这段难听的声音，竟然这么好看？这可能是最适合用眼睛“听”的实验之一 | 正经玩

声音，看不见，也摸不着。

但如果让它遇见一片水面，
会发生什么？

扬声器上放一只装有水的表面皿，
当声音响起——

原本平静的水面泛起波纹，
还出现了一道道有规律的条纹！

甚至连人耳听不见的次声波，
也能借助水面的振动留下“痕迹”。

本期正经玩，
就让我们一起听一听、看一看，
藏在水波里的振动秘密！

实验器材

一套完整的音频播放线路（本实验中使用的：纸盆喇叭、功放板、电源线、导线、3.5mm耳机耳麦接口）、盛有水的培养皿或形状类似的容器、色素、所标杯

安全提示：工业色素可能具有一定毒性，请做好相应安全措施，并由成年人进行操作。推使用更加安全的食用色素。安全提示：常见的工业色素可能存在毒性，如为了实验效果要使用请做好安全措施后由成人进行操作，建议使用食用色素。

接好并调试好音频播放线路，确保喇叭能够正常地发出声音，然后将盛有水的表面皿轻轻放置在喇叭上。（如果你能够正常播放一首音乐，那么恭喜你本次实验的准备工作就结束了，就是这么简单！）

对于有纸盆音箱的同学，这一步只需将音箱与电脑或手机连上即可，非常简单。至于小编这里使用的绿色板子，其实是一块2.1声道的功率放大板，简称“功放板”。大家平时可能很少直接见到它，因为这类电路通常藏在音箱或功放的外壳里。它的作用是将你的电脑或是手机输出的音频信号放大，从而驱动个头硕大的纸盆喇叭播放声音。简而言之，就是音频输出设备和播放设备之间的“传声筒”。

功放板示意图。图片由AI结合本实验中使用的功放板电路生成。

这么多的接口，到底该怎么接线呢？

首先，确保功放板处于断电状态，用3.5mm音频线连接电脑的音频输出接口与功放板的音频输入接口；再将扬声器的两根线接到对应的一组扬声器输出端子上，注意区分正负极，具体接线位置以板上的标识为准。

纸盆喇叭的基本结构和接线方法。图片由AI结合本实验中使用的功放板电路生成。

检查接线无误后，将音量调至最低，再接上电源，一切就大功告成了！

用电脑或者手机端频率发生器控制喇叭发出恒定频率的波形，比如57Hz，再缓慢地调节音量。

57Hz声波驱动下水面的震荡（2.5倍速）

这时候你就会发现这个声音实在是太难听了，随着音量的增大，水面逐渐有规律地跃动起来，形成了同心圆条纹。然后又在一瞬间变得躁动不安，整齐的同心圆被打散，水面开始出现交错翻动的波纹。

你可能会好奇，这样的现象和喇叭发出声音的频率有什么关系吗？

67Hz声波驱动下水面的震荡（2.5倍速）

77Hz声波驱动下水面的震荡（2.5倍速）

好像有，又好像没有？但可以确定的是，随着频率的变化，水面无规律振动的图案也变得不再相同。

播放下方视频前，建议调低音量！！！（因为真的很难听）

不同频率下的水的震荡

第三步：

刚才用清水演示，水面的变化可能不太容易看清。不妨加入少量色素，让这些变化更明显，画面也更好看！

原理解说

原本平静的水面，随着喇叭的振动泛起波纹，这很好理解。但是为什么一开始好好的环形波纹，会突然变成一片交错翻动、好像杂乱无章的波纹呢？

让我们从喇叭的振动开始分析。播放音频时，电脑发出的信号经过功放板放大，带动喇叭的纸盆上下振动。培养皿跟着纸盆一起动，皿里的水也就有了起伏。水面受到扰动后，会在重力和表面张力的作用下趋向恢复平整。不过，由于惯性，水不会回到原位就立刻停住，而会继续运动，形成起伏的水波。水波各处朝向不同，把光反射到不同方向，镜头里便有了明暗相间的纹路。

最开始出现的一圈圈圆环波纹，可能来自容器边缘产生的受迫波。水与容器接触的地方，液面往往存在一定的弯曲，称为“弯月面”。容器上下振动时，弯月面不断调整，向内部发出波动。圆形边缘各处的波动近似对称，便容易形成一圈套一圈的波纹。这类波通常与容器保持相同的振动频率。

随着音量增大，培养皿上下振动的幅度增大，在合适的频率下，当达到足够大的振动强度时，水面原有的微小起伏便可能被不断增强，形成明显的波纹和花纹，也就是我们所看到的那些杂乱无章的波纹。这类由周期性竖直振动通过参数共振激发的水面波，叫作法拉第波。早在1831年，法拉第就研究过这种现象。

迈克尔·法拉第（Michael Faraday）。图片来源：Wikipedia

这里涉及一种特别的共振——参数共振。想象一下站在秋千上，踩准节奏蹲下、站起，秋千就能越荡越高，这就是一种典型的参数共振现象。类似地，当培养皿振动的节奏合适、强度足够时，这种周期性变化便能持续向水面波动输送能量；如果输入的能量超过损耗，原本微小的起伏就会逐渐增强，形成明显的波纹

当水面上额外出现的一点小扰动，能够从振动中获得能量并逐渐长大，原有的液面状态就失去了稳定性。这种由参数激发造成的液面失稳，称为“法拉第不稳定性”，也叫“法拉第失稳”。

也正是法拉第失稳，导致一开始的环形波纹转变成了之后的法拉第波。

不过，法拉第波也可以呈现圆环状。有研究者就曾拍到，刚出现的法拉第波是一圈圈同心圆，继续增强振动之后，液面才变成棋盘格。

左边的同心圆和中间的棋盘格都属于法拉第波，右边是更强振动下产生的液滴。实验液体为硅油。图片来源：Tambasco 等，2018，图 2 [1]。

因此，我们拍到的圆环，既可能是容器边缘产生的水波，也可能已经是法拉第波，甚至可能是它们的叠加。

改变音频频率，也会影响波纹的尺度。在液体性质和水深相同的条件下，水波频率越高，波长通常越短。容器会限制水波的排列方式，所以调节频率时，花纹可能直接从一种结构跳到另一种结构。

法拉第波也并不只是好看，这些水面图案还可以用来排列微小物体。研究者把法拉第波形成的图案当作“液体模板”，让微粒、水凝胶单元，甚至细胞和细胞团排成特定结构，再将它们固定下来，用于组织工程等研究。

法拉第波上的微尺度材料组装。图片来源：Wikipedia

我们做的这类实验，常被归入Cymatics，通常称为“音流学”：让声音或机械振动形成可以看见的图案。振动金属板上的克拉尼沙纹、扬声器上液体形成的波纹，都属于这一主题，只是各自的形成机制不同。

方形金属板在不同频率下振动，沙粒聚集在节线附近，形成不同的克拉尼图案。图源：亚利桑那州立大学物理教学资源组（ASU PIRT），《Chladni Plates》。

参考文献

[1] Tambasco L D, Pilgram J J, Bush J W M. Bouncing droplet dynamics above the Faraday threshold[J]. Chaos, 2018, 28(9): 096107.

来源：中科院物理所