声探测是探索和认知火星环境的一个重要新手段，2021年2月着陆的NASA“毅力号”火星车和2021年5月着陆的中国“祝融号”火星车上均搭载了声传感器。火星表面大气稀薄、气压不到地球表面大气压的1%。地球表面大气中声速与频率无关，而“毅力号”测量数据表明在火星大气中声速随频率变化且，存在明显的声频散现象。
在火星稀薄分层大气中建立准确的声速剖面是开展火星声学探测的基础。为此，声学所超声学实验室博士生孙冠文与导师林伟军研究员等人在航天五院深空环境模拟容器中重建了火星大气环境，测量了声速和声衰减系数，并利用数值方法模拟了在声频散效应下的火星大气声速剖面，随后分析了声频散对火星上声波传播路径的影响。
相关成果在线发表于学术期刊《物理学报》。
研究人员利用Navier-Stokes（NS）方程数值计算了火星稀薄大气中的声频散，采用等效气体参数法对火星大气中的变组分混合气体的比热比、热导率等参数进行建模，模拟计算了0-250 km海拔高度范围内的火星声速剖面。随后基于不同频率（0.01,0.1,1Hz）声波的NS频散声速剖面与非频散的理想气体声速剖面，通过射线追踪方法模拟了地面声源（如火星震）和高空声源（如陨石、沙尘暴、放电等）的声传播路径，分析了声频散效应对不同海拔高度声源传播路径的影响。
结果表明，火星稀薄大气中的声频散效应显著改变声波的传播路径，且对高空声源的影响较大。因此开展火星声学探测研究时需要考虑声频散对声传播的影响。
本研究得到国家自然科学基金（No.11874385）、中国科学院青年创新促进会、 中国科学院A类战略性先导科技专项（No.XDA17040505和XDA15011900）的资助。
图1火星稀薄分层大气中不同频率声波的Navier-Stokes频散声速剖面（图/中国科学院声学研究所）
(a)未考虑频散 (b)考虑频散
图2 声频散对火星声传播路径的影响（图/中国科学院声学研究所）
关键词：
火星声探测；声频散；混合气体声速；稀薄气体
参考文献：
Sun Guanwen, Cui Hanyin, Li Chao, Lin Weijun. Methods of modelling dispersive sound speed profiles of Martian atmosphere and their effects on sound propagation paths. Acta Phys. Sin., 2022, 71(24): 244304. DOI: 10.7498/aps.71.20221531.
论文链接：
https://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.71.20221531