次聲波又稱亞聲波，是一種人耳聽不到的聲波，頻率范圍為10-4Hz～20Hz。在大自然的許多活動中，我們都可以感覺到它的存在。人類可聞聲波的頻率范圍為20Hz～20000Hz，可是現(xiàn)代聲學(xué)研究的聲的頻率范圍不斷向高端和低端擴展。2×104Hz～5×108Hz的聲波稱為超聲波，5×108Hz～1010Hz的聲波稱為特超聲波，而1012Hz～1014Hz則是分子熱運動的范疇。目前，整個聲學(xué)研究的頻率范圍跨越1016，是物理學(xué)各分支里少有的。

一、次聲波的產(chǎn)生

在自然界中，次聲波到處都有。蝴蝶飛舞時，由于其翅膀振動很慢，它發(fā)出的就是次聲波，人在揮手時也會產(chǎn)生次聲波，不過其強度較小。許多自然現(xiàn)象都能發(fā)出次聲波，如雷電、龍卷風(fēng)、臺風(fēng)、海嘯、地震、磁暴、火山爆發(fā)、隕石落地等，就連流星以及極光等也可發(fā)出次聲波。

我們每個人的心臟，除了大家熟悉的脈動之外，也可發(fā)出頻率為1.2Hz左右的次聲波;人的肺也同樣如此，它在呼吸的同時，也會發(fā)出頻率在0.25Hz-0.3Hz的次聲波。此外，人類的許多活動，如火箭的發(fā)射、核實驗、超音速飛機的飛行、人工爆破、機器的運轉(zhuǎn)、橋梁的振動、奔馳的汽車等都會產(chǎn)生相當(dāng)強的次聲波。

二、次聲波的性質(zhì)

1、易衍射

我們知道，發(fā)生明顯衍射的條件是孔或障礙物的寬度比波長小很多或相差不大。由于次聲波頻率低、波長長，很容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，它在傳播過程中，不能被一般的障礙物擋住。在某些情況下，次聲波還能輕松繞過龐大的建筑物和山巒。

2、頻率低

次聲波的頻率很低，在0.0001～20Hz之間，聲波在大氣中傳播的衰減主要是由分子吸收、熱傳導(dǎo)和粘滯效應(yīng)引起的。此外，湍流作用也會引起次聲波的衰減，但是它們的影響都很小，通常可略去不計。大氣對次聲波的吸收系數(shù)也很小，因而其穿透力極強。

3、能量衰減小

我們知道聲波在傳播過程中，頻率越高，其能量衰減越快，傳播距離也就越短。次聲波是一種振動頻率極低的聲波，在空氣中傳播時由于各種物質(zhì)對它的吸收作用很小，所以能量消耗極小，往往在傳播數(shù)萬乃至數(shù)十萬千米之后仍未見有明顯衰減。因此無論是在地面、空中還是水下均能傳播很遠。例如1883年，印尼克拉長托火山爆發(fā)產(chǎn)生的次聲波繞地球3圈之多;1961年蘇聯(lián)在北極圈進行了一次1500萬噸當(dāng)量的核爆炸試驗，產(chǎn)生的次聲波繞地球轉(zhuǎn)了35圈。

4、穿透能力強

次聲波不僅來源廣、傳播遠，而且具有很強的穿透能力，可以穿透建筑物、掩蔽所、坦克和潛艇等障礙物。7000Hz的聲波用一張紙即可隔擋，而7Hz的次聲波可以穿透十幾米厚的鋼筋混凝土。高空大氣湍流產(chǎn)生的次聲波能折斷萬噸巨輪上的桅桿;地震或核爆炸所激發(fā)的次聲波能摧毀高大的建筑物;海嘯帶來的次聲波可將岸上的房屋毀壞。實驗表明，當(dāng)次聲波穿過厚厚的墻壁時，強度無明顯減弱，次聲波要穿透人體自然更是相當(dāng)容易。

三、次聲波的傳播

大氣溫度、密度和風(fēng)速隨高度具有不均勻分布的特性，使次聲波在大氣中傳播時出現(xiàn)“影區(qū)”、聚焦和波導(dǎo)等現(xiàn)象。

當(dāng)高度增加時，氣溫逐漸降低，在20km左右出現(xiàn)一個極小值;之后氣溫又開始隨高度的增加而上升，在50km左右氣溫再次降低，在80km左右形成第二個極小值;然后又升高。大氣次聲波導(dǎo)現(xiàn)象與這種溫度分布有密切關(guān)系，聲波主要沿著溫度極小值所形成的通道(稱為聲道)傳播，通常將20km高度極小值附近的大氣層稱為大氣下聲道，高度80km附近的大氣層稱為大氣上聲道。

次聲波在大氣中傳播時，可以同時受到兩個聲道作用的影響。在距離聲源100～200km處，次聲信號很弱，這樣的區(qū)域通常稱為影區(qū)。在某種大氣溫度分布條件下，經(jīng)過聲道傳輸次聲波聚集在某一區(qū)域，這一區(qū)域稱為聚焦區(qū)。

次聲在大氣中的傳播也會受到風(fēng)的影響，在順風(fēng)和逆風(fēng)時差別很大:順風(fēng)時，聲線較集中于低層大氣;逆風(fēng)時，產(chǎn)生較大的影區(qū)。不同頻率的次聲在大氣聲道中傳播速度不相同，產(chǎn)生頻散現(xiàn)象，這使不同地點測得的次聲波的波形各不相同。

大氣密度隨高度增加而遞減，如果次聲波波長很長(例如有幾十千米)，一個波長范圍內(nèi)的大氣密度已有顯著變化。當(dāng)大氣媒質(zhì)在聲波作用下受到壓縮時，其重心較周圍媒質(zhì)提高，因而除受彈性恢復(fù)力作用外，還受重力作用。反之，當(dāng)它在聲波作用下膨脹時，附加重力將使它恢復(fù)到平衡狀態(tài)。所以長周期次聲波，除受彈性力作用外，還有附加重力作用，這時次聲波通常被稱為聲重力波。

聲重力波在大氣中的傳播，理論上可以看作一些簡諧波的疊加，基本上可分為聲分支和重力分支。其在大氣中傳播都具有頻散現(xiàn)象。由于重力分支主要能量在地面附近傳播，地面附近溫度較高，因此傳播速度較大。

四、次聲波對人體的危害

人體各器官固有的振動頻率稱為人體阿爾法節(jié)律，這種頻率在3～17Hz之間，如頭部為8～12Hz、胸腔為4～6Hz、心臟為5Hz、腹腔為6～9Hz。當(dāng)來自外界的次聲波與人體自身固有頻率相吻合時，肌肉及內(nèi)臟器官會產(chǎn)生共振，并將刺激傳到人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)部位，引起一系列功能和形態(tài)改變，最終影響組織分子結(jié)構(gòu)、生物氧化和能量代謝過程，從而產(chǎn)生危害。

當(dāng)次聲波達到一定程度時，人會產(chǎn)生恐懼、惡心、眩暈等不適癥狀。其中5Hz左右的次聲波危害最大，可引起神經(jīng)錯亂、大腦損傷、視覺模糊、血壓升高、四肢麻木，甚至五臟破裂。人之所以會暈車、暈船，也是由于機器振動、空氣和海浪互相摩擦發(fā)出的次聲波引起的。次聲波對人體的傷害還與其聲強有關(guān)。

通常人耳鼓膜能承受的聲波強度是20～80dB(分貝)，一旦強度超過這個界限，就會對健康產(chǎn)生危害?？茖W(xué)家研究后普遍認為，次聲強度在140dB左右時，即使作用時間較短也會引起人體內(nèi)臟器官機能改變;當(dāng)次聲強度上升到150dB時，則會引起人體內(nèi)某些器官產(chǎn)生病變;如次聲強度再度升高，不僅會產(chǎn)生生理病理方面的明顯變化，還會導(dǎo)致傷亡。因此150dB的聲強級被定為人體承受次聲的安全極限。

1968年的一個傍晚，一些正在田間操作和享用晚餐的法國農(nóng)民突然失去知覺，幾十秒后死亡。原因是16km外馬賽附近的法國國防部次聲試驗所進行次聲武器試驗時，不慎將次聲波泄漏出軍事工程之外。

五、次聲波的用途

次聲波應(yīng)用于軍事：

次聲波武器是一種通過發(fā)出與人體一些器官固有頻率相同的超強聲波，與人體器官產(chǎn)生共振，使人感到惡心、嘔吐、難受，失去平衡感和方向感，繼而失去戰(zhàn)斗力的一種武器。

次聲在傳播過程中無聲、無光亮，不易被敵方覺察，因而次聲武器隱蔽性好，再加上它有很強的穿透性能，對隱藏在車輛或工事中的敵人也具有良好的軟殺傷效果。因此在未來中低強度局部戰(zhàn)爭以及維和、平暴等非戰(zhàn)爭行動中，次聲波武器有著廣泛的應(yīng)用前景。

次聲波應(yīng)用于災(zāi)害預(yù)報：

通過研究自然現(xiàn)象中次聲波的特性和產(chǎn)生機制，可以更深入地認識其特性和規(guī)律。

由于次聲波在傳播過程中能量衰減少，往往在傳播數(shù)萬乃至數(shù)十萬千米之后仍未見明顯衰減，傳播距離遠、速度快、穿透能力強，所以可以及早地探測地震、火山噴發(fā)，預(yù)報臺風(fēng)、海嘯等各種自然災(zāi)害。許多災(zāi)害性現(xiàn)象如火山噴發(fā)、臺風(fēng)和海嘯等在發(fā)生前可能會輻射出次聲波，因此利用這些前兆現(xiàn)象有可能預(yù)測災(zāi)害事件。

次聲波應(yīng)用于地質(zhì)勘探：

地質(zhì)工作者在地面上有計劃地定點爆破，用爆炸時所發(fā)出的強大次聲波穿透地層，可獲得地下構(gòu)造的信息，探測地層深處的礦藏。

次聲波應(yīng)用于海事：

當(dāng)無線電呼救信號在海難救援中失靈時，遇難的海員只需將深水炸彈投入海洋，爆炸生成的次聲波能在幾分鐘之內(nèi)將求援信號送向遠方，叩響“水中聽音器”，救助人員即可迅速趕到海難現(xiàn)場進行救護。

次聲波應(yīng)用于醫(yī)學(xué)：

次聲波還可幫助醫(yī)生診斷病情，醫(yī)生用特殊的次聲波接收器“收聽”人體器官發(fā)出的次聲波，可以確診疾病的位置。

次聲波應(yīng)用于氣象：

次聲在大氣中傳播時，很容易受到大氣媒質(zhì)的影響，它與大氣中的風(fēng)和溫度分布等有密切聯(lián)系。因此可以通過測定自然或人工產(chǎn)生的次聲波在大氣中傳播特性，探測某些大規(guī)模氣象的性質(zhì)和規(guī)律。這種方法的優(yōu)點在于可以對大范圍大氣進行連續(xù)不斷的探測和監(jiān)視。

次聲波在聲學(xué)范圍內(nèi)還是一個比較新的領(lǐng)域，它不僅用于探測氣象、地震、預(yù)報臺風(fēng)、海嘯，而且也用于軍事偵察。所以對次聲波的產(chǎn)生、傳播、接收、影響和應(yīng)用的研究，已導(dǎo)致現(xiàn)代聲學(xué)的一個新分支的形成，這就是次聲學(xué)。有人預(yù)計，近代聲學(xué)不斷深入到人的思維和大腦活動，很有可能，聲學(xué)是人類最先突破人腦活動禁區(qū)的學(xué)科。