走，去音樂會“看”聲音！等等，聲音居然有形狀嗎？

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大廳，也漫過你的心間。

當感嘆于悠悠琴聲的美妙時，你是否會好奇：一把看似普通的小提琴，為何要耗費數(shù)個月去修改調試？這過程中究竟有什么神秘之處？

別急，當你認識咱們今天的主角:克拉尼圖形后，自然會對這個問題有個解答！

01尼古拉圖形

十八世紀，德國物理學家恩斯特·克拉德尼做過一個實驗，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，結果這些細沙自動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，這些都是真實的克拉尼圖形！看到這里，感嘆于克拉尼圖形的神秘莫測，美妙絕倫的同時，你一定也好奇：究竟是什么指揮這些沙子自動“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)。其中的一個波一般是另一個波的反射波。

在兩者電壓（或電流）相加的點出現(xiàn)波腹，在兩者電壓（或電流）相減的點形成波節(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”的印象，但它的瞬時值是隨時間而改變的。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，兩個波交匯后的合成結果是“波節(jié)”不動！

而我們知道，聲波是振動波，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，它上面就會有很多沒有振動的“波節(jié)”，不在波節(jié)位置的沙子就會不斷“跳動”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，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！

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

而當這個聲波傳播到板子邊緣的時候，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邊緣時，如果還想沿著原來的方向傳播，那就要從一種物質進入另一種物質中，這時聲波就會有一部分被反射，這里就相當于由中心傳出的聲波先從板子進入空氣中時，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（其中的一個波一般是另一個波的反射波）疊加而成。于是乎我們只要保持振動發(fā)生器振動頻率不變，就可以在板子上生成駐波，再撒上沙子，它們就會自動跳成漂亮的克拉尼圖形了！這就是我們的這個“克拉尼圖形演示器”的原理。

03問題解答

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

這里就有一個和咱們這次實驗密切相關的原因：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，從而影響整個琴的音質高低。就像我們的裝置中的振動板，如果它的形狀或厚度發(fā)生變化時，即使振動頻率相同，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“振動板”，在上面撒上沙子，輸入固定頻率讓外殼震動，通過觀察形成的克拉尼圖形來實時判斷外殼各處的厚度和形狀是否達到了“優(yōu)秀小提琴”的要求。這樣反復監(jiān)控，磨削音板，讓音板最終有較準確的振動發(fā)聲。

說著抽象，下面就是幾張制作圖：

輸入的背板振動頻率依次分別為:

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：西南大學科普空間站、重慶物理學會、北碚區(qū)科學技術協(xié)會

審核專家：張巧明

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