人類不僅生活在一個五顔六色的世界，環境中更是充滿了各種各樣的聲音。有了聲音的存在，我們才能聆聽婉轉鳥鳴，欣賞動人樂曲。以及更重要的，信息可以通過聲音來傳遞。
除此之外，在周星馳的電影《功夫》裏，包租婆甚至用可怕的獅吼功擊退來犯的琴魔殺手二人組。看完電影問題來了，是什麽聲音有這麽強大的殺傷力？
圖 | 電影《功夫》片段
人耳能感知的聲波頻率在20到20000赫茲之間，在20000赫茲以上，人耳聽不到的聲波屬于超聲波；而20赫茲以下，則屬于次聲波的範疇。這樣的劃分標准與電磁波中的可見光類似，均以人類感知的主觀標准劃分。聲波中最具有獅吼功那種傷人潛力的，無疑就是本文的主角——次聲波。
—— 次聲波的特點 ——
聲音是由物體的振動而産生、並通過介質傳播的，是一種典型的機械波，傳播的實質是機械能在介質中的傳遞。
聲波在空氣中的傳遞示意（將空氣簡化爲氣體分子）
從次聲波的頻率定義中不難看出，它的波長比超聲波、可聽聲高出數個量級。這樣的特性，使得次聲波不易被水和空氣等介質吸收，也能繞開某些大型障礙物發生衍射，當然也不易衰減（能量的衰減速度與其頻率平方成反比）。在聲學中，衡量聲波的兩個重要屬性是頻率（Hz赫茲）和強度（dB分貝），而次聲波的衰減速率非常之低，例如10赫茲聲波的衰減速率僅有0.011分貝/公裏（30攝氏度、10%濕度的空氣環境下）。
在自然界中，許多地理地質現象都是典型的次聲波源，如地震、火山爆發、海嘯、隕石墜落、泥石流等，往往能記錄到與事件相伴隨的次聲波。
在生物界中，雖然人類聽不見次聲波，但一些動物不僅能感知，還能很好地利用次聲波。這一功能集中在大象、長頸鹿、鯨魚等體型較大的動物，由于它們寬大的顱骨尺寸帶來的較大耳距，聽覺範圍一般都能下探至次聲波頻段。
康奈爾大學研究團隊收集了大象之間的交流音頻，通過軟件將其轉換成可視化聲譜。圖爲兩頭非洲象交流的聲譜圖像，白線是20赫茲的次聲波阈值線，可見有部分波頻下探至次聲範圍。圖 | 參考資料［3］
—— 次聲波與人體 ——
在許多文藝作品中出現過次聲波“殺人”的描述，這是一種共振現象的體現。人體許多器官固有的振動頻率處于次聲頻率範圍內，例如頭部爲8-12Hz、眼球爲19Hz、心髒爲5Hz、胸腔爲4-6Hz、腹腔爲6-9Hz、盆腔爲6Hz。當生物體處于次聲環境，且聲壓達到一定強度，其作用頻率與生物體組織器官的固有頻率相同時就會出現共振反應，此時次聲波産生的刺激最大。
若你面對著一個19Hz的喇叭，即使將音量調到100dB，你也無法聽到它發出的聲音。但由于19Hz正是人眼的共振頻率，你將會發現眼球出現晃動震顫，視力變得模糊。而如果暴露在5Hz、177dB的聲波下，人將感到難以呼吸，並産生惡心嘔吐等症狀，心肺受到一定損害。
次聲波對人體機體的作用機制中，物理上的共振無疑是最重要的因素，但與我們平常的認知不同，次聲也會引起生化層面的損害，例如損傷組織結構、影響細胞正常的代謝分泌功能等。
《呐喊》 [挪威]蒙克 1893
名畫《呐喊》中的血橙色天空和怪誕的扭曲線條，充分展示了人物內心的壓抑與恐懼。近年有學者經查證史料後認爲，它其實是一副寫實成分很重的作品，那血橙色的天空並不是作者蒙克腦海中的幻像，而是來源于印尼喀拉喀托火山爆發的副産物，噴發的巨量煙塵直沖大氣平流層，幾乎彌散到了全球，歐洲多地明確記載了當時的血色夕陽。火山産生的次聲波圍繞了地球三四圈後才消失，幸好蒙克距離印尼上萬公裏之遙，若是近距離遭遇次聲波，那麽油畫中人物的痛苦將成爲真實場景。
——次聲波武器可行嗎——
自然界中，極高強度的次聲波可能對人體産生傷害，若用于制造武器，還能具備穿透力強、隱蔽性高、作用距離遠等優勢。
次聲武器根據設計理論一般分爲兩類：器官型次聲武器和神經型次聲武器。前者采用與人體器官頻率相近的次聲波，使器官産生強烈共振，導致人體出現肌肉痙攣、髒器損傷甚至死亡；而後者的工作頻率與人類神經系統相重合，輕則影響目標人員的心理狀態、分散注意力，重則使人喪失意識、休克暈厥。
不過這種傳得神乎其神的殺人武器，爲什麽至今沒有投入實戰應用？應該說次聲波武器在理論上並不存在問題，但效果不一定理想。它的確能穿透防護裝甲，即使是堅固的鋼筋水泥建築物也不在話下。不過，如前文定義所述，次聲波能傳播得很遠，等同于它將能量作用到物體的效率很低，在遠距離上也難以保持較窄的波束寬度。從輸入功率的成本與實現效果兩方面來考量，次聲波武器的性價比無疑是偏低的，難以大量投入實戰。
在軍事中，次聲波的應用一般出現在核爆監測、以及火炮定位等。聯合國全面禁止核試驗條約組織（CTBTO）已在全球範圍內建立了次聲波監測台站網絡，覆蓋頻率爲0.01至20赫茲，用于監測各國的核試驗情況。中科院聲學所亦聯合多家機構，在國內組成了廣域分布的大氣次聲波監測陣列網絡。
早在二戰期間，已出現了現代次聲定位技術的雛形。若敵方的炮火陣地布設在隱蔽的山谷或掩體工事中，雷達乃至激光等基于電磁波的探測技術均難以探知，但發射時炮口産生的次聲波卻無處遁形，經分析後可獲取發射點的定位。
—— 次聲波的用武之地——
次聲波在防震減災中應用較大，例如在地震與火山這兩個典型場景中，具備不可替代的指示性及預測性意義。
次聲波與地震。大氣次聲波與地震現象存在著較強的相關性，不僅地震事件會引發次聲波，震前亦有可能出現次聲波異常。研究者利用寬頻帶傳感器陣列組成廣域分布網絡，對次聲信號的波形、圖譜等觀察分析發現，它與地震事件密切相關，且通常以一組或多組的間歇性規律出現，頻率主要在0.001Hz-0.02Hz之間。
2004年蘇門答臘9級地震引起的海嘯波及了印度洋大部沿岸。北京工業大學地震研究所臨震前檢出次聲波異常信號（虛線框內），波動異常持續近350s，頻率集中爲次聲頻段圖 | 參考資料［8］
不過，只有當地震釋放的能量極大且能量具有超大輻射面積，才足以産生異常信號特征的次聲波，加之地質結構及形成機制等因素，曆次地震事件均存在個體差異，次聲波還不足以成爲一種精准的常規預測手段，但次聲波監測無疑對地震分析具有實際意義，特別在大型地震中，是避免余震帶來二次傷害的有力措施。
次聲波對地震勘探的貢獻遠不止上述途徑，例如美國地球物理學會（AGU）的研究顯示，地震産生的次聲波可在大氣電離層造成總電子量擾動，模型與地震事件有較好的擬合度，揭示了二者間的對應關系。
次聲波與火山爆發。一般而言，火山爆發越劇烈，震前異常次聲波的幅值越大。通過對地震波（次聲波）和地震時長的監測，可在一定程度上判斷出火山內部的結構，並預測火山爆發的時間。2010年依靠次聲波傳感器陣列，成功預測了意大利埃特納火山的57次爆發。新加坡南洋理工大學也將次聲波陣列組網，用于監測東南亞範圍內火山的異常活動。
針對印尼Sangeang Api火山（紅色三角形）的次聲波監測。多個監測站（綠色正方形）檢出該火山噴發事件方位角誤差±10°內的火山次聲波信號以紅線標示圖 | 參考資料［10］
不僅在防震減災上具有無可替代的作用，次聲波技術在科研工業中的身影也頻繁出現，大到岩石圈、海洋圈乃至大氣圈的勘探分析，小到油氣管道、橋隧工程的探測定位，生産中還可常見用于鍋爐清洗的次聲除灰，以及鋼鐵線材的次聲冷卻，而且這些方法普遍具有能耗低、無汙染的優點。
次聲波還有許許多多的應用領域，一言以蔽之，歸功于較長的波長、不易衰減的特性，使其展現出了獨門神通。隨著技術不斷的融合演進，或許我們不一定能見到震懾人心的次聲波武器，但次聲波在工程科學領域發揮的作用，無疑將愈發廣闊。
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圖文：林濤
審核：武帥兵（中國科學院聲學所 副研究員）
本文來自：微信公衆號“地震三點通”
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