声音时刻都会在我们身边，但你想过有什么方法能够看见声音的形状吗？其实早在15世纪，人们就开始了关于声音与振动及其视觉现象的实践和讨论，继而延伸出 「音流学」 这一跨界学科。 它最核心的研究方法是借助沙子、盐粒或者水作为媒介的振动以及「法拉第波」现象将声音可视化 。音流学的实践包括但不限于克拉尼图形的形成。今天，就让我们见识一下生活中那些「看得见」的声音。
克拉尼图形的形成
什么是克拉尼图形？
18世纪末，德国科学家恩斯特·克拉尼发明了一种方法，将声波的振动可视化，首次证明了声音是通过波来传播的，他也由此被称为「音流学第一人」。克拉尼 在薄金属板上洒满沙粒，并用小提琴的弓弦摩擦金属板，金属板便会发出不同音高的声音，同时金属板上原本均匀分布的灰尘或沙子自动聚集成各种形式的漂亮的图形 ，并随着琴弦拉出的曲调不同和频率的不断增加，图案也不断变幻和越趋复杂——这就是著名的 克拉尼图形 。
克拉尼与他的小提琴实验
这个发现并不是偶然，作为科学家的他早在1786年就开始从数学方面研究声波，在科学研究的同时，还对音乐保持着浓厚的兴趣，被誉为声学之父。因此，有人说克拉尼的声音图形如同普罗米修斯的火种，微光成炬、烈焰燎原，带给现代物理学、生理医学、哲学、建筑声学、音乐理论、乐器制造、数学、音流学等诸多领域新的研究视角和方法论的启发。
各种克拉尼图形
克拉尼图形的原理
克拉尼图形形成的原理其实很简单，我们知道声音是通过波来传播的，在声波的传递过程中，如果遇到障碍物或传递介质改变的情况，将会发生反射。这就好比海边的波浪拍打到岸边，又会退回去一样，会形成 反射波 。 当木板上的前进波遇到了障碍物形成反射波后，反射波与前进波叠加后会形成驻波 。
海边拍岸的海浪
而 驻波正是音流学图案的本质 ，所谓 驻波就是波在随时间振荡的过程中，其峰值幅度分布不会随空间移动 ，也就是说各点处的相对振荡振幅保持恒定。我们把 振幅最小的位置称为波节，振幅最大的位置称为波腹 。与驻波相反的概念是 行波，即各点处的相对振荡振幅发生变化 。后续我们要提到的主要发生在液体表面的法拉第波也是一种驻波。
上：前进的波，中：反射的波，下：反射波与前进波叠加后形成的驻波（左边小点为波节，右边小点为波腹）
回到克拉尼图形的原理上，当琴弦拉动金属板时，位于驻波波腹区域的板面会剧烈振动，而波节处则风平浪静。因此，细小的沙子就会从「危险」的波腹区，自动转移到「安稳」的波节区，也就形成了我们看到的克拉尼图形。
什么是法拉第波？
「法拉第波」 以麦克·法拉第的姓氏命名， 是一种正在振荡的容器中液体表面的非线性驻波。 当振荡频率超过临界值时，平静液面就会开始波动，「稳定」状态就此被打破，这个现象称为 法拉第不稳性 。法拉第最早在1831年皇家学会【自然科学会报】里的一篇文章附录中提到了法拉第波。
法拉第波
法拉第波通常出现在两种流体的交界面处 ，用振动装置作用于盛有液体的容器底部，发出垂直方向的正弦波振动，液面不再平静，与空气交界处出现的波动即是法拉第波。值得注意的是，法拉第波并不是振动装置发出的波，而 是液体受到振动装置与容器的共振影响，在液面形成的波。
跳跃的液滴
藏在生活里的音流学
有些小伙伴也许在景区参观的时候看过让水滴跳舞的龙洗，它是中国古代的盥洗用具，因盆内有龙纹而称之为龙洗，实际上它就是一个铜圆盆。当我们用双手搓两边的耳提时，盆子里的水就会剧烈跳动，看起来非常的神奇。实际上，这正是因为水面和空气的交界面处形成了法拉第波。
景区里水滴跳舞的龙洗
除此之外， 寺庙里磬 的原理也是如此； 短吻鳄 也是用法拉第波来呼唤配偶，它们在水底下嚎的时候，水面就可以看到法拉第波。
寺庙里的磬
短吻鳄用法拉第波来呼唤配偶
有些轮胎的驻波现象甚至还是引起高速爆胎的一大原因。 当轮胎被压缩的部位还没有来得及恢复原状就再次被压缩，并如此反复时，就会发生 轮胎的驻波现象 。
轮胎的驻波现象
火箭喷射气体前进时，由于火箭速度与大气压力的影响，所喷射气体压缩和膨胀过程也会不断重复发生，因此其尾部的火焰也会形成 独特的驻波——马赫环 。
马赫环的形成
生活中的音流学还有很多，相信爱动脑筋的你也能发现更多关于声音的奥秘，欢迎在评论区和力力分享你的发现。
