次聲學(xué) infrasonics
研究次聲波的產(chǎn)生、傳播、監(jiān)測、識別、定位等及次聲波的生物效應(yīng)的學(xué)科聲學(xué)的一個分支，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，并進一步開展了觀測和理論研究。
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，觀測和記錄系統(tǒng)才日臻完善。計算機技術(shù)在次聲領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠?qū)崟r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、傳播理論、產(chǎn)生機制、儀器、系統(tǒng)設(shè)計、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。對于一個周期為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，對于周期大于10秒的次聲波，在低層大氣中傳播時空氣吸收系數(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的另一個原因是大氣高20千米處存在一個低溫層，形成了一個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。
4.次聲監(jiān)測
測量次聲波的儀器有多種，1903年探測大氣波的儀器是微氣壓計，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而上下浮動的原理制成。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到測量0.1微巴的信號。而且，輸出電信號也可達到每帕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，由計算機直接進行信號處理和分析。
次聲測量系統(tǒng)至少由4個次聲傳感器組成接收陣，以確定次聲波通過該觀測站時的5個基本特性，即入射聲壓幅度和波動、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)的時間。計算機被用作陣元之間聲壓相關(guān)計算、次聲波圖的頻譜分析、三維動態(tài)譜分析、定向和定位計算、水平傳播速度的計算、爆炸當(dāng)量的計算及提高信噪比的分析處理等。
次聲監(jiān)測系統(tǒng)是一套集次聲波探測、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、動態(tài)譜和相關(guān)分析、實時顯示、定位、識別指標(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、A/D和D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板及軟件配置。
次聲監(jiān)測能力與本底噪聲情況及當(dāng)時當(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)生的擾動噪聲也影響次聲波的檢測。聲陣設(shè)計中需考慮風(fēng)干擾的背景，噪聲在陣元之間不相干，而對次聲信號則是相干的，次聲陣可提高信噪比。圓形次聲陣對接收人氣聲波具有良好的性能，對各種風(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，利用這一特點可作為遠距離的偵察手段。
次聲技術(shù)適用于核爆炸的偵察，以其實效、可靠、經(jīng)濟為特長。1958年日內(nèi)瓦裁軍會議上列為監(jiān)測手段之一。1994年列為全面禁止核試驗條約中國際監(jiān)測糸統(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個次聲站，每個次聲站由間距1 3千來的四元次聲傳感器陣加抗干擾管陣組成，配備自動數(shù)據(jù)采集并傳送至國際數(shù)據(jù)中心處理，可監(jiān)測地球上任何一個角落進行的千噸級大氣核試驗。
此外，次聲預(yù)測災(zāi)害性天氣，災(zāi)害性冰雹的監(jiān)測和臨近預(yù)報，預(yù)報7級以上地震，觀測日環(huán)食激發(fā)聲重力波，觀測臺風(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，對此許多國家都競相開展研究。
摘自：《中國大百科全書（第2版）》第4冊，中國大百科全書出版社，2009年
