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当前位置:第三节 波长、频率和波速
作者：未知来源：中央电教馆时间：2006/4/5 10:03:00阅读：nyq
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声波介绍
1、声音：声音产生于物体的振动，并通过激发周围的气体、液体或固体介质的扰动，而以声波的形式进行传播．
如钢板的振动（铜锣）：
１） 声源：产生声音的振动物体．如敲击后因振动而发出声音的铜锣（声源），用手一捂声音即止，这就揭示了：声源的振动强弱、动态性能直接决定声音大小．
２） 声波：声源的振动而激发传播介质产生的疏密变化的一种波动形式．
①波阵面：同一时刻波传播到的面，可以是平面、球面、柱形面或它们的组合．
②机械波：机械振动在介质中依一定的速度传播的过程．声频范围内的机械波即为声波．
③机械波可以是纵波，也可以是横波或二者的组合．
纵波：介质质点的振动方向与波的传播方向相同，如上图示．
横波：介质质点的振动方向与波的传播方向垂直，如石块投入水中．
2、不同传播介质中的声传播特性不同
空气中声速：C空(0．C)=331.6m/s，C空(20．C)=334m/s，ρ空＝1.2×9.8N/m3；
水中声速： C水(20．C)=1450m/s，ρ水＝1000×9.8N/m3；
钢材中声速：C钢(20．C)=5000m/s，ρ钢＝7800×9.8N/m3．
可见：声速与介质密度、温度等关系极大．
3、声音的频率范畴
声源的振动频率： 0 ～ 20Hz～ 300Hz～ 2000Hz～20000Hz
| 次声 （0~20Hz） |
低频声 中频声 高频声 声频范围（20Hz~20kHz） |
超声（>20kHz） |
| *1961年智利大地震，地壳产生1/3600Hz的次声，危害极大． * 1908年西伯利亚流星大爆炸，产生的次声绕地球转了几圈，周期为数十分钟． *人听不到，但明显感到的次声主要在2~20Hz．已证明在船上、车上、巨大建筑物和桥梁旁都有次声． |
* 可闻域，直接与人的生活有关． * 乐声：使人愉快的声音． *语音：用于人与人之间的思想交流． *噪声：使人烦躁，有损身心健康的声音，应设法予以消除． |
*不可闻，对人无害． *可在任何物体中传播． * 广泛应 用于诊疗（B超）、探伤、测位（声纳）、通讯等． *目前超声波发掘和应用可达1012Hz以上． |
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海洋运输与波
在过去的几个世纪中，船舶曾经是地球上最快的运输工具，同时，其运输能力也是当时最大的。船舶运输极大地促进了当时贸易的发展和经济的繁荣。因此，古希腊的历史学家Thucydides曾经指出，谁控制了海洋，谁就控制了世界。这句话至今仍有道理。
在本世纪，以交通运输为基础的世界贸易取得了迅速的发展，一些有远见的船公司负责人开始认识到，不同的运输方式实行联合运输，其运行效率将得到巨大的提高，同时，国际贸易的发展需要一条更加高效、更加协调的运输通道跨越全球，就象一个移动的货仓，保证重要货物在几小时内运达，而不是拖到几天或者几周。因此，交通运输进入了多式联运时代。
现在，全球运输链的最薄弱环节要属集装箱船，它的实际运行速度仅比人跑的快一些。尽管飞机也可进行货物运输，但其成本是水运的10倍以上，而且由于陆上运输的耽搁，从美国——欧洲的门到门运输仍然需要3到6天。此外，可用飞机运输的货种也有限。因此，对一些珍贵的货物，例如每吨价值在10000美元以上的，以及对时间敏感的货物（延长到达时间会使其价值降低），用飞机运输也未能如愿。另外，人们对空运也提出了异议，飞机在高空飞行，释放二氧化氮，危害环境。
鉴于以上的原因，人们又把关注的焦点转回到改善船舶运输上。尝试着把计算机技术、航空科学、甚至美国冠军杯帆船赛等的一些东西应用到船体的设计和改进上，以获得速度更快、更可靠的船舶运输。新的推进系统和船体设计可以使新一代的船舶速度提高一倍。以前的人们不愿意对船体设计或推进系统进行改进，因为那要冒很大的风险。海洋是自然界最伟大的力量，稍有不慎就有可能船毁人亡。在大西洋上，一般的波浪长度也达到600英尺（183米），其推进速度就象脱缰的野马，蕴藏着巨大的能量和推动力。在北大西洋上冬季将近一半的时间里，海洋波浪会使全速集装箱船的推进效率降低20——30%，使航速降低4——6节。
即使在好的天气里，船舶也要受自身产生的波的影响，当船划过水面时，就会产生旋涡，而且船速越快，旋涡越大，直至最后形成固定波（Captive Wave），固定波会对船舶航行带来很多问题。如果船速超过固定波的传播速度，那么固定波的波长就会增加，同时船的尾部下沉，固定波对船体产生一个额外的阻力。
在19世纪初，英国的建筑师威廉姆·佛洛德推导出，固定波的波速取决于产生固定波船舶的长度和体积。这种波和由风产生的海洋波浪具有相同的特性，其波速随波长和波高的变化而改变。例如，海洋中600英尺长的波，其波高27英尺，波速为31节，而900英尺的波，其波高为38英尺，波速为38节。实际上，波速或船速大约与其长度的平方根成正比，但是船的最高速度也随船舶体积的不同而改变。鉴于上述原因，海军工程设计人员经常用速度-长度比率（V/ROOT（L），V-船舶速度，其单位为：节；L-船舶长度，其单位为：英尺）来描述不同尺寸船舶的相关关系。佛洛德认为，尽管在理论上，一艘长度为700英尺的现代货船可能达到34节的航速，而实际上，因为有速度-长度比率0.87，在静水中它的最高时速也不过23节左右。按照佛洛德的观点，当船舶达到某一速度时，由固定波产生的压差阻力非常巨大，使船舶速度增大成为不再可能，在上例中为23节。如何使船速超过该速度极限，海军工程师们一直都不敢尝试风险。今天，大多数传统船舶的设计者仍然把它作为一个极限值而不敢逾越（实际上，传统货船在没有足够动力以克服海洋中巨大船体阻力的情况下，也不可能提高船速）。
当然，传统的船舶也不只有这样一种选择，几个世纪前的海盗们发现了减小压差阻力的方法，他们把船做得又细又长，这种细长船产生的波浪很小，因此其运行速度比相同体积但更宽更短的船要快得多。但是细长船缺少稳定性，装货量少，在以后的年代里，经过人们的不断改进，细长船舶用于战争和客运时，在公海里的速度极限为30节。
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探测地球内部的“雷达”——地震波
一、波动
地震波是一种由地震震源发出在地球内部传播的波．
我们在日常生活中比较熟悉的波是水波，或者确切地说，是在水面上传播的“重力波”．我们之所以对水波比较熟悉，究其原因是人类动作的速度和水波传播的速度差不多，人类动作的幅度和水波的幅度差不多，而且人类的身体的大小又与水波的波长差不多．这三个“差不多”使得我们可以从容不迫地观察和琢磨．这里“差不多”的意思是具有相同的数量级．实际上，我们在日常生活中经常接触的波还有很多．比如空气中的声波是我们进行沟通的主要工具之一．但是因为它跑得太快了，声音传播的速度大约是每秒340m，而我们人类每秒最多只能跑几米，所以在一般的情况下，我们并不觉得声音是一种以有限的速度传播的波．
再比如光，其实光也是一种波，一种电磁波，但是因为我们太“大”了，光波的波长比我们的身体小得多，比如说零点几微米，所以，我们并感觉不到光是一种波动，我们只知道光线．历史上，光的波动说和微粒说争论了很长时间，这是大家都知道的事实．
还有一种波与我们的日常生活密切相关，但是定量地理解它，却仅仅是近年来的事情，在拥挤的公路上行车的时候，有时拥挤本身也会以一定的速度沿着公路传播，这是一种非线性波．这种波动与我们站成一排，再从后面猛推一下的游戏是颇为类似的．但是在这里，我们又太“小”了，我们自己仅仅是这种“传播介质”中的一个“分子”．因此，在你为塞车着急的时候，你并不感觉自己是处在一种以有限的速度传播的非线性波动之中，正是“不识庐山真面目，只缘身在此山中”．
波动有三个特征参数，一个是波速，一个是波长，另一个是周期或频率．如果波动的参数与我们人类的特征参数差得太远，那么我们直观地理解这种波动就会有比较大的困难．但是另一方面，一旦我们了解到了一种运动可以被理解为一种波，我们就可以把已有的关于波动的知识“移植”到这种波动上来．在相当多的情况下，这种类比还是很有效的，当然并不总是有效．
实际上，我们见到的波动很少是单频率的，它们通常是不同频率波动的混合．这时，我们可以把它分解成不同频率的波来进行分析，比如，通过三棱镜，可以把一束白光分解成赤、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等不同颜色的光．在数字化记录和计算机出现以后，我们更经常地是用“数字棱镜”来进行这种分解，这种分解的结果就是“波谱”．
在更多的情况下，尽管一种特定的波并不是单一频率的，在这种波的波谱中却有一个或几个起主要作用的“优势频率”．对于光波来说，不同的优势频率决定了不同的颜色，而对于声波来说，不同的优势频率决定了不同的音调．在以后的介绍中，凡是涉及“频率”或“周期”的时候，我们指的一般都是这种“优势频率”或“优势周期”．
一般说来，我们可以用波前来描述波的传播．在高频近似的情况下，我们也可以使用波射线来描述波的传播．这种情况与在光学中所见到的情形是相似的：在那里，我们可以使用光线来描述光波的传播，我们中国的古人还有一个非常形象的说法：光芒．光芒中的“芒”与麦芒中的“芒”是一个意思，可见古人在很早以前对光线就有所了解．光线不仅能描述光的传播，而且还可以很好地描述光在不同介质的分界面上的反射和折射．但是，如果涉及到光波的干涉、散射和衍散，那么光线的概念就不灵了，我们还得回到光波的概念．
二、从候风地动仪到数字地震仪
望远镜是接收光波的仪器，听诊器是接收声波的仪器，那么接收地震波的仪器是什么呢？
最早的记录地震波的仪器是张衡在公元132年（东汉阳嘉元年）发明的．《后汉书》记载这台叫做“候风地动仪”的仪器“以精铜制成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒糟，饰以篆文山龟鸟兽之形，中有都柱，旁行八道，施关发机．外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蛛，张口承之，其牙机巧制，皆隐在樽中，覆盖周密无际，若有地动，樽则振龙机发吐丸，而蟾衔之．虽一龙机发而七首不动，寻其方向，乃知震之所在．”我们不要以为这台仪器只能记录到地震波到来的方向，太简单了．要知道这台仪器的发明，说明在那时我们的祖先已经懂得，地震动是从远处一定方向传播而来的地面运动，这是非常了不起的．况且，这一伟大发明要比欧洲类似的发明至少早1500年．
近代意义上的地震仪主要是利用惯性原理和弹性原理来记录地震引起的地面运动，这里惯性原理和弹性原理的结合使得传感器能够记录到地面的运动，并在记录地面运动以后可以最终回到原来的状态，一个直观的实例是一个由弹簧和重锤组成的垂直摆．为了提高回到原来状态的效率，还需要有阻尼，就是使地震仪的传感器很快地回到原来的状态，而不是让它振动起来没个完的阻力．在地震仪的发展史上，首先要解决的一个关键性的技术问题就是如何提高地震仪的放大倍数以记录到比较微弱的地面运动．地震学家为此想了很多办法，但最有效的办法是电子放大和照相记录的引入．弹簧和重锤或者其他的机械元件都有它自身的“自振周期”，因此机械传感器的结构和性能决定了地震仪能够记录到的地面运动的优势周期．这也说明传统的地震仪所记录到的地面运动是频带较窄的．机械元件的“灵敏程度”和“结实程度”是一对矛盾，灵敏和结实“妥协”的结果是大大地限制地震仪的动态范围，就是所能记录到的最大的地面运动和最小的地面运动的比值（在地震学中通常使用这一比值的对数，它乘以20就是“分贝数”）．70年代以来，两项关键性的技术引入地震仪的制造，在相当程度上解决了这两 个问题．一个是电子反馈技术，就是无需“劳动”传感器自己振动，而是用试图阻止这种振动所必须提供的电流来作为地震仪的输出，这就避免了传感器自身的“自振周期”的限制，从而使宽频带的地震观测成为可能．另一个是数字化技术．数字化技术的采用使得地震仪可以“聪明地”根据地面运动的大小来调整自己的放大倍数，这就使得大动态的地震观测成为可能．此外，便于与计算机联接和比较高的精度使数字化的地震记录受到普遍的欢迎．由此而发展起来的宽频带、大动态、高精度的数字化地震仪成为目前地震学家研究地震波、地球内部结构和地震本身的常规武器．
三、地震波
我们知道空气中的声波是纵波，就是质点振动的方向和波传播的方向一致的波；而光是横波，就是质点振动的方向和波传播方向垂直的波．地震波既有纵波又有横波，纵波反映的是地球介质的体应变，而横波则反映地球介质的剪切应变．流体不能承受剪切型的变形，所以，流体只能传播纵波而不能传播横波．在地震波中，还有一类沿着地球表面传播的波，称为面波．它与水面上传播的波看上去类似，但实际上却完全不是一回事．与面波不同的，在地球内部传播的波相应地称为体波．纵波和横波都是体波，对于地震波而言，纵波最快，横波次之，而面波最慢．比如在地壳里纵波波速为每秒6km，横波波速为每秒4km，而面波波速为每秒3km．
严格地说，真正意义上的平面波是不存在的，但是平面波经常可以作为一个非常好的简化．在地球的尺度上看，地震震源可以被当成一个点，因此地震体波是一种球面波，而地震面波则是一种柱面波．地震波在地球内部传播的时候，同时经历着两个物理过程，一个是几何扩散，就是随着波传播的范围越来越大，分配到每个单位体积中的能量变得越来越小，但总能量是守恒的．另一个过程是衰减，就是在地震波传播的过程中，要“损耗”掉一些能量．“损耗”主要是通过两种方式进行的，一种是机械能变成热能，另一种是沿直线传播的地震波在地球内部小的非均匀体上发生散射，从而传播方向发生变化．波的传播过程中，波长是一个重要的特征尺度．如果波遇到的障碍物的尺度比波长大得多，那么波就沿着射线传播，并在障碍物上发生反射和折射，如果波遇到的障碍物的尺度比波长小得多，那么障碍物对波本身来说可以忽略不计；而如果波遇到的障碍物的尺度和波长相差不多，那么波就在这个障碍物上发生散射，因此，直观地讲，多大的障碍物就散射多大波长的地震波．地球内部非均匀体的特点是小的多，大的少．如果我们随便拿起一块石头，分析一下它的非均匀性的话，我们也会得到类似 的结论．实际上，这种分布是分形的．
所以，一个直接的结论就是，“短波”在地球内部传播时更容易被“损耗”掉．或者换句话说，“损耗”的结果，是使波逐渐地失去了它的高频成分．对于机械能变成热能式的衰减，我们也有类似的结论：“折腾”得越欢，就越容易“疲劳”．
现在我们可以用上面的认识来构制我们的第一张“理论的”地震图．如果只考虑损耗和传播的话，我们可以把震源和地震台站作为一个椭球面的两个焦点，这样椭球面上的所有非均匀体的散射都“聚焦”在焦点上．时间越长，椭球面就越大，波传播的距离就越长，因此散射波的几何扩散效应也就越大．椭球面自身的增长是面积的增长，而几何扩散效应是三维空间中的变化，所以椭球面大小的增长所引起的增加被几何扩散抵消掉了，地震台站上记录到的散射波的振幅应该越来越小．这样，我们将得到一个随时间衰减的随机振荡的形象．比较一下真实的地震图就会发现，尽管这种考虑非常简单，却抓住了地震图的“主要矛盾”．这里我们只考虑散射，至于把机械能变成热能的衰减，我们暂且认为它所调节的只是整个波列的振幅．
由于非均匀体的分布是随机的，所以在地震图上的振动也必然是随机的．长期以来，工程地震学家正是用随机的时间序列来作为地震引起的地面运动的一个近似．但是地震学家似乎并不喜欢这种随机的图像，所以在相当长的一段时间内，他们的注意力并不是放在“占主要地位的”随时间衰减的“尾巴”上，而是放在“带动”这一“尾巴”的“龙头”上，他们认为这些“龙头”是来自地球内部或震源的某种确定性的信息，这些“龙头”被称为“震相”．运用前面刚提到的关于纵波、横波、面波的知识，我们还可以构造第二张包括了纵波、横渡、面波三种波的“理论的”地震图．从频谱上看，体波（包括纵波和横波）通常具有比较连续的、比较宽的频谱；而面波通常具有比较窄的甚至离散的频谱．从时间上看，体波通常具有比较短的甚至脉冲状的形状；而面波通常具有比较长的、甚至简谐式的形状．这种特性可以从一个极端简单的模型中得到理解，拿一个均匀的二维盘当作“地球”，可以看到体波的传播是“直截了当”的，因为在震源处的运动本身就比较“干脆” ——那是岩石的断裂——所以体波的持续时间也比较短．而面波的传播则要满足一定的条件，就是必须“首尾能够相顾”．这样，只有少数几个波长的振动可以满足这一条件，所以面波的频谱是很窄的，甚至是离散的；同时，面波的持续时间可以比较长，其形状接近于简谐运动．
比较一下真实的地震图，就会发现我们的理解至少在一定程度上是正确的．这种理解本身为我们提供了一个研究地震波的原则性的方法．我们可以在理论上知道地震图是什么样子的，我们的理论最初是针对均匀的地球的，确切地说，这是一个均匀的、没有结构的地球再加上一个随机散射的背景，如果真实的地震图与这个图像有偏离，那一定是地球内部特定的结构造成的，我们可以用这种偏离勾画出地球内部的结构，再回过头来与真实的地震图进行比较，以发现新的结构．这样的故事，我们在天文学中是很熟悉的，我们有了只考虑天王星的理论结果，它与真实情况的偏差导致了海王星的发现，而同时考虑天王星和海王星的理论结果与实际情况的偏差又导致了冥王星的发现．事实上，地震波一直是探测地球内部结构的主要手段，也是最有效的手段．用“逐次逼近”的研究方法，用地震记录来研究震源、地球内部结构和地震波本身，是地震学的主要内容．地震学家伽利津说：“可以把一次地震比作一盏灯，它点燃的时间很短，却为我们照亮了地球的内部，使我们了解到在地球内部发生了些什么……”
四、在不同距离上“看”到的地震波
以地球为参照物，地震震源与接收点之间的关系可以分成四种：地震就在“脚下”，地震在100km范围内，地震在100～1000km范围内，地震在1000km之外．在这四种情况下，起决定性作用的地震波是不同的．
对于地震“就在脚下”和地震在100km范围内的情况，可以清楚地看到走在前面的纵波和走在后面的横渡及其尾波，由于震源与观测者之间的距离比较近，所以地震波的高频成分还没有被衰减掉．正是这些高频成分造成了地面上的普通建筑物的破坏．
对于地震在100～1000km范围内的情况，除了能见到纵波、横波及其尾波之外，还能见到一类特殊的地震波——首波．首波的出现主要是因为在地壳下方的波速比地壳中的波速高，所以走在地壳下方的波反而比走在地壳中的波“先行到达”．此外，来自地壳下部以及地壳内部间断面的反射波和转换波也经常能看得到．在一些情况下，还可以见到“发育”得不是特别好的面波．
对于地震在1000km之外的情况，地震波可以分成两类，沿地球表面传播的面波此时具有广阔的空间去“驰骋”，而体波则可以穿透到更深的地球内部．由于体波的几何衰减是“立体”的，而面波的几何衰减是“平面”的，所以面波的衰减自然比体波慢得多，在这种情况下，面波变成了地震波的主角，不过体波也有丰富的表现．只是由于震源与地震台站之间的距离比较大，所以高频成分大部衰减掉了，此时地震波以长周期为主．
体波可以从比较小的距离到比较大的距离连续地追踪，但是在大约104°（在地球表面1°约等于1111km）左右的距离上，体波突然“消声匿迹”，出现了一个“影区”．这种现象的原因是，地震波在地核的界面上发生了折射．地震学家古登堡正是根据这一现象确认了地核的存在．原来这一巨大的“影区”竟是地核的影子．从地震波传播的情况来看，地核似乎是不传播横波的．地震学家因此推测，地核是液态的．1936年，丹麦女地震学家莱曼在“阴影”中辨认出地球的固态内核的形象，即在液态的地核之中还有一个固态的地球内核．当时很多专家对此表示怀疑，但最后还是莱曼胜利了．她的“武器”不是别的，就是地震观测资料．1996年，宋晓东和理查兹发现，地球内核的转动比地壳、地幔快，这一发现引起科学界的普遍关注．现在科学界正在争论的问题之一是，内核转动究竟是时快时慢呢，还是一直比地壳、地幔快？1998年，宋晓东和汉伯格又发现，内核也是有结构的．
五、地震波与地球内部结构
体波之所以对地球内部结构比较敏感，是因为在地球内部的不同部分，地震波传播速度不同，在不同部分的分界面上发生的反射、折射和波型转换，既影响体波的“行走时间”，又影响体波的振幅和形状．而对面波来说，还有一个重要的性质．在面波的“队伍”出发的时候，最初还能“队列整齐”地前进，但是逐渐地，这支队伍发生了“分化”．有些频率的面波“比较敏捷”，跑在前面；而有些频率的面波“比较迟缓“，落在后面．这种情况称为“频散”．面波的频散是由它所经历的“路程”上的地球结构决定的，因此它对地球内部结构也有明显的反映．
把面波的波长延伸到整个地球的尺度，我们还有一个专用的名词：地球自由振荡．这时，地球好像是一口铜钟被大地震重重地敲击一下，余音缭绕，经久不绝．不同形状、不同结构的铜钟具有不同的音色；类似地，不同形状、不同结构的星球也具有不同的自由振荡的形式．地震学家就像一位钢琴调音师那样，通过倾听地球的“音乐”，辨认出地球内部的结构．这项成果是20世纪50～60年代的成果．后来，地震学家又把这种本领应用到木星和太阳上，同样取得了令人鼓舞的进展．不同波长的地震波对地球内部结构的探测具有不同的分辨度，波长为km数量级的体波，可以对地球内部结构进行“精雕细刻”式的描绘；波长为数百km数量级的面波，可以描绘出地球结构的“写意”式的轮廓；而波长在数千km以上的地球自由振荡，又可以“大手笔”地写意出地球的形象，尽管画法不同，却同样栩栩如生．
不同类型的地震波所能勾画出来的地球，仅仅是地球的一部分．人工爆炸源或小地震产生的高频体波尽管分辨本领比较高，却只能探测到地表以下约20～30km的深度；来自比较远的大地震的体波，可以勾画出地球内部的大致的轮廓和地震台站（台阵）下方约200～400km深度的详细的结构；面波可以用来对地表以下直至500km深度的结构进行“写意”式的描绘；地球自由振荡则可以勾画出整个地球的大尺度的结构．所以，这些“画法”之间是一种相互补充的关系，由地震波画出的地球内部结构的形象，与其说是一幅精雕细刻的文艺复兴式的油画，不如说是一幅粗则奔放、细则入微的国画．同样，在这幅写意画的创作过程中，经常是“粗中有细、细中有粗、粗细相济”的情况．从这个意义上说，地震学更接近于一门艺术．
我们说地震学是一门艺术，是因为在很多情况下，构思往往比下笔更重要．构思得当的作品，只消寥寥数笔，就勾画出了所描绘的对象的神韵．地震学是一门“花钱的”科学，地震观测需要大量的经费支持，而这时把有限的力量集中在最关键的问题上，通过合理而巧妙的“兵力部署”实现“战略意图”，就显得尤为重要，这里举一个例子．60年代，地震学家为了研究深源地震，分别在南太平洋的汤加和斐济布设了两个地震台进行观测，尽管只有两个台，这样的布局却是颇具匠心的：一个台站接收的地震刚好通过深源地震组成的地震带，而另一个不通过．这样，就可以看一看由深源地震组成的那条倾斜的地震带，究竟具有怎样的不同，或者换句话说，为什么深源地震恰好发生在这里，而不是发生在别处．结果发现，通过地震带的地震波比不通过地震带的地震波的能量大得多．当时已经知道，地震波在浅处的衰减要比在深处慢，原因是，浅处很“冷”，深处很“热”．物质越热，“内耗”折腾得就越厉害，地震波能量转变成热能的效率就越高．这样，地震学家很快就“猜测”出了一幅图像：冷的浅部的物质在这里“俯冲”到热的深部的物质当中，而这正是为什么在地下深处600～700km的深处会 有地震（“深源地震”）发生的原因．后来，更多的观测表明，这种想法是正确的．由此而导致的思想和理论后来成为板块构造学说的一个重要的组成部分，板块构造学说后来则被称为“地球科学的一次革命”．
在地震波探测的视野中，有几类特殊的结构具有特别重要的意义．第一类是间断面，它未必是物质的间断面，但却是“力学的”间断面，这些间断面在地球动力学中扮演了重要的角色；第二类是低速带，一般认为，低速带与比较热的、比较软的物质联系在一起；第三类是地球内部的大尺度的非均匀结构，这类非均匀结构通常与地漫对流、地磁发电机过程联系在一起．此外，还有一类结构，称为“热柱”，它是从地球外核附近直至岩石层的“烟囱”状的结构，在全球动力学中具有重要的意义.
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远钟沉响缘云湿
——古诗中蕴含的波的传播知识
明朝末年诗人钟惺和谭元春，既是至交好友，作诗风格也相近，合称「钟谭」．两人力求诗思清远，有时太出偏锋，不免过于险怪．又因为学识所限，虽然有不少好的诗句，但是往往全诗仅有一句好句，必须要费力去披沙拣金．谭元春有《舟闻》一诗，整体而言，还算好诗，但其中第三句尤为佳妙：
杨柳不遮明月愁，
尽将春色与轻舟．
远钟渡水如将湿，
来到耳边天已秋．
对照诗圣杜甫的五言律句《船下夔州郭宿雨湿不得上岸别王二十判官》一诗，描写相似的景色：
依沙宿舸船，石濑月娟娟．
风起春灯乱，江鸣夜雨悬．
晨钟云外湿，胜地石堂烟．
柔橹轻鸥外，含凄觉汝贤．
只用了短短「晨钟云外湿」五字，不但描写简练，而且全诗观察物态事理更为丰富且深入．杜甫一诗，宋人陈衍《石遗室诗话》中有如后的精彩解释：「蜀江岸峻，雨下如绠縻，篷底听之，知江之鸣由雨之悬也．明晨雨止，寺钟鸣，以关心天气人闻之，觉钟声不如寻常响亮，似从云外来，被湿云裹住．」姑留之，待后一一详述．
谭元春诗中警句「远钟渡水如将湿」对应杜诗的第三句「晨钟云外湿」，皆是于深夜或清晨于船上闻钟．钟声在夜间独能传远，道理何在，这是我们要解的第一个谜题．张继《枫桥夜泊》中「夜半钟声到客船」，其理亦同，可一并索解．
声波是一种可以以气体、液体或固体为介质的波动，以介质压缩造成的疏密变化传播能量．波动在密介质中因为分子间距较小，振动易于传播，所以速度较快．当波传播出去时，由于密介质中波速较快，波面会向波速较小的疏介质方向偏，这就是折射的现象．相较于空气，水是密介质，一般来说，水中波速约为空气中波速的四倍；而固体由于更为紧密，其中波速较水中更快．
空气中的情形与固体、液体中不同，受温度而非密度影响较大；空气温度愈高，密度愈低，但是其中波速却愈快，对声波而言是较密的介质．因为空气中的波速．固体、液体中的分子速度都并不甚快，而空气中的分子速度则是极快，而且易随温度升高，所以差异极为明显．例如对干空气而言，摄氏零度时的声速是每秒331公尺，摄氏15度时的声速则是每秒345公尺．由于空气中声速随温度变化的差异可观，所以交响乐团演奏前或中场时，每每要现场调音，便是为了要就当场的温度调整，以免乐器频率产生变化．
杜甫、张继和谭元春所处的环境，都是已入深夜或时当清晨，江水已将在白日所吸收的日照热量散去，温度较低．相较之下，江面以上的空气温度较高．所以寺庙中的钟声声波传出，无论在上层热空气中或下面的江面上，都会折向贴近水面声速较慢的空气层中．这部份空间，好似声波的甬道，不使散失，故能够传远．夜半钟声或歌声，所以特为悠远不散，引人伫听，固然是夜半万籁俱寂的缘故，介质分布的特性使其不易散失尤为主因．
同样的原理，在近代的航海技术中，曾被应用为快速且及远的传讯之用，在通讯或海上救难中颇为方便．原来海洋可依声速大小分为表面层、主跃变层和深海等温层三层．其中位于水面下约一千公尺处的主跃变层中声速最小，因此在此深度的声波都会被上下两层密介质折射回来，使其必定保持在此「水下声道」中传播，不易散失．其中低频声波，更由于吸收率较低（见下文），竟然可以传到几千公里之外．所以遇难船只或坠海飞行员可以投掷炸药包，使其在水下声道中传播出爆响，由三个以上的测站接收即可定出遇难地点，施以援手．由水下声道传播的声音，甚至可以先期预报海啸的袭击，以利早先走避．
而「钟声不如寻常响亮」，如「被湿云裹住」，听钟而得辨空气湿度，岂非神异？若果如此，足见诗人观察周至、心思细密，「晨钟云外湿」或「远钟渡水如将湿」都无愧为见人所未见的佳句．
声波在传播时，因为距离愈远，能量会分布到更大的空间，因而逐渐衰减，称为「几何衰减」．除此而外，声波的能量也会逐渐消散在空气中，转成空气的热量．但是空气中如果饱含水分，水分子更能够为声波所振动，将声波的能量吸收．但是水分子对高频率的声波吸收较多，而且湿度愈高时，吸收率也愈高．所以钟声在湿度高的空气中传播愈远，其中高频率部份丧失愈多，所以钟声的音色也因而改变，显得较为低沉．
杜诗中「江鸣夜雨悬」句，更为奇特，「夜雨」居然可以使「江鸣」．一夜喧闹，又为雨所阻，不得送故人远行，想来诗人必不得好睡？
陈衍说「蜀江岸峻」，雨打水面声，不易散去，果然不错．但是还不足以说明「江鸣」之故，「江鸣」还要以杜甫所乘的有蓬船只才能解释．宋代科学家沈括的名著《梦溪笔谈》〈器用〉篇中有如此的记载：「古法以牛革为矢服，卧则以为枕，取其中虚，附地枕之，数里内有人马声，则皆闻之，盖虚能纳声也．」牛马皮所做的中空箭囊，取做枕头，贴地而听，可以将远处的人马声放大．这种设置，与杜甫所乘的有蓬船只并无二致．沉括的解释是「虚能纳声」，其实也就是共鸣器的原理．
声波和光波相异处之一在于光波容易被物体吸收，声波却极容易为物体反射．声波一旦传入封闭的共鸣器空间内，便可以多次反射，加强音量．诗人如果不畏下雨，撤去顶蓬，使雨打水面声无法来回混响，便不至于喧声扰人了．
诗是经济的语言，以简短的文字涵蕴深广的内容，才是好诗．杜诗凝练博大，由此可见一般．
扩展资料
真有十八层地狱吗
——利用波的传播探索地球内部结构
在我国古代有一种迷信的说法，人生罪孽深重的人，死后也不能逍遥法外，他们经过阎王爷的审判后，将根据所犯下的罪行，被打入地下深处的十八层地狱，永遭惩罚，不得翻身．在西方世界，也有类似的说法，那些作恶多端的歹徒和宗教的叛逆者，死后必将入地狱，倍受磨难，痛苦不堪．看来，人们把地球内部看成是黑暗、恐怖的另一个世界是共同的认识．
地球内部到底是什么样子呢？
近代科学告诉我们，地球内部确实是分层的，只不过没有十八层．从地表向下，可以大致分为三层，即地壳、地幔和地核．其中地壳最薄，如果用鸡蛋作比喻，地壳的厚度比鸡蛋皮厚不了多少．地壳还有另一个特点，这就是薄厚不均一，在大陆部分较厚，有的地方可达60公里；在大洋部分较薄，最薄处仅3公里，而且很脆弱．地壳通常进一步划分为两层，第一层为硅鈻层，主要成分是硅和鈻，与大陆块有关，代表性岩石是花岗岩．第二层为硅镁层，主要成分是硅与铁镁矿物，与大洋底有关，代表性岩石是玄武岩．地幔由上地幔、过渡带和下地幔组成，它们是熔融状物质，温度很高．地核由内核、过渡带和外核组成，核心是与太阳表面温度相同的铁质球状体，大小同月亮相仿，处在地球内部5000公里的深处．如此说来，“地狱”应该是八层，而不是十八层了．
地球内部的分层是怎样得到的呢？
科学家们是通过对地震波的分析研究获得关于地球内部结构的信息的．地球内部的主要分层是根据压缩波（P波）和切变波（S波）的波速随深度的变化情况划分的，由于地球内部物质的质量不同，地震波的传播速率自然有不同的变化，因此可呈现不同的反应．根据转动惯量和质量的制约，通过计算，已经准确地求出了整个地球内部的密度分布、压力和各种弹性的分布情况，地质学家和地球物理学家们通过不懈的努力，不仅揭示了地球内部的分层情况，还成功地重建了地壳的演变历史．
20世纪后半期，地震学的进展，特别是采用仪器台阵，利用核爆破作人工震源，对各种波长和地球自由震荡数据做出精确的解释，显著地改进了地震波速分布的数据，包括区域性的变化．根据地震波速随深度的分布情况，确认“莫霍面”为地壳和地幔的界限，在此界面上下，P波的波速从每秒6.5-7公里，突然增加到每秒8-8.4公里．地核与地幔的边界在2900公里深处，在此边界上下，P波速度从每秒13.7 公里，突然降至每秒大约8公里，低于这个界面，S波不再传播．
在面向新千年的时候，科学家们对地球的核心又提出了新认识，认为地核并不是很硬，并且可能还在旋转．假如地核真的比原来想象的还软的话，那么，以往种种关于地核的理论问题也需要重新核实．但仍有科学家坚持不同的观点，他们认为，地核可能在45亿年前，在地球充分形成时，甚至更早些时候就诞生了，后来，在一系列巨型流星的撞击下，襁褓中的地球温度增高，大部分铁质融化而渗入地心，形成液化的金属海洋，冷却后即成为固态铁质的地核．地核到底是怎样形成的呢？它与地球的其它分层还有什么必要的联系呢？ 这些谜底有待于在21世纪揭穿．看来，人们对“地狱”的认识仍然没有停止．