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。

参考文献：

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[7]罗勇,高勇. 声学效应用于大口径火炮的声测对抗. 火力与指挥控制. 2008,(02).

[8]郑菲,林春,陈维升. 地震次声波研究——以苏门答腊俯冲带上的大地震为例. 科技导报. 2015,33(08).

[9]P. A. Inchin, J. B. Snively, Y. Kaneko, M. D. Zettergren, A. Komjathy. Inferring the Evolution of a Large Earthquake From Its Acoustic Impacts on the Ionosphere. AGU Advance. Vol.2. June 2021.

[10]Anna Perttua. Benoit Taisneab. Silvio De Angelisc. Jelle D.Assinkd. DorianneTailpieda. Ross AdrianWilliamse. Estimates of plume height from infrasound for regional volcano monitoring. Journal of Volcanology and Geothermal Research. Volume 402, 15. Sep. 2020, 106997.

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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