次聲波的物理性質(zhì)及其應(yīng)用

張津銘 龐鈞儒 李春燕

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 北京 100083)

次聲波的物理性質(zhì)及其應(yīng)用

張津銘 龐鈞儒 李春燕

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 北京 100083)

我們對(duì)次聲波在不同介質(zhì)中傳播的物理性質(zhì)進(jìn)行整理，結(jié)合近年來(lái)相關(guān)研究成果進(jìn)行分析，此外對(duì)產(chǎn)生次聲波的聲源進(jìn)行整理，對(duì)其在次聲監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述，對(duì)產(chǎn)生次聲波的多種方法進(jìn)行整理．較全面地刻畫出次聲波物理性質(zhì)的真實(shí)圖景，對(duì)引導(dǎo)人們以客觀理性的態(tài)度認(rèn)識(shí)次聲波很有意義．

次聲波 產(chǎn)生次聲 次聲聲源 次聲監(jiān)測(cè)

1 次聲波的物理性質(zhì)

次聲波的本質(zhì)是機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械波，是一種頻率極低的聲波．聲波的傳播需要介質(zhì)，在氣體和液體介質(zhì)中傳播時(shí)是一種縱波，而在固體介質(zhì)中傳播時(shí)可能混有橫波[1]．一般認(rèn)為次聲波是頻率低于20 Hz但高于氣候造成的氣壓變動(dòng)的聲波．人可以通過(guò)身體感覺而非耳朵聽覺來(lái)覺察次聲．次聲波具有很多特性[2]，比如易衍射，頻率低，能量衰減小，穿透能力強(qiáng)，由于聲波的穿透能力與頻率成反比，次聲波具有極強(qiáng)的穿透力；此外次聲波長(zhǎng)較長(zhǎng)帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是聚焦困難等[1]．次聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)體現(xiàn)出較大的差異，為了更全面地展示次聲的特性，我們?cè)诖髿狻⒑Ｑ蟆r層3種不同條件下對(duì)次聲波的這些性質(zhì)進(jìn)行刻畫．

次聲波在大氣中長(zhǎng)距離傳播時(shí)[3]，具有較高的波速和較長(zhǎng)的周期．不僅具有聲波的特性還會(huì)受到重力的影響，我們稱這些擾動(dòng)波為聲重力波[4,5]．次聲波在大氣中傳播的一個(gè)特點(diǎn)是容易受到介質(zhì)狀態(tài)的影響，一方面大氣分層引起波的折射，另一方面大氣湍流導(dǎo)致波的散射，次聲在大氣中的衰減近似指數(shù)型[6]，其衰減量主要取決于大氣的溫度、壓強(qiáng)和密度三大參數(shù)[7,8]．此外大氣次聲波可以長(zhǎng)距離傳輸能量，一定程度上對(duì)大氣的動(dòng)力學(xué)方面有影響．

巖石在變形破壞的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生明顯的次聲波，硬度高的巖石會(huì)產(chǎn)生頻率更高、幅度更大、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的次聲波[9]．次聲波在地下時(shí)可以看作以應(yīng)力波的形式在地介質(zhì)中傳播[10,11]，當(dāng)應(yīng)力波傳播到地面時(shí)會(huì)發(fā)生自由反射，使得地面受到激勵(lì)，產(chǎn)生反復(fù)的振動(dòng)，引起在空氣介質(zhì)中傳播的次聲波．

海水中聲音在傳播時(shí)受聲源深度、海底密度、溫度、鹽度、海流的影響[12]，對(duì)次聲波之類的遠(yuǎn)程波而言，海底密度對(duì)其傳播的影響較小；貼近海底傳播的聲波會(huì)隨著聲源深度的增大而增大；海底密度、溫度、鹽度、海流的影響可以統(tǒng)稱為海水中聲速的分布，它們主要影響了聲場(chǎng)的干涉結(jié)構(gòu)，對(duì)聲波能量的影響不大[13,14]．近年來(lái)，海洋中次聲頻段的噪聲分貝提高得很快，成為海洋噪聲污染的主要問(wèn)題．

2 次聲波的聲源

次聲波的聲源分類可以按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，可以分為脈沖性的次聲聲源和連續(xù)性的次聲聲源[15]，也可以分為人工和自然兩種聲源．

脈沖性的次聲波源如火山爆發(fā)、地震等，由各種頻率、強(qiáng)度的單頻諧振動(dòng)波構(gòu)成的脈沖波在在大氣中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳播，不同頻率的波速度不同，最后很窄的脈沖波就會(huì)被展成持續(xù)一段時(shí)間的復(fù)雜波形．連續(xù)性的聲源如海浪，會(huì)產(chǎn)生振幅很小、持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的次聲波．這種次聲波在微壓計(jì)上很常見，一般具有5～7 s的周期，振幅小于0.1 Pa，有的甚至可以持續(xù)數(shù)天之久．

次聲波也可以按產(chǎn)生的條件分為自然聲源和人工聲源．次聲波與很多自然現(xiàn)象都密切相關(guān)[16]，地震、海嘯、火山爆發(fā)、雷電、臺(tái)風(fēng)、極光、隕星墜落等，此外新西蘭湖底上升的天然氣泡[17]，冰川融化滑落的冰塊，阿爾卑斯山間的焚風(fēng)都可以作為次聲波的自然聲源．動(dòng)物界中，不少動(dòng)物也能產(chǎn)生并利用次聲，比如大象、長(zhǎng)頸鹿、藍(lán)鯨、孔雀、鱷魚等．人類活動(dòng)也能產(chǎn)生次聲．工業(yè)設(shè)備、汽車、火車、飛機(jī)、輪船、城市建筑群等等都是常見的人工次聲源，甚至人體本身也能產(chǎn)生次聲波．

一般環(huán)境中次聲達(dá)不到人感覺的最小閾值，很難對(duì)人體產(chǎn)生影響． 但是作為噪聲時(shí)，次聲影響還是不應(yīng)被忽視，有科學(xué)家對(duì)居民區(qū)附近的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組表示出擔(dān)憂[18]；此外城市本身產(chǎn)生的次聲，在夏季市內(nèi)會(huì)產(chǎn)生波及非常廣的次聲波場(chǎng)，建筑之間的氣流會(huì)互相影響產(chǎn)生低頻共振，有可能影響人們的健康．

3 次聲監(jiān)測(cè)

科學(xué)家們首次探測(cè)到次聲現(xiàn)象是在1883年．當(dāng)時(shí)，印度尼西亞的卡拉卡托火山的噴發(fā)，發(fā)射出一種波及全球的、人耳聽不到的聲波，甚至影響了氣壓計(jì)的讀數(shù)．20世紀(jì)30年代人類首次發(fā)現(xiàn)次聲波．第一次次聲研究熱潮興起于20世紀(jì)中葉，當(dāng)時(shí)次聲研究主要被應(yīng)用在核武器方面．隨著1963年《部分禁止核試驗(yàn)條約》的簽署，各國(guó)次聲監(jiān)測(cè)研究的熱情有所下降，并轉(zhuǎn)向非致命次聲武器的軍事研究．次聲研究再次進(jìn)入公眾視野源于1990年的《全面禁止核試驗(yàn)條約》．條約倡導(dǎo)在世界各地建立60余個(gè)次聲監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，希望將其構(gòu)建成為一個(gè)全球次聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．這些監(jiān)測(cè)站除監(jiān)控核試驗(yàn)之外，也為研究人類活動(dòng)和自然現(xiàn)象中的次聲發(fā)揮了重要的作用，更引發(fā)了人們對(duì)次聲更廣泛的研究．實(shí)際上，次聲武器并不是人們研究次聲最重要的方面，恰恰相反，次聲研究最重要的意義之一是保證《全面禁止核試驗(yàn)條約》[19]的效力．

次聲監(jiān)測(cè)技術(shù)隨核爆炸試驗(yàn)一起發(fā)展，根據(jù)各類參考文獻(xiàn)和相關(guān)報(bào)告，目前世界上開展核爆炸次聲探測(cè)技術(shù)研究的國(guó)家有：美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、中國(guó)、澳大利亞和日本等，其中美國(guó)對(duì)核爆次聲探測(cè)技術(shù)的研究工作最為深入．

次聲監(jiān)測(cè)已被聯(lián)合國(guó)列入全面核禁試條約的國(guó)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．次聲波遠(yuǎn)距離傳播和實(shí)時(shí)檢測(cè)是眾所周知和公認(rèn)的一種非常有效、既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方法，可以及時(shí)發(fā)布公報(bào)能為現(xiàn)場(chǎng)核查提供依據(jù)．最新的次聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供一個(gè)獨(dú)立的爆炸發(fā)生指示[20]，它與其他系統(tǒng)的結(jié)合將大大地提高鑒別核爆炸事件準(zhǔn)確度．它可以快速偵察，能在幾小時(shí)之內(nèi)反應(yīng)，及時(shí)報(bào)告用來(lái)支持其他測(cè)量．一個(gè)周密設(shè)計(jì)的次聲系統(tǒng)可以定位事件在100 km之內(nèi)，并且有極低的出錯(cuò)率．它主要對(duì)大氣層核爆炸，尤其是陸地上空的大氣層爆炸進(jìn)行檢測(cè)．此外，水聲系統(tǒng)和次聲系統(tǒng)的結(jié)合，那么監(jiān)測(cè)發(fā)生在海洋上空的核爆炸的效果也將更好．迄今為止，全球已建立了24個(gè)次聲監(jiān)測(cè)站．監(jiān)測(cè)站使用一套專業(yè)次聲麥克風(fēng)來(lái)檢測(cè)受檢聲音的強(qiáng)度、頻率以及來(lái)源．監(jiān)測(cè)站以每秒20次的頻率把檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)地發(fā)回位于維也納的全面禁止核試驗(yàn)條約組織總部．全球次聲監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，我國(guó)有兩個(gè)次聲站，分別位于北京和昆明．

近年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)建成近距離和遠(yuǎn)程次聲監(jiān)測(cè)站包括北京、杭州、廣州、昆明、蘭州等固定監(jiān)測(cè)站和若干臨時(shí)監(jiān)測(cè)站．其他機(jī)構(gòu)也在建造各自的次聲監(jiān)測(cè)站中．2015年中國(guó)計(jì)量院建立次聲源標(biāo)準(zhǔn)裝置有助于我國(guó)次聲傳感器研制水平和環(huán)境次聲監(jiān)測(cè)水平的提升，為次聲防護(hù)和應(yīng)用提供技術(shù)保障[21]．

4 人造次聲的方法

(1)爆炸產(chǎn)生法[22,23]

將壓縮空氣、高壓蒸汽或高壓燃?xì)庥锌刂频匾悦}沖式突然放出，利用高速排出的氣體激發(fā)周圍媒質(zhì)的低頻振動(dòng)，形成所需要的次聲波．爆炸所釋放出來(lái)的能量約有50%形成沖擊波，沖擊波衰減后又產(chǎn)生次聲波．

(2)振動(dòng)產(chǎn)生法[24,25]

利用揚(yáng)聲器式次聲產(chǎn)生器．其工作原理與揚(yáng)聲器相似，采用特殊的振動(dòng)膜片，膜片振動(dòng)可產(chǎn)生一定頻率的次聲波．但要產(chǎn)生一定強(qiáng)度的次聲波，除要求較大的振幅外;還必須使振動(dòng)膜面積足夠大，其周長(zhǎng)大致要與次聲波波長(zhǎng)相當(dāng)．

(3)頻率差拍產(chǎn)生法[26]

采用兩個(gè)不同頻率的聲波發(fā)生器同時(shí)工作，利用它們非線性頻差來(lái)獲得需要的低頻次聲波．其中有一種方法是利用壓電晶體產(chǎn)生兩束頻率稍有差異的超聲波，兩者作用產(chǎn)生高頻和次聲波，高頻聲波是兩者頻率之和，次聲波是兩者頻率之差，高頻聲波在空氣中很快衰減，次聲波則直達(dá)目標(biāo)．

(4)氣流產(chǎn)生法[27,28]

氣流聲源可以說(shuō)是一種通過(guò)一定氣動(dòng)過(guò)程將高壓或高速氣流能量轉(zhuǎn)化為聲能的聲源．利用氣流調(diào)制以產(chǎn)生聲音是一個(gè)比較有效的方法．它采用動(dòng)態(tài)控制風(fēng)扇葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的方式產(chǎn)生低頻次聲波，氣流聲源在次聲頻段仍然可以具有較好的性能，效率較高．

5 總結(jié)

次聲波距離人們的日常生活并不遙遠(yuǎn)，甚至可以說(shuō)次聲波無(wú)處不在．次聲波具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，比如能量衰減小、穿透能力強(qiáng)等，在不同的介質(zhì)中它的一些性質(zhì)也會(huì)發(fā)生有趣的變化．雖然它可以說(shuō)是一種微弱噪音，但是它同時(shí)又承擔(dān)起維護(hù)和平的重任．目前人們對(duì)次聲波的認(rèn)識(shí)還有待進(jìn)一步地加深，對(duì)次聲波的應(yīng)用也有待進(jìn)一步地發(fā)展，存在很大的潛力．

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PhysicsPropertiesofInfrasonicWavesandItsApplications

Zhang Jinming Pang Junru Li Chunyan

(College of Science,China Agricultural University,Beijing 100083 )

We organized the infrasound propagation in different medium physical properties; combining with the relevant research results in recent years was analyzed. In addition, the generation of the infrasound source, its application in the field of infrasound monitoring were reviewed, the variety of ways to produce infrasound. This article comprehensively depicts the true picture on physical properties of infrasound, to guide people to recognize sound very meaningful objective and rational attitude.

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2017-04-26)