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次聲學是研究次聲波在媒質中的產生、傳播和接收及其效應和應用的科學。次聲是頻率低於可聽聲頻率範圍的聲。它的頻率範圍大致為10-4~20Hz。利用接收到的被測聲源所輻射出的次聲波,探測它的位置、大小和其他特性,次聲在大氣中傳播時,很容易受到大氣媒質的影響,它與大氣中風和溫度分佈等有密切的聯繫。聲重力波在大氣中傳播時,在理論上可以看作是一些簡正波的疊加。

次聲學核武器的發展對次聲學的建立起了很大的推動作用
次聲學是研究次聲波在媒質中的產生、傳播和接收及其效應和應用的科學。次聲是頻率低於可聽聲頻率範圍的聲。它的頻率範圍大致為10~20Hz。利用接收到的被測聲源所輻射出的次聲波,探測它的位置、大小和其他特性,次聲在大氣中傳播時,很容易受到大氣媒質的影響,它與大氣中風和溫度分佈等有密切的聯繫。聲重力波在大氣中傳播時,在理論上可以看作是一些簡正波的疊加。

1 次聲學 -發展簡史

次聲學炸藥的出現,提供了較大的聲源
早在19世紀,就已記錄到了自然界中一些偶發事件(如大火山爆發或流星爆炸)所產生的次聲波。其中最著名是1883年8月27日印度尼西亞的喀拉喀托火山突然爆發,它產生的次聲波傳播了十幾萬千米,當時用簡單微氣壓計曾記錄到它。在理論方面,最早在1890年瑞利研究了大氣振蕩現象。

第一次世界大戰前後,火炮和高能炸藥的出現,提供了較大的聲源,促進了對次聲在大氣中傳播現象的了解。在20世紀20年代還進行了高層大氣的溫度和風對次聲傳播影響的研究,並建立了探測高層大氣的簡單聲學方法,為此還研製了靈敏度更高的微氣壓計、熱線式次聲傳聲器。30年代發展了電容次聲傳聲器。40年代后,利用聲波在大氣中的傳播速度與溫度的均方根成正比關係的原理,提出了火箭-榴彈次聲法測定高層大氣溫度和風速的方法,發展了次聲接收和定位的新技術。

核武器的發展對次聲學的建立起了很大的推動作用。使得次聲接收、抗干擾方法、定位技術、信號處理和次聲傳播等方面都有了很大發展。核爆炸形成強大次聲源,它產生的次聲波在大氣中可以傳播得非常遠。次聲方法曾成為探測大氣中核爆炸的主要方法之一。為此建立了許多次聲觀察站,進行了長時期連續記錄和觀察,人們還發現了大氣中存在許多自然次聲源,對它們的發聲機制和特性有了初步的了解。現在知道的次聲源有:火山爆發、墜入大氣的流星、極光、電離層擾動、地震、晴空湍流、海嘯、颱風、雷暴、龍捲風、雷電等。認識並利用次聲方法來預測它們的活動規律,已成為近代次聲學研究的重要課題。

長周期的次聲波在電離層中傳播,使電離層受到攏動,這種以聲重力波方式傳播的次聲波成為高空大氣研究中非常活躍的課題之一。

2 次聲學 -基本內容

次聲在大氣中傳播,次聲在大氣中傳播具有衰減小,並受波導和重力影響等特點。 聲在大氣中傳播的衰減主要是由分子吸收、熱傳導、和粘滯效應引起的,相應的吸收係數與頻率的二次方成正比,但在次聲頻,因頻率很低,吸收係數很小。此外,湍流的作用也會引起次聲波的衰減。但是它們的影響都很小,通常可略去不計(見聲吸收)。

次聲學圖1大氣溫度隨高度的分佈

大氣溫度密度和風速隨高度具有不均勻分佈的特性,使得次聲在大氣中傳播時出現「影區」、聚焦和波導等現象。圖1左邊給出大氣溫度隨高度的分佈(縱坐標是高度,橫坐標是溫度),由圖可以看到,當高度增加時,氣溫逐漸降低,在20km左右出現一個極小值;之後, 又開始隨高度的增加,氣溫上升,在50km左右氣溫再次降低,在80km左右形成第二個極小值;然後復又升高。大氣次聲波導現象與這種溫度分佈有密切關係。聲波主要沿著溫度極小值所形成的通道(稱為聲道)傳播。通常將20km高度極小值附近的大氣層稱為大氣下聲道,高度80km附近的大氣層稱為大氣上聲道。次聲波在大氣中傳播時,可以同時受到兩個聲道作用的影響。

在距離聲源100~200km處,次聲信號很弱,通常將這樣的區域稱為影區。在某種大氣溫度分佈條件下,經過聲道傳輸次聲波聚集在某一區域,這一區域稱它為聚焦區。

風也會對次聲在大氣中的傳播產生很大的影響。圖1右邊為風速隨高度的分佈(縱坐標是高度,橫坐標是風速),中間部分為次聲在大氣中傳播的聲線圖。從圖中可以看到,順風和逆風時差別很大:右邊表示順風情況,聲線較集中於低層大氣;在左邊表示的逆風情況下,產生較大的影區。 不同頻率的次聲在大氣聲道中傳播速度不相同,產生頻散現象,這使得在不同地點測得次聲波的波形各不相同。

3 次聲學 -聲重力波

次聲學聲重力波在大氣中傳播群速度關係

大氣的密度隨高度增加而遞減,如果次聲波的波長很大,例如有幾十千米長,這時,在一個波長的範圍內,大氣密度已經產生顯著的變化了。當大氣媒質在聲波的作用下受到壓縮時,它的重心較周圍媒質提高,這時除了彈性恢復力作用外,它還受重力的作用。反之,當它在聲波作用下膨脹時,也有附加重力作用使它恢復到平衡狀態。所以長周期的次聲波,除了彈性力作用外,還附加有重力的作用,這種情況下,次聲波通常稱為聲重力波。

聲重力波在大氣中傳播時,在理論上可以看作是一些簡正波的疊加。基本上可分為聲分支和重力分支。它們在大氣中傳播都具有頻散現象。圖2給出聲重力波在大氣中傳播群速度關係,圖中So、S1、S2、S3和S4表示聲分支各階簡正波。GRo和GR1表示重力分支的各階簡正波。由於重力分支主要能量在地面附近傳播。相應地面附近溫度較高,因此傳播速度較大。

4 次聲學 -次聲測量

次聲學領先的全程線性迴音消除技術
次聲測量包括次聲接收、記錄、探測和分析等。

 

次聲接收

包括信號的接收和抗干擾。信號接收主要用次聲傳聲器,將次聲信號的聲能轉換為可供放大和傳輸式記錄的電信號。使用的次聲傳聲器有電容式、動圈式、駐極體式和熱線式等。由於大氣中存在著許多干擾,所以次聲接收中還要解決抗干擾的問題,也就是提高信噪比,常用手段有預濾波、長管次聲陣和其他次聲陣等。 次聲記錄的古老方法是把接收到的次聲信號記錄在感光紙或熏煙紙上,隨著電子技術的發展,電子筆繪記錄器、模擬磁帶記錄器、數字化磁帶記錄器和微計算機控制數據採集記錄器已逐漸被普遍使用。

次聲探測

包括識別次聲信號、測定次聲波的方位角和測定次聲源的位置等。次聲信號的提取和識別通常用濾波和多路相關技術實現;利用各種類型次聲陣可測定次聲波到達的方向;用多個次聲陣即可交會測定出次聲源的位置。

次聲分析

主要是測定次聲信號的特性。在時間域對波列進行各種統計分析和相關分析、在頻率域進行頻譜分析或功率譜分析。在空間域用速度濾波方法,進行速度特性分析。為了得到頻譜隨時間變化的特性,則需要同時在時間域或頻率域進行動態譜分析。

5 次聲學 -應用

次聲學儀器

早在第二次世界大戰前,次聲方法已應用於探測火炮的位置,可是直到50年代,它在其他方面的應用問題才開始被人們注意,它的應用前景是很廣闊的,大致可分為下列幾個方面:

①通過研究自然現象產生的次聲波的特性和產生機制,更深入地認識這些現象的特性和規律。例如人們利用測定極光產生次聲波的特性來研究極光活動的規律等。

②利用接收到的被測聲源所輻射出的次聲波,探測它的位置、大小和其他特性。例如通過接收核爆炸、火箭發射火炮或颱風所產生的次聲波去探測這些次聲源的有關參量。

③預測自然災害性事件,許多災害性現象如火山噴發、龍捲風和雷暴等在發生前可能會輻射出次聲波,因此有可能利用這些前兆現象預測災害事件。

④次聲在大氣中傳播時, 很容易受到大氣媒質的影響, 它與大氣中風和溫度分佈等有密切的聯繫。因此可以通過測定自然或人工產生的次聲波在大氣中傳播特性的測定,可以探測某些大規模氣象的性質和規律。這種方法的優點在於可以對大範圍大氣進行連續不斷的探測和監視。

⑤通過測定次聲波與大氣中其他波動的相互作用的結果,探測這些活動特性。例如在電離層中次聲波的作用使電波傳播受到行進性干擾。可以通過測定次聲波的特性,更進一步揭示電離層擾動的規律。同樣,通過測定聲波與重力波或其他波動的作用,可以研究這些波動的活動規律。

⑥人和其他生物不僅能夠對次聲產生某種反應,而且他(它)們的某些器官也會發出微弱的次聲,因此可以利用測定這些次聲波的特性來了解人體或其他生物相應器官的活動情況。

6 次聲學 -相關學科

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、物理學、力學、熱學、光學、電磁學、核物理學、固體物理學。

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