人类不仅生活在一个五颜六色的世界，环境中更是充满了各种各样的声音。有了声音的存在，我们才能聆听婉转鸟鸣，欣赏动人乐曲。以及更重要的，信息可以通过声音来传递。
除此之外，在周星驰的电影《功夫》里，包租婆甚至用可怕的狮吼功击退来犯的琴魔杀手二人组。看完电影问题来了，是什么声音有这么强大的杀伤力？
图 | 电影《功夫》片段
人耳能感知的声波频率在20到20000赫兹之间，在20000赫兹以上，人耳听不到的声波属于超声波；而20赫兹以下，则属于次声波的范畴。这样的划分标准与电磁波中的可见光类似，均以人类感知的主观标准划分。声波中最具有狮吼功那种伤人潜力的，无疑就是本文的主角——次声波。
—— 次声波的特点 ——
声音是由物体的振动而产生、并通过介质传播的，是一种典型的机械波，传播的实质是机械能在介质中的传递。
声波在空气中的传递示意（将空气简化为气体分子）
从次声波的频率定义中不难看出，它的波长比超声波、可听声高出数个量级。这样的特性，使得次声波不易被水和空气等介质吸收，也能绕开某些大型障碍物发生衍射，当然也不易衰减（能量的衰减速度与其频率平方成反比）。在声学中，衡量声波的两个重要属性是频率（Hz赫兹）和强度（dB分贝），而次声波的衰减速率非常之低，例如10赫兹声波的衰减速率仅有0.011分贝/公里（30摄氏度、10%湿度的空气环境下）。
在自然界中，许多地理地质现象都是典型的次声波源，如地震、火山爆发、海啸、陨石坠落、泥石流等，往往能记录到与事件相伴随的次声波。
在生物界中，虽然人类听不见次声波，但一些动物不仅能感知，还能很好地利用次声波。这一功能集中在大象、长颈鹿、鲸鱼等体型较大的动物，由于它们宽大的颅骨尺寸带来的较大耳距，听觉范围一般都能下探至次声波频段。
康奈尔大学研究团队收集了大象之间的交流音频，通过软件将其转换成可视化声谱。图为两头非洲象交流的声谱图像，白线是20赫兹的次声波阈值线，可见有部分波频下探至次声范围。图 | 参考资料［3］
—— 次声波与人体 ——
在许多文艺作品中出现过次声波“杀人”的描述，这是一种共振现象的体现。人体许多器官固有的振动频率处于次声频率范围内，例如头部为8-12Hz、眼球为19Hz、心脏为5Hz、胸腔为4-6Hz、腹腔为6-9Hz、盆腔为6Hz。当生物体处于次声环境，且声压达到一定强度，其作用频率与生物体组织器官的固有频率相同时就会出现共振反应，此时次声波产生的刺激最大。
若你面对着一个19Hz的喇叭，即使将音量调到100dB，你也无法听到它发出的声音。但由于19Hz正是人眼的共振频率，你将会发现眼球出现晃动震颤，视力变得模糊。而如果暴露在5Hz、177dB的声波下，人将感到难以呼吸，并产生恶心呕吐等症状，心肺受到一定损害。
次声波对人体机体的作用机制中，物理上的共振无疑是最重要的因素，但与我们平常的认知不同，次声也会引起生化层面的损害，例如损伤组织结构、影响细胞正常的代谢分泌功能等。
《呐喊》 [挪威]蒙克 1893
名画《呐喊》中的血橙色天空和怪诞的扭曲线条，充分展示了人物内心的压抑与恐惧。近年有学者经查证史料后认为，它其实是一副写实成分很重的作品，那血橙色的天空并不是作者蒙克脑海中的幻像，而是来源于印尼喀拉喀托火山爆发的副产物，喷发的巨量烟尘直冲大气平流层，几乎弥散到了全球，欧洲多地明确记载了当时的血色夕阳。火山产生的次声波围绕了地球三四圈后才消失，幸好蒙克距离印尼上万公里之遥，若是近距离遭遇次声波，那么油画中人物的痛苦将成为真实场景。
——次声波武器可行吗——
自然界中，极高强度的次声波可能对人体产生伤害，若用于制造武器，还能具备穿透力强、隐蔽性高、作用距离远等优势。
次声武器根据设计理论一般分为两类：器官型次声武器和神经型次声武器。前者采用与人体器官频率相近的次声波，使器官产生强烈共振，导致人体出现肌肉痉挛、脏器损伤甚至死亡；而后者的工作频率与人类神经系统相重合，轻则影响目标人员的心理状态、分散注意力，重则使人丧失意识、休克晕厥。
不过这种传得神乎其神的杀人武器，为什么至今没有投入实战应用？应该说次声波武器在理论上并不存在问题，但效果不一定理想。它的确能穿透防护装甲，即使是坚固的钢筋水泥建筑物也不在话下。不过，如前文定义所述，次声波能传播得很远，等同于它将能量作用到物体的效率很低，在远距离上也难以保持较窄的波束宽度。从输入功率的成本与实现效果两方面来考量，次声波武器的性价比无疑是偏低的，难以大量投入实战。
在军事中，次声波的应用一般出现在核爆监测、以及火炮定位等。联合国全面禁止核试验条约组织（CTBTO）已在全球范围内建立了次声波监测台站网络，覆盖频率为0.01至20赫兹，用于监测各国的核试验情况。中科院声学所亦联合多家机构，在国内组成了广域分布的大气次声波监测阵列网络。
早在二战期间，已出现了现代次声定位技术的雏形。若敌方的炮火阵地布设在隐蔽的山谷或掩体工事中，雷达乃至激光等基于电磁波的探测技术均难以探知，但发射时炮口产生的次声波却无处遁形，经分析后可获取发射点的定位。
—— 次声波的用武之地——
次声波在防震减灾中应用较大，例如在地震与火山这两个典型场景中，具备不可替代的指示性及预测性意义。
次声波与地震。大气次声波与地震现象存在着较强的相关性，不仅地震事件会引发次声波，震前亦有可能出现次声波异常。研究者利用宽频带传感器阵列组成广域分布网络，对次声信号的波形、图谱等观察分析发现，它与地震事件密切相关，且通常以一组或多组的间歇性规律出现，频率主要在0.001Hz-0.02Hz之间。
2004年苏门答腊9级地震引起的海啸波及了印度洋大部沿岸。北京工业大学地震研究所临震前检出次声波异常信号（虚线框内），波动异常持续近350s，频率集中为次声频段图 | 参考资料［8］
不过，只有当地震释放的能量极大且能量具有超大辐射面积，才足以产生异常信号特征的次声波，加之地质结构及形成机制等因素，历次地震事件均存在个体差异，次声波还不足以成为一种精准的常规预测手段，但次声波监测无疑对地震分析具有实际意义，特别在大型地震中，是避免余震带来二次伤害的有力措施。
次声波对地震勘探的贡献远不止上述途径，例如美国地球物理学会（AGU）的研究显示，地震产生的次声波可在大气电离层造成总电子量扰动，模型与地震事件有较好的拟合度，揭示了二者间的对应关系。
次声波与火山爆发。一般而言，火山爆发越剧烈，震前异常次声波的幅值越大。通过对地震波（次声波）和地震时长的监测，可在一定程度上判断出火山内部的结构，并预测火山爆发的时间。2010年依靠次声波传感器阵列，成功预测了意大利埃特纳火山的57次爆发。新加坡南洋理工大学也将次声波阵列组网，用于监测东南亚范围内火山的异常活动。
针对印尼Sangeang Api火山（红色三角形）的次声波监测。多个监测站（绿色正方形）检出该火山喷发事件方位角误差±10°内的火山次声波信号以红线标示图 | 参考资料［10］
不仅在防震减灾上具有无可替代的作用，次声波技术在科研工业中的身影也频繁出现，大到岩石圈、海洋圈乃至大气圈的勘探分析，小到油气管道、桥隧工程的探测定位，生产中还可常见用于锅炉清洗的次声除灰，以及钢铁线材的次声冷却，而且这些方法普遍具有能耗低、无污染的优点。
次声波还有许许多多的应用领域，一言以蔽之，归功于较长的波长、不易衰减的特性，使其展现出了独门神通。随着技术不断的融合演进，或许我们不一定能见到震慑人心的次声波武器，但次声波在工程科学领域发挥的作用，无疑将愈发广阔。
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图文：林涛
审核：武帅兵（中国科学院声学所 副研究员）
本文来自：微信公众号“地震三点通”
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