大气声学PDF电子书下载

第1章　绪论 1

1.1　学科范围和历史评述 1

1.2　大气结构及其声学特性 4

1.2.1　大气的分层结构 4

1.2.2　大气的湍流结构 6

1.2.3　大气的声学特性 7

1.3　大气中的热力学关系 10

1.3.1　状态方程和绝热方程 10

1.3.2　气压计方程和标高、等温大气和等温度梯度大气 11

1.3.3　位温和V？is？l？-Brunt频率 12

1.4　大气动力学基本关系 14

1.4.1　运动方程 14

1.4.2　连续性方程、状态方程、张量形式 15

1.4.3　守恒定律 16

1.4.4　位势高度和Coriolis力 17

1.5　大气波的类型 18

第2章　基本概念和处理方法 23

2.1　均匀大气中的波动方程 23

2.1.1　波动方程的推导 23

2.1.2　速度势（声势）、计及二阶微量的波动方程 24

2.1.3　Helmholtz方程 25

2.2　声波中的能量关系 26

2.2.1　声波能量、声能流密度 26

2.2.2　声波动量、声压的时间平均值 27

2.2.3　声波中的Lagrange密度 29

2.3　不均匀大气中的波动方程 31

2.3.1　波动方程和定解条件 31

2.3.2　存在解的概述 32

2.4　WKB近似 34

2.4.1　一般表述 34

2.4.2　Ajry函数 35

2.4.3　存在返转点时的场 37

2.5　简正波解 39

2.5.1　虚源图像 39

2.5.2　场的积分表示 40

2.5.3　简正波 41

2.5.4　界面为任意的情形 43

2.6　几何（射线）声学基本概念 44

2.6.1　波前、射线、程函 44

2.6.2　射线寻迹方程 45

2.6.3　Femat原理 46

第3章　大气中的声传播——折射和反射 49

3.1　静止均匀介质中的声传播 49

3.1.1　波前的参量描述 49

3.1.2　主曲率半径沿射线的变化 50

3.1.3　焦散面 51

3.2　分层不均匀介质中的声折射 52

3.2.1　声速梯度造成的折射 52

3.2.2　风速梯度造成的折射 54

3.3　大气中的声线 55

3.3.1　射线积分 56

3.3.2　波导中的射线 56

3.3.3　“反常”传播 57

3.4　静止介质中的振幅变化 60

3.4.1　静止均匀介质中的波振幅 60

3.4.2　沿射线的能量守恒：推广到缓变介质 62

3.5　运动介质中的振幅变化 63

3.5.1　运动介质中的声波方程 63

3.5.2　波作用量守恒 64

3.5.3　Блохинцев不变量 66

3.6　声波在两种介质分界面上的反射 66

3.6.1　平面波从刚性界面的反射 67

3.6.2　平面波从比声阻抗有限的平面上的反射 68

3.6.3　局部反应表面 69

3.6.4　反射表面上空的声场 70

3.7　地面的影响 71

3.7.1　多孔半空间上空的声场表式 71

3.7.2　地波和表面波 72

3.7.3　计算地面阻抗的四参量半经验公式 74

3.7.4　地面引起的超额衰减 75

3.7.5　地貌的影响 75

第4章　声波在大气中的散射和衍射 79

4.1　散射的基本概念 79

4.1.1　固定刚性体的散射 80

4.1.2　散射截面 81

4.2　从不均匀性上的散射 82

4.2.1　散射的微分方程 82

4.2.2　散射的积分方程 83

4.2.3　散射波的渐近表近 83

4.2.4　Born近似 84

4.3　大气湍流与声波的相互作用 85

4.3.1　声波与湍流的分离 85

4.3.2　湍流大气中的声波方程 86

4.3.3　湍流与声波的相互作用机制 89

4.4　湍流大气中的声散射 93

4.4.1　散射截面 93

4.4.2　功率比 94

4.4.3　功率谱 95

4.5　声波在静止大气中的衍射 96

4.5.1　局部反应表面上空的点声源 97

4.5.2　影区内的声场表式 99

4.5.3　衍射公式的级数表式 101

4.5.4　蠕波 102

4.5.5　蠕波的几何声学诠释 104

4.6　声波在运动大气中的衍射 105

4.6.1　基本方程和形式解 106

4.6.2　简正波展开 107

4.6.3　本征值的渐近表式 108

4.6.4　本征函数的渐近表式 110

4.6.5　衍场的近似表式 113

4.6.6　分析和结论 115

第5章　大气中的声吸收 119

5.1　经典吸收 120

5.1.1　黏性流体的运动方程——Navier-Stokes方程 120

5.1.2　导热方程 121

5.1.3　黏性-导热流体中声波的能量关系 122

5.1.4　黏性-导热流体中的吸声系数 123

5.1.5　实用的经典吸声系数 125

5.1.6　黏性-导热介质中的波模式 126

5.2　分子转动弛豫吸声 129

5.2.1　内自由度模式的吸收机制 129

5.2.2　转动弛豫的贡献 129

5.2.3　碰撞反应速率 130

5.2.4　转动弛豫吸声系数 131

5.3　分子振动弛豫吸声 132

5.3.1　振动受激分子的摩尔数变化率 132

5.3.2　动态绝热压缩系数 134

5.3.3　振动弛豫吸声系数 135

5.3.4　氧和氮的振动弛豫频率 136

5.3.5　水汽的摩尔分数（分子浓度） 137

5.4　总吸声系数和附加吸收 139

5.4.1　总吸声系数 139

5.4.2　附加吸声 140

5.5　雾滴和悬浮微粒的声吸收 141

5.5.1　历史评述 142

5.5.2　基本分析：质量转移过程 143

5.5.3　进一步的分析 144

第6章　重力场和地球自转的影响 148

6.1　静止大气中的波系 149

6.1.1　基本方程组和频散关系 149

6.1.2　内波 150

6.1.3　相速度和群速度 153

6.2　运动不均匀大气中的波 155

6.2.1　基本方程组及其处理步骤 155

6.2.2　向等温大气的过渡缓变大气 157

6.2.3　速度散度方程 158

6.2.4　能量密度和Lagrange密度 159

6.3　偏振关系 161

6.3.1　各微扰量之间的相位关系 161

6.3.2　粒子运动轨迹 162

6.3.3　复偏振项 164

6.4　Rossby波 164

6.4.1　地转风 164

6.4.2　Rossby波的形成 165

6.4.3　Rossby波的性质 167

6.5　外波 168

6.5.1　特性表面波 168

6.5.2　与内波的比较 170

6.5.3　边界波 172

6.6　大气潮 174

6.6.1　概述 174

6.6.2　理论 176

第7章　计算大气声学 181

7.1　快速场程序（FFP） 182

7.1.1　Helmholtz方程、轴对称近似 183

7.1.2　Helmholtz方程的解 186

7.1.3　接收器处的场 187

7.1.4　数值计算精度的增进 189

7.1.5　二维均匀大气的FFP解 190

7.2 抛物方程法Ⅰ：Crank-Nicholson抛物方程法（CNPE） 191

7.2.1　窄角PE和广角PE的导出 192

7.2.2　窄角PE和广角PE的有限差分解 194

7.2.3　密度剖面的影响 196

7.2.4　有限元解 197

7.3　抛物方程法Ⅱ：Green函数抛物方程法（GFPE） 198

7.3.1　无界、无折射大气 198

7.3.2　折射大气 201

7.3.3　三维GFPE法 203

7.4　射线寻迹 205

7.4.1　射线方程 205

7.4.2　数值积分的具体例子——台风次声射线寻迹 209

7.5　Gauss射线束法（GB） 210

第8章　大气声遥感 214

第Ⅰ部分　低层大气遥感 214

8Ⅰ.1　探测系统 214

8Ⅰ.1.1　收发合置系统 215

8Ⅰ.1.2　收发分置系统、Doppler回声探测器 217

8Ⅰ.2　声探测的物理基础 219

8Ⅰ.2.1　以脉冲探测大气不均匀性的原理 219

8Ⅰ.2.2　用电声换能器为散射区定界 220

8Ⅰ.2.3　声雷达方程 223

8Ⅰ.2.4　不相干散射、收发分置声探测方程 223

8Ⅰ.2.5　回声探测器方程 224

8Ⅰ.3　声探测器的输出 226

8Ⅰ.3.1　热卷流检测 226

8Ⅰ.3.2　逆温层监测 226

8Ⅰ.3.3　稳定条件和波 227

8Ⅰ.3.4　定量比较 228

8Ⅰ.4　用声雷达获取风速剖面的系统算法 230

8Ⅰ.4.1　从声雷达获取的Doppler频谱 230

8Ⅰ.4.2　Doppler频谱的空间分辨率 231

8Ⅰ.4.3　风速剖面的建模 232

8Ⅰ.4.4　加权函数和协方差 233

8Ⅰ.4.5　应用例子 234

8Ⅰ.5　被动遥感 236

第Ⅱ部分　高层大气遥感 236

8Ⅱ.1　高层大气声遥感的物理基础 237

8Ⅱ.1.1　折射 237

8Ⅱ.1.2　吸收 238

8Ⅱ.1.3　从声测量推断高层大气性质 238

8Ⅱ.2　遥感检测系统 238

8Ⅱ.3　大气中波动的识别 241

8Ⅱ.4　大气中具体存在着的次声波的被动遥感 243

8Ⅱ.4.1　全球次声监测网络 243

8Ⅱ.4.2　若干展望 245

第9章　非线性大气声学 247

9.1　声传播中的非线性效应 247

9.1.1　均匀介质中的平面波 247

9.1.2　激波简介 249

9.1.3　谐波的生成 251

9.1.4　非线性耗散波、Burgers方程 252

9.1.5　在非均匀介质中传播的非线性波 255

9.2　声爆 256

9.2.1　声爆基础理论 256

9.2.2　声爆的聚焦 259

9.2.3　激波的厚度 260

9.2.4　声爆模拟程序 260

9.3　对大气湍流中声波的晚近研究 261

9.3.1　间歇性的影响 262

9.3.2　小规模湍流各向异性的影响 262

9.3.3　准周期相干结构对回波信号低频功率谱的影响 263

9.3.4　相干结构对脉冲在ABL中传播的影响 264

9.3.5　中层大气中各向异性结构所引起的声散射 265

9.3.6　湍流对非线性波的影响 265

9.4　大气孤波 267

9.4.1　大气孤波的基本方程 267

9.4.2　对大气孤波的探测 271

第10章　大气中的声源 273

10.1　基本声源 273

10.1.1　单极子源 273

10.1.2　偶极子源 274

10.1.3　四极子源 275

10.1.4　活塞源 275

10.1.5　流体源 276

10.2 自然声源 277

10.2.1　海浪 277

10.2.2　重物落水 282

10.2.3　大火 283

10.2.4　大风 285

10.2.5　地震 287

10.2.6　火山喷发和陨石坠落 288

10.2.7　极光 288

10.2.8　其他 289

10.3　人工声源 290

10.3.1　飞机 290

10.3.2　火箭 290

10.3.3 高空爆炸 290

10.3.4　大气核试验 291

10.3.5　航天飞机的爆炸 291

参考文献 293