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监 测 与 评 价 次声信号产生机理与特性分析 刘俊民唐伟王晓明王海军唐恒专 禁核试北京国家数据中心， 北京 100085 摘要 次声监测技术是 全面禁止核试验条约 规定的四种监测技术手段之一， 用来监测大气层中的核爆 炸。根据次声台站监测过程中经常需要分析处理的次声信号类别， 着重介绍分析爆炸、 火山喷发、 地震等 令人震撼的事件以及微气压、 海浪等日常司空见惯的自然现象激发次声波的机理及其信号特征。这些特 征对于次声监测数据处理、 去噪降噪、 目标分类与识别等具有重要意义。 关键词 次声; 次声产生机理; 次声特征; 次声噪声 ANALYSIS OF MECHANISM TO PRODUCE INFRASOUND SIGNALS AND ITS CHARACTERISTICS Liu JunminTang WeiWang XiaomingWang HaijunTang Hengzhuan Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Beijing National Data Center，Beijing 100085，China AbstractInfrasound monitoring is one of the four monitoring technologies stipulated in“The Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty” . According to the kinds of infrasonic signals during infrasound wave monitoring，the inspiration mechanism of infrasound and its signal characteristics are stated and analyzed in this paper. The discussion is concentrated on the infrasound caused by explosion，volcanic eruption，earthquake and so on，which make people scared，also caused by microbaroms，surf and so on，which are quotidian things.These mechanism and characteristics are important to infrasound monitoring data processing，noise deducting，and event identifying. Keywordsinfrasonic sound;infrasound mechanism;infrasonic characteristics;infrasonic noise 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， 可以传播很长距离。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 29 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 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 期信号。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 时间间隔持续较长时 的开矿爆炸所激发的次声波 形态就要复杂得多。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。 图 11976 － 11 － 17 我国大气层核试验次声波波形 2流星类 流星是一种常见的次声源 ［ 2］。大的流星体以超 音速进入大气层， 速度通常在 10 ～ 75 km/s。在进入 大气层后的飞行过程中先激发出柱状冲击波， 通过远 距离传播和大气层的低通滤波， 冲击波将转换为次声 波。在大气层中高速飞行时， 由于摩擦， 流星体被不 断加热， 最后燃烧， 或发生爆炸而生成球面波。与流 星情况类似的还有人造航天器的返回， 同样由高空向 地面运动， 具有速度高、 发光等特点， 如我国的神舟号 飞船在返回地面的过程就宛如流星。航天器返回地 球穿过大气层时虽被气流高速摩擦加热， 但一般不会 发生爆炸。该类次声信号的特点还有 1 流星进入大气层具有很强的随机性， 通常不 会反复出现在同一个区域， 无法对其方位角进行预 测; 人造航天器返回的路径与时间预知， 可根据着落 场与监测台站的位置， 预先估算信号方位角。 2 由于信号源的运动速度远大于声速， 且流星 体在通过大气层时可能发生一次甚至多次爆炸。因 此， 次声台站记录的信号复杂， 难以确定台站记录的 首波属于哪次爆炸及由哪个声道传播。 3闪电 雷暴 闪电是大气中的强放电现象。按其发生的位置， 可分为云中、 云间或云地之间三种形式。其中云中、 云间闪电占大部分， 而云与地面间的闪电仅占六分 之一。 闪电发生时， 闪电通路中的空气突然剧烈增热， 使它的温度高达15 000 ～ 20 000 ℃ ， 因而造成空气急 剧膨胀， 通道附近的气压可增至一百个大气压以上。 紧接着又迅速冷却， 空气很快收缩， 气压减低。这一 骤胀骤缩都发生在千分之几秒内， 所以在闪电爆发的 一刹那， 会产生冲击波。冲击波以5 000 m/s的速度 向周围传播， 在传播过程中， 能量衰减很快， 波长逐渐 增长。在闪电发生后 0. 1 ～ 0. 3 s， 冲击波就演变成声 波， 这就是我们听见的雷声。随着能量进一步向外传 播， 频率继续衰减， 产生次声波。次声监测台站监测 到的闪电次声波通常具有以下特点 ［ 3- 7］ 1 明显的季节性分布。主要分布在夏季， 其余 季节发生概率较小。 2高 度 通 常 在 海 拔 50 km 以 下、 半 径 不 超 过 100 km。少数情况下， 能监测到300 km以外的闪电 次声信号。 3 云地间放电， 信号方位角单一， 持续时间短; 云间放电， 通常持续时间在30 s以上， 历史上曾记录 到持续时间为78 s的云间放电次声信号; 云间闪电发 生时， 最初的 10 ～ 20 ms内垂直向上 正常极性 或向 下 反极性 发展， 之后转为水平方向传输， 信号方位 角存在明显偏移。 4地震次声波 大地震引起的次声波主要有以下几种机理 39 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 1 随震次声波 ［ 8］ 当地震面波的垂直分量经过时， 近地面空气随地震面波上下振动而形成次声波。由于 地面 － 空气界面处质点的垂向速度必须相等， 故次声 波跟随地震面波向前传播， 其速度与地震波的水平径 迹速度一样， 因此这类次声波的线速度非常大 每秒几 千米 ， 利用该特征可鉴别这类次声波。 2 震中附近地面运动产生次声波， 该次声波以声 速传播。研究表明如 1964 年 3 月与 2002 年 11 月的阿 拉斯加大地震， 当地震波通过某个区域时， 由于该地区 地面运动而产生次声波。 3 当地震面波通过高山地区时， 由山体运动激发 长周期次声波。图 2 为典型地震次声波。 图 22002 － 10 － 23 阿拉斯加地震次声波 I53US 5极光 当太阳活动发生剧烈变化时， 带电粒子被加速， 并沿磁力线运动， 从极区向地球注入时产生冲击波， 冲击波经衰减形成次声波。同时， 这些带电粒子撞击 高层大气中的气体分子和原子， 使后者被激发 － 退激 而发光。不同的分子、 原子发出不同颜色的光， 这些 单色光混合在一起， 就形成多姿多彩的极光。极光一 方面与地球高空大气和地磁场的大规模相互作用有 关， 另一方面又与太阳喷发出来的高速带电粒子流有 关。极光次声信号特性如下 1迹 速 度 高， 通 常 大 于 0. 6 km/s; 信 号 带 宽 0. 02 ～ 0. 5 Hz， 信号峰峰值可达0. 3 Pa， 信号源位于 热层反射区。 2 I53US 次声台站对极光次声信号的监测表明， 信号源位于费尔班克斯附近时， 次声信号可源于任何 方向， 次声台站记录的次声信号与光学设备记录的极 光之间有 5 ～ 6 min的时间延迟。 3 该类次声信号与太阳活动规律有关， 具有一 定的可预测性， 可根据相关天文研究机构对太阳活动 的观测结果， 预测极光可能发生区域。 4 极光发生时， 在记录到次声信号的同时， 能观 测到地磁场扰动。 6火山喷发 火山喷发是重要的次声源之一。火山喷发时， 由 于岩浆溢出与排气， 导致火山口周围大气扰动， 因而 产生次声波。这种次声波通常包含两部分， 前期因爆 发排气形成冲击压缩波， 持续时间 0. 6 ～ 1. 5 s; 随后 是由岩浆溢出产生较长持续时间的舒展波。火山喷 发的岩浆量与喷发规模有关， 从数千吨至数百万吨不 等。由此产生的次声波的主导频率及强度也与喷发 规模有关， 被监测到的信号主频与幅值还与监测距离 有关。大规模火山喷发产生的次声波， 在近场区域 50 km 以 内 声 压 强 度 可 达 数 千 微 巴，即 使 在 1 000 km以外， 也能达数百微巴。火山喷发次声信号 的主要特征如下 ［ 9- 11］ 1 视速度要明显高于声速。1955 年以来， 通过 对日本九州附近 Sakurajima 火山近 8000 次喷发的观 测研究， 其视速度介于 342 ～ 572 m/s之间。 2 尖锐脉冲过后一系列相对较低强度和频率的 脉冲串。由于气体释放非常快， 排气过程中出现尖锐 的脉冲信号如图 3 所示; 在岩浆溢出阶段， 喷发更为 频繁， 形成多个脉冲， 其信号幅值较低。火山灰较多 的喷发， 连续喷发出气体与火山灰， 次声信号持续时 间达数十秒之久， 在初始脉冲之后有后续信号出现。 若在岩浆溢出过程中连续发生多次喷发， 通常具有清 晰的初 始 脉 冲， 整 个 波 形 与 地 震 很 相 似。如 图 4 所示。 图 3排气次声波 台站距火山出口 1 km 图 4排气后岩浆溢出次声波 台站距火山口1 km 3次 声 信 号 持 续 时 间 长。巴 布 亚 新 几 内 亚 Manam 火山在 2005 年 1 月 27 日喷发时， I53US 台站 49 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 记录到时间长39 min， 信号幅值达0. 3 Pa的次声信号 23∶ 12 ～ 23∶ 51UT 。 4 传播距离远。较大规模的火山喷发产生的次 声波可以传播很远的距离， 如费尔班克斯台站就曾记 录到 El Chichon 火山 6 617 km 、 Galunggung 火山 8 297 km 、Awu 火 山 9 471 km 、Manam 火 山 9 358 km 喷发产生的次声波。 7海浪 海浪激发次声波的机理主要有三种 a. 海浪运 动导致大体积空气的压缩与膨胀; b. 波浪到达海滩 或暗礁后能量减弱， 空气体积突然减小， 该类声波波 长取决于波浪高度及其长度; c. 波浪冲击海岸。海 浪激发的次声波频率通常在 2 ～ 5 Hz之间。海浪次 声信号为一系列可变信噪比单循环脉冲， 通常为脉冲 群， 可以持续数小时， 是沿海地区次声台站监测的主 要噪声之一。目前 CTBT 国际监测系统台站 IS59 在 识别海浪信号时使用两个震相， 基于方位角分类。 图 5 为典型海浪次声波信号。IS59 台站记录到的海 浪次声波具有如下特征 1 1 ～ 4 Hz 内 信 号 具 有 相 干 性， 能 量 峰 值 在 2. 2 Hz附近。 2 波速通常小于350 m/s， 与声速接近， 表明信号 源距离次声监测台站较近。 3 该类次声信号的频率、 波速、 幅值随季节变化 不大。 4 传播距离为10 km时， 方位角偏差可达 5。 图 5海浪产生的典型次声波波形 8微气压波动 在开阔的洋面上， 连续不断的强暴风雨也能产生 次声波， 称为微气压次声波 ［ 1］。在地球表面几乎任 何地方都存在微气压次声波， 该次声波周期在 4 ～ 8 s， 持续时间数小时至数天， 振幅为数微巴， 其能量 峰值随频率分布与千吨级爆炸类似。由于大气层上 层的平均风速可能在一天或者半天内发生改变， 因此 微气压次声波幅值也会随之改变， 从而导致波导也发 生相应变化。微气压次声波监测距离在 0 ～ 0. 6 km 时有高度的相关性， 而大于5 km时则相关性很低。 微气压次声波是频率0. 2 Hz左右的重要噪声源， 因此 在设计 IMS 次声阵列时， 需考虑微气压噪声源的影 响。图 6 为 IS07 次声台站记录的典型微气压次声信 号。微气压次声波的信号特征主要有以下几点 1 相干信号能量峰值在0. 2 Hz附近。 2 信号持续时间长， 可延续数天。 3 具有较宽的波速范围 通常在 340 ～ 400 m/s。 4 方位角延展范围较大， 通常大于10， 与根据台 站孔径和采样率计算值相比明显偏大， 可能与信号源 在给定时间内的空间扩展有关。 5 由于低气压随大气环流而运动， 因而方位角 随时间推移而变化， 在较短时间间隔内方位角能相差 几十度。 图 6微气压次声信号 I07AU 9与山脉关联的次声波 当强风 风速大于30 m/s 垂直吹向陡峭山体时 能导致气体产生波动， 该大气波动随海拔升高而增 强， 并且在海拔 20 ～ 25 km处产生大气扰动， 形成与 山脉相关的次声波， 周期在 20 ～ 50 s之间。该类次声 波产生于对流层中的大气扰动， 存在于高山顶部， 是 重要的自然次声源之一， 有时能覆盖微气压产生的次 声波。监测到的该类次声波信号具有以下特点 1 持续时间长。可能在数天内持续被检测到。 2 水平波速集中在 340 ～ 400 m/s之间。 3 使用 0. 02 ～ 0. 05 Hz频带滤波后， 为一准单频 相干波形信号。 10小结 次声作为一种物理现象， 在自然界普遍存在。随 着研究工作的不断深入， 尤其是对于地震、 火山喷发、 海啸等自然现象激发的各种次声的观测和研究， 使得 次声监测在减灾救灾等人道主义援助方面应用前景 逐渐清晰。在全面禁止核试验条约 核查机制中， 次声监测技术原本是用于监测大气中核试验爆炸的， 59 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 但是随着对次声产生机理 如地震激发的随震次声 等 的认识和检测技术的发展， 研究人员已经开始关 注次声监测在对地下核爆炸和水中 海洋中 核爆炸 监测中的作用。 截止 2009 年 6 月底， 禁核试条约组织已经完成 了 42 个国际次声监测台站的建设， 其中 41 个台站完 成了核准， 并向国际数据中心传送实时数据。我国境 内的两个次声监测台站 IS15、 IS16 在 “十二五” 期间 将完成建设。本文所讨论的次声波产生机理及其信 号特征， 也将是我国次声监测台站监测到的主要次声 类别以及开展次声数据处理与信号分析、 噪声与目标 识别等研究工作需要考虑的内容。 参考文献 ［1 ］ 张利兴. 禁核试核查技术导论［M］ . 北京 国防工业出版社， 2005 156- 197. ［2 ］ Ludwik Liszka.Infrasonic observations of meteors in northern Sweden［R］ . 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Bulletin of Volcanology，2009，72 1 1- 15. 作者通信处刘俊民唐伟100085北京市海淀区清河毛纺路 39 号禁核试北京国家数据中心 E- mailtangwei851 126. com 2010 － 03 － 05 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 78 页 4. 3减少一次性投资 本工程填埋库区采取分期设计时减少的一次性 投资主要包括两个方面 a. 减少渗滤液处理规模 70 m3/d， 从而减少渗滤液处理站投资约 110 万元; b. 减少填埋库区初期工程量， 从而减少填埋库区一次性 投资 547. 03 万元。二者合计约 657. 03 万元。 4. 4加快工程进度 由于工程减少， 必将加快渗滤液处理站和填埋库 区的施工进度。 4. 5减少初期运行费用 本工程填埋库区由于采取分期设计， 减少了渗滤 液处理量约70 m3/d， 从而减少了渗滤液处理站的运 行费用; 另外， 由于减少了一次性投资约 657. 03 万 元， 因而显著减少了财务费用。 5结语 通过福建省连城县生活垃圾卫生填埋场工程设 计说明， 根据不同的地形条件， 对填埋库区采取相应 的分期投建， 取得了良好的经济效益， 有利于顺利推 进生活垃圾处理产业化发展。 参考文献 ［1 ］ CJJ17 － 2004生活垃圾卫生填埋技术规范 ［S］ . ［2 ］ CJJ112 － 2007生活垃圾卫生填埋场封场技术规程 ［S］ . ［3 ］ CJJ113 － 2007生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范 ［S］ . ［4 ］ GB16889 － 2008生活垃圾填埋污染控制标准 ［S］ . ［5 ］ 建设部， 环保总局， 国家计委， 科技部城市垃圾处理及污染防 治技术政策 ［S］ . 2000. ［6 ］ 闽政［ 2002］ 46 号福建省人民政府关于推进城市垃圾处理产 业化发展若干意见 ［S］ . 作者通信处邱香贵350003福州市鼓楼区环保路 8 号福建省 环境保护设计院 E- mailfzqxg 163. com 2009 － 12 － 01 收稿 69 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期