看见声音的形状

阿九

生活中， 有很多看不見但真实存在的事物。我们看不见风，但当树叶摇晃时，便知有风;我们看不见空气，但当自如呼吸时，便知周围空气充足。那么，怎么能看见声音的形状呢？

德国物理学家克拉尼说：“只需要一块金属薄板、一些沙子、一根小提琴的琴弦。”克拉尼对科学充满兴趣，又十分热爱音乐，于是开始思考，如何通过科学的手段让悦耳的乐声被看见。克拉尼找到了一块金属薄板，在金属薄板的中心处将其固定，又找来一些沙子，把它们撒在金属薄板上。做好准备工作后， 克拉尼拿着小提琴弦，在金属薄板的边缘拉起来。随着小提琴弦在金属薄板上缓缓拉动，板上的沙子像被施了魔法似的，产生了美丽的图案。这些图案被称作克拉尼图案，也就是声音的形状。克拉尼通过这次将声音视化的实验，首次证明了声音是由振动产生，并且以波的形式传播。

世界上有各种各样的声音，所以克拉尼图案也是多种多样的。金属薄板形状的变化、材质的不同，都会引起克拉尼图案的变化。金属薄板的形状不一定四四方方，它可以是圆形，甚至可以是吉他的形状，只需要在中心有固定约束即可。

克拉尼图案的形成原理是什么呢？人们在打乒乓球时，乒乓球落在乒乓球案台上就会弹回来。声音也是一样的，当声音在路上遇到障碍物时，也会像乒乓球一样弹回去，这就是声波的反射。反射回去的声波和赶来的声波撞在一起，在一定条件下就会形成驻波。顾名思义，驻波就是停在原地的波。需要注意的是，停在原地并不意味着不运动，驻波也在运动。驻波的运动情况与绕着x轴旋转的正弦函数十分相似，正弦函数与x轴相交的点，相当于驻波的波节，它是固定的。正弦函数的最大值或是最小值，相当于驻波的波腹，波腹也是声音振动最剧烈的地方，沙子在强烈振动的波腹不能停留，它们会聚集在声波振动相对缓和的地方。由于金属薄板各个区域声音的振动强度不同，沙子就会随着声波的振动频率画出克拉尼图案。

我们常说， 学以致用，那么知道了声音的形状，如何将其运用在实际生活中呢？其实，在克拉尼图案被发现后，很快就被应用到许多领域。尤其在制作乐器时，克拉尼图案发挥了重要的作用。例如，当一件吉他制作完成时，怎么判断吉他工艺的好坏呢？其实，只需要在吉他的琴面上放一些沙子，按住不同的品丝弹奏出来，琴面上的沙子就会随着琴弦的振动产生克拉尼图案，而根据克拉尼图案的形状，很容易就可以辨别出这把吉他的质量了。除此之外，克拉尼图案也广泛应用于我们的日常生活中，如室内家具的摆放、充液管道的分析等。

克拉尼寻找声音的形状，并没有运用高端技术， 而是利用常见的沙子来间接反映出声音的形状。奥卡姆剃刀原理是：“如无必要，勿增实体。”通俗地说，上帝喜欢简单。无论在生活中或学习上，当一条路充满艰难险阻，有时候需要的不是坚持，而是换一种思考方式。“山重水复疑无路”时，转个弯，也许就是“柳暗花明又一村”。