[科普中国]-波速

基本概念

波速是指单位时间内一定的振动状态所传播的距离。由于波的某一振动状态总是与某一相值相联系，或者说，单位时间内某种一定的振动相所传播的距离，称为波速。因此，对于单一频率的波，波速又称为相速。通常以c表示，国际单位是米/秒，符号为m/s。依照波不同特征所定义而有不同的具体含义。单色波的波速c与波长λ、波源振动频率f之间的关系为：c=λf。机械波的传播速度大小完全取决于媒质本身的弹性性质和惯性性质，即决定于媒质的弹性模量和密度。在室温下，声波在空气中的传播速度约为340m/s；电磁波在真空中传播的速度等于光速。1

岩石破坏过程中波速变化特征在岩石工程中，波速的高低及变化过程被看成是岩石完整性及其内部物理力学性质变化的反映，尤其是临近破裂时波速的变化特征，对于岩石破坏的预报有重要参考意义。

起初，大量的实验研究结果表明：纵波波速随应力的增加而增加。然而这一结论却与岩石膨胀模型中破裂前由于微破裂的增加而密度减小，进而使波速下降的理论结果相互矛盾。随着实验方法和波速测量技术的改进，人们对岩石破裂过程中波速的变化规律有了更深入的了解。2

地球内部物质弹性波速的测量高温高压下地球内部物质的弹性波速测量是人们了解地球深部信息的重要手段，它常与地震观测所获得的波速资料相结合，为反演地球深部的矿物组成、化学成分、热力学状态和物质运移等提供重要约束。人们最早是在大腔体压机中采用超声测量技术，在样品两端安装超声信号发生和接收装置，通过已知长度的样品中声波走时来求得波速。由于大腔体压机获得的压力有限，要求实验样品的体积较大，且加温加压过程中样品并不可见，样品长度变化未知。因此，利用超声法测量矿物的弹性波速存在较多的限制和较大的误差。

金刚石压砧（diamond anvil cell，DAC）的出现及光散射谱学的应用，为高温高压下弹性研究开启了一个新的篇章：（1）金刚石加工和组装的改进，使DAC所能获得的压力由数个GPa提高到目前的500GPa以上，结合红外激光加热技术，实验温度亦可高达6000K；（2）垫圈的出现和传压物质的改进，使DAC产生的压力越来越接近地球内部的真实的静水压力环境；（3）金刚石良好的光学性能，使得精密的光学分析技术在传统的地学研究领域得到了广泛的应用。

将光散射谱学与DAC技术相结合，可以解决矿物波速测量实验中的三大关键问题：波速、温度和压力的测量与标定。通过布里渊散射频移获得矿物中的声子信息，可求出波速大小；利用拉曼和荧光光谱的谱峰移动，可对样品腔中的压力进行标定；而黑体辐射光谱等则可以实时获得样品腔中的温度。基于拉曼、布里渊散射和黑体辐射等光谱学分析技术建立起的高温高压弹性波速测量系统，已经成为地球深部物质弹性研究的重要手段。3