大气声学声波衰减由于大气对声波的吸收和散射,入射声波的强度在传播方向上逐渐减弱
它和光波在大气中衰减(见大气消光)一样,通常按指数律衰减
引起衰减的机制为:①空气分子的经典吸收
这由空气分子的粘性和热传导所造成
分子粘性使声波传播时所引起的空气运动受到阻尼,声能用于克服摩擦力而转变为热能
粘性越大,振动越快(声频越高),声波的衰减越大
声波在空气中传播时,引起空气微粒的机械振动,使气体介质不断发生疏密变化
气体密(压缩)时要增温,疏(膨胀)时要降温,由此各部分之间形成了温差
由于空气的热传导,热量将从高温处向低温处输送,这些能量不能再还原为声波机械振动,从而造成声波衰减
②空气分子的吸收
声波传播造成分子转动和振动的能量变化,当这些能量重新转换为声能时,出现了时间张弛,使部分声能损耗而转化为热能
经典吸收和转动吸收都和声波频率f的平方成正比,声波衰减系数α ,Po为准大气压(1013.25百帕),P 为实际气压(百帕),To为293K,T 为实际气温(K)
当P=Po,T =To时,衰减系数α约为1.6×10-7f2分贝/公里
在分子振动能级引起的衰减中,被激发的氧和氮的振动能由于和水汽分子的振动能级相近,产生了能量转移,最后被激发的水汽分子产生红外辐射而消耗了声能
因此分子振动衰减同声波频率和大气中水汽含量均有关系
对相对湿度不同的大气,声波的衰减系数随声波吸收频率变化的曲线而不同,但都出现明显的峰值
并且峰值都位于相对湿度低的区域(<30%),峰值衰减系数较经典吸收大1~2个量级
③散射衰减
由于大气温度和风速的小尺度不均匀性,使部分声波能离开原传播方向而散射,引起原传播方向声波的衰减
衰减量与大气湍流状态密切相关
强湍流时的声波衰减和分子振动衰减同量级
频率越高,声波散射越强,衰减也越大
④云雾衰减
实测表明,云雾对低频声波和次声波衰减的作用较强,这类声波导致了云雾滴和空气中的水汽之间较强的热量和动量交换,以及质量转移和潜热释放
对一般可闻声频段,云并不引起额外的衰减
总体而言,可闻声在大气中衰减很大,传播距离不超过几十公里,而次声波衰减很小,可传播数千公里
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