聲音時刻都會在我們身邊，但你想過有什麽方法能夠看見聲音的形狀嗎？其實早在15世紀，人們就開始了關於聲音與振動及其視覺現象的實踐和討論，繼而延伸出 「音流學」 這一跨界學科。 它最核心的研究方法是借助沙子、鹽粒或者水作為媒介的振動以及「法拉第波」現象將聲音視覺化 。音流學的實踐包括但不限於克拉尼圖形的形成。今天，就讓我們見識一下生活中那些「看得見」的聲音。
克拉尼圖形的形成
什麽是克拉尼圖形？
18世紀末，德國科學家恩斯特·克拉尼發明了一種方法，將聲波的振動視覺化，首次證明了聲音是透過波來傳播的，他也由此被稱為「音流學第一人」。克拉尼 在薄金屬板上灑滿沙粒，並用小提琴的弓弦摩擦金屬板，金屬板便會發出不同音高的聲音，同時金屬板上原本均勻分布的灰塵或沙子自動聚整合各種形式的漂亮的圖形 ，並隨著琴弦拉出的曲調不同和頻率的不斷增加，圖案也不斷變幻和越趨復雜——這就是著名的 克拉尼圖形 。
克拉尼與他的小提琴實驗
這個發現並不是偶然，作為科學家的他早在1786年就開始從數學方面研究聲波，在科學研究的同時，還對音樂保持著濃厚的興趣，被譽為聲學之父。因此，有人說克拉尼的聲音圖形如同普羅米修斯的火種，微光成炬、烈焰燎原，帶給現代物理學、生理醫學、哲學、建築聲學、音樂理論、樂器制造、數學、音流學等諸多領域新的研究視角和方法論的啟發。
各種克拉尼圖形
克拉尼圖形的原理
克拉尼圖形形成的原理其實很簡單，我們知道聲音是透過波來傳播的，在聲波的傳遞過程中，如果遇到障礙物或傳遞介質改變的情況，將會發生反射。這就好比海邊的波浪拍打到岸邊，又會退回去一樣，會形成 反射波 。 當木板上的前進波遇到了障礙物形成反射波後，反射波與前進波疊加後會形成駐波 。
海邊拍岸的海浪
而 駐波正是音流學圖案的本質 ，所謂 駐波就是波在隨時間振蕩的過程中，其峰值振幅分布不會隨空間移動 ，也就是說各點處的相對振蕩振幅保持恒定。我們把 振幅最小的位置稱為波節，振幅最大的位置稱為波腹 。與駐波相反的概念是 行波，即各點處的相對振蕩振幅發生變化 。後續我們要提到的主要發生在液體表面的法拉第波也是一種駐波。
上：前進的波，中：反射的波，下：反射波與前進波疊加後形成的駐波（左邊小點為波節，右邊小點為波腹）
回到克拉尼圖形的原理上，當琴弦拉動金屬板時，位於駐波波腹區域的板面會劇烈振動，而波節處則風平浪靜。因此，細小的沙子就會從「危險」的波腹區，自動轉移到「安穩」的波節區，也就形成了我們看到的克拉尼圖形。
什麽是法拉第波？
「法拉第波」 以麥克·法拉第的姓氏命名， 是一種正在振蕩的容器中液體表面的非線性駐波。 當振蕩頻率超過臨界值時，平靜液面就會開始波動，「穩定」狀態就此被打破，這個現象稱為 法拉第不穩性 。法拉第最早在1831年皇家學會【自然科學會報】裏的一篇文章附錄中提到了法拉第波。
法拉第波
法拉第波通常出現在兩種流體的交界面處 ，用振動裝置作用於盛有液體的容器底部，發出垂直方向的正弦波振動，液面不再平靜，與空氣交界處出現的波動即是法拉第波。值得註意的是，法拉第波並不是振動裝置發出的波，而 是液體受到振動裝置與容器的共振影響，在液面形成的波。
跳躍的液滴
藏在生活裏的音流學
有些小夥伴也許在景區參觀的時候看過讓水滴跳舞的龍洗，它是中國古代的盥洗用具，因盆內有龍紋而稱之為龍洗，實際上它就是一個銅圓盆。當我們用雙手搓兩邊的耳提時，盆子裏的水就會劇烈跳動，看起來非常的神奇。實際上，這正是因為水面和空氣的交界面處形成了法拉第波。
景區裏水滴跳舞的龍洗
除此之外， 寺廟裏磬 的原理也是如此； 短吻鱷 也是用法拉第波來呼喚配偶，它們在水底下嚎的時候，水面就可以看到法拉第波。
寺廟裏的磬
短吻鱷用法拉第波來呼喚配偶
有些輪胎的駐波現象甚至還是引起高速爆胎的一大原因。 當輪胎被壓縮的部位還沒有來得及恢復原狀就再次被壓縮，並如此反復時，就會發生 輪胎的駐波現象 。
輪胎的駐波現象
火箭噴射氣體前進時，由於火箭速度與大氣壓力的影響，所噴射氣體壓縮和膨脹過程也會不斷重復發生，因此其尾部的火焰也會形成 獨特的駐波——馬赫環 。
馬赫環的形成
生活中的音流學還有很多，相信愛動腦筋的你也能發現更多關於聲音的奧秘，歡迎在評論區和力力分享你的發現。
