看見聲音的形狀

阿九

生活中， 有很多看不見但真實(shí)存在的事物。我們看不見風(fēng)，但當(dāng)樹葉搖晃時(shí)，便知有風(fēng);我們看不見空氣，但當(dāng)自如呼吸時(shí)，便知周圍空氣充足。那么，怎么能看見聲音的形狀呢？

德國(guó)物理學(xué)家克拉尼說：“只需要一塊金屬薄板、一些沙子、一根小提琴的琴弦。”克拉尼對(duì)科學(xué)充滿興趣，又十分熱愛音樂，于是開始思考，如何通過科學(xué)的手段讓悅耳的樂聲被看見?？死嵴业搅艘粔K金屬薄板，在金屬薄板的中心處將其固定，又找來一些沙子，把它們?nèi)鲈诮饘俦“迳?。做好?zhǔn)備工作后， 克拉尼拿著小提琴弦，在金屬薄板的邊緣拉起來。隨著小提琴弦在金屬薄板上緩緩拉動(dòng)，板上的沙子像被施了魔法似的，產(chǎn)生了美麗的圖案。這些圖案被稱作克拉尼圖案，也就是聲音的形狀。克拉尼通過這次將聲音視化的實(shí)驗(yàn)，首次證明了聲音是由振動(dòng)產(chǎn)生，并且以波的形式傳播。

世界上有各種各樣的聲音，所以克拉尼圖案也是多種多樣的。金屬薄板形狀的變化、材質(zhì)的不同，都會(huì)引起克拉尼圖案的變化。金屬薄板的形狀不一定四四方方，它可以是圓形，甚至可以是吉他的形狀，只需要在中心有固定約束即可。

克拉尼圖案的形成原理是什么呢？人們?cè)诖蚱古仪驎r(shí)，乒乓球落在乒乓球案臺(tái)上就會(huì)彈回來。聲音也是一樣的，當(dāng)聲音在路上遇到障礙物時(shí)，也會(huì)像乒乓球一樣彈回去，這就是聲波的反射。反射回去的聲波和趕來的聲波撞在一起，在一定條件下就會(huì)形成駐波。顧名思義，駐波就是停在原地的波。需要注意的是，停在原地并不意味著不運(yùn)動(dòng)，駐波也在運(yùn)動(dòng)。駐波的運(yùn)動(dòng)情況與繞著x軸旋轉(zhuǎn)的正弦函數(shù)十分相似，正弦函數(shù)與x軸相交的點(diǎn)，相當(dāng)于駐波的波節(jié)，它是固定的。正弦函數(shù)的最大值或是最小值，相當(dāng)于駐波的波腹，波腹也是聲音振動(dòng)最劇烈的地方，沙子在強(qiáng)烈振動(dòng)的波腹不能停留，它們會(huì)聚集在聲波振動(dòng)相對(duì)緩和的地方。由于金屬薄板各個(gè)區(qū)域聲音的振動(dòng)強(qiáng)度不同，沙子就會(huì)隨著聲波的振動(dòng)頻率畫出克拉尼圖案。

我們常說， 學(xué)以致用，那么知道了聲音的形狀，如何將其運(yùn)用在實(shí)際生活中呢？其實(shí)，在克拉尼圖案被發(fā)現(xiàn)后，很快就被應(yīng)用到許多領(lǐng)域。尤其在制作樂器時(shí)，克拉尼圖案發(fā)揮了重要的作用。例如，當(dāng)一件吉他制作完成時(shí)，怎么判斷吉他工藝的好壞呢？其實(shí)，只需要在吉他的琴面上放一些沙子，按住不同的品絲彈奏出來，琴面上的沙子就會(huì)隨著琴弦的振動(dòng)產(chǎn)生克拉尼圖案，而根據(jù)克拉尼圖案的形狀，很容易就可以辨別出這把吉他的質(zhì)量了。除此之外，克拉尼圖案也廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中，如室內(nèi)家具的擺放、充液管道的分析等。

克拉尼尋找聲音的形狀，并沒有運(yùn)用高端技術(shù)， 而是利用常見的沙子來間接反映出聲音的形狀。奧卡姆剃刀原理是：“如無必要，勿增實(shí)體?！蓖ㄋ椎卣f，上帝喜歡簡(jiǎn)單。無論在生活中或?qū)W習(xí)上，當(dāng)一條路充滿艱難險(xiǎn)阻，有時(shí)候需要的不是堅(jiān)持，而是換一種思考方式。“山重水復(fù)疑無路”時(shí)，轉(zhuǎn)個(gè)彎，也許就是“柳暗花明又一村”。