Page 6 - 《应用声学》2024年第6期

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the relationship between the spatial distribution of the sound pressure level and the basic atmospheric tur-
bulence parameters, and experimentally validates the distribution and flow velocity changes of the turbulent
sound pressure level in the near-surface area after the acoustic wave perturbation. The results show that in the
region where the boundary layer is closer to the acoustic source, the greater the intensity of the acoustic field,
the stronger the perturbation effect on the turbulent flow and the faster the change of turbulent pulsation flow
velocity, indicating that the acoustic source will destroy the initial flow state of the turbulent flow in the bound-
ary layer and affect the spatial and temporal structure evolution of the turbulent flow, however, changing the
frequency of the acoustic source does not have a particularly obvious effect on the turbulent pulsation velocity.
This paper focuses on the variation law between the acoustic properties of ground-space links and the physical
properties of the spatio-temporal evolution of atmospheric turbulence structure, and the numerical calculation
results can provide a theoretical basis for the improvement of the optical transmission channel characteristics of
atmospheric turbulence environment and interference in the ground-space link photoelectric countermeasures.
Keywords: Acoustic properties; Near-surface layer turbulence; Turbulent pulsation characteristics; Atmo-
spheric characteristic parameters

模型，探索声波扰动下湍流脉动情况，为我国开展主
0 引言
动改善地空链路中光学信息传输质量提供新思路。
早在 20 纪 50 年代，科学家们便开始了对声波
1 理论推导
与大气相互作用的研究。1957 年，Tonning [1] 根据
声学理论和电磁特性理论，提出了声波会引起局 1.1 声波驱动理论
部空间大气压强和密度的变化这一观点。1969 年，
在实际大气中，空气作为流动介质，由于大气
Cooper 等 [2] 通过实验和理论验证了声冲击波会影
运动气流速度远小于声速，流动过程中密度没有明
响电磁波的可能性，证明了电磁声学探针可以探测
显变化，因此认为介质不可压缩且各向同性。在一
风速廓线，探测距离达到 450 m。2008 年，易欢 [3]
定尺度的闭合气压系统中，大气团在整体上具有一
根据随机介质中的波传播理论，研究了声波干扰控
致性的运动现象，各质点呈现出平行且规则的流动，
制对流层散射通信的可行性。2016年，Gong等 [4−6]
彼此之间互不掺混，在局域注入声波之后，周围大气
建立阵列声源模型，探索该模型激发产生的人工介
受到扰动之后会产生不稳定流动，依据声能量向前
质不规则体对无线电波传播的影响，在此基础上将
传递的特性，这种不稳定流动将会影响到周围气流
该观点应用到气溶胶动力学，设计了方环形和圆形
运动，进而造成更大范围内的不稳定流动 [9] 。声波
阵列声源实现了对气溶胶的主动控制。2022 年，王
扰动近地面层大气湍流示意图如图1所示。
明军等 [7] 基于声光效应和 Gladstone-Dale 关系，从
声波扰动大气折射率的角度出发，推导了在不同声
源扰动下，各向同性均匀大气介质的折射率随声压
变化关系式，研究了不同声波扰动下大气湍流折射 ܺ
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率的变化特征，建立了光波通过声波扰动的均匀和 ᣣ
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非均匀大气的传输模型。
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综上所述，自声波扰动理论提出之后，对其研 ᤰ᧚ ᤰ᧚
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究得到了不断的发展，而针对声波扰动后近地面层
湍流脉动及时空演化特性则鲜有研究。在地空链路 图 1 声波扰动近地面层大气湍流示意图
Fig. 1 Schematic diagram of acoustic disturbance
光信息传输过程中，当激光穿过湍流时，会造成很大
near the ground atmosphere turbulence
的反演误差，这些由大气湍流所引起的效应会削弱
光束质量，极大地限制了自由空间光通信、激光雷达 声波的行为紧密依赖于大气状态，因此可以用
和激光测距等系统的性能 [8] 。因此本文基于声波驱 压强和质点运动速度来描述，声波可以看成稳定和
动理论，建立近地面声波主动控制局域湍流的物理 缓变背景下的扰动，当在大气局域注入声波之后，这