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大气声学
大气声学
正文研究起源于大气的声波的产生机制和各种声源的声波在大气中的传播规律的学科，是大气物理学的一个分支。
简史18世纪初，在欧洲曾测量过声音在大气中传播的可闻距离，这是大气声学研究的开始。19世纪中叶以后，物理学家O.雷诺、G.G.斯托克斯和J.廷德耳等人分别研究了大气温度结构对声波折射的作用、大气风场对声波的折射效应和气象要素（温度等）脉动对声波的散射效应等大气声波传播问题。20世纪初，在测量爆炸的可闻区时，发现了除爆炸源周围的可闻区外，在离源200公里左右的距离上又出现了一个可闻区(图1)，称为异常可闻区。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。同时，从爆炸声波异常传播试验中发现了次声波，开始了大气次声波研究。到50年代，还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。到50年代末，建立了较完善的大气声波散射理论，据此理论，在60年代末研制成了声雷达，用以遥感边界层气象要素（见声波大气遥感）。
大气中的声波声源大气中的声源包括人工声源和自然声源两类。人工声源包括人工爆炸声和飞行器发出的声音等。自然声源包括非纯粹大气发声和纯粹大气发声两种，前者包括流星穿入大气、海浪和地震激发起的大气声波，以及风和地表障碍物的摩擦发声等，后者包括强风暴系统中大气运动引起的湍流发声和对流发声、雷声以及极光发声等。
大气中自然源发出的声波具有极宽的频谱，其高频端达102～103赫（雷声频谱的高频端），低频端周期达几分钟。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，习惯上称为大气次声波。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。
雷声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。对闪电次声波产生机制的解释，还有一种理论,认为闪电过程中数十库电量突然被中和,使原有荷电云内的电应力突然释放，由此造成荷电云的突然压缩，这个压缩波会形成频率十分之几赫至几赫的次声波。目前还缺乏适当的实际测量来判断两种机制各自的重要性。
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（clap，持续时间1秒左右的强烈雷声脉冲）、闷雷（peal,重复数次的隆隆声脉冲）和拉磨雷（rumble，持续较长时间的低沉声响）三种。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（图2）。雷声的复杂性也为研究雷雨云提供了一种信息来源。
声波在大气中的传播声波在大气中传播时同大气相互作用而产生的各种声波传播效应，主要包括衰减、吸收、散射、折射和频散等。
声波衰减由于大气对声波的吸收和散射，入射声波的强度在传播方向上逐渐减弱。它和光波在大气中衰减(见大气消光)一样，通常按指数律衰减。引起衰减的机制为：①空气分子的经典吸收。这由空气分子的粘性和热传导所造成。分子粘性使声波传播时所引起的空气运动受到阻尼，声能用于克服摩擦力而转变为热能。粘性越大，振动越快（声频越高），声波的衰减越大。声波在空气中传播时，引起空气微粒的机械振动，使气体介质不断发生疏密变化。气体密（压缩）时要增温，疏（膨胀）时要降温，由此各部分之间形成了温差。由于空气的热传导，热量将从高温处向低温处输送，这些能量不能再还原为声波机械振动，从而造成声波衰减。②空气分子的吸收。声波传播造成分子转动和振动的能量变化，当这些能量重新转换为声能时，出现了时间张弛，使部分声能损耗而转化为热能。经典吸收和转动吸收都和声波频率f的平方成正比,声波衰减系数α的经验公式为
data/attachment/portal/201111/06/09200715lojdvyuuvoc6od.gifPo为准大气压（1013.25百帕），P为实际气压（百帕）,To为293K，T为实际气温(K)。当P=Po，T=To时，衰减系数α约为1.6×10-7f2分贝/公里。在分子振动能级引起的衰减中，被激发的氧和氮的振动能由于和水汽分子的振动能级相近，产生了能量转移，最后被激发的水汽分子产生红外辐射而消耗了声能。因此分子振动衰减同声波频率和大气中水汽含量均有关系。对相对湿度不同的大气，声波的衰减系数随声波吸收频率变化的曲线而不同，但都出现明显的峰值。并且峰值都位于相对湿度低的区域(