空間天文技術

[拼音]：daqi shengxue

[英文]：atomspheric acoustics

研究聲音在實際大氣中的發生和傳播的聲學分支；作為以聲學方法探測大氣的一種手段，也可看成是大氣物理的一個分支。

從聲學觀點來看，大氣是一種運動著的不均勻媒質，大氣聲學的重大課題都與聲在大氣中傳播時所發生的現象相關聯。大氣的密度和溫度隨高度而降低，而溫度在某些高度重新增長。在這種規則的不均勻性上，疊加著溫度和風隨氣象條件的變化以及不同尺度的隨機湍流脈動。所有這些不均勻性都對聲傳播產生強烈影響：無湍流大氣的分層不均勻性使聲音產生折射（見分層媒質中的波）；湍流不均勻性引起聲音的散射和減弱。

聲在大氣中的折射是最早引起人們注意的聲學現象之一，對它的研究始於聲學的萌芽階段。為了澄清當時流傳的“英國的聽聞情況比義大利的好”這一說法，英國牧師W.德勒姆於1704年同義大利人阿韋朗尼以實驗證明：在適當考慮風的影響之後，這兩國的聲傳播情況並沒有什麼差別。由此開創了大氣聲學領域。但是直到19世紀後半葉，大氣聲學才繼續得到發展。G.G.斯托克斯、O.雷諾和J.廷德耳分別對風、風梯度和溫度梯度的聲折射效應以及大氣起伏對聲的散射進行了研究。瑞利在其1877年出版的鉅著《聲學原理》中對包括這些工作在內的聲學研究成果在理論上給予全面的總結和提高。20世紀初，緊接著同溫層的發現，許多學者注意到聲音的“反常”傳播現象：在距強烈爆炸中心周圍數百千米的可聞區之內，存在一個寬達一百千米的環狀寂靜區。在某一高度存在一逆溫層（溫度隨高度增加）的假定下，R.埃姆登發展了能夠解釋反常傳播的射線理論；而對流星尾跡的觀察證明，在同溫層頂確實存在逆溫層。在其後進行的一系列爆炸聲傳播實驗中，觀察到頻率極低的聲波，現在對這種次聲波的研究已形成了一個獨立分支（見次聲學）。

從G.I.泰勒開始，逐步引進湍流理論來研究大氣的小尺度動力學結構，並以這種觀點重新研究聲散射。Α.М.奧布霍夫將聲散射截面同湍流動能譜密度聯絡起來，對大氣聲散射作出初步的定量解釋。P.G.伯格曼首先以相關函式研究了散射。以後的許多工作都圍繞著如何表達總散射截面的問題。近年來Β.И.塔塔爾斯基系統地總結了湍流大氣中波的傳播問題。

當對大氣進行聲探測時，不得不解決複雜的逆問題。50年代後期發展起來了火箭-榴彈聲技術，從而可以探測高層大氣（高至80千米）的溫度和風的分佈。60年代末，在原有“聲雷達”基礎上大大改進了的迴聲探測器對大氣物理的研究起了很大推動作用，導致了大氣聲學許多方面的進展，例如在聲傳播過程中相位和振幅起伏的研究，用次聲“透視”大尺度的大氣過程，高功率聲輻射天線附近的非線性效應，噪聲的問題，與多普勒效應有關的問題，等等。

在聲的大氣傳播過程中，聲強隨距離的衰減是個很複雜的問題。除去球面擴充套件、折射和散射等因素之外，還由於大氣本身的聲吸收。一種簡化而適用的吸收模型，是把吸收看成由三部分疊加組成：經典的粘性和導熱損耗（即經典吸收）、分子的轉動損耗以及大氣主要成分氧分子和氮分子的振動損耗。後兩部分是典型的弛豫過程。經典吸收和轉動損耗都與聲波頻率的二次方成正比，並與大氣的壓力和溫度有關；振動損耗則以共振峰的存在為特徵，出現極大值的頻率（吸收共振峰頻率）與大氣的溫度和溼度有關。

大氣中存在著的各種各樣的聲音可以分成自然的和人為的兩大類。前者主要來源於一系列氣象現象和其他地球物理現象，如颶風(颱風)、海浪、地震、極光、磁暴等。它們不僅產生可聽聲而且更產生次聲。經久不息的隆隆雷聲是由於雷電放電長度很大，也由於折射使聲波得到不同的延遲而造成的。風的呼嘯是由於大氣渦旋通過各種障礙物時被破壞而產生的。其他一些常見的自然聲則大多來自空氣流中某些物體的振動，如電線的嗡嗡聲、樹葉的沙沙聲等。人為的聲音中主要是工業和交通工具的噪聲，特別是超音速噴氣機飛行時產生的衝擊波傳播問題，更日益引起人們的注意。如果大氣條件有利於這種波的聚焦，那麼地面上的建築物和人的健康就會受到危害（見噪聲對人的影響）。隨著聲定位技術的發展，現在已可由若干個接收站測得的資料定出自然聲源或人為聲源的位置，這在預報臺風、地震以及偵察核爆炸、炮位中都有具體應用。隨著數字式資料處理技術的迅速改進，這類應用將日臻完善和廣泛。

參考書目

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