大气声学的自然百科

[拼音]：daqi shengxue

[外文]：atomspheric acoustics

研究声音在实际大气中的发生和传播的声学分支；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的一个分支。

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（见分层媒质中的波）；湍流不均匀性引起声音的散射和减弱。

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W.德勒姆于1704年同意大利人阿韦朗尼以实验证明：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。G.G.斯托克斯、O.雷诺和J.廷德耳分别对风、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全面的总结和提高。20世纪初，紧接着同温层的发现，许多学者注意到声音的“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，存在一个宽达一百千米的环状寂静区。在某一高度存在一逆温层（温度随高度增加）的假定下，R.埃姆登发展了能够解释反常传播的射线理论；而对流星尾迹的观察证明，在同温层顶确实存在逆温层。在其后进行的一系列爆炸声传播实验中，观察到频率极低的声波，现在对这种次声波的研究已形成了一个独立分支（见次声学）。

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，并以这种观点重新研究声散射。Α.М.奥布霍夫将声散射截面同湍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。P.G.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。近年来Β.И.塔塔尔斯基系统地总结了湍流大气中波的传播问题。

当对大气进行声探测时，不得不解决复杂的逆问题。50年代后期发展起来了火箭-榴弹声技术，从而可以探测高层大气（高至80千米）的温度和风的分布。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。

在声的大气传播过程中，声强随距离的衰减是个很复杂的问题。除去球面扩展、折射和散射等因素之外，还由于大气本身的声吸收。一种简化而适用的吸收模型，是把吸收看成由三部分叠加组成：经典的粘性和导热损耗（即经典吸收）、分子的转动损耗以及大气主要成分氧分子和氮分子的振动损耗。后两部分是典型的弛豫过程。经典吸收和转动损耗都与声波频率的二次方成正比，并与大气的压力和温度有关；振动损耗则以共振峰的存在为特征，出现极大值的频率（吸收共振峰频率）与大气的温度和湿度有关。

大气中存在着的各种各样的声音可以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。经久不息的隆隆雷声是由于雷电放电长度很大，也由于折射使声波得到不同的延迟而造成的。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，更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（见噪声对人的影响）。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。

参考书目E. H. Brown and F. F. Hall， Jr.， Advances in Atomspheric Acoustics， Rev. Geophys. and Space Phys.，Vol.16，No.1，1978.