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盘点那些与声学有关的交叉学科

来源：节选自《声学——与声学有关的交叉学科》PPT

声学之所以被认为是“最古老而又最年轻的学科”，其根本原因

是声学本身与其他许多学科之间存在着非常广泛的相互渗透关系，以

致形成许多相应的边缘学科，其中不仅涉及包括生命科学在内的几乎

所有主要的基础自然科学，还在相当程度上涉及若干人文科学。这种

广泛性不仅在物理学其他分支中，即使在整个自然科学中也是非常罕

见的。

现代声学是一门跨层次的基础性学科，研究从微观到宏观、从次

声（长波）到特超声（短波）的一切形式的线性与非线性声（机械）

波现象。同时，现代声学具有极强的交叉性与延伸性，它与现代科学

技术的大部分学科发生了交叉，形成了一系列诸如声化学、医学超声

学、生物声学、海洋声学、环境声学、建筑声学、语言声学等新型独

特的交叉学科方向，在现代科学技术中起着举足轻重的作用。现代声

学更是一门具有广泛应用性的学科，对当代科学技术的发展、社会经

济的进步、国防事业的现代化、以及人民物质与精神生活的改善与提

高中发挥着极其重要、甚至不可替代的作用。

次声学

次声学的研究范畴

次声是频率低于可听声频率范围的声，它的频率范围大致为10⁻⁴

Hz～20Hz。是研究次声波在媒质中的产生、传播和接收及其效应和应

用的科学。

次声学的发展历史

早在19世纪，人们就已记录到了自然界中一些偶发事件（如大火

山爆发或流星爆炸）所产生的次声波。其中最著名的是1883年8月

27日，印度尼西亚的喀拉喀托火山突然爆发，它产生的次声波传播了

十几万公里，当时用简单微气压计都可以记录到它。在理论方面，最

早在1890年，英国物理学家瑞利就开始了大气振荡现象的研究。

第一次世界大战前后，火炮和高能炸药的出现，提供了较大的声

源，促进了对次声在大气中传播现象的了解。在20世纪20年代还进

行了高层大气的温度和风对次声传播影响的研究，并建立了探测高层

大气的简单声学方法，为此还研制了灵敏度更高的微气压计、热线式

次声传声器。30年代发展了电容次声传声器。40年代后，利用声波在

大气中的传播速度与温度的均方根成正比关系的原理，提出了火箭-榴

弹次声法测定高层大气温度和风速的方法，发展了次声接收和定位的

新技术。

核武器的发展对次声学的建立起了很大的推动作用，使得次声接

收、抗干扰方法、定位技术、信号处理和次声传播等方面部有了很大

发展。

核爆炸会形成强大的次声源，它产生的次声波在大气中可以传播

得非常远，次声方法曾成为探测大气中核爆炸的主要方法之一。为此

建立了许多次声观察站，进行了长时期连续记录和观察。人们还发现

了大气中存在许多自然次声源，对它们的发声机制和特性进行了初步

的了解。

现在知道的自然次声源有：

火山爆发、流星、极光、电离层扰动、地震、晴空湍流、海啸、

台风、雷暴、龙卷风、雷电等。

认识并利用次声方法来预测它们的活动规律，已成为近代次声学

研究的重要课题。

长周期的次声波在电离层中传播，使电离层受到扰动，这种以声

重力波方式传播的次声波成为高空大气研究中非常活跃的课题之一。

次声波在大气中的传播特性

次声在大气中的传播具有衰减小并受波导和重力影响等特点。

次声在大气中的传播衰减小：

声在大气中传播的衰减主要是由分子吸收、热传导、和粘滞效应

引起的，相应的吸收系数与频率的二次方成正比。由于次声的频率很

低，所以大气对次声波的吸收系数很小。此外，湍流的作用也会引起

次声波的衰减，但是它们的影响都很小，通常可略去不计。

大气温度、密度和风速影响次声在大气中的传播：

大气温度、密度和风速随高度具有不均匀分布的特性，使得次声

在大气中传播时出现“影区”、聚焦和波导等现象。

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大气温度

当高度增加时，气温逐渐降低，在20公里左右出现一个极小值；

之后，又开始随高度的增加，气温上升，在50公里左右气温再次降低，

在80公里左右形成第二个极小值；然后复又升高。

大气次声波导现象与这种温度分布有密切关系。声波主要沿着温

度极小值所形成的通道（称为声道）传播，通常将20公里高度极小值

附近的大气层称为大气下声道，高度80公里附近的大气层称为大气上

声道。次声波在大气中传播时，可以同时受到两个声道作用的影响。