作为全球范围内迄今唯一的大气声学专著，本书系统全面而又简明扼要地阐述了该领域内最基本的概念、现象、理论和方法。从基本方程的推导开始，分别以波动声学和几何声学的观点讨论了大气中各种“经典”声现象（反射、折射、散射、衍射、吸收等），以及重力和地球自转对包括声波在内的各种大气波行为的影响；介绍了几种数值计算方法在大气声学领域内的最新发展；“大气声遥感”一章则从“逆问题”的角度出发论述了大气声学的应用方面；在此第二版中新增加了“非线性大气声学”和“大气中的声源”两章，并重新改写了“计算大气声学”的前半部分，反映了这些方面研究的最新进展。
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第二版作者序
第一版魏序
第一版作者序
前言
第1章 绪论
1.1 学科范围和历史评述 1
1.2 大气结构及其声学特性 4
1.2.1 大气的分层结构 4
1.2.2 大气的湍流结掏 6
1.2.3 大气的声学特性 7
1.3 大气中的热力学关系 10
1.3.1 状态方程和绝热方程 10
1.3.2 气压计方程和标高、等温大气和等温度梯度大气 11
1.3.3 位温和Vaisala-Brunt频率 12
1.4 大气动力学基本关系 14
1.4.1 运动方程 14
1.4.2 连续性方程、状态方程、张量形式 15
1.4.3 守恒定律 16
1.4.4 位势高度和Coriolis力 17
1.5 大气波的类型 18
第2章 基本概念和处理方法 23
2.1 均匀大气中的波动方程 23
2.1.1 波动方程的推导 23
2.1.2 速度势（声势）计及工阶微量的波动方程 24
2.1.3 Helmholtz 方程 25
2.2 声波中的能量关系 26
2.2.1 声波能量、声能流密度.26
2.2.2 声波动量、声压的时间平均值 27
2.2.3 声波中的Lagrange密度29
2.3 不均匀大气中的波动方程 31
2.3.1 波动方程和定解条件 31
2.3.2 存在解的概述 32
2.4 WKB近似 34
2.4.1 一般表述 34
2.4.2 Airy函数 35
2.4.3 存在返转点时的场 37
2.5 简正波解 39
2.5.1 虚源图像 39
2.5.2 场的棋分表示 40
2.5.3 筒正披 41
2.5.4 界面为任意的情形.43
2.6 几何（射线）声学基本概念 44
2.6.1 搜前、射线、程函.44
2.6.2 射线寻迹方程 45
2.6.3 Fermat 原理 46
第3章 大气中的声传播一一折射和反射 49
3.1 静止均匀介质中的声传播 49
3.1.1 波前的参量描述 49
3.1.2 主曲率半径沿射线的变化 50
3.1.3 焦散面 51
3.2 分层不均匀介质中的声折射 52
3.2.1 声速梯度造成的折射 52
3.2.2 风速梯度造成的折射 54
3.3 大气中的声线 55
3.3.1 射线飘分 56
3.3.2 波导中的射线 56
3.3.3 反常"传播 57
3.4 静止介质中的振幅变化 60
3.4.1 静止均匀介质中的披振幅 60
3.4.2 沿射线的能量守恒：推广到缓变介质 62
3.5 运动介质中的振幅变化 63
3.5.1 运动介质中的声波方程 63
3.5.2 波作用量守恒 64
3.5.3 BJOXHHIJeB不变量 66
3.6 声波在两种介质分界面上的反射 66
3.6.1 平面波从刚性界面的反射 67
3.6.2 平面波从比声阻抗有限的平面上的反射 68
3.6.3 局部反应表面 69
3.6.4 反射表面上雯的声场 70
3.7 地面的影响 71
3.7.1 多孔半空间上空的声场表式 71
3.7.2 地搅和表面波 72
3.7.3 计算地面阻抗的四参量半经验公式 74
3.7.4 地面引起的超额衰减 75
3.7.5 地貌的影响 75
第4章 声波在大气中的散射和衍射 79
4.1 散射的基本概念 79
4.1.1 固定刚性体的散射 80
4.1.2 散射截面 8Ⅰ
4.2 从不均匀性上的散射 82
4.2.1 散射的微分方程 82
4.2.2 散射的现分方程 83
4.2.3 散射波的渐近表近 83
4.2.4 Bom 近似 84
4.3 大气湍流与声波的相互作用 85
4.3.1 声波与湍流的分离 85
4.3.2 湍流大气中的声波方程 86
4.3.3 湍流与声波的相互作用机制 89
4.4 湍流大气中的声散射 93
4.4.1 散射截面 93
4.4.2 功率比 94
4.4.3 功率谱 95
4.5 声波在静止大气中的衍射 96
4.5.1 局部反应表面上空的点声源 97
4.5.2 影区内的声场表式 99
4.5.3 衍射公式的级数表式 101
4.5.4 蠕波 102
4.5.5 蠕波的几何声学诠释 104
4.6 声波在运动大气中的衍射 105
4.6.1 基本方程和形式解 106
4.6.2 筒正波展开 107
4.6.3 本征值的渐近表式 108
4.6.4 本征函数的渐近表式 110
4.6.5 衍场的近似表式 113
4.6.6 分析和结论 115
第5章 大气中的声吸收 119
5.1 经典吸收 120
5.1.1 秸性流体的运动方程一-Navier-Stokes方程 120
5.1.2 导热方程 121
5.1.3 秸性-导热流体中声波的能量关系 122
5.1.4 秸性-导热流体中的吸声系数 123
5.1.5 实用的经典吸声系数 125
5.1.6 秸性-导热介质中的波模式 126
5.2 分子转动弛豫吸声 129
5.2.1 内自由度模式的吸收机制 129
5.2.2 转动弛豫的贡献 129
5.2.3 碰撞反应速率 130
5.2.4 转动弛豫吸声系数 131
5.3 分子振动弛豫吸声 132
5.3.1 振动受激分子的摩尔数变化率 132
5.3.2 动态绝热压缩系数 134
5.3.3 振动弛豫吸声系数 135
5.3.4 氧和氮的振动弛豫频率 136
5.3.5 水汽的摩尔分数（分子浓度） 137
5.4 总吸声系数和附加吸收 139
5.4.1 总吸声系数 139
5.4.2 附加吸声 140
5.5 雾滴和悬浮微粒的声吸收 141
5.5.1 历史评述 142
5.5.2 基本分析：质量转移过程 143
5.5.3 进一步的分析 144
第6章 重力场和地球自转的影晌 148
6.1 静止大气中的波系 149
6.1.1 基本方程组和频散关系 149
6.1.2 内波 150
6.1.3 相速度和群速度 153
6.2 运动不均匀大气中的波 155
6.2.1 基本方程组及其处理步骤 155
6.2.2 向等温大气的过被缓变大气 157
6.2.3 速度散度方程 158
6.2.4 能量密度和Lagrange密度 159
6.3 偏振关系 161
6.3.1 各微扰量之间的相位关系 161
6.3.2 粒子运动轨迹 162
6.3.3 复偏振项 164
6.4 Rossby波 164
6.4.1 地转风 164
6.4.2 Rossby波的形成 165
6.4.3 Rossby波的性质 167
6.5 外波 168
6.5.1 特性表面波 168
6.5.2 与内波的比较 170
6.5.3 边界波 172
6.6 大气潮 174
6.6.1 概述 174
6.6.2 理论 176
第7章 计算大气声学 18Ⅰ
7.1 快速场程序（FFP） 182
7.1.1 Helmholtz方程、轴对称近似 183
7.1.2 Helmholtz方程的解 186
7.1.3 接收器处的场 187
7.1.4 数值计算精度的增进 189
7.1.5 二维均匀大气的FFP 解 190
7.2 抛物方程法Ⅰ：Crank-Nicholson 抛物方程法（CNPE） 191
7.2.1 窄角PE和广角PE的导出 192
7.2.2 窄角PE和广角PE的有限差分解 194
7.2.3 雷度剖面的影响 196
7.2.4 有限元解 197
7.3 抛物方程法Ⅱ：Green 函数抛物方程法（GFPE） 198
7.3.1 元界、元折射大气 198
7.3.2 折射大气 201
7.3.3 三维GFPE法 203
7.4 射线寻迹 205
7.4.1 射线方程 205
7.4.2 数值飘分的具体例子一一台风次声射线寻迹 209
7.5 Gauss射线束法（GB） 210
第8章 大气声遥感.214
第Ⅰ部分 低层大气遥感 214
8Ⅰ.1 探测系统 214
8Ⅰ1.1 收发合置系统 215
8Ⅰ1.2 收发分置系统、Doppler回声探测器 217
8Ⅰ.2 声探测的物理基础 219
8Ⅰ2.1 以脉冲探测大气不均匀性的原理 219
8Ⅰ2.2 用电声换能器为散射区定界 220
8Ⅰ2.3 声雷达方程 223
8Ⅰ2.4 不相干散射、收发分置声探测方程 223
8Ⅰ2.5 回声探测器方程 224
8Ⅰ.3 声探测器的输出 226
8Ⅰ3.1 热卷流检棚 226
8Ⅰ3.2 逆温层监测 226
8Ⅰ3.3 稳定条件和波 227
8Ⅰ3.4 定量比较 228
8Ⅰ.4 用声雷达获取风速剖面的系统算法 230
8Ⅰ4.1 从声雷达获取的Doppler 频谱 230
8Ⅰ4.2 Doppler 频谱的空间分辨率 231
8Ⅰ4.3 风速剖面的建模 232
8Ⅰ4.4 加权函数和协方差 233
8Ⅰ4.5 应用例子 234
8Ⅰ.5 被动遥感 236
第Ⅱ部分 高层大气遥感 236
8Ⅱ.1 高层大气声遥感的物理基础 237
8Ⅱ.1.1 折射 237
8Ⅱ.1.2 吸收 238
8Ⅱ.1.3 从声测量推断高层大气性质 238
8Ⅱ.2 遥感检测系统 238
8Ⅱ.3 大气中波动 241
8Ⅱ.4 大气中具体存在着的次声波的被动遥感 243
8Ⅱ.4.1 全球次声监测网络 243
8Ⅱ.4.2 若干展望 245
第9章 非线性大气声学 247
9.1 声传播中的非线性效应 247
9.1.1 均匀介质中的平面被 247
9.1.2 激波简介 249
9.1.3 谐波的生成 251
9.1.4 非线性耗散波、Burgers方程 252
9.1.5 在非均匀介质中传播的非线性波 255
9.2 声爆 256
9.2.1 声爆基础理论 256
9.2.2 声爆的聚焦 259
9.2.3 撒波的厚度 260
9.2.4 声爆模拟程序 260
9.3 对大气湍流中声波的晚近研究 261
9.3.1 间歇性的影响 262
9.3.2 小规模满流各向异匪的影响 262
9.3.3 准周期相干结掏对回波信号低频功率谱的影响 263
9.3.4 相干结掏对脉冲在A传播的影响 264
9.3.5 中层大气中各向异性结构所引起的声散射 265
9.3.6 湍流对非线性波的影响 265
9.4 大气孤波 267
9.4.1 大气孤波的基本方程 267
9.4.2 对大气孤波的探测 271
第10章 大气中的声源 273
10.1 基本声源 273
10.1.1 单极子源 273
10.1.2 偶极子源 274
10.1.3 四极子源 275
10.1.4 活塞源.275
10.1.5 流体源 276
10.2 自然声源 277
10.2.1 海浪 277
10.2.2 重物落水 82
10.2.3 大火 283
10.2.4 大风 285
10.2.5 地震 287
10.2.6 火山喷发和陨石坠落 288
10.2.7 极光 288
10.2.8 其他 289
10.3 人工声源 290
10.3.1 飞机 290
10.3.2 火箭 290
10.3.3 高空爆炸 290
10.3.4 大气核试验 291
10.3.5 航天飞机的爆炸 291
参考文献 293
京公网安备 11010102004214号