大气声学

来自中文百科专业版
跳转至: 导航搜索

  大气声学汉语拼音:Daqi Shengxue;英语:Atmospheric Acoustics),研究声音在大气中的发生、传播、效应及其应用的学科。作为以声学方法探测大气的一种手段,也可看成是大气物理学的分支。

  大气是一种运动着的不均匀媒质,大气声学则是研究声波与这种媒质的各种相互作用(包括反射、折射、散射、衍射、吸收等)以及利用这些效应对大气进行探测的学科。可分为“经典”和“现代”两大范畴:前者以低层大气中的可听声为主要研究对象,后者以涉及高层大气的次声为主要研究对象。

简史

  1635年在自由大气中测量声速是历史上首次在大气中进行的声学实验。而大气声学的持续发展到19世纪下半叶才真正开始。G.G.斯托克斯O.雷诺J.丁铎尔分别研究了风、风梯度和温度梯度的声折射效应以及大气起伏的声散射效应。这些最基本原理在瑞利于1877~1878年出版的《声学原理》中进行了全面的总结。20世纪初发现,在距强烈爆炸中心周围数百千米的“可闻区”之内,存在一个宽达100千米的“寂静区”的声音传播的反常现象。在200千米附近又出现了一个可闻区,从而证实了平流层逆温的存在。从G.I.泰勒开始,逐步引进湍流理论来研究大气的小尺度动力学结构,并以这一观点重新研究声散射。大约从1929年开始注意到,大气中还充斥着大量频率极低的声波,对这种所谓次声的研究大大拓宽了大气声学的范畴,使其进入现代大气声学时代。20世纪60年代以来,大气的被动声遥感得到迅速发展,而主动声遥感则是受到相关学科的启发而得到发展的,如“声达”就是在雷达的启发下于1946年发明的,M.阿里斯特尔在此基础上,于1968年发明回声探测仪,这对现代大气声学的发展起了很大促进作用。

基本课题

  归结为在定解条件下,对一定的大气模型求解“修正(计及大气的不均匀性以至运动)”的波动方程,以确定声场分布。大气的不均匀性首先表现为分层结构,即描述它的物理量(如密度、压力、温度)以及它的运动速度(风速)均可看成高度的函数,这样问题虽已简化,但仍极少数情况有解析解(严格的封闭形式解)。而大多数情况下不得不依靠各种近似解法和数值解法。

  除波动方法外,射线方法也有广泛应用,因为应用它的条件在大多数情况下都能满足。用射线概念可形象解释许多传播现象,如“反常”传播以及“波导”现象等。大气“波导”的形成是由于大气的温度剖面存在着两个极小值,分别位于大约15千米和80千米高度处。声波一旦进入其中就会被“擒获”,因而可传播很长距离,特别对于衰减很小的次声波更是如此,有时甚至可绕地球数圈。另一方面,用射线法对某给定声源进行射线寻迹,这是一项烦琐的工作,但已对某些情况开发出专用的计算机软件。

大气中的声散射

  大气的不均匀性其次表现为无规不均匀性,指大气成分的不均匀性(如含有雨滴、雪花、雾粒、尘埃等)和大气运动的不均匀性(大气湍流),它们都会使声波产生散射,但湍流(特别是“风力驱动”湍流)所产生的散射更为重要。声散射虽引起声波的附加衰减,但却是声遥感的物理基础。

大气中的声吸收

  声波在大气中传播时,声强将随传播距离而减弱。这一衰减过程,除球面扩展、反射、折射和散射等因素外,更由于空气对声波的吸收。大气对声波的吸收包含两方面机制:①大气黏性和导热性所造成的损耗(合称为经典吸收)。声波引起空气分子的振动,而黏性使其振动能量部分地消耗于分子之间的内摩擦;声波同时使大气某些部分受到压缩而变热,其他部分因膨胀而变冷。大气的导热性使这两部分之间的温差减小,这相当于一部分声能转化为分子的无规热运动。②由大气中氮分子和氧分子的双原子结构引起的,即能量从声波的集总运动(分子的平动)转移到分子的内自由度(转动和振动)为一不可逆过程,由于声压只决定于分子的平动,所以这种能量转移导致声能的衰减。分子平动能向内能的转换需要一定的时间,所以这种吸收机制被称为弛豫吸收或分子吸收。

  悬浮在大气中的雾滴和其他微粒可造成声波的额外吸收机制,包括微粒周围的蒸发和凝结、部分微粒为声波中的速度起伏引开、微粒与周围空气之间的热交换、微粒形态振荡的激发,以及伴随着热流和黏性效应的温度梯度和速度梯度等。雾的吸声效应可被利用来进行人工消雾。

重力场和地球自转对大气声传播的影响

  重力场对可听声和频率较高的次声传播的影响可忽略,但当声的频率低到所谓“浮力频率”或瓦依萨拉–布隆特频率(数量级为重力加速度与声速之比,约为0.029赫)时,波动中的运动加速度就与重力加速度同数量级,后者就不能忽略。这时除寻常声波所赖以传播的媒质压缩性恢复力外,密度随高度的递减又提供了另一种恢复力,即浮力(实即重力)。这种波既具备寻常声波的性质又具备某些重力波特征,称为声重力波。随着声频的继续降低,浮力作用会愈来愈大,弹性恢复力作用则相对愈来愈小,直到可忽略不计。频率约为0.003赫兹时,大气可看成是“不可压缩的”,而相应出现的波称为内重力波,但它只存在于密度连续变化着的同一媒质的内部。

  声波频率与地球自转角速度同数量级(约为10-4赫)或更低时,还应考虑地球本身的曲率和自转对波动产生的影响。正是这一随纬度变化的科里奥利效应形成了又一外力场,导致一种波长达数百千米的水平横波,即所谓行星波或罗斯比波。这种波的相速度总是指向西方,且经常指向与背景风相反的方向,因此其概念被用来解释西风带。

  周期为太阳日或太阳日约数的大气运动称为大气潮汐。大气潮汐主要是由太阳的热效应引起。由能量守恒定律可直接推出大气潮汐与大气重力波的一个重要共同点:它们的振幅都是反比于大气密度的平方根而随高度增加的,并由此推定高层大气中必定存在非常可观的风速分量。

大气声遥感

  以声波为手段在地面探测大气状态和其中现象的技术,包括主动(有源)和被动(无源)两种方式。可分为低层大气遥感和高层大气遥感两大范畴:前者的物理基础是大气微观结构对声波的散射,以可听声的主动遥感为主;后者的物理基础是大气宏观分层结构对声波的折射,以次声的被动遥感为主。低层大气遥感的主要探测对象是大气温度和风速随高度的变化状况。所用仪器主要是回声探测仪,以主动遥感为主。自然源的被动遥感基本上只是可听声频的雷声遥感。人工源被动遥感则有多种军事应用,如利用炮声测定敌方炮位至今仍不失为有效手段。又如利用收听发动机噪声来判断敌机来袭方向这种“过时”方法曾因雷达的发明而遭淘汰,由于抗雷达隐形飞机的出现而在新水平上得到新生。

  以技术水平所能达到的功率,高层大气声遥感几乎只限于被动遥感,而正好大气中的次声波异常丰富。已被探测到的自然源均由各种气象、地球物理以及天文现象等产生,如微气压、恶劣天气、锋面过境、急流、山背波、火山喷发、陨石、极光、地震、日食等。根据被动遥感可获取许多与之相对应的信息,并进一步达到预报某些灾害性现象的目的。人工源的被动遥感则主要是盛行于20世纪60年代对大气核试验的监测。

应用

  研究大气中声波传播规律,可为各类大气中的声学工程提供基础,还可用来探测大气结构和研究大气物理过程,特别是研究边界层结构、强对流的发生发展,以及上下层大气耦合过程等。这方面的研究正和大气重力波等各类波动过程的研究密切结合。