次聲學(xué) infrasonics
研究次聲波的產(chǎn)生、傳播、監(jiān)測(cè)、識(shí)別、定位等及次聲波的生物效應(yīng)的學(xué)科聲學(xué)的一個(gè)分支，為20世紀(jì)50年代以來迅速發(fā)展的研究領(lǐng)域之一。
1.發(fā)展簡(jiǎn)史
早在1886年克拉克火山爆發(fā)產(chǎn)生的次聲波繞地球數(shù)周被接收到后，1908年西伯利亞大隕石墜落產(chǎn)生的次聲波在英國也被完整地記錄到。1962年物理學(xué)家G.C.庫克所著《大氣神奇的聲》引起廣泛的反響和關(guān)注，并進(jìn)一步開展了觀測(cè)和理論研究。
21世紀(jì)初，高靈敏度、極低頻次聲傳感器研制成功以及抗干擾技術(shù)的發(fā)展和提高，觀測(cè)和記錄系統(tǒng)才日臻完善。計(jì)算機(jī)技術(shù)在次聲領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)確定次聲波形、入射聲壓、傳播路徑的方向以及地面相速度、三維動(dòng)態(tài)譜等特性。
次聲的研究已括及次聲波、聲重力波和重力波的地面觀測(cè)、傳播理論、產(chǎn)生機(jī)制、儀器、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、電離層效應(yīng)、生物效應(yīng)等領(lǐng)域。
2.性質(zhì)及類型
次聲波是其頻率比最低聲頻（約15赫）還低的聲波。大部分的次聲波集中在0.001 1赫的范圍。它們通過大氣傳播，甚低頻的次聲波被吸收得很小。低層大氣中0.1赫的平面次聲波，吸收系數(shù)小于每干米分貝。因此，次聲波可傳播幾千千米的距離而沒有明顯的能量損耗。次聲傳播遠(yuǎn)的原因是大氣中存在距地面50千米和100千米的兩條聲道。
次聲波分為自然次聲波和人工次聲波兩種類型。前者包括流星、火山爆發(fā)、地震、氣象等自然現(xiàn)象產(chǎn)生的次聲波。后者是由于核爆炸、火箭發(fā)射等產(chǎn)生的次聲波。次聲波的種類和特征如表所示。
3.傳播
聲波在空氣中傳播受熱傳導(dǎo)和黏滯性的影響，聲能量隨傳播距離的增加而衰減，這種現(xiàn)象叫作空氣吸收。最簡(jiǎn)單的平面波的衰減
式中R是距離，p為離聲源為R處的聲壓，是一個(gè)常數(shù)，α是吸收系數(shù)，它可近似地表示為：
式中是大氣靜壓力，T是聲波的周期。對(duì)于一個(gè)周期為10秒的次聲波，代入上式可求得。倘若空氣吸收比單純由黏滯性和熱傳導(dǎo)所引起的吸收大1000倍，對(duì)于周期大于10秒的次聲波，在低層大氣中傳播時(shí)空氣吸收系數(shù)小于每千米分貝，基本上可不必考慮空氣吸收。
大氣核爆炸次聲波可傳播很遠(yuǎn)的另一個(gè)原因是大氣高20千米處存在一個(gè)低溫層，形成了一個(gè)非常適宜聲波傳播的通道。聲速隨大氣層的高度變化也同溫度隨高度有相類似的變化。由折射定律可知波的傳播方向總是指向低速區(qū)的，地面和50千米高度的高溫層形成了兩個(gè)聲音的反射面，聲波被限制在這一層大氣中傳播距離自然遙遠(yuǎn)。
4.次聲監(jiān)測(cè)
測(cè)量次聲波的儀器有多種，1903年探測(cè)大氣波的儀器是微氣壓計(jì)，它是根據(jù)浮在水銀上的鋁錐形鐘罩隨大氣中壓力的波動(dòng)而上下浮動(dòng)的原理制成。已采用的核心儀器是高精度寬頻帶電容次聲傳感器。其工作原理類似于電容微音器。
由于電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器的靈敏度可達(dá)到測(cè)量0.1微巴的信號(hào)。而且，輸出電信號(hào)也可達(dá)到每帕500毫伏的輸出，能直接連接記錄器、磁帶記錄器和模數(shù)轉(zhuǎn)接器，由計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行信號(hào)處理和分析。
次聲測(cè)量系統(tǒng)至少由4個(gè)次聲傳感器組成接收陣，以確定次聲波通過該觀測(cè)站時(shí)的5個(gè)基本特性，即入射聲壓幅度和波動(dòng)、波的傳播方向、水平相速度、多種振蕩頻率的聲波能量的分布及次聲出現(xiàn)的時(shí)間。計(jì)算機(jī)被用作陣元之間聲壓相關(guān)計(jì)算、次聲波圖的頻譜分析、三維動(dòng)態(tài)譜分析、定向和定位計(jì)算、水平傳播速度的計(jì)算、爆炸當(dāng)量的計(jì)算及提高信噪比的分析處理等。
次聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套集次聲波探測(cè)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)譜和相關(guān)分析、實(shí)時(shí)顯示、定位、識(shí)別指標(biāo)和分類為一體的高新技術(shù)，包括電容式次聲微音器、PC機(jī)、A/D和D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板及軟件配置。
次聲監(jiān)測(cè)能力與本底噪聲情況及當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件密切相關(guān)。風(fēng)是最常見的噪聲源。風(fēng)不僅影響次聲波的傳播，且地面風(fēng)產(chǎn)生的擾動(dòng)噪聲也影響次聲波的檢測(cè)。聲陣設(shè)計(jì)中需考慮風(fēng)干擾的背景，噪聲在陣元之間不相干，而對(duì)次聲信號(hào)則是相干的，次聲陣可提高信噪比。圓形次聲陣對(duì)接收人氣聲波具有良好的性能，對(duì)各種風(fēng)速產(chǎn)生的噪聲干擾有顯著的抑制作用。
5.應(yīng)用
大氣中存在兩個(gè)天然聲道，次聲波在聲道中上下來回反射傳播，利用這一特點(diǎn)可作為遠(yuǎn)距離的偵察手段。
次聲技術(shù)適用于核爆炸的偵察，以其實(shí)效、可靠、經(jīng)濟(jì)為特長。1958年日內(nèi)瓦裁軍會(huì)議上列為監(jiān)測(cè)手段之一。1994年列為全面禁止核試驗(yàn)條約中國際監(jiān)測(cè)糸統(tǒng)四種（次聲、地震、水聲、放射性核素）手段之一，已在全球建立60個(gè)次聲站，每個(gè)次聲站由間距1 3千來的四元次聲傳感器陣加抗干擾管陣組成，配備自動(dòng)數(shù)據(jù)采集并傳送至國際數(shù)據(jù)中心處理，可監(jiān)測(cè)地球上任何一個(gè)角落進(jìn)行的千噸級(jí)大氣核試驗(yàn)。
此外，次聲預(yù)測(cè)災(zāi)害性天氣，災(zāi)害性冰雹的監(jiān)測(cè)和臨近預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)7級(jí)以上地震，觀測(cè)日環(huán)食激發(fā)聲重力波，觀測(cè)臺(tái)風(fēng)及其路徑等獲得成功。
6.生物效應(yīng)
次聲的生物效應(yīng)特別是對(duì)人體的影響越來越引起科學(xué)家的重視。次聲波可使人失去控制，釀成車禍、事故等各種災(zāi)難，對(duì)此許多國家都競(jìng)相開展研究。
摘自：《中國大百科全書（第2版）》第4冊(cè)，中國大百科全書出版社，2009年
