次声波综述

浅谈次声波

1.引言

在声波的频段划分中，人们把频率低于20Hz的声波称作次声波。次声普遍存在于多种现象中。由于人耳只能听到频率在20~20kHz范围内的声音，所以长期以来次声没有引起人们过多的注意。

在自然现象中，地震、火山爆发、风暴、雷暴、磁暴、陨石落地、大气湍流等都会产生次声波。人类的活动，如核爆炸、人工爆破、火箭起飞、飞机起降、奔驰车辆的振动等也会产生相当强的次声波。另外，还可以人为制造声源——次声发生器。这种发生器的工作很像风琴管，可以具有较大的功率。

次声波和声波一样，其传播遵循声波传播的一般规律，但由于它的频率很低，在传播时也有自己的特殊性。次声波在20℃的大气中的传播速度为334m/s。由于次声波的频率低，波长大，容易发生衍射，在传播过程中遇到障碍物很难被阻挡，经常会一绕而过，在有些情况下，哪怕是巨大的山峦也无法阻挡它的传播。另一方面，声波在传播过程中，频率越高，衰减越大。次声波由于频率很低，在传播过程中衰减很小。当次声波在大气中传播几千千米时，空气对其吸收还不到万分之几分贝。因此，次声波可以在空气、地面等介质中传播得很远。

近些年来，对次声波有了较多的关注和研究，逐渐发现它在各个方面的应用价值。次声波的应用前景大致有这样几个方面：

（1）通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，更深入地研究和认识这些自然现象的特征与规律。例如，利用极光所产生的次声波，可以研究极光活动的规律。

（2）利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。例如，通过接收核爆炸、火箭发射或者台风产生的次声波，来探测出这些次声源的有关参量。

（3）预测自然灾害性事件。许多灾害性的自然现象，如火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等，在发生之前可能会辐射出次声波，人们就有可能利用这些前兆现象来预测和预报这些灾害性自然事件的发生。

（4）次声波在大气层中传播时，很容易受到大气介质的影响，它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系。因此，可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中的传播特性，探测出某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。

因此对次声波的检测显得越来越重要，鉴于次声信号的低频特点，对次声传感器的特性便有特殊要求。常见的次声波传感器有电容式、动圈式以及光纤等。目前市场上次声波检测装置基本上是采用电容式传感器，特别是驻极体电容传感器。

2.次声波的探测技术及研究现状

2.1电容式次声探测器

2010年，O.V.Achemtov的小组报道了[1]一种液体次声传感器。如图1所示就是这种传感器的基本结构。该传感器有两个联通室构成，里面封装了用于测量液位的电容器，一个测量室直接与大气相连，而另外一个则通过一根毛细管与大气相连，则当外界压力均匀时，液位在联通室的1/2处。当外界压力发生变化时，

液位的变化将会导致电容器的电容值发生变化。液位的变化是通过AD7764转换器转化为电压的变化。这种传感器结构简单，操作方便，而且有很高的灵敏度。它的分辨率可以达到0.02Pa。

图1.液体次声波传感器示意图（1）铸件（2）连通管（3）隔板（4）电容器极板（5）液体

2.2 动圈式次声传感器

动圈式次声传感器[2]的结构如图2所示，将约80匝80mm*65mm的矩形线圈固定在130mm*130mm的PET薄膜上构成次声传感器，薄膜用铝框绷紧。当次声波到达薄膜时，薄膜将带动感应线圈，使线圈在磁场中振动，并切割磁力线，线圈两端会产生感应电动势和感应电流，从而实现声电转换。次声波的频率高，膜的振动频率就高，音圈中感应电动势和感应电流变化的频率也就越高；次声强度越大，振膜的振动幅度就越大，音圈中产生的感应电动势和感应电流的幅度也越大。线圈中的感应电信号经过电路处理后，利用示波器即可直接测量输出电压。

图2 动圈式次声传感器示意图

2.3光纤声传感器主要类型

对低频、次声波的探测，目前常见的低频声传感器有电容式、动圈式等。这些技术主要基于电容、压电等电学检测机制，探测端对外界电磁信号的干扰无能

为力，这必然严重限制了低频、低频声传感器应用于需要高绝缘性能，良好抗电磁干扰能力的特殊应用环境。而光纤次声传感器就具有这些优点。

2.3.1相位调制型光纤声传感器

相位调制型光纤声传感器可通过外界声波对光纤的压力作用改变光纤纤芯的折射率及长度，从而引起在光纤中传播光束光程发生变化，导致相位变化，但由于光频过高，目前的探测技术无法直接检测光波相位的变化，必须将相位变化转换为随相位变化的光强，通过信号解调得出声波的信息。通常采用的相位调制型光纤声传感器主要基于四种干涉仪原理：Mach-Zehnder干涉仪、Michelson 干涉仪、Fabry-Perot干涉仪和Sagnac干涉仪。

2003年，美国报道了一种光纤式次声传感器[3]，其频率响应为1-10Hz。其原理图如图3所示。这种光纤式次声传感器的工作原理是将一对光纤顺着缠绕在密封的管子上，当周围的压力发生改变时，光纤对密封的管子上产生的机械张力产生反应，通过光纤的“2-1-1”缠绕方法，在相同压力下使得其中一根光纤的拉伸比其他的光纤要长一些，然后通过干涉测量法来测得两根光纤的长度差，然后通过这个长度差来推算出作用在传感器上的压力，通过这种方法来探测次声波。

图3 光纤次声传感器装置图

光纤光栅声音传感器是以光栅的谐振耦合波长随外界参量变化而移动为原理。光纤布拉格光栅是光纤传感器的一种敏感器件。其原理是在光纤中写入按照设计要求的周期性折射率变化区，形成窄带的滤波器或反光镜。当宽带光源的输出光经过一个光纤布拉格光栅时，根据模式耦合理论可知，波长满足布拉格条件的光将被反射回来，其余波长的光则被透射。当传感光栅周围的应力随声压发生变化时，将导致有效折射率或光栅栅距的变化，从而产生传感光栅相应的中心反射波长偏移，实现声压对反射信号光的波长调制。图4是光纤光栅的麦克风传感器头[4]，声音很容易通过振动作用于光纤光栅，导致光栅常数变化。通过该光栅的投射光（反射光）中心波长会发生改变，波长的变化幅度随声场的强度而变。因此声音调制的是光波长。