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【走进台科】科学家的故事——看得见的声音

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在科技馆暂停开放的这段时日,宅在家里的辅导员老师们,纷纷录制了“讲述科学家的故事”以及“居家科学小实验”的短视频。即使线下不能开馆,线上的科普学习可是一样都不能落下呢~

上周辅导员老师与我们分享了

爱迪生与特斯拉这两位天才之间的电流之争

链接:https://mp.weixin.qq.com/s/pig8sf83H5MtyTK6lfZ3Zg

这次我们来认识一位将声音可视化的物理学家

恩斯特·克拉德尼

德国物理学家。

算出有关声音传播的数量关系的第一个人,因此被誉为“声学之父”。

什么是声音可视化呢?快来看看下面这个超级酷炫的视频吧

克拉尼图形,又称“克拉德尼声音图案"。十八世纪,德国物理学家恩斯特·克拉德尼做过一个实验:他在一个小提琴上安放一块较宽的金属薄片,在上面均匀地撒上沙子。然后开始用琴弓拉小提琴,结果这些细沙自动排列成不同的美丽图案,并随着琴弦拉出的曲调不同和频率的不断增加,图案也不断变幻和越趋复杂——这就是著名的克拉尼图形。

当薄板振动时,细沙会停留在没有振动产生的节线上,不在节线上的细沙会随着波动的振荡持续跳动,直到细沙弹跳到节线处,并停留在不会振动的节线上。细沙组成的图形随振动频率有规律的变化,振动频率越高图形则越复杂。同时不同形状的板、不同点位的振动对图形的产生也有影响。

克拉尼板的形状可以是正方形、三角形、圆形,甚至小提琴或吉他形状的。中心有一个固定约束,通常由钢或铝制成。当振动激励薄板时,驻波形成波节线模式,沙子聚集在这些线上,在不同音调下形成不同图案。

克拉尼图形现在常用在电声乐器如小提琴、吉他和大提琴的设计和施工上。20世纪以来,用于电子信号发生器,实现了更精确的可调频率驱动的扬声器。

在科技馆三楼

科学与实验展厅

有克拉尼图形演示仪器

通过结构力学仿真“看见”声音

声音可视化的应用领域非常广泛,例如室内家具摆放和充液管道分析。声音可视化甚至可以帮助建筑工程师设计音乐厅,使音乐厅的音响效果不会干扰精湛的演奏。通过研究声音的变化、波形、波长、速度和其他特性,我们可以更好地理解如何操纵和再现声音,以及在设计中考虑声音的物理效应。

克拉尼板的应用不止于声音

尽管如今许多声音可视化方法已经取代了克拉尼的技术,但科研人员仍然看到了它在物理现象研究方面的潜力。例如,物理学者倾向于认为波节线的粒子运动是随机的,因而无法控制。但研究人员已经证实,可以在克拉尼板上控制多个物体的运动。一个研究小组用激光代替小提琴弓来激励刚性薄膜,观察到小的振动物体也能产生类似的效果。然后,他们通过量子点阵将图形可视化。这一发现可能会催生出一种新型装置,该装置可帮助在设计核材料屏蔽时探测到微小的重力异常。

你想了解哪位科学家的故事

欢迎留言告诉我们

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