大氣聲學(xué)簡史

　　大氣聲學(xué)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(xué)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(xué)現(xiàn)象之一，對它的研究始于聲學(xué)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(xué)領(lǐng)域。但是直到19世紀后半葉，大氣聲學(xué)才繼續(xù)得到發(fā)展。
　　19世紀中葉以后，物理學(xué)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(yīng)，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(xué)原理》中，對包括這些工作在內(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(xué)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(guān)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(fù)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(chǔ)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(dǎo)致了大氣聲學(xué)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(yīng)，噪聲的問題，與多普勒效應(yīng)有關(guān)的問題等等。
　　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(shù)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(yù)報臺風、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，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(fù)雜性、測量技術(shù)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(fù)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(fù)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(fù)雜性也為研究雷雨云提供了一種信息來源。
　　從聲學(xué)觀點來看，大氣是一種運動著的不均勻媒質(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。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(xué)工程提供基礎(chǔ)；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。

感謝樓主.
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