工程聲學/雷聲學

雷聲 定義為與閃電放電後產生的衝擊波相關的聲波特徵。幾千年來，雷聲一直吸引著人類，也令他們感到恐懼。對這種現象的早期解釋包括希臘神話中宙斯及其屬下之間的戰鬥，或亞里士多德提出的雲層在空中碰撞。直到 19 世紀後期，科學界才發現真正的物理原因，即狹窄通道被加熱到約 24000K。通道內的空氣分子電離，產生強大的衝擊波，可在高達 25 公里的距離內聽到，具體取決於風速。

閃電基礎

圖 2. 雲對地 (CG) 放電的 4 個組（改編自閃電：物理和效應（2003））。

閃電放電主要有兩種型別：雲對地 (CG) 和雲內 (IC)，後者佔所有放電的約 3/4（然而，還有其他不太常見的放電型別，例如球狀閃電）。

CG 可以分為 4 個組：

(a) 向下負極（所有 CG 中 90% 屬於此類），

(b) 向上正極，

(c) 向下正極，以及

(d) 向上負極。

電荷主要有三種模式可以從雲層傳送到地面（見圖）

1. 先導-回擊序列。
2. 持續電流（持續數百毫秒），是長時間的準靜止電弧。
3. M 分量（以 D.F. Malan 的名字命名，他於 1930 年代首次研究了這些過程），是持續電流（第二種模式）期間的瞬態過程。

圖 3. 電荷傳送到地面的三種主要模式（改編自閃電：物理和效應（2003））。

雷聲的產生

“雷聲可以定義為與閃電放電相關的聲發射”。

型別

CG 和 IC 放電中的所有過程都會產生雷聲，可以將其分為兩類

• 可聽見的（頻率大於 20 赫茲），來自幾乎瞬時被加熱的閃電通道膨脹產生的衰減衝擊波序列，該通道充滿了電離的空氣分子（等離子體）。其中有：a）隆隆雷，是一系列低沉的類似咆哮聲的長時間聲音；b）霹靂，通常響亮而迅速。
• 不可聽見的或次聲雷（頻率低於 20 赫茲），據認為來自 IC，其中大量的空氣被雲本身快速移除電子或質子而位移。這種雷聲型別只是最近才引起科學界的關注。

最大振幅頻率

圖 4. 使用 Audacity 1.3（測試版）獲得的雷聲（和未經過濾的雨聲）的頻譜。

經驗發現，雷聲中最響亮的頻率是

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

其中 $c_{0}$ 是聲速，$p_{0}$ 是環境壓力，而 $E_{0}$ 是閃電通道單位長度的能量，定義為

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

其中 $R_{0}$ 是初始通道半徑，$\rho$ 是等離子體的電阻率，而 $t_{\rm {disch}}$ 是放電持續時間。發現 $E_{0}$ 的值在 50 kJ/m 左右波動。

A.A. Few 的雷聲產生模型

人們普遍認為，可聽見的雷聲是由閃電通道和隨後極快傳播的衝擊波 (~3000 m/s) 產生的。 A.A. Few 提供了一個經實驗驗證的雷聲產生機制。

假設完美的圓柱形/球形膨脹

衝擊波的時間歷程可以分為三個階段：第一個階段是強衝擊波，在邊界上具有極高的壓力比。第二階段是弱衝擊波，傳播速度相對較慢。最後，衝擊波的第三階段是聲波，以 343 m/s 的速度傳播，即 293K 時的聲速。

強衝擊波在轉變為弱衝擊波之前傳播的距離可以透過對被強衝擊波壓縮的流體進行功-能平衡來找到（即功是由體積和壓力變化對流體做的）。因此，可以定義所謂的弛豫半徑，$R_{s}$ （對於球形衝擊波）或 $R_{c}$ （對於圓柱形衝擊波）來解釋強衝擊波傳播的距離。

球形弛豫半徑

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

圓柱形弛豫半徑

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

其中 $E_{t}$ 是球形衝擊波釋放的總能量。在衝擊波的最後階段，人們可以聽到雷聲。

大多數關於雷聲的研究無法對自然產生的聲音進行近距離分析。這是因為無法準確預測閃電擊中何處，因此無法將麥克風放置在附近。人工產生閃電最常見的方法是使用火箭，火箭連線到鋼絲併發射到雷雨雲中，在靠近地面的地方形成短路。這會“迫使”來自帶電雷雨雲的電流透過連線的電線到達地面。

這種型別的放電通常被稱為人工觸發閃電，它被 Depasse 等人於 1986 年、1990 年和 1991 年在法國聖普里瓦德阿利耶使用，在那裡閃電產生的衝擊波後面的壓力曲線與 Few 於 1969 年提出的圓柱形衝擊波理論得出的理論曲線相匹配。

圖 5. 避雷針中不同尺寸的曲折段。

曲折度對雷聲的隆隆聲或爆裂聲的影響

閃電通道不是具有完美圓形氣體動力膨脹的直通道，因此必須考慮這些通道的曲折度。正是出於這個原因，A. A. Few 推匯出了避雷針中三種不同級別的曲折度。宏觀、中觀和微觀曲折段可以在任何 CG 放電中定性地觀察到。研究發現，宏觀和中觀曲折段對於組織 CG 放電的脈衝和聲學行為非常重要。 透過計算研究發現，80% 的聲能以 30 度角從垂直於宏觀曲折放電主軸平面的平面釋放。觀察者將在該區域聽到響亮的爆裂聲，而位於該區域之外的觀察者將聽到隆隆聲。

雷聲傳播

雷聲傳播示意圖。

衰減

衰減效應主要有兩種。第一種是由傳播的聲波的有限振幅引起的，它會導致聲波發生不可忽略的拉伸。存在所謂的“侵蝕”效應，它試圖將波前突然的壓力跳躍分解成更圓滑的輪廓。這是一種由於粘熱損失引起的耗散形式，它會影響較高頻率，因此解釋了為什麼當閃電擊中 1 公里或更遠的地方時，只有較低頻率的雷聲可以聽到。第二種衰減形式是由於雨滴和雷雨雲（充滿水蒸氣）留下的散射和氣溶膠效應造成的，這些雨滴和雷雨雲通常出現在大多數閃電條件下。這些微粒也會衰減雷聲或隆隆聲的較高頻率。有關強衝擊衰減的更多資訊，請參閱 衝擊波 和 爆轟 維基百科詞條。

環境

回想一下，聲速 c 依賴於介質的密度，因此很可能，根據圍繞避雷針的條件，例如空氣成分、大氣壓強，雷聲將以獨特的速度、音調、頻率範圍和持續時間傳播，這取決於避雷針的特性。事實上，正如 Blanco 等人（2009 年）在研究中所表明的那樣， 幾何形狀在感知到的聲音中起著至關重要的作用。此外，隨著聲音穿過大氣層和地面障礙物（例如樹木、建築物、橋樑、陸地），必須考慮一定程度的衰減。

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