想知道声音的形状吗?克拉尼图形的秘密(图)


声音可以被看到吗?不要以为这是天方夜谭,一些面粉、沙子或盐就能实现。
声音可以被看到吗?不要以为这是天方夜谭,一些面粉、沙子或盐就能实现。(示意图/图片来源:Adobe Stock)

声音可以被看到吗?不要以为这是天方夜谭,一些面粉、沙子或盐就能实现。18世纪末,在贝多芬耳聋十分严重的时候,他为了坚持创作,用牙齿咬着一根小木棍,另一端插在钢琴箱内,以木头为介质,将钢琴的振动通过骨传导获得听觉而作曲。可见,当时的人们对于声音的传播方式已经有了初步的认识。

德国科学家恩斯特•克拉尼在正方形金属薄片上铺了一层薄薄的细沙,接着拿起小提琴琴弓,将弦靠在金属片边缘,缓缓拉动。细沙随着金属片的细微震动而上下跳动,慢慢改变位置,结果竟形成一幅对称的几何图案,这就是著名的克拉尼图形。克拉尼惊喜的看着声音在眼前幻化成形,自己最爱的音乐与科学就这么巧妙地结合在一起,还有什么比这更棒?!

“声学之父”克拉尼出身书香门第。曾祖父是满腹经纶的神学家,祖父与父亲不但分别是德国威腾堡大学的神学教授与法律教授,还先后担任过这所大学的校长。家风凛然,加上父亲坚持要他将来当律师,克拉尼被迫选读法律与哲学。但就在他1782年大学毕业后,父亲过世,克拉尼终于可以重拾自小热爱的音乐与科学。

其实克拉尼只是重做虎克1680年就做过的实验,差别在于虎克当年用的是玻璃板与面粉。虎克发现此一现象后并未深究,直到百年以后,克拉尼才系统性地展开一系列实验,并于1787年出版著作,发表实验结果;自此这类由音频产生的几何图案就称为“克拉尼图形”(Chladni patterns)。

克拉尼图形呈现的就是驻波的二维波形。当弓弦划过金属片边缘时,会使金属片产生共振,于是位于震动较大之部位的沙就会不断跳动,直到弹跳至震动较小的位置──也就是波的节线,因而勾勒出波的共振图案。不同的频率会产生不同型态的共振,如今信号产生器可以产生精确的各种频率,更能轻易制造出繁复美丽的共振图案。除了纯粹欣赏视觉之美,因为提琴、吉他等乐器所发出的美妙声音就是源自琴身本身的共振,因此克拉尼图形也被用来设计或改良这类乐器。

除了弦乐器,克拉尼还曾在教堂的管风琴中装入各种气体,测量其振动频率,而首度计算出不同气体中的音速。克拉尼就因为在声学上所做的先驱性研究,而被称为“声学之父”。

此外他还研究陨石,根据所搜集的资料分析,于1794年发表论文,率先主张陨石来自外层空间,而非当时普遍认为的来自火山。一开始克拉尼备受嘲弄,直到1803年的流星雨在法国北部落下数以千计的陨石碎片,经法国科学家调查,出具报告后,克拉尼的论点才终于获得世人认同。



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