火星大气频散声速剖面建模方法及其对声传播路径的影响

火星声探测技术逐渐成为火星探测的一种重要手段.为了探测火星声源,需研究稀薄低温火星大气中的声速和声衰减、建立分层大气中的声传播模型.本文提出了一种结合Navier-Stokes(NS)声波方程和变组分混合气体的声速模型,考虑了火星极端稀薄大气中的声频散,将火星声速剖面模拟计算拓展到0—250 km海拔范围,并讨论了NS声速剖面的适用条件.本文实验验证了低压、低温环境中,在分子平动、旋转和振动弛豫作用下,三原子二氧化碳中存在明显声频散.随后分别基于频散NS声速和无频散理想气体声速剖面,模拟了地面声源和高空声源产生的不同频率声波的传播路径.研究发现声频散显著影响了声传播路径,降低了声线首次折返高度、缩短了声线折回火星地表的距离、减小了第一声影区的范围等.而且频率越高、声源海拔高度越高,频散对声传播的影响越剧烈,NS方程的连续性假设失效,更高频的声波需要基于Boltzmann方程和分子模拟法建立声频散模型.