大气中的声折射

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第550页（2069字）

大气虽然是声波的同一种媒质，但由于受温度和风的影响，各处特性会有不同。将引起声折射，现分别讨论如下：

(1)因风速引起：

人们日常会感觉到，当刮风较大时，在地面上顺风听声音要比逆风容易。

刮风时由于地面上万物的摩擦阻力，接近地面的风力逐渐降低，这样会破坏波阵面。假定靠近地面有一声源，在无风时它的波阵面为系列的同心球面。如〔11．2－1a〕所示。但刮风时，波形上端的移动要比低处的快，因此波阵面不再为圆球，而是如(b)所示那样受到了破坏。由于波阵面上任何一点的传播方向皆垂直于波阵面，故有风时顺风的声线的方向朝下弯曲，而逆风时的声线方向朝上弯曲。因此在地面上，声源的听者要比右方向的方便。右方的有时甚至根本听不到。

图11．2－1 大气中的声波(a)无风时，(b)有风时

(2)因温度引起：

由于上述声速对温度的依赖关系。暖和空气中的声波传播，要快于较冷的空气。这种不均匀性也会引起大气中声波的折射。夏天的下午，地面的空气要比上空高，因而往往会出现比较宁静的环境。在图11．2－2中令AA代表某一时刻由声源S发出的声波的波阵面，过一定的时刻以后近地面的P点所传播的距离x，要大于上空的Q点所传播的距离y，在AA上的其它点上所传播的距离连续地界乎这两者之间，若以P、Q及它们中间的其它点为中心，以x及y和它们中间其它距离为半径作圆弧，然后画出这些圆弧的包络面即为这一时刻声源S的波阵面，图中以B曲线代表。可以看出它已经向右倾斜，故其方向已发生变化，它不再平行地面传播。再过一时刻，同样可得出波阵面C。它倾斜的更多，因此，这种情况下声音就向上传播至高空中。在L位置(也可以在声源边侧)的听者就不大听得到了。如果这作为正的温度梯度的话，那么对于负的温度梯度，即近地面的空气比较凉时，情况就恰恰相反。它对应于夏天傍晚时的情形，这时波阵面的倾斜是使声音朝向地面传播。因此我们会感受到地面的听音条件夏日傍晚要比正午时良好一些。图11．2－3是表示这两种情况下的声音折射的简图。必须指出，实际上大气的折射要比刚才介绍的要复杂得多。因为不同的折射媒质之间的分界线并不是直线。此外，风速和温度变化的影响往往会同时存在。增加传播现象的复杂性。

图11．2－2 温度对大气中声波的影响

图11．2－3 温度对声音传播方向的影响

【参考文献】：

［1］IEC—327,Precision method for pressure calibration or one—inch standard condenser microphones by the reciprocity technique. 1971.

［2］1EC—486,Precision method for free—field calibration of one inch standard condenser microphones by reciprocity technique, 1974.

［3］IEC—150.Testing and calibration of ultrasonic therapeutic equipment, 1963.

［4］GB 3223－82，水声换能器的自由场互易校准

［5］GB 3785－83，声级计的电，声性能及测量方法

［6］GB 7341－87，听力计

［7］GB 7614－87，校准测听耳机用宽频带型仿真耳

［8］GB 7342－87，测听耳机校准用IEC临时参考耦合腔

［9］OIML R102，声校准器

［10］JJG 188－90，声级计

［11］JJG 698－90，积分声级计

［12］标准电容传声器有关国家标准及检定规程

［13］JJG 388－85，听力计