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聲音的形狀是怎樣的？

試想一下，你正在一場音樂會上，周圍燈光漸暗，而舞臺中央，聚光燈打在小提琴手的身上，全場觀眾安靜下來，她將琴弓拉過琴弦，美妙的音符自中心淌出緩緩漫過整個(gè)大廳，也漫過你的心間。

當(dāng)感嘆于悠悠琴聲的美妙時(shí)，你是否會好奇：一把看似普通的小提琴，為何要耗費(fèi)數(shù)個(gè)月去修改調(diào)試？這過程中究竟有什么神秘之處？

別急，當(dāng)你認(rèn)識咱們今天的主角:克拉尼圖形后，自然會對這個(gè)問題有個(gè)解答！

01尼古拉圖形

十八世紀(jì)，德國物理學(xué)家恩斯特·克拉德尼做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他安放一塊較寬的金屬薄片，在上面均勻地撒上沙子。然后用弓弦拉動(dòng)，結(jié)果這些細(xì)沙自動(dòng)排列成不同的美麗圖案，并隨著弓弦拉出的節(jié)奏的不斷增加，圖案也不斷變換和越趨復(fù)雜——即著名的克拉尼圖形。

恩斯特·克拉德尼

它神秘莫測，你永遠(yuǎn)也想象不到它會變成什么樣子；它美麗絕倫，總以突破人想象的姿態(tài)降臨于板上。

它可能是這樣：

沒錯(cuò)，這些都是真實(shí)的克拉尼圖形！看到這里，感嘆于克拉尼圖形的神秘莫測，美妙絕倫的同時(shí)，你一定也好奇：究竟是什么指揮這些沙子自動(dòng)“排兵布陣”，跳出美麗圖案的呢？

02駐波

那就得提到它們的“指揮員”——神奇的“駐波”！

“駐波？你這不是一波未平，一波又起嗎？”

別急別急，先來看一看《百度百科》上的解釋：

駐波是指頻率相同、傳輸方向相反的兩種波（不一定是電波）沿傳輸線形成的一種分布狀態(tài)。其中的一個(gè)波一般是另一個(gè)波的反射波。

在兩者電壓（或電流）相加的點(diǎn)出現(xiàn)波腹，在兩者電壓（或電流）相減的點(diǎn)形成波節(jié)。在波形上，波節(jié)和波腹的位置始終是不變的，給人“駐立不動(dòng)”的印象，但它的瞬時(shí)值是隨時(shí)間而改變的。如果這兩種波的幅值相等，則波節(jié)的幅值為零。

是不是有點(diǎn)暈？我們來看看更為直觀的圖片吧：

向右波

向左波

兩波合成

便為駐波

可以看到，兩個(gè)波交匯后的合成結(jié)果是“波節(jié)”不動(dòng)！

而我們知道，聲波是振動(dòng)波，依賴于物體傳播，那假如有一塊板，上面放上沙子，這塊板子按照駐波的形式震動(dòng)，它上面就會有很多沒有振動(dòng)的“波節(jié)”，不在波節(jié)位置的沙子就會不斷“跳動(dòng)”直到“跳到”波節(jié)的位置后不再變化。要是駐波再形狀絢麗一點(diǎn)，那“跳在一起”后聚集起來的沙子不就也形狀絢麗了嗎！而這個(gè)絢麗的圖形就是“克拉尼圖形”了。

接下來請看看我們的克拉尼圖形演示器裝置！

振動(dòng)發(fā)生器顧名思義就是源源不斷產(chǎn)生振動(dòng)的儀器，通過帶動(dòng)杠上下震動(dòng)引起振動(dòng)板自中心而傳播出的“聲波”也就是振動(dòng)波，聲波先沿板子由中心向外傳播。

而當(dāng)這個(gè)聲波傳播到板子邊緣的時(shí)候，會被按相同頻率反射回去形成反射波（聲波傳至原本的物質(zhì)邊緣時(shí)，如果還想沿著原來的方向傳播，那就要從一種物質(zhì)進(jìn)入另一種物質(zhì)中，這時(shí)聲波就會有一部分被反射，這里就相當(dāng)于由中心傳出的聲波先從板子進(jìn)入空氣中時(shí)，被板子的邊緣反射回去了）而就如先前駐波的介紹中說的：駐波由頻率相同、傳輸方向相反的兩種波（其中的一個(gè)波一般是另一個(gè)波的反射波）疊加而成。于是乎我們只要保持振動(dòng)發(fā)生器振動(dòng)頻率不變，就可以在板子上生成駐波，再撒上沙子，它們就會自動(dòng)跳成漂亮的克拉尼圖形了！這就是我們的這個(gè)“克拉尼圖形演示器”的原理。

03問題解答

好了，現(xiàn)在我們認(rèn)識了克拉尼圖形，那就再來回頭看看最初的問題吧。“一把看似普通的小提琴，為何要耗費(fèi)數(shù)個(gè)月來調(diào)試呢？”

這里就有一個(gè)和咱們這次實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)的原因：小提琴的外殼是發(fā)聲的重要部分，而外殼各處厚度，形狀的不同會極大的影響振動(dòng)，從而影響整個(gè)琴的音質(zhì)高低。就像我們的裝置中的振動(dòng)板，如果它的形狀或厚度發(fā)生變化時(shí)，即使振動(dòng)頻率相同，形成的克拉尼圖形也會大不相同。

而為了通過雕刻琴身調(diào)整出美妙的琴聲，小提琴制作師們就正好借用了神奇的克拉尼圖形：他們將提琴的外殼作為“振動(dòng)板”，在上面撒上沙子，輸入固定頻率讓外殼震動(dòng)，通過觀察形成的克拉尼圖形來實(shí)時(shí)判斷外殼各處的厚度和形狀是否達(dá)到了“優(yōu)秀小提琴”的要求。這樣反復(fù)監(jiān)控，磨削音板，讓音板最終有較準(zhǔn)確的振動(dòng)發(fā)聲。

說著抽象，下面就是幾張制作圖：

輸入的背板振動(dòng)頻率依次分別為:

91Hz、138Hz、231Hz、

196Hz、306Hz、312Hz、392Hz。

現(xiàn)在你知道小提琴為什么需要“十年磨一劍”了吧？

其實(shí)克拉尼圖形只是我們感受、欣賞、利用聲音的萬千形式之一。還有許許多多可以讓我們“看到聲音”的奇妙現(xiàn)象和裝置，讓我們共同探索吧！

供稿單位：西南大學(xué)科普空間站、重慶物理學(xué)會、北碚區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會

審核專家：張巧明

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