大氣聲學(xué)簡(jiǎn)史

　　大氣聲學(xué)是研究大氣聲波的產(chǎn)生機(jī)制和各種聲源的聲波在大氣中傳播規(guī)律的分支，作為以聲學(xué)方法探測(cè)大氣的一種手段，也可看成是大氣物理的一個(gè)分支。
　　聲在大氣中的折射是最早引起人們注意的聲學(xué)現(xiàn)象之一，對(duì)它的研究始于聲學(xué)的萌芽階段。為了澄清當(dāng)時(shí)流傳的“英國(guó)的聽(tīng)聞情況比意大利的好”這一說(shuō)法，英國(guó)牧師德勒姆于1704年同意大利人間韋朗尼以實(shí)驗(yàn)證明：在適當(dāng)考慮風(fēng)的影響之后，這兩國(guó)的聲傳播情況并沒(méi)有什么差別。由此開(kāi)創(chuàng)了大氣聲學(xué)領(lǐng)域。但是直到19世紀(jì)后半葉，大氣聲學(xué)才繼續(xù)得到發(fā)展。
　　19世紀(jì)中葉以后，物理學(xué)家雷諾、斯托克斯和廷德耳等人分別對(duì)風(fēng)、風(fēng)梯度和溫度梯度的聲折射效應(yīng)，以及大氣起伏對(duì)聲的散射進(jìn)行了研究。瑞利在其1877年出版的巨著《聲學(xué)原理》中，對(duì)包括這些工作在內(nèi)的聲學(xué)研究成果在理論上給予了全面的總結(jié)和提高。
　　20世紀(jì)初，在測(cè)量爆炸的可聞區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了爆炸源周圍的聲音的“反常”傳播現(xiàn)象：在距強(qiáng)烈爆炸中心周圍數(shù)百千米的可聞區(qū)之內(nèi)，存在一個(gè)寬達(dá)一百千米的環(huán)狀寂靜區(qū)；可聞區(qū)外，在離聲源200公里左右的距離上又出現(xiàn)了一個(gè)可聞區(qū)，稱為異常可聞區(qū)。
　　埃姆登隨后從理論上解釋了這種異常傳播現(xiàn)象，認(rèn)為是由平流層逆溫和風(fēng)結(jié)構(gòu)所引起的聲波折射，為此，在20～30年代曾進(jìn)行了爆炸聲波異常傳播的較大規(guī)模試驗(yàn)，一方面驗(yàn)證了異常傳播的理論，另一方面從探測(cè)結(jié)果推算平流層上部大氣的溫度和風(fēng)。而對(duì)流星尾跡的觀察證明，在證明同溫層頂確實(shí)存在逆溫層。同時(shí)，從爆炸聲波異常傳播試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了次聲波，開(kāi)始了大氣次聲波的研究。
　　從泰勒開(kāi)始，逐步引進(jìn)湍流理論來(lái)研究大氣的小尺度動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，并以這種觀點(diǎn)重新研究聲散射；奧布霍夫?qū)⒙暽⑸浣孛嫱肆鲃?dòng)能譜密度聯(lián)系起來(lái)，對(duì)大氣聲散射作出初步的定量解釋；伯格曼首先以相關(guān)函數(shù)研究了散射。以后的許多工作都圍繞著如何表達(dá)總散射截面的問(wèn)題展開(kāi)。
　　當(dāng)對(duì)大氣進(jìn)行聲探測(cè)時(shí)，不得不解決復(fù)雜的逆問(wèn)題。20世紀(jì)50年代后期采用火箭攜帶榴彈在高空爆炸，在地面上測(cè)量其發(fā)出的聲波，獲取了80公里以下的大氣溫度和風(fēng)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(jì)60年代末，在原有“聲雷達(dá)”基礎(chǔ)上大大改進(jìn)了的回聲探測(cè)器對(duì)大氣物理的研究起了很大推動(dòng)作用，導(dǎo)致了大氣聲學(xué)許多方面的進(jìn)展，例如在聲傳播過(guò)程中相位和振幅起伏的研究，用次聲“透視”大尺度的大氣過(guò)程，高功率聲輻射天線附近的非線性效應(yīng)，噪聲的問(wèn)題，與多普勒效應(yīng)有關(guān)的問(wèn)題等等。
　　大氣聲學(xué)的內(nèi)容
　　大氣中存在著的各種各樣的聲音，不過(guò)可以籠統(tǒng)的分成自然的和人為的兩大類。前者主要來(lái)源于一系列氣象現(xiàn)象和其他地球物理現(xiàn)象，如颶風(fēng)(臺(tái)風(fēng))、海浪、地震、極光、磁暴等。它們不僅產(chǎn)生可聽(tīng)聲而且更產(chǎn)生次聲；風(fēng)的呼嘯是由于大氣渦旋通過(guò)各種障礙物時(shí)被破壞而產(chǎn)生的。其他一些常見(jiàn)的自然聲則大多來(lái)自空氣流中某些物體的振動(dòng)，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(yè)和交通工具的噪聲，特別是超音速噴氣機(jī)飛行時(shí)產(chǎn)生的沖擊波傳播問(wèn)題，日益引起人們的注意。如果大氣條件有利于這種波的聚焦，那么地面上的建筑物和人的健康就會(huì)受到危害。
　　隨著聲定位技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已可由若干個(gè)接收站測(cè)得的數(shù)據(jù)定出自然聲源或人為聲源的位置，這在預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)、地震以及偵察核爆炸、炮位中都有具體應(yīng)用。隨著數(shù)字式數(shù)據(jù)處理技術(shù)的迅速改進(jìn)，這類應(yīng)用將日臻完善和廣泛。
　　大氣中自然源發(fā)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(nèi)，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(guò)大部分自然聲源主要產(chǎn)生大氣次聲波。由于發(fā)聲過(guò)程的復(fù)雜性、測(cè)量技術(shù)和識(shí)別聲源方面的困難，僅對(duì)雷聲作過(guò)較多的頻譜測(cè)量，其他發(fā)聲過(guò)程的頻譜尚只能估計(jì)。
　　雷是伴隨閃電出現(xiàn)的大氣發(fā)聲現(xiàn)象。雷形成的機(jī)制，主要是強(qiáng)烈的閃電放電時(shí)，電流通過(guò)閃電通道而產(chǎn)生高溫高壓等離子體，造成一個(gè)向通道四周傳播的激震波，這個(gè)高壓激震波在很短距離內(nèi)迅速衰減并退化為強(qiáng)的可聞聲和次聲。
　　由于閃電放電的復(fù)雜性，不同閃電的雷聲在時(shí)間變化和強(qiáng)度等方面也有很大差異，大體可分為炸雷(持續(xù)時(shí)間1秒左右的強(qiáng)烈雷聲脈沖)、悶雷(重復(fù)數(shù)次的隆隆聲脈沖)和拉磨雷(持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的低沉聲響)三種。
　　20世紀(jì)60年代以來(lái)對(duì)雷聲聲強(qiáng)譜密度的測(cè)量表明，雷聲聲強(qiáng)譜的峰值所在的頻率為4～125赫，有的雷聲聲強(qiáng)譜峰處于次聲波段，有的在可聞聲波段。一次雷在不同時(shí)刻的聲音，其瞬時(shí)聲強(qiáng)譜也存在很大差異。雷聲的復(fù)雜性也為研究雷雨云提供了一種信息來(lái)源。
　　從聲學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，大氣是一種運(yùn)動(dòng)著的不均勻媒質(zhì)，大氣聲學(xué)的重大課題都與聲在大氣中傳播時(shí)所發(fā)生的現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)。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(zhǎng)。在這種規(guī)則的不均勻性上，疊加著溫度和風(fēng)隨氣象條件的變化以及不同尺度的隨機(jī)湍流脈動(dòng)。所有這些不均勻性都對(duì)聲傳播產(chǎn)生強(qiáng)烈影響：無(wú)湍流大氣的分層不均勻性使聲音產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生頻散。同時(shí)大氣特定的溫度層結(jié)和風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)各種頻率和向各個(gè)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(yuǎn)距離傳播，其余頻率的傳播則受到強(qiáng)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(cè)人工和自然聲源以及解釋聲信號(hào)特征方面，都是十分重要的。
　　研究大氣中聲波傳播規(guī)律，可為各類大氣中的聲學(xué)工程提供基礎(chǔ)；還可用來(lái)探測(cè)大氣結(jié)構(gòu)和研究大氣物理過(guò)程，特別是研究邊界層結(jié)構(gòu)、強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展，以及上下層大氣耦合過(guò)程等。

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