人類不僅生活在一個五顏六色的世界，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，資訊可以透過聲音來傳遞。
除此之外，在周星馳的電影《功夫》裡，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，是什麼聲音有這麼強大的殺傷力？
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於超聲波；而20赫茲以下，則屬於次聲波的範疇。這樣的劃分標準與電磁波中的可見光類似，均以人類感知的主觀標準劃分。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產生、並透過介質傳播的，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
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/公里（30攝氏度、10%溼度的空氣環境下）。
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，由於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。
兩頭非洲象交流的聲譜影象
康奈爾大學研究團隊收集了大象之間的交流音訊，透過軟體將其轉換成視覺化聲譜。圖為兩頭非洲象交流的聲譜影象，白線是20赫茲的次聲波閾值線，可見有部分波頻下探至次聲範圍。
—— 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於次聲頻率範圍內，例如頭部為8-12Hz、眼球為19Hz、心臟為5Hz、胸腔為4-6Hz、腹腔為6-9Hz、盆腔為6Hz。當生物體處於次聲環境，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，此時次聲波產生的刺激最大。
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。但由於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，併產生噁心嘔吐等症狀，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。
《吶喊》 ［挪威］蒙克 1893
名畫《吶喊》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為，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，而是來源於印尼喀拉喀托火山爆發的副產物，噴發的巨量煙塵直衝大氣平流層，幾乎彌散到了全球，歐洲多地明確記載了當時的血色夕陽。火山產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里之遙，若是近距離遭遇次聲波，那麼油畫中人物的痛苦將成為真實場景。
——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產生傷害，若用於製造武器，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為兩類：器官型次聲武器和神經型次聲武器。前者採用與人體器官頻率相近的次聲波，使器官產生強烈共振，導致人體出現肌肉痙攣、臟器損傷甚至死亡；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，為什麼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，等同於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，次聲波武器的價效比無疑是偏低的，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臺站網路，覆蓋頻率為0。01至20赫茲，用於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佈的大氣次聲波監測陣列網路。
早在二戰期間，已出現了現代次聲定位技術的雛形。若敵方的炮火陣地佈設在隱蔽的山谷或掩體工事中，雷達乃至鐳射等基於電磁波的探測技術均難以探知，但發射時炮口產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。研究者利用寬頻帶感測器陣列組成廣域分佈網路，對次聲訊號的波形、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。
次聲頻段圖
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訊號（虛線框內），波動異常持續近350s，頻率集中為次聲頻段。
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，才足以產生異常訊號特徵的次聲波，加之地質結構及形成機制等因素，歷次地震事件均存在個體差異，次聲波還不足以成為一種精準的常規預測手段，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，是避免餘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，地震產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係。
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。透過對地震波（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年依靠次聲波感測器陣列，成功預測了義大利埃特納火山的57次爆發。新加坡南洋理工大學也將次聲波陣列組網，用於監測東南亞範圍內火山的異常活動。
次聲波監測
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°內的火山次聲波訊號以紅線標示。
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，生產中還可常見用於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，歸功於較長的波長、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
稽核：武帥兵（中國科學院聲學所 副研究員）
本文來自：微信公眾號“地震三點通”
