1.简介
提到谱，人们最先在脑海中浮现的恐怕是太阳光通过棱镜所呈现的，按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列的美丽的七色光谱。太阳光线看起来是无色的，称为白色光，英语用white 表示。1666 年牛顿首先观察到它通过棱镜后会分解成七种颜色。分解后的七种颜色从波长约 8000A (埃） 的红色起，到波长约 4000A 的紫色止，按波长的顺序依次排列。
谱的英语是 spectrum， 复数为 spectra， 形容词是 spectral。
谱除光谱外， 还有把复杂的声音分解成单纯的声音， 并按频率顺序排列的音响谱，把粒子按其质量大小的顺序排列的质量谱等多种多样的谱。
如果对谱的概念下一个最一般的定义， 可以说谱是把具有复杂组成的东西分解成单纯的成分， 并把这些成分按其特征量的大小依序排列的东西。
仔细观察白光的谱可以发现， 它不像孩子们画的彩虹那样， 色与色之间的分界那么清楚。例如， 从红色到橙色， 或从绿色到青色等都是逐渐变化的， 即颜色的变化是连续的。 因而这类谱叫做连续谱。 与此相反，钠发出的光谱，则清清楚楚地只是一条黄色的光线。 还有，氢原子发出光的谱， 是由红、青、蓝、紫四条光线组成的。这种由不连续的、 离散的线条所组成的谱叫做非连续谱或线谱。
—般来说， 谱的排列状态与发光物质的微观结构有密切的关系，所以根据谱分解，可以探索物质世界的信息。 这种物理学上常用的研究方法就是普通的谱分析。借助天体发的光，在探索天体及周围物质的状态时， 也广泛地使用谱分析法。
2.地震动的谱
当然， 这里并不打算讲解光的谱分析，而是主要介绍对我们来讲更切合实际的、抗震工程学中关于地震动的谱分析问题。
不过，由于光也是一种电磁波，所以光的谱分析与地震动的谱分析在本质上并没有什么区别。事实上，在地震波的分析中有很多术语就是直接借用光谱分析的术语，像线谱、分辨率等。不同之处， 就是两者的波长不同，光的波长的数量级约为万分之一毫米左右， 是以埃($1\mathring{A}=10^{-10}m$) 为度量单位， 而地震波的波长为几十米到几百米。
先来看下图1-1，它是高层建筑的动力分析中常采用的，做地震动相关的大概已很熟悉了，至少它的名字多次听到过。 该波是 1940 年 5 月 18 日在埃尔森特罗（ El Centro) 记录到的加速度波的 NS (南北向） 分量。 最大加速度是 326Gal， 图中持续时间截止在 8s 处， 实际上还继续有长时间的小振动。
Gal ( 伽） 是加速度单位，$1 \mathrm{Gal}=1 \mathrm{~cm} / \mathrm{s}^{2}$。 所以， 重力加速度 $1 g=980 \mathrm{Gal}$， 静力抗震设计中所采用的 0.2g 就是：
$$0.2 \times 980=196 \mathrm{Gal}$$
图 1-1 中的埃尔森特罗地震波由于以下缘故而有名。以前当大地震发生时，地震仪这种精密仪器的指针早被震飞了。所以，没有得到任何大地震的记录。
即使是有名的关东大地震 (1923 年） 的记录，虽然最近对它进行了种种复原的尝试，但实际上并不存在真实的记录。于是制造了强震仪（ strong-motion accelerometer)。
强震仪被设计成即使在发生破坏性大地震时，其自身也不会被损坏，能真实地记录到地震动的波形。 从这点上讲，它与飞机坠落时仍能真实记录下航迹的飞行记录器是相似的。美国在20世纪30年代初期，主要在加利福尼亚州各地开始设置这种强震仪，直到 1940 年出色地记录到了最大加速度超过 300Gal 的强震动。这就是图 1-1 所示的记录。它才能说是 “人类最初捕捉到的强震真面目”。
一般把这次地震叫做埃尔森特罗地震， 其正式名称是 1940 年帝谷（ Imperial Valley) 地震， 震级$M=7.1$, 取得该地震记录的街名才是埃尔森特罗。如图 1-2 加利福尼亚州地图所示， 埃尔森特罗街位于因夏季炎热而有名的帝谷南端，很接近墨西哥。
图 1-2 中除埃尔森特罗外，还标出了大家熟知的地名塔夫特（Taft)。 在 1952 年 7 月 21日阿尔文-塔哈查皮（ Arvin-Tahachapi) 地震时在塔夫特记录到了 EW (东西） 方向最大加速度为 147 Gal 的地震。
3.地震动的一些参数
地震波的特性中， 对抗震工程有重要意义的量是地震波的以下参数：
- 最大振幅
- 持续时间
- 包络曲线
- 波数
- 振动周期
- 能 量
- 最大振幅 （maximum amplitude)，当已知地震仪的灵敏度时，只要把标尺对准地震仪描绘出的记录，从比长仪就可立即读到它。
- 持续时间（ duration)， 因记录中大多数含有时间刻度，所以可直接得到它。
- 包络曲线（envelope curve), 如图粗线所示，它是大致包围波形的曲线。地震波形在开始的一段振幅急剧增大，其后持续一段振幅似乎不变的大振幅波，然后振幅逐渐衰减直到零。包络线的直线部分表示在该时间区间持续着称为主震（ principal shock ) 的大振幅波。
- 波数，特别是主震中所含波的个数很重要，可从主震中所含波的个数来粗略估计。
- 振动周期， 例如图 1-1 的地震波，它是由哪些频率成分的波组成的？ 其中哪些成分的波卓越呢？ 这些问题一下子搞不明白。
- 能量，就更难估计了。更何况对于像这个波对结构物有什么样的影响等问题，若仅看记录实际上是完全无法搞清楚的。对于初次接触图 1-1 所示埃尔森特罗地震波的读者来说，怎么也想象不到，该波中隐含着周期长达 2.5s 的波的分量，因此它对高层建筑有严重影响。
这正像看起来没有一点出奇地方的白光，通过棱镜就会呈现出七色光一样，谱分析的目的就是把原本不甚了解的地震波记录，施加某种操作，使该波的性质清晰地呈现出来， 同时也就给出了一种有效的方法以考虑该波对结构物的影响。另一方面，从观测到的波的谱，也可以调查该波的来历，如该波传播的途径，以及途中受到了那些影响等。
（未完待续）
——摘录自《地震动的谱分析入门》