大氣聲學（atmospheric sound）是研究大氣聲波(包括可聞聲、次聲、超聲)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學的一個分支。大氣聲學的研究內容主要包括：聲波衰減和異常傳播現象、聲波反射、折射與衍射等。
基本介紹
- 中文名：大氣聲學
- 外文名：atmospheric sound
- 研究內容：聲波衰減和傳播、聲波反射、折射
簡介,背景知識,發展簡史,特徵,研究內容,聲波衰減,聲波折射,聲波散射,聲波頻散,套用,
簡介
大氣聲學是研究聲音在實際大氣中發生和傳播的聲學分支，以聲學方法作為探測大氣的一種手段，它也可以看成是大氣物理學的一個分支.研究表明.大氣中的各種聲波可分為自然的和人為的兩大類:前者主要來源於一系列氣象現象和其他地球物理現象，如颱風、地震等.這些現象主要產生次聲波，其他常見的自然可聽聲則大多來自空氣流中某些物體的振動.人為的聲音主要是工業和交通噪聲等。
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。
背景知識
在人類賴以生存的地球大氣中，充斥著各種各樣的聲波，次聲，可聽聲、超聲。次聲波—“聲重力波”“內重力波”“行星波”“大氣潮”超音波因其在空氣中的強烈衰減而只能傳播很短距離。
大氣中產生聲波的源地稱聲源，分為人工聲源與自然聲源。人們說話或開動機器、觸發爆炸等產生的聲波即為人工聲源，而自然界的地震、閃電、海浪等發出聲波則是自然聲源。後者主要來源於一系列氣象現象和其他地球物理現象，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。聲波分為可聞聲波、次聲與超音波。人耳是靈敏的聲波接收器，但由於大氣中的聲波頻率範圍很寬廣，正常人的耳朵大約能夠聽到頻率為16—20000赫茲的聲波，這個頻段的聲波稱可聞聲波。低於16赫茲的聲波稱次聲，例如地震、強風暴、飛行火箭等可發出次聲，海水中的水母能接收次聲波。高於20000赫茲的聲波稱超音波例如超聲探測儀、醫療儀可產生超音波，蝙蝠、獵狗、貓等能聽到某些超音波。
1、人工聲源：
（1）高空爆炸：20世紀50年代：從B-29飛機上擲下1800KG的炸彈，在225-450KM以外用環形陣傳聲器來記錄聲音，推斷平流層的溫度和風。
（2）核爆炸：為了對遠方大氣核爆炸試驗的檢測、定位和當量估算，推動了大氣中低頻聲波和聲重力波的長距離傳輸研究。太空梭爆炸，火箭發射，超音速飛機等。
2、自然聲源
（1）颱風、海浪、山背波、風暴潮、雷聲、大風、冰雹、連綿雨。
（2）火山噴發、地震、極光、隕石墜落、日蝕。
山背波：在一定的氣流和一定的山形走向條件下所產生的一種山區特有的次聲波，其典型周期約為40秒，振幅近0.5Pa。當空氣足夠飽和產生雲時，肉眼可以看到非常壯觀而獨特的雲相，它是造成猛烈晴空湍流的重要原因。飛機的晴空顛簸就是它造成的。
風暴潮：猛烈對流性風暴所產生的次聲強度很大，周期約12秒至2分鐘，可以在數百米到1千公里以外被檢測到。
人為的聲音中主要是工業和交通工具的噪聲，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，那么地面上的建築物和人的健康就會受到危害。
發展簡史
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。
瑞利1877年出版《聲學原理》
瑞利1877年出版《聲學原理》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。
大氣遙感探測設備
大氣遙感探測設備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式研究了散射。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布。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，噪聲的問題，與都卜勒效應有關的問題等等。
特徵
聲波是指由空氣的可壓縮性產生的振動在空氣中的傳播。
大氣聲學的特性：聲速與溫度成正變關係，有效聲速是聲速與風速的矢量和。近年來，利用折射的新途徑，對聲波傳播時相位和振幅起伏的研究，藉助次聲對大尺度過程作深入了解。
研究內容
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。引起衰減的機制為：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α ，Po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。
大氣聲學
大氣聲學聲波折射
由於大氣中的溫度、濕度和氣壓的分布不均勻，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 的逆溫分布，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布的不同，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，到達平流層後逐步向下彎曲，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布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布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布。在一定的大氣層結條件下，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。
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布均有隨機脈動，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布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布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)]，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。
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。
套用
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。
利用無線電—聲波探測系統(RASS——Radio—AcousticSounding System)來測量大氣溫度這一概念現已在若干國家中得到開發．其原理涉及雷達波從上行聲波所造成的周期性密度起伏上發生共振後向散射．面溫度剖面就由雷達回波的DopPler頻譜推斷出來．這種測量所要求的最大高度在目前大約是20km．但RASS技術所允許的最終高度極限仍是未知的。
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電漿，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。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。
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。
