想知道聲音的形狀嗎?克拉尼圖形的秘密(圖)


聲音可以被看到嗎?不要以為這是天方夜譚,一些麵粉、沙子或鹽就能實現。
聲音可以被看到嗎?不要以為這是天方夜譚,一些麵粉、沙子或鹽就能實現。(示意圖/圖片來源:Adobe Stock)

聲音可以被看到嗎?不要以為這是天方夜譚,一些麵粉、沙子或鹽就能實現。18世紀末,在貝多芬耳聾十分嚴重的時候,他為了堅持創作,用牙齒咬著一根小木棍,另一端插在鋼琴箱內,以木頭為介質,將鋼琴的振動通過骨傳導獲得聽覺而作曲。可見,當時的人們對於聲音的傳播方式已經有了初步的認識。

德國科學家恩斯特•克拉尼在正方形金屬薄片上鋪了一層薄薄的細沙,接著拿起小提琴琴弓,將弦靠在金屬片邊緣,緩緩拉動。細沙隨著金屬片的細微震動而上下跳動,慢慢改變位置,結果竟形成一幅對稱的幾何圖案,這就是著名的克拉尼圖形。克拉尼驚喜的看著聲音在眼前幻化成形,自己最愛的音樂與科學就這麼巧妙地結合在一起,還有什麼比這更棒?!

「聲學之父」克拉尼出身書香門第。曾祖父是滿腹經綸的神學家,祖父與父親不但分別是德國威騰堡大學的神學教授與法律教授,還先後擔任過這所大學的校長。家風凜然,加上父親堅持要他將來當律師,克拉尼被迫選讀法律與哲學。但就在他1782年大學畢業後,父親過世,克拉尼終於可以重拾自小熱愛的音樂與科學。

其實克拉尼只是重做虎克1680年就做過的實驗,差別在於虎克當年用的是玻璃板與麵粉。虎克發現此一現象後並未深究,直到百年以後,克拉尼才系統性地展開一系列實驗,並於1787年出版著作,發表實驗結果;自此這類由音頻產生的幾何圖案就稱為「克拉尼圖形」(Chladni patterns)。

克拉尼圖形呈現的就是駐波的二維波形。當弓弦劃過金屬片邊緣時,會使金屬片產生共振,於是位於震動較大之部位的沙就會不斷跳動,直到彈跳至震動較小的位置──也就是波的節線,因而勾勒出波的共振圖案。不同的頻率會產生不同型態的共振,如今信號產生器可以產生精確的各種頻率,更能輕易製造出繁複美麗的共振圖案。除了純粹欣賞視覺之美,因為提琴、吉他等樂器所發出的美妙聲音就是源自琴身本身的共振,因此克拉尼圖形也被用來設計或改良這類樂器。

除了弦樂器,克拉尼還曾在教堂的管風琴中裝入各種氣體,測量其振動頻率,而首度計算出不同氣體中的音速。克拉尼就因為在聲學上所做的先驅性研究,而被稱為「聲學之父」。

此外他還研究隕石,根據所蒐集的資料分析,於1794年發表論文,率先主張隕石來自外太空,而非當時普遍認為的來自火山。一開始克拉尼備受嘲弄,直到1803年的流星雨在法國北部落下數以千計的隕石碎片,經法國科學家調查,出具報告後,克拉尼的論點才終於獲得世人認同。



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