大气声学的发展

大气声学

声在大气中的折射是最早引起人们注意的声学现象之一，对它的研究始于声学的萌芽阶段。为了澄清当时流传的“英国的听闻情况比意大利的好”这一说法，英国牧师德勒姆于1704年同意大利人间韦朗尼以实验证明：在适当考虑风的影响之后，这两国的声传播情况并没有什么差别。由此开创了大气声学领域。但是直到19世纪后半叶，大气声学才继续得到发展。

19世纪中叶以后，物理学家雷诺、斯托克斯和廷德耳等人分别对风、风梯度和温度梯度的声折射效应，以及大气起伏对声的散射进行了研究。瑞利在其1877年出版的巨著《声学原理》中，对包括这些工作在内的声学研究成果在理论上给予了全面的总结和提高。

20世纪初，在测量爆炸的可闻区时，发现了爆炸源周围的声音的“反常”传播现象：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100千米的环状寂静区；可闻区外，在离声源200千米左右的距离上又出现了一个可闻区，称为异常可闻区。

埃姆登随后从理论上解释了这种异常传播现象，认为是由平流层逆温和风结构所引起的声波折射，为此，在20～30年代曾进行了爆炸声波异常传播的较大规模试验，一方面验证了异常传播的理论，另一方面从探测结果推算平流层上部大气的温度和风。而对流星尾迹的观察证明，在证明同温层顶确实存在逆温层。同时，从爆炸声波异常传播试验中发现了次声波，开始了大气次声波的研究。

从泰勒开始，逐步引进湍流理论来研究大气的小尺度动力学结构，并以这种观点重新研究声散射；奥布霍夫将声散射截面同端流动能谱密度联系起来，对大气声散射作出初步的定量解释；伯格曼首先以相关函数研究了散射。以后的许多工作都围绕着如何表达总散射截面的问题展开。

当对大气进行声探测时，不得不解决复杂的逆问题。20世纪50年代后期采用火箭携带榴弹在高空爆炸，在地面上测量其发出的声波，获取了80千米以下的大气温度和风廓线的分布。到50年代末，建立了较完善的大气声波散射理论。

20世纪60年代末，在原有“声雷达”基础上大大改进了的回声探测器对大气物理的研究起了很大推动作用，导致了大气声学许多方面的进展，例如在声传播过程中相位和振幅起伏的研究，用次声“透视”大尺度的大气过程，高功率声辐射天线附近的非线性效应，噪声的问题，与多普勒效应有关的问题等等。随着大气的一个阶段一个阶段的发展，大气声学的内容同样取得了很大的突破。

大气中存在着的各种各样的声音，不过可以笼统的分成自然的和人为的两大类。前者主要来源于一系列气象现象和其他地球物理现象，如飓风（台风）、海浪、地震、极光、磁暴等。它们不仅产生可听声而且更产生次声；风的呼啸是由于大气涡旋通过各种障碍物时被破坏而产生的。其他一些常见的自然声则大多来自空气流中某些物体的振动，如电线的嗡嗡声、树叶的沙沙声等。

人为的声音中主要是工业和交通工具的噪声，特别是超音速喷气机飞行时产生的冲击波传播问题，日益引起人们的注意。如果大气条件有利于这种波的聚焦，那么地面上的建筑物和人的健康就会受到危害。

随着声定位技术的发展，现在已可由若干个接收站测得的数据定出自然声源或人为声源的位置，这在预报台风、地震以及侦察核爆炸、炮位中都有具体应用。随着数字式数据处理技术的迅速改进，这类应用将日臻完善和广泛。

大气中自然源发出的声波具有极宽的频谱，此外，在周期几分钟至几十分钟内，还存在一类空气压缩力和重力共同参与作用的声重力波。不过大部分自然声源主要产生大气次声波。由于发声过程的复杂性、测量技术和识别声源方面的困难，仅对雷声作过较多的频谱测量，其他发声过程的频谱尚只能估计。

雷是伴随闪电出现的大气发声现象。雷形成的机制，主要是强烈的闪电放电时，电流通过闪电通道而产生高温高压等离子体，造成一个向通道四周传播的激震波，这个高压激震波在很短距离内迅速衰减并退化为强的可闻声和次声。

由于闪电放电的复杂性，不同闪电的雷声在时间变化和强度等方面也有很大差异，大体可分为炸雷（持续时间1秒左右的强烈雷声脉冲）、闷雷（重复数次的隆隆声脉冲）和拉磨雷（持续较长时间的低沉声响）三种。

20世纪60年代以来对雷声声强谱密度的测量表明，雷声声强谱的峰值所在的频率为4～125赫，有的雷声声强谱峰处于次声波段，有的在可闻声波段。一次雷在不同时刻的声音，其瞬时声强谱也存在很大差异。雷声的复杂性也为研究雷雨云提供了一种信息来源。

从声学观点来看，大气是一种运动着的不均匀媒质，大气声学的重大课题都与声在大气中传播时所发生的现象相关联。大气的密度和温度随高度而降低，而温度在某些高度重新增长。在这种规则的不均匀性上，叠加着温度和风随气象条件的变化以及不同尺度的随机湍流脉动。所有这些不均匀性都对声传播产生强烈影响：无湍流大气的分层不均匀性使声音产生折射；湍流不均匀性引起声音的散射和减弱。

不同频率的声波在大气中具有不同的传播速度，因而在大气中传播的（非单频）次声波会产生频散。同时大气特定的温度层结和风结构对各种频率和向各个方向传播的次声波具有选择作用，即只允许某些频率的次声波作远距离传播，其余频率的传播则受到强烈抑制，这就是大气选模作用。次声波的频散和大气选模作用，在探测人工和自然声源以及解释声信号特征方面，都是十分重要的。

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。