次聲學的發(fā)展歷史

　　次聲學的發(fā)展歷史

　　次聲學是研究次聲波在媒質中的產(chǎn)生、傳播和接收及其效應和應用的科學。次聲是頻率低于可聽聲頻率范圍的聲，它的頻率范圍大致為1/10000Hz～20Hz。
　　早在19世紀，人們就已記錄到了自然界中一些偶發(fā)事件(如大火山爆發(fā)或流星爆炸)所產(chǎn)生的次聲波。其中最著名是1883年8月27日，印度尼西亞的喀拉喀托火山突然爆發(fā)，它產(chǎn)生的次聲波傳播了十幾萬公里，當時用簡單微氣壓計都可以記錄到它。在理論方面，最早在1890年，英國物理學家瑞利就開始了大氣振蕩現(xiàn)象的研究。
　　第一次世界大戰(zhàn)前后，火炮和高能炸藥的出現(xiàn)，提供了較大的聲源，促進了對次聲在大氣中傳播現(xiàn)象的了解。在20世紀20年代還進行了高層大氣的溫度和風對次聲傳播影響的研究，并建立了探測高層大氣的簡單聲學方法，為此還研制了靈敏度更高的微氣壓計、熱線式次聲傳聲器。30年代發(fā)展了電容次聲傳聲器。40年代后，利用聲波在大氣中的傳播速度與溫度的均方根成正比關系的原理，提出了火箭-榴彈次聲法測定高層大氣溫度和風速的方法，發(fā)展了次聲接收和定位的新技術。
　　核武器的發(fā)展對次聲學的建立起了很大的推動作用，使得次聲接收、抗干擾方法、定位技術、信號處理和次聲傳播等方面部有了很大發(fā)展。核爆炸會形成強大的次聲源，它產(chǎn)生的次聲波在大氣中可以傳插得非常遠，次聲方法曾成為探測大氣中核爆炸的主要方法之一。為此建立了許多次聲觀察站，進行了長時期連續(xù)記錄和觀察。人們還發(fā)現(xiàn)了大氣中存在許多自然次聲源，對它們的發(fā)聲機制和特性進行了初步的了解。
　　現(xiàn)在知道的次聲源有：火山爆發(fā)、流星、極光、電離層擾動、地震、晴空湍流、海嘯、臺風、雷暴、龍卷風、雷電等。認識并利用次聲方法來預測它們的活動規(guī)律，已成為近代次聲學研究的重要課題。
　　長周期的次聲波在電離層中傳播，使電離層受到擾動，這種以聲重力波方式傳播的次聲波成為高空大氣研究中非常活躍的課題之一。
　　次聲學的基本內容
　　次聲在大氣中的傳播具有衰減小并受波導和重力影響等特點。
　　聲在大氣中傳播的衰減主要是由分子吸收、熱傳導、和粘滯效應引起的，相應的吸收系數(shù)與頻率的二次方成正比。由于次聲的頻率很低，所以大氣對次聲波的吸收系數(shù)很小。此外，湍流的作用也會引起次聲波的衰減。但是它們的影響都很小，通常可略去不計。
　　大氣溫度密度和風速隨高度具有不均勻分布的特性，使得次聲在大氣中傳播時出現(xiàn)“影區(qū)”、聚焦和波導等現(xiàn)象。當高度增加時，氣溫逐漸降低，在20公里左右出現(xiàn)一個極小值；之后，又開始隨高度的增加，氣溫上升，在50公里左右氣溫再次降低，在80公里左右形成第二個極小值；然后復又升高。
　　大氣次聲波導現(xiàn)象與這種溫度分布有密切關系。聲波主要沿著溫度極小值所形成的通道(稱為聲道)傳播。通常將20公里高度極小值附近的大氣層稱為大氣下聲道，高度80公里附近的大氣層稱為大氣上聲道。次聲波在大氣中傳播時，可以同時受到兩個聲道作用的影響。
　　在距離聲源100～200公里處，次聲信號很弱，通常將這樣的區(qū)域稱為影區(qū)。在某種大氣溫度分布條件下，經(jīng)過聲道傳輸次聲波聚集在某一區(qū)域，這一區(qū)域稱它為聚焦區(qū)。
　　風也會對次聲在大氣中的傳播產(chǎn)生很大的影響。次聲的傳播在順風和逆風時差別很大：順風時，聲線較集中于低層大氣；逆風時，產(chǎn)生較大的影區(qū)。
　　不同頻率的次聲在大氣聲道中傳播速度不相同，產(chǎn)生頻散現(xiàn)象，這使得在不同地點測得次聲波的波形各不相同。
　　大氣的密度隨高度增加而遞減，如果次聲波的波長很大，例如有幾十公里長，這時，在一個波長的范圍內，大氣密度已經(jīng)產(chǎn)生顯著的變化了。當大氣媒質在聲波的作用下受到壓縮時，它的重心較周圍媒質提高，這時除了彈性恢復力作用外，它還受重力的作用。反之，當它在聲波作用下膨脹時，也有附加重力作用使它恢復到平衡狀態(tài)。所以長周期的次聲波，除了彈性力作用外，還附加有重力的作用，這種情況下，次聲波通常稱為聲重力波。
　　聲重力波在大氣中傳播時，在理論上可以看作是一些簡正波的疊加。基本上可分為聲分支和重力分支。它們在大氣中傳播都具有頻散現(xiàn)象。由于重力分支主要能量在地面附近傳播。相應地面附近溫度較高，因此傳播速度較大。
　　次聲測量包括次聲接收、記錄、探測和分析等。
　　次聲學的應用
　　早在第二次世界大戰(zhàn)前，次聲方法已應用于探測火炮的位置，可是直到50年代，它在其他方面的應用問題才開始被人們注意，它的應用前景是很廣闊的，大致可分為下列幾個方面：
　　通過研究自然現(xiàn)象產(chǎn)生的次聲波的特性和產(chǎn)生機制，更深入地認識這些現(xiàn)象的特性和規(guī)律。例如人們利用測定極光產(chǎn)生次聲波的特性來研究極光恬動的規(guī)律等。
　　利用接收到的被測聲源所輻射出的次聲波，探測它的位置、大小和其他特性，例如通過接收核爆炸、火箭發(fā)射火炮或臺風所產(chǎn)生的次聲波去探測這些次聲源的有關參量。
　　預測自然災害性事件，許多災害性現(xiàn)象如火山噴發(fā)、龍卷風和雷暴等在發(fā)生前可能會輻射出次聲波，因此有可能利用這些前兆現(xiàn)象預測災害事件。
　　次聲在大氣中傳播時，很容易受到大氣媒質的影響，它與大氣中風和溫度分布等有密切的聯(lián)系。因此可以通過測定自然或人工產(chǎn)生的次聲波在大氣中傳播特性的測定，可以探測某些大規(guī)模氣象的性質和規(guī)律。這種方法的優(yōu)點在于可以對大范圍大氣進行連續(xù)不斷的探測和監(jiān)視。
　　通過測定次聲波與大氣中其他波動的相互作用的結果，探測這些活動特性。例如在電離層中次聲波的作用使電波傳播受到行進性干擾。可以通過測定次聲波的特性，更進一步揭示電離層擾動的規(guī)律。同樣，通過測定聲波與重力波或其他波動的作用，可以研究這些波動的活動規(guī)律。
　　人和其他生物不僅能夠對次聲產(chǎn)生某種反應，而且他(它)們的某些器官也會發(fā)出微弱的次聲，因此可以利用測定這些次聲波的特性來了解人體或其他生物相應器官的活動情況。

請問，溫度對聲波的影響是怎么樣的？我們目前有接觸到通過聲音來檢測氣體管線泄漏的應用，但有幾個問題我們很迷惑：
1、雖然次聲波的衰減很小，可以長距離傳播（是采用5Hz的次聲波型來判斷泄漏），但是次聲波怎么就一定會沿著管道先前向后傳播呢？它應該是四散的啊？

2、聲波的傳播速度受介質的影響很大，尤其是介質的密度、溫度分布不均勻的情況下，如何能夠保證測量的精確呢？

3、所有的振動（包括不同形式的管線破裂）都會產(chǎn)生次聲波嗎？次聲波是否可以理解為振動源產(chǎn)生的諧波？而且一定就會出現(xiàn)5Hz的次聲波嗎？

4、歸根結底，管線泄漏的聲波是由于管線破裂那一刻出現(xiàn)的壓力瞬降產(chǎn)生的，是一個瞬時變量，采集這個變量是否會有難度？

請各位高人給予指點！謝謝！