次声信号产生机理与特性分析

    0 引言

    频率低于20 Hz的声波为次声波。次声波由机械振动产生，通过各种弹性介质向四周扩散传播。自然界中极光、雪崩、流星或者陨石、地震、磁爆、火山爆发等都能生成次声波;在与人类相关的活动中，如火箭发射、工业化爆和核爆炸、导弹飞行、火炮发射等都可以产生次声波，甚至火车和地铁高速行驶时车身与空气的次声频耦合也能产生很强的次声波。

    次声波的频率低、波长长，在传播中被介质吸收少，可传播很长距离。例如 1961 年，前苏联在北极圈内新地岛进行的核试验激起的次声波绕地球传播了 5 圈［1］。次声波的穿透能力也很强，除了能穿透空气、海水、土壤外，还能穿透飞机机体、坦克车体，以及坚固的钢筋混凝土掩体等。

    次声还是一种重要的环境噪声，不同信号源生成的次声波特征差异很大，一般与激发次声的能量、信号源与拾取次声信号的传感器(或监测台站)之间的距离、传感器所处地理位置、季节条件、大气条件等多种因素有关。对于某一给定次声监测台站，不同时段次声的噪声能量可能相差多达 104倍。

    由于激发机理不同，监测到的次声波信号会表现出不同的信号特征。比如，核爆炸产生的次声波与火箭发射激发的次声波的信号特征就有明显区别。由此，可以根据传感器拾取的次声信号特征，反推和识别次声源的类别。这也是《全面禁止核试验条约》选择监测次声波作为监测大气层核试验的技术手段之一的技术依据。当然，自然界的次声现象要比已经掌握的情况复杂很多，相较而言，地震、放射性核素、水声和次声四种禁止核试验监测技术手段中，次声技术是发展最不成熟的技术手段。本文着重对爆炸、流星、闪电、地震等九大类次声源的次声波产生机理以及信号特征进行分析描述，以期对我国发展禁止核试验次声监测技术、次声数据处理技术有所助益。

    1 爆炸类［1］

    爆炸属于瞬间能量释放，一般持续时间很短，因此单次爆炸通常激发的次声波初至尖锐，持续时间相对较短。爆炸产生的次声波形态取决于爆炸当量以及观测点与爆炸源之间的距离。由于高频信号衰减快，因此距信号源较远观测点记录的信号主要是长周期号。对于大气中大当量的核爆炸，在离爆炸源大约1 000 km的地方，由于同温层与热层底部的反射，记录的次声波为一系列到时不同的波组;而在离爆炸源数千公里的远场，记录的次声波由首先到达的拉姆波与随后到达的数个有序声波叠加而成。除了大气中核爆炸之外，一般较大当量的地表或浅埋爆炸也能激发次声波，比如人类工业生产中矿爆、化爆，次声台站经常能监测到小规模的此类事件，而激发此类次声事件的爆炸源高度低、当量相对空爆要小得多，激发的次声波传播距离不是很远，形态往往与引爆方式有关。比如多点同时引爆的开矿爆炸与单点一次爆炸激发的次声波形态相似，而多点相继引爆(相继爆炸要复杂得多。一般的，小当量核试验产生的次声波频率在 0. 02 ～ 4 Hz，大型核爆炸则以长周期次声波为主。图 1 为典型核爆炸次声波。