竖耳倾听时,声音产生的振动时刻敲击着我们的耳膜,但在视觉的世界里,声音似乎总处于隐形状态。
一直以来,我们的认知就是“听”声音而不是“看”声音,那是不是代表声音就是无形的、是看不到的呢?
其实,声音造成的振动,会让空气局部的密度发生改变,而不同密度空气对光线的折射率也是不一样的,当光线通过其中时就会产生折射和扭曲。不过,在生活中的大部分时候,因为空气密度的变化并不强烈,这样的“声浪”依然难得一见。
在电影里面,我们倒是会看到“音浪太强”带来的扭曲画面,但这只是加特技的结果。声音是在空气中传播的密度变化波,但是日常的声音还是太弱了,很难产生肉眼可见的变化。
那要想看看真的声浪怎么办呢?最简单粗暴的方法当然是增加声波强度。导演,把仓库里那吨火药都招呼上!
是的,我们需要爆炸的冲击波才能制造出肉眼可见的空气密度变化,上面的动图展示的就是这一场景。当然,空气中的声速有米/秒,所以你需要离得很远,然后放慢动作才能看清。
这方法的确很麻烦,有什么简单的办法能看到普通的声音吗?
事实上,要想“看见”声音,只需要给光源做点改变,就能在原本透明一片的空气中看到更加清晰的气流了,声波造成的空气密度变化就能被看见啦。
上面图中就是一个吹火柴的“气流现形图”,看起来效果很棒是不?
这种技术就是纹影成像法Schlierenphotography。“Schlieren”是德语“条纹”的意思,这种技术是年由德国物理学家托普勒发明的。纹影成像装置有很多种,下面这种是最简单的:
装置的关键在于一面凹面反射镜,焦距大的效果更佳。将点光源放在球心(对于球面镜,半径就等于2倍焦距)的位置,这样反射回来的像也成在球心的位置。不过为了避免光源挡住光路,需要把光源往旁边挪一点。然后,再用尽量薄的物体(刀片或黑纸)挡住球心处一半的光,这样就能拍摄到纹影啦。
利用这种方法,让声音现形也不在话下。让我们来看看尝试利用纹影显像技术(SchlierenFlowVisualization)捕捉几种声音的模样:
击掌的声音纹影
子弹发射的声音纹影
鞭炮的声音纹影
书本掉落的声音纹影
另外,如果改成用彩色的滤光片去挡的话,还可以拍摄到彩色的纹影图像:
火柴燃烧产生的声音纹影
激波管的声音纹影
纹影成像技术已经有了超过年的历史,这些简单而巧妙的设计至今依然在帮助人们获取空气动力学的第一手资料。通过它欣赏空气与声音产生的“涟漪”,也是一种相当奇妙的体验。