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大气核爆炸次声波远距离传播和监测-声学技术

发布时间:2019-06-27 13:40 来源:未知 编辑:admin

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  图 1、 2 分别 给出三类玻璃在高 压下声速的变 化 ( 统一选取在 0. 5GP a 以内 ) 。图 1 中三类玻 璃的 V l 都是随压 力增加而增加 , 图 2 则表明碳玻 璃、 氧化 物 玻璃与金 属玻璃的 V s 有完全不 同的压力 依赖关系 , 前 两类的 V s 随压 力增 加而 减小 , 金属 玻璃 的 V s 却 有正的 压力系数。碳玻璃声速随 压力的变化量比 金 属玻 璃和氧化物 玻璃大得 多 , 约为 氧化物 玻璃的 10 倍。 非晶态 结构中具有的某些程 度的短程序和晶 态 的 长程 序在 最 近邻 原子 间 的相 互关 系 ( 如 键 长、 键 角 ) 等方面有类似 之处。制备碳玻璃的石 墨晶体 , 每 层中 的 CC 键 是共价 键叠加 金属键 , 层间 为范德 瓦 耳键 , 三种键型同时存在。 根据碳玻 璃在静水压和单 轴压力超 声实验 [ 5] , 得到二阶和 三阶弹性 常数 , 计 算 出表征原 子振动非 简谐性质的 Cru neisen 常数 : 1. 25 ( 对应 纵向振动 ) , 平均 的 av = 0. 24。 s l 动频率在高压下不断减小 , 是一种 软模行为。 实验中 选用的窗 口玻璃 和水白 玻璃主 要成分 是 SiO 2 ( 约含 72% ) , 这种 氧化物 玻璃 主要 靠共价 键结 合 , 由 共价 键组成 的空旷 网络结 构其键 角结构 容易 改变 , 在压 力作用下会导 致横波速度减小。而形成 金属玻璃的 合金至 少由一 种过渡 金属和 一种类 金属 元素构 成 , 保持长程的金属 键合 , 因此 兼有金属的特征 , 除声速 和弹性 常数与 金属相 近外 , 声速的 压力 依赖关 系也 与金属材料相同 , V l 和 V s 都具有正的压力系数。 参考文献 1 G ilman J J. , J. A ppl . Phys, 1975; 46( 4) : 1625 2 Pap adakis E P . , J. A cous t . Soc. A m , 1967; 42: 1045 3 M cskim in H J. , J . A coust , S oc. A m, 1961; 33: 12 4 M cs kimin H J . , U lt rasonic met hods for meas uring th e mechanical propert ies of liquids and s olids, Physical A coust ics ( Part 1) ( M ason WP , Eds . ) N ew York , A cadem ic Press , 1964 5 王积方 , 王汝菊 . 高压物理学报 , 1988; 2( 1) : 34 = = - 0. 27( 对应 横向振 动 ) , s 为 负 , 表明 与横波相 对应的 振 大气核爆炸次声波远距离传播和监测 谢金来( 中国科学院声学研究所, 北京?100080) 谢照华( 中国科学院计算机网络信息中心, 北京?100080) 1引言 次声监 测已被联合国列入全 面核禁试条约的 国 际监测 系统。次声波远距离传播 和实时检测是众 所 周知和公 认的一种非常有效、 既经济又 实用的方法。 一套完善、 可靠、 实时的监测系统 和及时发布公报 能 为现场 核查提供依据。即最新的 次声监测系统和 先 进的分 析方法能有效地监 督全球核试验。它可对 大 气层 核爆炸 , 尤其 是陆地 上空的 大气 层爆炸 进行 检 测和定 位。此外 , 水声系 统和次声系统的 结合 , 对 于 发生在洋域上空的核爆炸可产生有益的 协同作用。 在核 禁试会 议中 , 次 声监测 专家 组提出 国际 次 声监测系统 , 包括探测系统的灵敏度为 0. 01P a, 频 [ 1] 出源方位偏差 在 100 公里之内。数据处理 与国际数 据中心联网 , 提供次声信号 到达时间、 周 期、 幅 度、 视 速度、 相关系数、 定位、 三维动态谱、 识别等信息。 1995 年 5 月 15 ~ 18 日 在 美 国 弗 吉 尼亚 州 的 Chantilly 召开 核禁试 监测学 术国际 会议 , 纷纷 发表 次声监测学术论文 , 力争为全球次 声监测作贡献。 如 高空风 对次声 信号传 播的影 响 ; 监 测大 气声重 力波 用宽频带压力传感器系统 , 3dB, 0. 01~ 10Hz, 用于研 究各种 地球物 理现象 , 如雪 崩和灾 害性 天气产 生的 次声波 , 并形成实际应用 ; 洛斯阿拉莫斯 国家实验室 用次声微 音器阵探测 地下核 试验 , 1989 年中 心转移 到核不扩 散监测 , 1995 年进入 全面核 禁试条 约监测 的研究 ; 澳大利亚北部的腾南特 克里克 W arr amung a 有一高 灵敏度 的次声 阵 , 作 为非线 性大 气波动 现象 的扩充 研究项 目 , 强 调次声 技术开 发用 于全面 核禁 试条约核查系统 ; 对流星的 观测校核次声阵系 统等。 响 0. 02~ 5Hz, 动态范围 80dB, 300 米 长管抗干 扰 , 4 元电容微 音器阵组成的台站 , 精密的网 络设计 , 全 球 建 60 个次 声台阵 台站 , 几小 时之 内发 出公告 , 定 位 精度为 1 千 吨当量的爆炸在 1000 公里远 处探测 , 定 声学技术 — 99 — 反映了当今大气核爆炸次声监测的动向 , 包括 : ( 1) 检 测远距 离核爆 炸用次 声传 感器系 统的 频 响 , 灵敏度和动态范围 ; ( 2) 次 声信号 的检 测 , 到 达时 间 , 最大幅 度和 频 率; ( 3) 次声信号的处 理技术 , 相 关分析 , 频谱分析 , 定位 , 识别 ; ( 4) 大气核爆炸次声波远距离传播特性。 在全 面禁止 核试 验的今 天 , 次声 监测技 术在 联 合国裁 军谈判会议上倍受 重视并意见一致。 中、 美、 俄、 英、 法等国 在进行 方案论 证时 , 各 自阐明 了次 声 研究成 果和提出行之有效 的监测方案。我所已建 成 一 套独具 特色 的大气 核爆 炸次声 监测 系统 [ 2] , 并 曾 荣获 中国电 子学会 , 中国 核学会 与核 探测技 术分 会 授予 96 ’ 优秀学术论文奖。 在全球次 声监测网中我国 拥有 2 个次声站 ( 北京 , 昆明 ) 。 为 40 公里 , 其中部署 11 个接收设备。它对研究次声 波传播规律、 波的相干性、 定位等有重要意义。 图 2昆明次声站试验用次声阵示意图 在地 震学、 海洋 学、 磁学和 声学 中 , 阵技术 已经 成功地应用于 检测波动和跟踪他 们的源。在确定声 重力波水平视速 度的第一步是计算 阵中每对传感器 信号的互相关函数。 3. 1相关计算求时差 + T ) ] dt - T [ P i ( t ) ?P j ( t + Ci j ( ) = + T T 2 1/ 2 [ - T P i2 ( t ) d t ? + - T P j ( t ) dt ] 它是两个压力 时间序列 P i ( t ) 和 P j ( t ) 之间时延 的 相干测量。积分时间 2T 要足够长 , 以致包含整个信 号波列。 互相关函数 C i j ( ) 最大时的 值提供计算相 干波传播从传感器 i 到 j 的延迟。 因此提供了在这个 方向上的视速 度。沿 着阵的任何两臂的 视速度给出 到达波矢的估 计。倘 若阵尺度对所考虑 的平面波阵 面足够小时 , 对远距离源是可用的 。 2核爆炸次声传播特性 次声 频率很 低 , 低于 1Hz 的次 声波 , 衰减 小 , 在 大 气声道 中 ( 从地面 到 50 公里高 空 ) 可以传 播几 千 公里而 没有明显的能量损 失。有 的甚至可绕地球 数 周后由灵敏的次声微音器检测 到。 源的声线 公 里高 层与地 面之间 来回反 射 , 波 在相 当冷的 同温 层 花许多传播时间 , 所以地面声速平均为 300 米 / 秒。 频率更 低的情况 , 地 球的重力场影响 声传播 , 特 别影响相速。大幅度扰动波的传播有两种传播方式 , 其一 , 受 重力惯性 作用 传播 ; 其二 , 以 大气的 压缩 特 性传播。因此 , 我们称这些扰动波为声重力波。重力 传播 方式对 声传播 方式而 言 , 它 具有 较高的 波速 和 较长 的周期 ( 几分 钟的量级 ) , 声传播方 式 , 作远距 离 传播时 , 其周期的上限约为 2 分钟。因为大气密度是 分层的 , 两种传播方式均出现频散。波速是波周期的 函数。核爆 炸声波具有这种特征 , 如图 1 所示 , 这 是 昆 明 次 声阵 接 收 到 的大 气 核 爆 炸 次 声波 , 离 爆 心 2200 多 公里 , 波 周 期 先后 分 别为 332s, 228s, 170s, 148s , 82 s , 60s , 58s , 54s 。是 很典型的频散 波列 , 它 可 提供识别之用。 图 3三点阵定向示意图 3. 2方位角计算 由 4 个次声微音 器组成的方阵可构造 4 个直角 三角形。 在这个阵中 各测点的最佳间隔约为半波长。 这给出 的时滞 对于精 确计算 波矢足 够长 , 而对 于避 免 4 个波记录配 比时的不明确性又 足够短。这里取 间距为 1. 5 公里 , 可以很好地定出源的方向。图 3 是 三点阵定向示意图。声信号入射方位角由下式给出。 = ar ctan{ [ ( r 1 / r 2 ) ( t 2 / t 1 ) - cos( 2 图 1大气核爆炸次声波 3核爆炸远距离次声监测 图 2 是昆明 次声 站试验 用正 交直 列阵 , 阵尺 度 - 1 )] — 100 — 16 卷 3 期 ( 1997) / sin( 2 - 1 )} + 1 或最大值 要优越得多 , 平均 周期 T 和 信号谱 的主周 期是接近的。 公式的应用范围为 R = 500 ~ 5000 公里 , 爆高 = 0~ 3 公里。这和实际使用条件是大致符合的。 3 . 3 爆心位置的计算 计算 出阵的 方位 角后 , 利用 两个 以上阵 的方 位 角交会出爆心的位置。计算机对皖南、 昆明次声阵进 行定位计算 , 测得爆心位 置偏离实际爆心约 0. 7° ,即 偏离 70 多公里。 3 . 4 当量计算 ( 1) 对 大气中 的爆 炸 , 压 力扰 动幅 度、 周 期等 波 形特征和当量之间建立了如下的近似理 论关系[ 3] : E = 13P FP T [ r esin ( r / r e) ] 1/ 2 H s ( cT 1, 2 ) 3/ 2 其中 E 是 能量释放 , P F P T 是第 一个峰 到谷的 压 力幅 度 , r e 是地 球半径 , r 是 从爆炸 点到观 察点的 大 圈距离 , H s 是低层大气的标高 , c 是声速 , T 1, 2 是 第一 个峰到第二个峰之间的时间间隔。 ( 2) 从简振波理论 出发 , 根据 实际条件作简化 处 理后 , 我 们得到一 个近似 计算大 气层 低空核 爆炸 当 量的公式 : Y K T = 0. 02× P P - P × T × R 其 中 Y K T = 当量 , 单 位千 吨 T N T ; P P - P = 测 得次 声 波 波列前 三个波 的声压 ( 峰 - 峰值 ) 的 平均值 , 单 位 帕 ; T = 相 应声压的平均周 期 , 单位 秒 ; R = 爆心与 测 点之间大圆弧的距离 , 单位千公里。式中的 P P - P 值 , 在实用中 , 是取前六个半波作五次平均而得。这种取 平均值的 方法已证明较之取 波列的第一个波的 幅值 4结论 ( 1) 定位精 度 2 千公 里偏 离在 70 公里 以内 , 比 国际监测系统要 求的 1 千公里偏离在 100 公里范围 内更精确。 ( 2) 计算 当量时 , 经 验公 式比理 论公 式更实 用 , 并把所 有阵和 单点记 录都进 行计算 , 然 后取其 平均 值 , 其结果更接近实爆当量。 ( 3) 昆 明次声站的记录中 , 波频散现象 是很明显 的 , 因此 可根据信号的频散 图 , 波矢速度 和频率结构 从背景噪声中识别信号。 感谢 : 作者衷 心感 谢国 家自然 科学 基金委 数理 科学部 的资助 , 本文 是核爆 炸次声 远距 离传播 特性 研究项目的一部分。 参考文献 1 裁军谈 判会议文 件 CD / N TB/ W P: 156( 1994, 8, 6) ; 176( 1994, 8, 24 ) ; 181 ( 1994, 9, 6) ; 184 ( 1994, 11, 30 ) ; 212 ( 1995, 2, 13) ; 224( 1995, 3, 16) ; 283( 1995, 12, 15) 2 谢金来 , 谢照华 . 第八届全国核电子学与核探测技术 学术年会论文集 , 1996; 571~ 574 3 Posey J . W. , Pierce A . D. N at ur e, 1971; 232: 253 反射超声无损测温 于洪斌王鸿樟 ( 上海交通大学 , 生命科学技术学院 , 生物医学工程系? 200030) 1引言 近年加热治癌愈益受到重视。热 疗 ( Hyper thermia) 是使癌组织升温到 43~ 46℃ , 保持适当时间 , 以 抑 制癌肿 , 达到 治疗目 的。热疗 中测 温和控 温是 关 键。现今用 热电偶作有损测温 , 有导至癌 转移可能 , 影响热疗推广。高强度聚焦超声 ( HIF U ) 在不到几秒 内使癌肿升温到 70 ℃以上 , 也 需作监测。 反射式超声 无损测 温便于结合热疗应 用。本 文试图用波群分 解 处理回波超声以检测深部温度。 本工作得到国家自然科学基金资助 , 项目号 : 39670216 2波群分解 对于任意信号 f ( x ) , 可以得到展开式 f (x )= N k= 1 akgk( x ) ( 1) 其中非正交函数 g k ( x ) 可以由正交函数 展开为 gk( x ) ≈ 并有 N i M i= 1 * j bk , i i ( x ) ij ( 2) ( 3) M (x ) ( x ) dx = 系 数 ak 有 唯 一 解 的 条件 是 : g k ( x ) 必 须 线 性 无 关 ( k= 1 k g k ( x ) ≠ 0) , 于是有 f ( x ) ≈ i= 1 ci i ( x ) ( 4) 声学技术 — 101 —

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