大气声学

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摘要

简要介绍大气声学的发展史和主要研究内容,并解释了一些大气声学现象。

大气声学是研究大气声波的产生机制和各种声源的声波在大气中传播规律的分支,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。

大气声学

百度百科:大气声学(atmospheric sound)是研究大气声波(包括可闻声、次声、超声)的产生机制和各种声源的声波在大气中传播规律的分支,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学的一个分支。大气声学的研究内容主要包括:声波衰减和异常传播现象、声波反射、折射与衍射等。

大气声学简史

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,存在一个宽达一百千米的环状寂静区;可闻区外,在离声源200公里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公里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。

大气声学的内容

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。

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