大氣聲學簡史

　　大氣聲學是研究大氣聲波的產(chǎn)生機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。
　　聲在大氣中的折射是最早引起人們注意的聲學現(xiàn)象之一，對它的研究始于聲學的萌芽階段。為了澄清當時流傳的“英國的聽聞情況比意大利的好”這一說法，英國牧師德勒姆于1704年同意大利人間韋朗尼以實驗證明：在適當考慮風的影響之后，這兩國的聲傳播情況并沒有什么差別。由此開創(chuàng)了大氣聲學領域。但是直到19世紀后半葉，大氣聲學才繼續(xù)得到發(fā)展。
　　19世紀中葉以后，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(nèi)的聲學研究成果在理論上給予了全面的總結(jié)和提高。
　　20世紀初，在測量爆炸的可聞區(qū)時，發(fā)現(xiàn)了爆炸源周圍的聲音的“反常”傳播現(xiàn)象：在距強烈爆炸中心周圍數(shù)百千米的可聞區(qū)之內(nèi)，存在一個寬達一百千米的環(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，認為是由平流層逆溫和風結(jié)構(gòu)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(guī)模試驗，一方面驗證了異常傳播的理論，另一方面從探測結(jié)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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，并以這種觀點重新研究聲散射；奧布霍夫?qū)⒙暽⑸浣孛嫱肆鲃幽茏V密度聯(lián)系起來，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(shù)研究了散射。以后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，不得不解決復雜的逆問題。20世紀50年代后期采用火箭攜帶榴彈在高空爆炸，在地面上測量其發(fā)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，與多普勒效應有關的問題等等。
　　大氣聲學的內(nèi)容
　　大氣中存在著的各種各樣的聲音，不過可以籠統(tǒng)的分成自然的和人為的兩大類。前者主要來源于一系列氣象現(xiàn)象和其他地球物理現(xiàn)象，如颶風(臺風)、海浪、地震、極光、磁暴等。它們不僅產(chǎn)生可聽聲而且更產(chǎn)生次聲；風的呼嘯是由于大氣渦旋通過各種障礙物時被破壞而產(chǎn)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(yè)和交通工具的噪聲，特別是超音速噴氣機飛行時產(chǎn)生的沖擊波傳播問題，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受到危害。
　　隨著聲定位技術的發(fā)展，現(xiàn)在已可由若干個接收站測得的數(shù)據(jù)定出自然聲源或人為聲源的位置，這在預報臺風、地震以及偵察核爆炸、炮位中都有具體應用。隨著數(shù)字式數(shù)據(jù)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(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。不過大部分自然聲源主要產(chǎn)生大氣次聲波。由于發(fā)聲過程的復雜性、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(fā)聲過程的頻譜尚只能估計。
　　雷是伴隨閃電出現(xiàn)的大氣發(fā)聲現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)迅速衰減并退化為強的可聞聲和次聲。
　　由于閃電放電的復雜性，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(xù)時間1秒左右的強烈雷聲脈沖)、悶雷(重復數(shù)次的隆隆聲脈沖)和拉磨雷(持續(xù)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于次聲波段，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。雷聲的復雜性也為研究雷雨云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(zhì)，大氣聲學的重大課題都與聲在大氣中傳播時所發(fā)生的現(xiàn)象相關聯(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。在這種規(guī)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(chǎn)生強烈影響：無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)次聲波會產(chǎn)生頻散。同時大氣特定的溫度層結(jié)和風結(jié)構(gòu)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，其余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工程提供基礎；還可用來探測大氣結(jié)構(gòu)和研究大氣物理過程，特別是研究邊界層結(jié)構(gòu)、強對流的發(fā)生發(fā)展，以及上下層大氣耦合過程等。