主要

在“毅力”号着陆(2021年2月18日)之前，从未在火星上监测到频率为>20 Hz的压力波动，即在声学领域。声音的记录提供了一个独特的机会来研究大气作为声音的主要自然来源和声波的传播媒介。从火星大气压(约0.6千帕)和CO的物理性质的知识2，人们可以预测(见方法)，即声阻抗在火星上产生的声音比在地球上弱约20分贝，如果声源相同，声速应在240米左右−1靠近表面，声波在CO中被严重阻尼2在这样的大气压和温度下。一些研究2，3.提出了非常详细的火星声波传播模型，但由于缺乏低压和适当温度下的实验数据，以及难以表征封闭环境中的衰减，它们的结果之间存在很大差异。声学数据也对风速和风向敏感，在较小程度上，对其他环境参数也敏感5，6．因此，由于麦克风的采样频率高(高达100千赫)，声学数据使我们能够在火星上从未接触过的微观尺度上探索大气行为。

SuperCam仪器套件7，8毅力号上有一个驻极体麦克风，类似于火星极地着陆器携带的麦克风9在进入大气层时丢失的，以及凤凰号宇宙飞船10由于技术问题，该设备无法运行。SuperCam的麦克风能够记录从20赫兹到12.5千赫或50千赫的气压波动，采样率分别为25千赫或100千赫。着陆后(火星太阳日‘Sol’0;一个索尔= 88,775秒)，麦克风在索尔1第一次打开，而桅杆仍然被装载。由于部署在Sol 2上，麦克风距离地面约2.1米;到写这篇文章的时候，它在名义上表现良好。SuperCam还包括激光诱导击穿光谱(LIBS)能力，可以在1.5到7米的距离上分析火星的化学成分(参考文献)。7，8)．当激光脉冲与目标相互作用时，发光等离子体发出目标中存在的元素的特征光学发射线11．等离子体膨胀产生激波，在激光相互作用后的第一微秒内与等离子体解耦12并产生了清晰可检测的声音信号13，14．此外，毅力号还携带了第二个麦克风，作为进入、下降和着陆摄像机(EDLCAM)的一部分15)，其频率响应范围为20hz至20khz，采样率为48khz。EDL麦克风安装在月球车的左舷，距离地面1米。它在Sol 2被激活。

数字1提供了SuperCam的麦克风获取的声音的概述(见方法)．Sol 38a是我们数据集中最安静的记录。在同一天晚些时候(Sol 38b)，功率谱密度(PSD)在频率低于100 Hz时高于安静状态。在太阳117上，我们将这种功率的增加与湍流活动的增加联系起来，它延伸到300赫兹;这是我们最常观察到的情况。Sol 148的记录是最活跃的，从相同的形状开始向更高的频率，但在200 Hz附近有一个斜率断裂;高达600赫兹的湍流被检测到。从Sol 0到Sol 216的所有非饱和大气记录都符合Sol 38a和Sol 148光谱给出的边界之间。激光激发等离子体产生一个短的，大约300 μs的声脉冲方法)，其95%的能量在3至15千赫之间。各种频谱缺口是由麦克风本身底座(6千赫和12千赫)或附近岩石的回声引起的声学干扰造成的。总强度随目标距离的变化而变化，如2米、5米和8米处的记录所示。在激光诱导火花记录过程中，低于1千赫的大气信号会被电磁干扰所掩盖8．匠心旋翼机音调(见方法)。

图1:SuperCam录制的各种声音。
图1

大气光谱分布在浅蓝色区域;湍流沿箭头方向增加。LIBS声谱分布在浅红色区域。独创性的音调记录在84 Hz和168 Hz(紫色)。黑色频谱是目前为止低于1千赫的最安静的记录。超级摄像机的麦克风位于火星车的桅杆上(绿色)。

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大气湍流

火星行星边界层(PBL)是大气层中与火星表面接触的部分16，绵延数公里。由于大气稀薄，地表热惯性低，近地表温度梯度强而不稳定，日间容易出现对流湍流和垂直混合17，18，19．这种乱流转化为大气压力、风速和温度的高频变化，可以通过现场仪器测量。相反，在夜间，大气的强辐射冷却导致了高度稳定的条件，有效地抑制了大多数对流和湍流16．因此，分析火星表面的PBL对于了解火星大气如何传输和混合热量、动量、气溶胶和化学物质非常重要20.．火星环境动力学分析仪(MEDA21)毅力号上的仪器，以及先前着陆任务的气象套件20.，22通常测量压力、温度和风的波动，采样频率为0.1 Hz至10 Hz。这些仪器研究湍流的变异性23，24以及火星湍流能量级联1，17，25．

具体地说，我们在这里报告了对PBL中耗散湍流体系的观测，洞察号任务可以在仪器能力的极限上看到体系变化的迹象1．在这种情况下，分子粘度将湍流动能消散为热，现在完全表现为功率谱随频率增加而迅速下降(图2)。1，2 b)超过大约五个数量级。粘性耗散显著的尺度用Kolmogorov长度尺度来表征26，η= (ν3./ε）０．２５，其中ν运动粘度和ε湍流每单位质量的能量耗散率通常在0.001 m左右吗2年代−10.005米2年代−1分别在火星上17．因此η大约0.02米，这些小漩涡的时间尺度，tη= (ν/ε）0．5，约为0.45 s。因此，在火星上，只有在厘米或更小的尺度上，在频率高于2hz时才能观测到耗散现象(在地球上，这种转变发生在毫米或更小的尺度上)17)．声波数据证实了这一理论预测;阈值随频率移动，取决于耗散率25，27．能量产生和分子耗散之间的平衡控制着边界层中湍流动能的总量，因此，耗散机制与边界层动力学有着内在的联系;耗散越大，湍流衰减越快，进而抑制小尺度阵风，反之亦然。

图2:录音和与大气数据的相关性。
图2

Sol 38b的记录。一个在上面，是y时间序列的轴范围为−0.2 ~ 0.2 Pa。频谱图(底部)显示了达到300赫兹的爆发。覆盖，与y右边的轴是来自MEDA吊杆的风速。b，为SuperCam的麦克风计算的PSD(在宾夕法尼亚州2赫兹−1(167 s)和MEDA压力(Pa2赫兹−1麦克风采集时间为51 min左右)和MEDA风数据(in (m s−1）2赫兹−1)．风的PSD被人为地抵消了10−2在y轴。

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麦克风记录了与环境压力(>20 Hz)相关的与风流量变化的快速偏差，如图所示。2，其中Sol 38b麦克风数据的频谱图(见方法)与MEDA测量的风速叠加(见方法)．正如预期的6，13，声波数据强度与风速有明显的相关性。这可能是由于漫游者/桅杆本身产生的流动引起的湍流，但也可能是由于直接感应到来流波动，这在其他研究中被视为室外麦克风的主要因素6．此外，白天的局部乱流也会随着环境风速的增大而增加24．高传声器采样率提供了一个机会来观察非常强烈但短的阵风，在10秒的时间尺度上。在无花果。2 b，在频域绘制相同的声学数据，并结合来自MEDA的低频压力和风速测量，在麦克风采集周围持续51分钟的数据。MEDA和麦克风数据之间的巨大斜率差异表明了政权的变化。从可能的剪切主导政权的过渡28在这种情况下，耗散状态发生在1到20 Hz之间。

火星上的声速

在寒冷的CO中2在大气层中，声速预计会比地球上的要低。此外，由于CO的低压和物理性质2，我们也期望这个速度随频率的离散2，3.．在地球上，绝热比γ在环境压力下恒定高达几兆赫29在海面附近，声速不随频率变化。在火星的低压下，仍然在小克努森数的框架内30.(10−6在100赫兹至2.10−4在20千赫时)，连续统理论仍然成立，但分子尺度上的能量交换被修改了。与分子的平移运动有关的部分能量(构成声波)用于激发内部自由度(振动模式和旋转运动)。旋转运动的松弛几乎是瞬时的，而振动模式的松弛则发生在更长的时间尺度上，这是CO等小而刚性多原子分子的特性2．如果频率f小于fR= 1 /τR，其中τR是放松时间，所有模式都是同样兴奋，然后放松。由三种平动模式、两种旋转模式和一种双简并振动模式产生的七个自由度(ν2(弯曲)导致绝热指数γ0= 9/7 = 1.2857。相反,如果f>fR，振动模式没有时间放松;在这种情况下，只有五个活动自由度γ∞= 7/5 = 1.4。在公司2在地球环境压力下，fR约40千赫(参考。31)．这个频率取决于分子碰撞的速率，因此fR与压强成正比。因此，在0.6千帕时，火星上的松弛频率约为240赫兹。

在LIBS模式下产生的脉冲波的记录提供了一个独特的机会，可以直接和重复地测量2千赫以上声波的局部声速f>fR(见方法)．根据白天的测量，声速在246米之间−1257 m s−1得到(图;3)，最大值在当地真太阳时(LTST)的11:00至14:00之间，最小值在18:00左右。在LIBS进行目标分析的大约20分钟内，声速的1σ-色散在中午达到最大值(1.5%)，在18:00时减小到0.5%，这突出了黄昏时大气湍流的消失。这些测量结果与从以下数据获得的温度声速进行了比较:(1)MEDA地表温度数据集，高度为0.85米和1.45米，以及(2)火星气候数据库(MCD)给出的地表和高度为2米的温度32)(见方法),使用γ∞= 1.4(因为f>fR)．MEDA和MCD预测之间的一致性非常好。SuperCam声速与MEDA的0.85米温度传感器高度的温度值相当或更高。这与2.1 m高度与表面之间的速度积分一致，当温度梯度较大时，速度可能偏向表面。

图3:声速变化。
图3

一个，来自LIBS飞行时间数据的声速作为当地时间的函数为紫色。其他声速是根据MEDA温度在三个高度上计算的，地面和2米高度的声速是根据MCD模拟计算的;对于这些转换，上面的绝热指数fR使用。麦克风数据的误差条:每次激光爆发期间声速的标准偏差(垂直);爆发的总持续时间(水平)。MEDA数据的误差条:Sols 37和216之间1小时箱的标准偏差。b在匠心号第四次飞行期间，声速是在MEDA温度的三个高度计算的;下面是绝热指数fR使用。由匠心多普勒效应估计的声速是紫色的。误差条:多普勒频移拟合的95%置信区间。

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匠心叶片通道频率(BPF)33接近一个以84赫兹为中心的谐波源，在这种情况下，对于f<fR(见方法)．这个由超级摄像机的麦克风记录的信号是由麦克风和直升机之间的距离变化调制的。发射频率为84.43赫兹，速度为声速c= 237.7±3米s−1是根据“匠心”第四次飞行的多普勒效应进行估计的(参见方法)．考虑到存在约2.5米的风−1沿着麦克风到直升机的视线朝向直升机(MEDA数据)，真实声速约为240米s−1在这个频率。在飞行时，大气温度在1.45米高度的232 K和240 K之间。使用γ0= 1.2857 (BPF如下fR)，由温度导出的声速范围为238.8 m s−1到242.9米−1，这与匠心飞行加风直接得到的速度是一致的(图;3 b)．总之，SuperCam的麦克风突出了大约10米的声速散布−1在火星表面可以听到的范围内。

声衰减

火星上声音传播最显著的特性是在所有频率下的衰减幅度，尤其是在1千赫以上。LIBS声信号随距离的减小为现场验证理论和测试两种不同的衰减模型提供了机会3.，4在火星条件下缺乏实地数据。

球形LIBS声波在传播过程中，声压减小为1/r，其中r是目标和麦克风之间的距离。这种减少是按一个因子缩放的r−0.698考虑激光辐照度的变化8，乘以e−αr，其中α=α（f)为大气衰减系数随频率的函数。LIBS声信号的频谱分为三个波段，这三个波段构成了图中观察到的三个主要叶。1: 3千赫到6千赫，6千赫到11千赫，11千赫到15千赫。第二频段声幅随距离的演变如图所示。4．在这三个波段中，我们发现α= 0.21±0.04 m−1(拟合的95%置信区间)，α= 0.34±0.05 m−1而且α= 0.43±0.05 m−1分别。正如预期的那样，高音调的声音被强烈地衰减了。与1米发射的信号相比，8 khz波的衰减范围从2米的−9 dB到8米的−40 dB。在5 m处，大气吸收优先于几何衰减。在地球上，为此α= 0.01米−1对于相同的频率34，衰减范围从2 m的- 6 dB到8 m的- 20 dB，几乎完全是由波前传播造成的。要在地球上达到−40 dB的衰减，源需要在65米的高度。

图4:声音随距离的衰减。
图4

一个，声音振幅作为目标距离的函数r来自6千赫到11千赫之间的LIBS声学数据。右边的第二个纵轴表示声压级，单位为dB。信号强度单位为dB，相对于20 μPa。误差条:每次激光爆发时声幅的标准偏差。b，火星衰减模型的比较3.，4(计算在240 K和740 Pa)和地球34(293 K，相对湿度30%)。实验点与本研究相对应。误差条:图中拟合的95%置信区间。4(垂直)和每个频率范围的宽度(水平)。

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并与理论衰减系数进行了比较3.和半经验4衰减模型在图。4 b．原位数据倾向于巴斯和钱伯斯所描述的行为3.，在频率<6 kHz时有一个平台，然后在更高的频率时增加。相反，数据并没有显示出Williams模型所建议的衰减差距4．这一结果证实了CO的巨大贡献2在这个频率范围内的振动松弛，同样的过程解释了声速的两个值(上面)。然而，2 - 6 khz波段的衰减系数仍然高于Bass和Chambers的预测3.．它可能突出了一个不同于模型预测的松弛强度(见方法)．然而，这些测量没有达到足够低的频率，以限制在1千赫以下的模型之间观察到的巨大差异。

火星音景

声音是火星上一种新的、丰富的信息来源。由于传感器的直径只有几毫米，湍流引起的噪音和人工来源已经被记录下来。声波受流体的宏观热力学性质(摩尔质量、热容量和温度，或者——或者——可压缩性和密度)控制。然而，考虑到小位移和时间尺度的作用，我们确认分子尺度上的能量交换也需要考虑，以准确模拟声音传播参数随频率的变化(速度、衰减)。在不同的时间和季节进行更多的声速测量，将有助于研究火星上几米尺度上的大气波动35，36，37．声波衰减系数的首次原位反演已经为理论模型提供了新的约束条件，而理论模型是CO地球物理研究的关键参数2主导的氛围38，39．由热通量驱动的风和湍流是火星上压力波动的自然来源。我们表明，声波数据对边界层湍流产生了新的见解，其时间分辨率比以前高10到1000倍，首次突出了耗散区以及在几赫兹以上向该区过渡的情况。更详细地描述这一状态以及相关的过渡，对于解决PBL数值模拟中使用的假设(包括大涡模拟)是必要的，告诉我们在模型的未解决尺度中缺失能量的比例是多少40，41．在未来，这将导致对耗散率的测量，这与大气中热量的扩散有关，目前对火星的耗散率还不太清楚17，42．最后，除了风的隆隆声，我们在火星上的机器人的声音特征包含了丰富的关于火星车子系统健康状况的信息。

方法

本节首先提醒大家适应火星的音响效果。它提供了不同数据集的详细信息:来自SuperCam和EDL麦克风的声学数据;来自火星氧气原位资源利用实验(MOXIE)和匠心(Ingenuity)的人造声音，以及LIBS冲击波和探测车噪音的录音;来自MEDA的风速、温度和压力数据，以及从MCD提取的温度。提出了处理方法:PSDs的计算;LIBS激波时间序列分析;从独创性中提取多普勒效应。最后给出了距离衰减的解释。

声学提醒

我们在正文导言中对三个主要论断进行了论证。首先，声阻抗描述了介质维持声波的强度。它是由Z=ρc在源的远场，在其中ρ是密度和c是声速。一般来说,与ρ= 0.02 kg m−3而且c= 238米s−1(见下文)，则得Z= 4.76 kg m−2年代−1在火星表面，然而ρ= 1.217 kg m−3而且c= 340米s−1收益率Z= 413 kg m−2年代−1究竟这两个数量级的差异导致火星上的信号在同一来源下比地球上的信号弱大约20分贝。第二，在火星压力下，大约95%的CO2大气可以有效地模拟为理想气体。在传声器频率范围内，考虑到声压幅值较小，声波被认为是绝热扰动。由此可知，由温度导出的声速由c2=γRT/米,R摩尔气体常数(8.314 J mol−1K−1)，米大气的摩尔质量(43.34克摩尔)−1)，T温度单位是开尔文和γ绝热指数。使用γ= 9/7, CO的标准值2-此值在正文中讨论-我们发现c= 238米s−123万。第三，在稀薄的大气中，吸收本质上更大，因为经典吸收(热和粘性)和旋转吸收与压力成反比3.．此外，在低频时，振动吸收优于经典类型的吸收和旋转。结果表明CO的振动比热2是N的20倍2(ref。3.)与地球进行比较。因此CO的双简并模式2振动会衰减低频的声音，而粘度会强烈地衰减高于几千赫的频率。就每米的衰减系数而言，这两种影响在相同频率下都比地球上强一两个数量级。

声数据集

本研究中使用的SuperCam麦克风数据集从Sol 1扩展到Sol 216，当任务的第一次太阳会合发生时。到目前为止，总共记录了4小时40分钟的火星声音，包括大气湍流(占总持续时间的46%)，LIBS火花伴随的压力波(12%)和机械噪声(例如MOXIE)43、独创性33毅力的桅杆旋转，Mastcam-Z机构，42%)。在同一时期，EDL15一个麦克风总共录下了56分钟的火星声音，主要是在漫游者操作期间(例如，漫游者驾驶，手臂运动)。扩展数据表1列出了除图中所示外，本研究中使用或提到的所有声学文件。3.一个,4，数量太多，无法单独引用(见下文)。

SuperCam的麦克风可以在25 kHz采样频率下记录从20 Hz到12.5 kHz的气压波动，在使用100 kHz采样模式时可记录高达50 kHz的气压波动。来自麦克风的模拟信号，范围从0到5v，通过四个电子增益中的一个进行数字化(12位深度)，将灵敏度从0.6提高到21 V Pa−1分辨率为2 ~ 0.06 mPa。增益0用于记录LIBS火花在校准目标上的伴随声音，增益1、2和3用于记录不同距离上LIBS火花的伴随声音，增益3用于大气记录。大气和机械噪音的录音一般长达167秒。EDL麦克风可以记录10mn和更长的时间序列，具有固定增益放大器，然后是24位/44 khz数字化仪(关键特性在扩展数据表中总结2)．

典型的LIBS序列包括在同一位置以3hz发射30次激光(由于技术原因，只记录了29次)。对于给定的目标，这样的序列通常在相隔几毫米的新采样点上重复5-10次。激光诱导的声音信号在每个激光脉冲周围以100 khz采样频率监测60毫秒。在激光触发器上精确地计时记录窗口的开始时间，因此可以以<10 μs的不确定度测量声波的传播时间。截至Sol 216, SuperCam的麦克风已经记录了123个火星目标的声音序列，这些目标位于距离麦克风2.05米(目标Garde)到8.01米(目标Pepin)的范围内。在七次场合，它还记录了与钛(Ti)校准目标的LIBS测量相关的声学信号44位于探测器甲板上，距离麦克风1.51米。

对于声速的推导(图。3)，超过6米的目标被排除在外，因为信噪比小，不能很好地测量飞行时间。来自Ti的LIBS声音信号的录音也被排除在外，因为它们的声音在探测器上方传播，并且由于探测器温暖的身体引起的额外加热和湍流而产生偏差。图中共考虑了Sol 1和Sol 216之间的109个靶标。3.．对于衰减研究(图;4)、通常会导致声音振幅较低的风化层或松散的物质目标，以及基于同样原因的失焦点被排除在外。总共使用了96个目标。从钛测量包括和提供了一个有用的约束衰减在短距离。由于用于Ti的激光能量低于用于火星目标的激光能量(与火星目标的155 A相比，Ti的泵浦电流为110 A)，来自Ti测量的PSD振幅被归一化为155/110，因为泵浦电流与激光能量成正比，而激光能量与激光辐照度成正比，因为光斑大小和脉冲持续时间保持不变。

人工声音数据集

EDL和SuperCam麦克风也被用来记录探测器发出的声音。它们帮助操作员了解设备的健康状况(例如，火星车驾驶，MOXIE)，并提供在空间和时间上定位良好的声源(例如，在匠心飞行或LIBS火花期间)。所有的记录也都捕捉到了一些扰动，比如195赫兹、198.75赫兹的强烈单频发射，以及接下来的780赫兹和795赫兹的谐波，这些谐波是探测器用于热管理的内部热泵造成的。探测器的仪器或泵的声音通过结构振动(微音)和大气中的声波传播传播。

EDL麦克风15用于记录探测器在Sol 16上的驱动(扩展数据图。1)．在520-700 Hz, 1.2-1.4 kHz和1.6-1.9 kHz带宽范围内的广泛的准连续“尖叫”信号被认为是由金属车轮踏面与表面岩石的摩擦相互作用直接引起的。响亮的瞬变或“叮当声”在13秒时出现，有几个窄频成分，但总声强比上述现象低。有人认为，这些是由负载的近脉冲变化(例如，当车轮滑出岩石边缘时)激发的移动系统元素(例如，悬架)的结构共振。

匠心旋翼机33在火星上提供了一个局部但移动的声源。在第69个太阳的第四次飞行中，超级摄像机的麦克风记录了整个116秒的飞行时间。突出的声信号，高达2 × 10−7巴勒斯坦权力机构2赫兹−1(1.5 mPa声压级)，与BPF相关的是84 Hz，其第一个泛音168 Hz被SuperCam的麦克风检测到(扩展数据图)。1 b)．飞行的所有阶段都是可见的，但起飞发生在高达20兆帕的阵风中(在火星车的位置)。BPF显然很突出，但它的泛音要微弱得多，这是由于在更高频率下大气吸收更大。着陆后，麦克风捕捉到叶片向下旋转。

MOXIE乐器43每1-2个月运行一次，产生几克气态O2．这些重复操作的主要目的是寻找可能的O退化2与火星恶劣环境相关的生产效率。MOXIE使用SuperCam的麦克风录音进行压缩机性能的独立诊断，包括通过观察到的谐波梳的基频来精确测量电机转速。扩展数据图中的明显过渡。1 c，在夜间运行(Sol 81)中记录，对应于电机速度从50到58.3 Hz的命令变化。最大的谐波在500赫兹附近，在这个频率上还有几个频率被激发。这个范围对应于MOXIE仪器的谐振频率，在动力学测试中观察到。即使是在一天中最安静的时候，这种信号的振幅也只有1.5兆帕。

记录LIBS火花是开发SuperCam的麦克风来推断岩石目标的物理特性(如硬度)的主要原理13．典型的LIBS序列由30次激光在同一位置组成，每次观测以3hz的频率发射。1 d)．LIBS操作由麦克风以100 khz采样率在每个激光脉冲周围60毫秒监测。该镜头序列信号的平均振幅为0.25±0.08 Pa (1σ)。

风速，温度和压力数据

风、温度和压力数据由MEDA记录21乐器。风速数据最高可达2hz，压力为1hz，温度为1或2hz。风速和方向分别从相隔120°的两个独立的臂架(称为臂架1和臂架2)获得，对于给定的风向，首选一个(见扩展数据表中的精度和分辨率)2)．

这样的背景32提供由Météorologie Dynamique实验室开发的火星全球气候模型对火星大气进行三维模拟而得出的气候预测(http://www-mars.lmd.jussieu.fr)．Météorologie火星动态实验室全球气候模型在参考文献中描述。32但从那以后，它采用了更复杂和更现实的CO模型2灰尘和水循环，光化学，辐射转移等。在这项工作中，我们使用了气候学情景45其中:(1)模拟的空间和垂直灰尘分布是根据没有全球沙尘暴(因此代表标准气候条件)的火星年第24至31年的观测数据重建的，(2)假设平均太阳极端紫外线条件。在本研究中，MCD输出(地表温度和地表以上2 m处的大气温度)为白天当地时间，增量为1 h，在Ls = 5.2°和Ls = 104.7°之间，增量为10°，以捕捉温度的季节变化。

声学数据的谱分析

来自SuperCam的麦克风数据使用每个增益的仪器灵敏度(0.6,1.3,5.3和21.6 V Pa)从伏特转换为帕斯卡−1，对应放大系数为29 ~ 972)。麦克风的每个增益的电子响应函数(100 Hz和10 kHz之间的带通滤波器)用于校正低于100 Hz和高于10 kHz的原始光谱。EDL麦克风数据不转换为物理单位。psd如图所示。1，2 b由傅里叶变换计算，使用韦尔奇估计器。频谱图如图所示。2和扩展数据图。1 b, c是用2秒的汉宁窗计算的。扩展数据图1计算窗口为1秒，扩展数据图。1 d窗口只有5毫秒。

时间序列(激光诱发火花记录)

激光诱导等离子体的产生伴随着激波，激波可以被描述为n波声脉冲46主要是一个短的，大约300 μs长的压缩/稀疏声信号。这个信号之后是附近岩石和探测器结构上的回声，再加上衍射。整个声音信号通常持续不到5毫秒。带通滤波器用于去除电磁干扰，2 kHz以下的大气信号，并减少20 kHz以上的噪声。激光预热有残差，但不影响声速的测定(扩展数据图)。2)．

时间序列数据被用来计算声速。仪器自动对焦返回到每个目标的距离，已知精度为±0.5%(参考文献)。8)．激光触发时间已知为几微秒，激波在1 μs后变为声波(参考文献)。12)，小于传播时间的0.1%。当信号在背景之上增加3σ时，认为可以探测到压力波的到来。

多普勒效应(匠心录音)

第四次(Sol 69)、第五次(Sol 76)、第六次(Sol 91)和第八次(Sol 120)飞行由SuperCam以25khz采样率记录。我们使用了第四次飞行的数据，因为这次飞行比超级摄像机记录的任何一次飞行都更接近毅力号。在这次飞行中，“匠心”爬到了5米的高度，加速到3.5米−1，以恒定高度飞行130米，减速，转身，然后以相同的路线返回基地。它在距离毅力76米的地方起飞，距离毅力69米，距离毅力123米。3 b,底部)。

在整个记录过程中获得的PSD上，背景上方清晰可见84 Hz的BPF(双叶转子转速的两倍)及其168 Hz的一次谐波，这本身就高于火星上非常安静的Sol 38a记录(扩展数据图)。3)．背景之上没有其他色调。在记录中有一段长达56秒的大气湍流期，这解释了为什么低频频谱高于Sol 38a的频谱。在飞行的巡航阶段，可以看到84赫兹和168赫兹的音调振幅的不连续。这样的调制节拍是由两个频率略有不同的信号(大约相距50 mHz)的干扰产生的，每个信号都来自频移的两个叶片。这种相移的研究不在本文讨论范围之内。

每0.5 s用一个高斯函数拟合每个音调。在正文中，我们报告了84 Hz下BPF的研究。接收频率随匠心的飞行而变化(扩展数据图。3 b(上图)作为漫游车和直升机之间距离范围变化的函数。接收频率，即经典多普勒效应，变化为±1.5%。当气氛安静时，这种语调的契合(t> 60秒)，作为距离率的函数，收益率f= 84.44 Hz的源BPF和c= 237.7±3米s−1．与第一次谐波相似的匹配产生f= 168.90 Hz和c= 236.9±4米s−1，这些值与BPF的值一致。

随距离的声音衰减

当声波在大气中传播时，部分声能通过一种称为大气衰减(或固有衰减)的吸收机制以热量的形式转移到传播介质中。这个过程在地球上的大气中已经得到了很大程度的描述和验证34，47，48．大气中的衰减与分子的运动有关，取决于波的频率。这可以归结为两个现象。首先，经典衰减包括粘性摩擦引起的热损失和压缩区与稀薄区之间非绝热扩散引起的热损失。这种现象对于短周期波更为重要，因为在短周期波中，建立平衡的时间更短。经典衰减与频率的平方成正比。第二种现象是分子的衰减，由于多原子分子的内部自由度(旋转和振动模式)的激发，每一个都需要一些时间，称为“弛豫时间”，以恢复平衡。与弛豫时间相比，波的周期越短，分子弛豫能量的时间就越短，因此声能量的吸收就越大。

该理论已应用于火星大气，计算经验衰减模型3.，4(无花果。4)．尽管Mars模型在10 kHz以上很好地一致(由于对CO的动态粘度和热导率的良好了解，经典衰减得到了很好的约束2作为温度的函数)，它们在次声和部分可听范围上有很大的不同，这取决于分子松弛的建模方式。威廉姆斯模型4外推CO的实验数据2在1巴和273 K以上的温度下获得的。该模型认为分子衰减随频率成比例增加，在松弛频率处达到最大值，fR(240hz)，然后减小为1/f．另一方面，拜斯和钱伯斯模型3.将分子松弛分为旋转松弛和振动松弛。旋转松弛是由f平方，就像经典衰减一样。对于振动松弛，模型考虑如下fR，振动衰减随f的平方。以上fR时，振动模态未被激发，振动衰减保持在恒定水平。

作为补充说明，CO2在1341厘米处有三种振动模式−1（ν1对称拉伸)，667厘米−1（ν2简并弯曲)和2349厘米−1（ν3.不对称拉伸)。相关振动温度分别为1890 K、960 K和3360 K。在240 K时，各模态对振动比热的贡献分别为3.7% (ν1)， 96.3% (ν2)和<0.1% (ν3.)。这证明了为什么一阶模型只能考虑的贡献ν2弯曲方式与振动比热的关系。