[论文解读] Infrasound generation by turbulent convection

Maia Akhalkatsi, G. Gogoberidze+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2004

Underwater Acoustics Research被引用 3

一句话总结

本文通过将Lighthill的声学类比方法扩展至包含层结、速度剖面非均匀性及温度涨落，研究了超级单体雷暴中次声波的生成机制。研究发现，温度引起的偶极子辐射源的强度至少与Lighthill的四极子源相当，而层结效应也具有显著贡献，而速度非均匀性源在低马赫数流场中可忽略不计。

ABSTRACT

Low frequency acoustic wave generation is studied taking into account the effect of stratification, inhomogeneity of background velocity profile and temperature fluctuations. It is shown that for the typical parameters of convective storms the dipole radiation related to temperature inhomogeneities is at least of the same order as radiation of Lighthill's quadrupole source. It is also shown that the source related to stratification could have valuable contribution whereas some other sources are shown to be inefficient.

研究动机与目标

• 理解对流风暴（特别是超级单体）次声辐射背后的物理机制，其观测声功率超过Lighthill四极子源的估计值。
• 评估背景流非均匀性（层结、速度切变、温度涨落）在生成低频声波中的作用。
• 利用声学类比理论，评估湍流对流中各种声源（四极子、温度引起的偶极子、层结引起的偶极子等）的相对贡献。
• 判断通常被忽略的源（如温度非均匀性或层结）是否可解释风暴中观测到的高次声功率。
• 提供一种理论框架，通过引入现实的大气层结和热涨落，改进Lighthill原始模型。

提出的方法

• 构建一个简化的大气层结中上升气流的背景流模型，假设为等熵或等温条件，具有指定的温度和压力分布。
• 应用广义声学类比方法，将流动变量分解为平均值和脉动部分，推导出带有右侧源项的线性波动方程。
• 识别出四个不同的源项：Lighthill四极子（S_l）、由层结引起的偶极子（S_s）、由速度非均匀性引起的偶极子（S_V）以及由温度涨落引起的偶极子（S_T）。
• 采用低马赫数近似，忽略波动方程中的对流项，从而实现对每个源项声功率的解析估算。
• 利用量纲分析推导声功率估计：四极子源为 N ∼ ρv̄⁸/(l c_s⁵)，偶极子源则具有类似形式，涉及 v̄⁶、ΔT² 或速度梯度。
• 通过将每个源项相对于Lighthill四极子进行归一化，比较其相对贡献，使用典型风暴参数（如 v̄ ∼ 3–10 m/s，ΔT ∼ 3–10 K，T ∼ 270 K，H ∼ 10⁴ m）。

实验结果

研究问题

• RQ1 湍流上升气流中的温度非均匀性如何影响超级单体风暴中的次声辐射？
• RQ2 与Lighthill四极子源相比，由层结引起的偶极子源在对流次声生成中的相对重要性如何？
• RQ3 背景速度剖面的非均匀性在低马赫数流场中对声辐射的贡献有多大？
• RQ4 为何超级单体风暴的观测次声功率高于基于Lighthill四极子模型的预测值？
• RQ5 多种源（特别是温度涨落和层结）的联合效应是否可解释观测到的宽带次声谱？

主要发现

• 对于典型的超级单体风暴参数，由温度非均匀性引起的偶极子辐射源的强度至少与Lighthill四极子源处于同一数量级。
• 由层结引起的偶极子源的声功率估计约为Lighthill四极子源的10%（N_s ∼ 0.1 N_l），表明其可能具有显著贡献。
• 与速度剖面非均匀性相关的源项（S_V）被证明可忽略不计，其声功率按 M⁴ N_s 缩放，其中 M ∼ 0.1–0.15，比层结偶极子源小四个数量级。
• 由小尺度温度涨落引起的热声源（S_T）在使用真实风暴参数（ΔT ∼ 3–10 K，v̄ ∼ 3–10 m/s）时，其声功率与Lighthill源相当。
• 剪切诱导噪声及其他次级源在低马赫数流场中效率低下，与先前关于剪切噪声弱于Lighthill四极子的研究结果一致。
• 该模型忽略了湿度效应和旋转动力学，但预计这些因素对主要结论影响极小，因其仅会向声输出添加微小且可忽略的贡献。