工程声学/雷声学

雷声 定义为与闪电放电后产生的冲击波相关的声波特征。几千年来，雷声一直吸引着人类，也令他们感到恐惧。对这种现象的早期解释包括希腊神话中宙斯及其属下之间的战斗，或亚里士多德提出的云层在空中碰撞。直到 19 世纪后期，科学界才发现真正的物理原因，即狭窄通道被加热到约 24000K。通道内的空气分子电离，产生强大的冲击波，可在高达 25 公里的距离内听到，具体取决于风速。

闪电基础

图 2. 云对地 (CG) 放电的 4 个组（改编自闪电：物理和效应（2003））。

闪电放电主要有两种类型：云对地 (CG) 和云内 (IC)，后者占所有放电的约 3/4（然而，还有其他不太常见的放电类型，例如球状闪电）。

CG 可以分为 4 个组：

(a) 向下负极（所有 CG 中 90% 属于此类），

(b) 向上正极，

(c) 向下正极，以及

(d) 向上负极。

电荷主要有三种模式可以从云层传送到地面（见图）

1. 先导-回击序列。
2. 持续电流（持续数百毫秒），是长时间的准静止电弧。
3. M 分量（以 D.F. Malan 的名字命名，他于 1930 年代首次研究了这些过程），是持续电流（第二种模式）期间的瞬态过程。

图 3. 电荷传送到地面的三种主要模式（改编自闪电：物理和效应（2003））。

雷声的产生

“雷声可以定义为与闪电放电相关的声发射”。

类型

CG 和 IC 放电中的所有过程都会产生雷声，可以将其分为两类

• 可听见的（频率大于 20 赫兹），来自几乎瞬时被加热的闪电通道膨胀产生的衰减冲击波序列，该通道充满了电离的空气分子（等离子体）。其中有：a）隆隆雷，是一系列低沉的类似咆哮声的长时间声音；b）霹雳，通常响亮而迅速。
• 不可听见的或次声雷（频率低于 20 赫兹），据认为来自 IC，其中大量的空气被云本身快速移除电子或质子而位移。这种雷声类型只是最近才引起科学界的关注。

最大振幅频率

图 4. 使用 Audacity 1.3（测试版）获得的雷声（和未经过滤的雨声）的频谱。

经验发现，雷声中最响亮的频率是

$f_{\rm {max}}=c_{0}\left({\frac {p_{0}}{E_{0}}}\right)^{\frac {1}{2}}$

其中 $c_{0}$ 是声速，$p_{0}$ 是环境压力，而 $E_{0}$ 是闪电通道单位长度的能量，定义为

$E_{0}={\frac {1}{\pi {R_{0}}^{2}}}\int \limits _{0}^{t_{\rm {disch}}}\rho I^{2}\,dt$

其中 $R_{0}$ 是初始通道半径，$\rho$ 是等离子体的电阻率，而 $t_{\rm {disch}}$ 是放电持续时间。发现 $E_{0}$ 的值在 50 kJ/m 左右波动。

A.A. Few 的雷声产生模型

人们普遍认为，可听见的雷声是由闪电通道和随后极快传播的冲击波 (~3000 m/s) 产生的。 A.A. Few 提供了一个经实验验证的雷声产生机制。

假设完美的圆柱形/球形膨胀

冲击波的时间历程可以分为三个阶段：第一个阶段是强冲击波，在边界上具有极高的压力比。第二阶段是弱冲击波，传播速度相对较慢。最后，冲击波的第三阶段是声波，以 343 m/s 的速度传播，即 293K 时的声速。

强冲击波在转变为弱冲击波之前传播的距离可以通过对被强冲击波压缩的流体进行功-能平衡来找到（即功是由体积和压力变化对流体做的）。因此，可以定义所谓的弛豫半径，$R_{s}$ （对于球形冲击波）或 $R_{c}$ （对于圆柱形冲击波）来解释强冲击波传播的距离。

球形弛豫半径

$R_{s}=\left({\frac {3E_{t}}{4\pi p_{0}}}\right)^{\frac {1}{3}}$

圆柱形弛豫半径

$R_{c}=\left({\frac {E_{0}}{\pi p_{0}}}\right)^{\frac {1}{2}}$

其中 $E_{t}$ 是球形冲击波释放的总能量。在冲击波的最后阶段，人们可以听到雷声。

大多数关于雷声的研究无法对自然产生的声音进行近距离分析。这是因为无法准确预测闪电击中何处，因此无法将麦克风放置在附近。人工产生闪电最常见的方法是使用火箭，火箭连接到钢丝并发射到雷雨云中，在靠近地面的地方形成短路。这会“迫使”来自带电雷雨云的电流通过连接的电线到达地面。

这种类型的放电通常被称为人工触发闪电，它被 Depasse 等人于 1986 年、1990 年和 1991 年在法国圣普里瓦德阿利耶使用，在那里闪电产生的冲击波后面的压力曲线与 Few 于 1969 年提出的圆柱形冲击波理论得出的理论曲线相匹配。

图 5. 避雷针中不同尺寸的曲折段。

曲折度对雷声的隆隆声或爆裂声的影响

闪电通道不是具有完美圆形气体动力膨胀的直通道，因此必须考虑这些通道的曲折度。正是出于这个原因，A. A. Few 推导出了避雷针中三种不同级别的曲折度。宏观、中观和微观曲折段可以在任何 CG 放电中定性地观察到。研究发现，宏观和中观曲折段对于组织 CG 放电的脉冲和声学行为非常重要。 通过计算研究发现，80% 的声能以 30 度角从垂直于宏观曲折放电主轴平面的平面释放。观察者将在该区域听到响亮的爆裂声，而位于该区域之外的观察者将听到隆隆声。

雷声传播

雷声传播示意图。

衰减

衰减效应主要有两种。第一种是由传播的声波的有限振幅引起的，它会导致声波发生不可忽略的拉伸。存在所谓的“侵蚀”效应，它试图将波前突然的压力跳跃分解成更圆滑的轮廓。这是一种由于粘热损失引起的耗散形式，它会影响较高频率，因此解释了为什么当闪电击中 1 公里或更远的地方时，只有较低频率的雷声可以听到。第二种衰减形式是由于雨滴和雷雨云（充满水蒸气）留下的散射和气溶胶效应造成的，这些雨滴和雷雨云通常出现在大多数闪电条件下。这些微粒也会衰减雷声或隆隆声的较高频率。有关强冲击衰减的更多信息，请参阅 冲击波 和 爆轰 维基百科词条。

环境

回想一下，声速 c 依赖于介质的密度，因此很可能，根据围绕避雷针的条件，例如空气成分、大气压强，雷声将以独特的速度、音调、频率范围和持续时间传播，这取决于避雷针的特性。事实上，正如 Blanco 等人（2009 年）在研究中所表明的那样， 几何形状在感知到的声音中起着至关重要的作用。此外，随着声音穿过大气层和地面障碍物（例如树木、建筑物、桥梁、陆地），必须考虑一定程度的衰减。

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