波的描述

Question

如题所述

Answer 1

地震波实际上就是弹性振动在岩土中的传播，任一弹性振动也可以是多种谐振的组合，地震波从产生到传播遵循其传播规律。

地震波类型繁多，它们来自各个物性界面，也可能来自地表；但在描述地震波时主要有质点振动图、波剖面图、地震波的频谱。

（一）质点振动图

在离震源某一确定距离观察该处某质点位移变化的情况所得的就是质点振动图。如图3-11（b）所示，横坐标为时间t，纵坐标为质点的位移，即P点处质点离开平衡位置的位移量，曲线表示岩石中的某一质点P在爆炸（或锤击）以后，从t₀时刻开始离开平衡位置，上下振动，经过Δt称为振动延续时间；t₀为波的初至时间；T^*为视周期，是相邻波峰或波谷的时间间隔；视周期的例数为视频率f^*，以赫兹为单位；离开平衡位置的极值，称为振幅，用A表示（单位：mm），A越大，能量越大。

图3-11（a）表示在地面O点激发的地震波在均匀介质中传播的情况。以O点为圆心的一组同心圆弧分别表示起爆后10ms、20ms……波到达的位置，这些圆弧线称为等时面。在三维空间里，它们是一组同心球面。

（二）波剖面图

波剖面图是描述地震波在传播过程中某一时刻t₀各处质点的波动景象。

如图3-11所示为起爆后的某一特定时间（t=0.05s）的波动景象，所有在0.05s的波前面上的质点均处于开始运动状态，在该时刻波尾面上质点，波动经过后，刚刚恢复到平衡位置，处于静止不动的状态，波前与波尾之间扰动带内的质点在该时刻则处于不同的振动状态。

图3-12（b）表示在上述时刻沿地震测线Ox的质点，位移U（t）与质点空间坐标的关系曲线。曲线相邻波峰或相邻波谷之间的空间距离，称为视波长λ^*，其单位是米或千米；其倒数称为视波数K^*，单位为1/m或1/km。根据波动理论，波长应是周期与波带的乘积，它表示一个周期内波所传播的距离。波速则表示一个单位长度（例如1000m）中的波长数目。

图3-11 质点振动图

图3-12 0.05s时刻的波剖面图

（三）地震波的频谱

为了能够更细致的分析研究振动形状的特点，解释地震波传播中的许多现象以及弄清适合于接收这些地震波的地震勘探仪器的特性，我们还应对频谱分析的方法有一些基本了解。

1.地震波的频谱

图3-13 振动的合成

弹性振动最简单的是谐振，但实际存在的振动大都是复合振动。任意几个简谐振动可以合成一个新的较复杂的振动（周期性的或非周期性的）。同样，一个复杂的振动信号可以分解成多个不同频率、不同振幅、不同相位的简谐振动，对于给定的复合振动求其简谐成分的过程称为振动的频谱分解。如图3-13所示，图（a）、（b）是两个不同频率、不同相位、不同振幅的谐波，两个谐波相加就得如图（c）所示的复合振动。图（d）是以f为横坐标，以A为纵坐标，并在这个坐标平面上点出每个简谐成分相应的位置，或以这些点为顶端画出一些纵线，这些纵线的长度表示了与每个频率的简谐成分相应的振幅。这个表示复合振动各不同频率简谐成分的振幅图形称它为振幅谱。除了振幅，还应当有表示各个简谐成分起始相位φ的相位谱，即以各简谐成分的频率为横坐标，以相应的起始相位为纵坐标的图形。振幅谱和相位谱一起，才完全确定了一个复合振动是由怎样的一些简谐成分所组成的。而反过来，知道了振幅谱和相位谱，我们就可以根据它们作出复合振动的图像。在后面的讨论中，我们将只谈到振幅谱，简称频谱（图3-14）。

图3-14 地震波频谱

地震勘探中所遇到的地面振动都是短时间的脉冲，是非周期性振动的一种。但实际上脉冲振动是由无数个不同频率、不同振幅和不同相位的简谐振动合成的。这样就能使我们在研究脉冲的性质时归结为对各个简谐振动叠加效果的研究。

2.频谱分解的特点

1）一个脉冲只对应一个频谱，不同形状的脉冲，其频谱不同。形状相类似的脉冲，则有相类似的频谱。

2）脉冲长度与频谱宽度的关系是成反比例的。即脉冲延续时间越长，其频谱越窄。

3）频谱中振幅极大值使质点振动以该频率为主频的振动形式表现出来。

由上述可见，不同振动形状的波对应的频谱不同，也就是说一定的频谱特征表示了一定的振动性质。

3.频谱分解对地震勘探的意义

（1）指导地震勘探工作，提高信噪比

在地震勘探中，所激发的地震波，不仅含有效波，也同时产生各种规则和不规则的干扰波。它们经过不同的路径，传到观测点，为检波器全部接收下来。这样，干扰波的存在严重地妨碍了有效波的接收和分辨，因此，如何根据有效波和干扰波的各种差异和特点，采用不同的工作方法，以提高信噪比，是取得可靠的第一手材料的关键。其中，频谱分解就是一个重要方面。

地震勘探经验表明：面波大多是低频（在几赫兹至20Hz左右），频谱与地震有效波（30～80Hz）有较明显的差别，而由风、雨、效能工具及工业机械等所产生的“微震”频谱偏宽，极值不明显，如图3-15所示。

图3-15 几种波的频谱比较

不同的激发方式或不同药量所激发的有效波频谱也略有区别。爆炸激发频谱较锤击宽；且一般药量少，主频偏高，药量大，主频向低频移动。

同一层反射波频率比折射波高；深层反射波比浅层反射波频率偏低；多次波略比一次波偏低；而纵波比横波明显偏高。

根据勘探目的，我们有选择地应用一定激发和接收方式，压制干扰波。

（2）压制干扰波

在地震勘探中利用由各种形式的波所产生的振动频谱的差别，设计有效压制干扰波的仪器。

（3）地震波频谱资料为解决复杂地质构造问题开辟了新途径

地震波的频谱是地震动力学特点之一，它更细微地反映了地震脉冲的特点。有时两个地震脉冲在波形上可能很相似，难于区别，但它们的频谱特点却可能有明显的差异。这样，根据脉冲的频谱可以比根据波形更精确、更细致地了解震源性质、介质的性质和界面的性质。

Answer 2

波可以被描述为能量传输的方式，它是沿着介质的传播。波可以是机械的，例如声波，也可以是电磁的，例如光波。波具有许多重要特征，包括波长，振幅，频率和速度。波也可以被分为纵波和横波，取决于波在介质中传播的方式。纵波是沿着介质传播的波，而横波则是垂直于传播方向的波。波在物理学中起着非常重要的作用，它们具有许多应用，包括通信，声音和图像的传输，以及医学影像学等领域。