎曲。近地面層大氣中水汽分佈的不同,也對聲波折射產生一定的影響。由於實際大氣中對流層溫度鉛直遞減,平流層上部溫度逆增,因此空中爆炸聲通過低層大氣的直接傳播,只能在幾十公里區域內可聞,在此以遠則不可聞,然而,向上傳播的那部分聲波,到達平流層后逐步向下彎曲,在一定遠處傳播到地面,形成了一個遠處的異常可聞區。這種現象是聲波折射的一個特例。除了由於溫度和水汽分佈不均勻造成的折射效應外,由於風的作用,實際聲射線方向將是聲速和風速的矢量和,由此引起進一步的射線彎曲,並使順風和逆風傳播時聲波產生不同的彎曲(圖3)。這就造成地面各方向上異常可聞區邊界相對於聲源的不對稱性。在建立起大氣溫度和風廓線分佈與聲射線彎曲定量關係的基礎上,利用多點對聲波的測量,可以求得溫度和風的鉛直分佈。在一定的大氣層結(見大氣靜力穩定度)條件下,可能出現一層大氣,使相當部分聲波集中於該層中傳播而較少散逸,稱為聲波導。波導層可能出現在近地大氣中,也可能出現在某高度上。

5聲波散射

由於大氣經常處於湍流運動狀態,其溫度、濕度和風速的時空分佈均有隨機脈動,這使聲波在大氣中傳播的速度在小尺度範圍內也產生時空脈動,因而聲波波陣面產生隨機性的畸變。隨機性波陣面的相干效應,使一部分聲波波能脫離原傳播方向而向其他方向傳播,造成聲波在湍流大氣中的散射。聲波散射的散射強度和方向分佈取決於大氣湍流的強度和頻譜特徵。在滿足局地均勻各向同性運動狀態的尺度範圍內,聲波散射強度的方向分佈Is(θs)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為散射角,ko波數,C2n為由溫度和濕度脈動引起的聲波折射率湍流脈動結構常數,C2v為風速湍流脈動結構常數,c為聲速。由此可見,當θs=90°,即垂直於原傳播方向的方向上,不存在聲波散射,但在該方向附近區域,散射強度會產生急劇變化。當θs=180°,即後向散射方向,Is(180°)僅與C2n成正比,而與C2v無關。散射強度還正比於k1/3o,亦即聲波頻率的1/3次方。利用聲波大氣散射原理已成功地研製了聲雷達,用以遙感邊界層大氣。

6大氣聲學的內容

大氣中存在著的各種各樣的聲音,不過可以籠統的分成自然的和人為的兩大類。前者主要來源於一系
傳播,亦稱為能量頻散

  傳播,亦稱為能量頻散

列氣象現象和其他地球物理現象,如颶風(颱風)、海浪、地震、極光、磁暴等。它們不僅產生可聽聲而且更產生次聲;風的呼嘯是由於大氣渦旋通過各種障礙物時被破壞而產生的。其他一些常見的自然聲則大多來自空氣流中某些物體的振動,如電線的嗡嗡聲、樹葉的沙沙聲等。
人為的聲音中主要是工業和交通工具的雜訊,特別是超音速噴氣機飛行時產生的衝擊波傳播問題,日益引起人們的注意。如果大氣條件有利於這種波的聚焦,那麼地面上的建築物和人的健康就會受到危害。
隨著聲定位技術的發展,現在已可由若干個接收站測得的數據定出自然聲源或人為聲源的位置,這在預報颱風、地震以及偵察核爆炸、炮位中都有具體應用。隨著數字式數據處理技術的迅速改進,這類應用將日臻完善和廣泛。
大氣中自然源發出的聲波具有極寬的頻譜,此外,在周期幾分鐘至幾十分鐘內,還存在一類空氣壓縮力和重力共同參與作用的聲重力波。不過大部分自然聲源主要產生大氣次聲波。由於發聲過程的複雜性、測量技術和識別聲源方面的困難,僅對雷聲作過較多的頻譜測量,其他發聲過程的頻譜尚只能估計。
雷是伴隨閃電出現的大氣發聲現象。雷形成的機制,主要是強烈的閃電放電時,電流通過閃電通道而產生高溫高壓等離子體,造成一個向通道四周傳播的激震波,這個高壓激震波在很短距離內迅速衰減並退化為強的可聞聲和次聲。
大氣聲學

  大氣聲學

由於閃電放電的複雜性,不同閃電的雷聲在時間變化和強度等方面也有很大差異,大體可分為炸雷(持續時間1秒左右的強烈雷聲脈衝)、悶雷(重複數次的隆隆聲脈衝)和拉磨雷(持續較長時間的低沉聲響)三種。
20世紀60年代以來對雷聲聲強譜密度的測量表明,雷聲聲強譜的峰值所在的頻率為4~125赫,有的雷聲聲強譜峰處於次聲波段,有的在可聞聲波段。一次雷在不同時刻的聲音,其瞬時聲強譜也存在很大差異。雷聲的複雜性也為研究雷雨雲提供了一種信息來源。
從聲學觀點來看,大氣是一種運動著的不均勻媒質,大氣聲學的重大課題都與聲在大氣中傳播時所發生的現象相關聯。大氣的密度和溫度隨高度而降低,而溫度在某些高度重新增長。在這種規則的不均勻性上,疊加著溫度和風隨氣象條件的變化以及不同尺度的隨機湍流脈動。所有這些不均勻性都對聲傳播產生強烈影響:無湍流大氣的分層不均勻性使聲音產生折射;湍流不均勻性引起聲音的散射和減弱。
不同頻率的聲波在大氣中具有不同的傳播速度,因而在大氣中傳播的(非單頻)次聲波會產生頻散。同時大氣特定的溫度層結和風結構對各種頻率和向各個方向傳播的次聲波具有選擇作用,即只允許某些頻率的次聲波作遠距離傳播,其餘頻率的傳播則受到強烈抑制,這就是大氣選模作用。次聲波的頻散和大氣選模作用,在探測人工和自然聲源以及解釋聲信號特徵方面,都是十分重要的。
研究大氣中聲波傳播規律,可為各類大氣中的聲學工程提供基礎;還可用來探測大氣結構和研究大氣物理過程,特別是研究邊界層結構、強對流的發生髮展,以及上下層大氣耦合過程等。

7大氣聲波頻散

不同頻率的聲波在大氣中具有不同的傳播速度,因而在大氣中傳播的(非單頻)次聲波會產生頻散。同時大氣特定的溫度層結和風結構對各種頻率和向各個方向傳播的次聲波具有選擇作用,即只允許某些頻率的次聲波作遠距離傳播,其餘頻率的傳播則受到強烈抑制。這就是大氣選模作用。理論上用適當的流體力學方程組、大氣層結模式和邊界條件,已求得基本上符合實際的解。次聲波的頻散和大氣選模作用,在探測人工和自然聲源以及解釋聲信號特徵方面,都是十分重要的。

8應用

研究大氣中聲波傳播規律,可為各類大氣中的聲學工程提供基礎;還可用來探測大氣結構和研究大氣物理過程,特別是研究邊界層結構、強對流的發生髮展,以及上下層大氣耦合過程等。這方向的研究正和大氣重力波等各類波動過程的研究密切結合。

9其它大氣科學分支學科

大氣科學、氣候學、物候學、古氣候學、年輪氣候學、大氣化學、動力氣象學、大氣物理學、大氣邊界層物理、雲和降水物理學、雲和降水微物理學、雲動力學、雷達氣象學、無線電氣象學、大氣輻射學、大氣光學、大氣電學、平流層大氣物理學、大氣聲學、天氣學、熱帶氣象學、極地氣象學、衛星氣象學、生物氣象學、農業氣象學、森林氣象學、醫療氣象學、水文氣象學、建築氣象學、航海氣象學、航空氣象學、軍事氣象學、空氣污染氣象學

10其它聲學分支學科

次聲學、超聲學、電聲學、大氣聲學、音樂聲學、語言聲學、建築聲學、生理聲學、生物聲學、水聲學
其它物理學分支學科
物理學概覽、力學、熱學、光學、聲學、電磁學、核物理學、固體物理學

11物理學

力學
靜力學 | 動力學 | 流體力學 | 分析力學 | 運動學 | 固體力學 | 材料力學 | 複合材料力學 | 流變學 | 結構力學 | 彈性力學 | 塑性力學 | 爆炸力學 | 磁流體力學 | 空氣動力學 | 理性力學 | 物理力學 | 天體力學 | 生物力學 | 計算力學
熱學
熱力學
光學
幾何光學 | 波動光學 | 大氣光學 | 海洋光學 | 量子光學 | 光譜學 | 生理光學 | 電子光學 | 集成光學 | 空間光學
聲學
次聲學 | 超聲學 | 電聲學 | 大氣聲學 | 音樂聲學 | 語言聲學 | 建築聲學 | 生理聲學 | 生物聲學 | 水聲學
電磁學
磁學 | 電學 | 電動力學
量子物理學
量子力學 | 核物理學 | 高能物理學 | 原子物理學 | 分子物理學
固體物理學
高壓物理學 | 金屬物理學 | 表面物理學

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