大氣聲學

　　研究起源於大氣的聲波的產生機制和各種聲源的聲波在大氣中的傳播規律的學科，是大氣物理學的一個分支。

　　簡史　18世紀初，在歐洲曾測量過聲音在大氣中傳播的可聞距離，這是大氣聲學研究的開始。19世紀中葉以後，物理學傢O.雷諾、G.G.斯托克斯和J.廷德耳等人分別研究瞭大氣溫度結構對聲波折射的作用、大氣風場對聲波的折射效應和氣象要素（溫度等）脈動對聲波的散射效應等大氣聲波傳播問題。20世紀紀初，在測量爆炸的可聞區時，發現瞭除爆炸源周圍的可聞區外，在離源200公裡左右的距離上又出現瞭一個可聞區（圖1），稱為異常可聞區。隨後從理論上解釋瞭這種異常傳播現象，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年代曾進行瞭爆炸聲波異常傳播的較大規模試驗，一方面驗證瞭異常傳播的理論，另一方面從探測結果推算平流層上部大氣的溫度和風。同時，從爆炸聲波異常傳播試驗中發現瞭次聲波，開始瞭大氣次聲波研究。到50年代，還采用火箭攜帶榴彈在高空爆炸，在地面上測量其發出的聲波，獲取瞭80公裡以下的大氣溫度和風廓線。到50年代末，建立瞭較完善的大氣聲波散射理論，據此理論，在60年代末研制成瞭聲雷達，用以遙感邊界層氣象要素（見聲波大氣遙感）。

　　大氣中的聲波　聲源　大氣中的聲源包括人工聲源和自然聲源兩類。人工聲源包括人工爆炸聲和飛行器發出的聲音等。自然聲源包括非純粹大氣發聲和純粹大氣發聲兩種，前者包括流星穿入大氣、海浪和地震激發起的大氣聲波，以及風和地表障礙物的摩擦發聲等，後者包括強風暴系統中大氣運動引起的湍流發聲和對流發聲、雷聲以及極光發聲等。

　　大氣中自然源發出的聲波具有極寬的頻譜，其高頻端達10²～10³赫（雷聲頻譜的高頻端），低頻端周期達幾分鐘。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，習慣上稱為大氣次聲波。大部分自然聲源主要產生大氣次聲波。由於發聲過程的復雜性、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，其他發聲過程的頻譜尚隻能估計。

　　雷聲　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。對閃電次聲波產生機制的解釋，還有一種理論，認為閃電過程中數十庫電量突然被中和，使原有荷電雲內的電應力突然釋放，由此造成荷電雲的突然壓縮，這個壓縮波會形成頻率十分之幾赫至幾赫的次聲波。目前還缺乏適當的實際測量來判斷兩種機制各自的重要性。

　　由於閃電放電的復雜性，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（clap，持續時間1秒左右的強烈雷聲脈沖）、悶雷（peal，重復數次的隆隆聲脈沖）和拉磨雷（rumble，持續較長時間的低沉聲響）三種。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（圖2）。雷聲的復雜性也為研究雷雨雲提供瞭一種信息來源。

　　聲波在大氣中的傳播　聲波在大氣中傳播時同大氣相互作用而產生的各種聲波傳播效應，主要包括衰減、吸收、散射、折射和頻散等。

　　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瞭溫差。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，出現瞭時間張弛，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，聲波衰減系數α的經驗公式為

P_o為準大氣壓（1013.25百帕），P為實際氣壓（百帕），T_o為293K，T為實際氣溫(K)。當P=P_o，T=T_o時，衰減系數α約為1.6×10^-7f²分貝/公裡。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，產生瞭能量轉移，最後被激發的水汽分子產生紅外輻射而消耗瞭聲能。因此分子振動衰減同聲波頻率和大氣中水汽含量均有關系。對相對濕度不同的大氣，聲波的衰減系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％)，峰值衰減系數較經典吸收大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，這類聲波導致瞭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裡，而次聲波衰減很小，可傳播數千公裡。

　　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裡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，隻能在幾十公裡區域內可聞，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，形成瞭一個遠處的異常可聞區。這種現象是聲波折射的一個特例。除瞭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系的基礎上，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。

　　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范圍內也產生時空脈動，因而聲波波陣面產生隨機性的畸變。隨機性波陣面的相幹效應，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征。在滿足局地均勻各向同性運動狀態的尺度范圍內，聲波散射強度的方向分佈I_s(θ_s)具有如下形式：

I_s(θ＜_s)=1.52k/^1/3_ocos²θ_s[0.13C²_n+cos²(θ_s/2)C²_v(4c²)][2sin(θ_s/2)]^-11/3

上式中θ_s為散射角，k_o波數，C²_n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，C²_v為風速湍流脈動結構常數，c為聲速。由此可見，當θ_s=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θ_s=180°，即後向散射方向，I_s(180°)僅與C²_n成正比，而與C²_v無關。散射強度還正比於k^1/3_o，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制瞭聲雷達，用以遙感邊界層大氣。

　　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，即隻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征方面，都是十分重要的。

　　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、強對流的發生發展，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。

　　

參考書目

　E.H.Brown，et al.，Advances in Atmospheric Acoustics，Review of Geophysics andSpace Physics，Vol.16，No.1，pp.47～110，1978.