想知道声音的形状吗？克拉尼图形的秘密(图)

声音可以被看到吗？不要以为这是天方夜谭，一些面粉、沙子或盐就能实现。（示意图/图片来源：Adobe Stock）

声音可以被看到吗？不要以为这是天方夜谭，一些面粉、沙子或盐就能实现。18世纪末，在贝多芬耳聋十分严重的时候，他为了坚持创作，用牙齿咬着一根小木棍，另一端插在钢琴箱内，以木头为介质，将钢琴的振动通过骨传导获得听觉而作曲。可见，当时的人们对于声音的传播方式已经有了初步的认识。

德国科学家恩斯特•克拉尼在正方形金属薄片上铺了一层薄薄的细沙，接着拿起小提琴琴弓，将弦靠在金属片边缘，缓缓拉动。细沙随着金属片的细微震动而上下跳动，慢慢改变位置，结果竟形成一幅对称的几何图案，这就是著名的克拉尼图形。克拉尼惊喜的看着声音在眼前幻化成形，自己最爱的音乐与科学就这么巧妙地结合在一起，还有什么比这更棒？！

“声学之父”克拉尼出身书香门第。曾祖父是满腹经纶的神学家，祖父与父亲不但分别是德国威腾堡大学的神学教授与法律教授，还先后担任过这所大学的校长。家风凛然，加上父亲坚持要他将来当律师，克拉尼被迫选读法律与哲学。但就在他1782年大学毕业后，父亲过世，克拉尼终于可以重拾自小热爱的音乐与科学。

其实克拉尼只是重做虎克1680年就做过的实验，差别在于虎克当年用的是玻璃板与面粉。虎克发现此一现象后并未深究，直到百年以后，克拉尼才系统性地展开一系列实验，并于1787年出版著作，发表实验结果；自此这类由音频产生的几何图案就称为“克拉尼图形”（Chladni patterns）。

克拉尼图形呈现的就是驻波的二维波形。当弓弦划过金属片边缘时，会使金属片产生共振，于是位于震动较大之部位的沙就会不断跳动，直到弹跳至震动较小的位置──也就是波的节线，因而勾勒出波的共振图案。不同的频率会产生不同型态的共振，如今信号产生器可以产生精确的各种频率，更能轻易制造出繁复美丽的共振图案。除了纯粹欣赏视觉之美，因为提琴、吉他等乐器所发出的美妙声音就是源自琴身本身的共振，因此克拉尼图形也被用来设计或改良这类乐器。

除了弦乐器，克拉尼还曾在教堂的管风琴中装入各种气体，测量其振动频率，而首度计算出不同气体中的音速。克拉尼就因为在声学上所做的先驱性研究，而被称为“声学之父”。

此外他还研究陨石，根据所搜集的资料分析，于1794年发表论文，率先主张陨石来自外层空间，而非当时普遍认为的来自火山。一开始克拉尼备受嘲弄，直到1803年的流星雨在法国北部落下数以千计的陨石碎片，经法国科学家调查，出具报告后，克拉尼的论点才终于获得世人认同。