Chladni板如何使声音可视化？

“如果您想找到宇宙的秘密，请考虑能量，频率和振动。”- 尼古拉·特斯拉

我们可以“看到”声音吗？不是直接的，但是我们可以接近。通过改变我们的观点，我们可以学到很多关于声学的本质。观察声学现象的一种方法是研究在称为A的实心介质中chladni板。一种特殊的技术在盘子上创建模式，以揭示声音的物理性质。

可视化乐器的共振

想象一下您参加了古典音乐音乐会。乐团已经结束了。灯光昏暗。小提琴独奏者在前面和中心舞台上出现了一个聚光灯。当您期望她的第一个响亮的音符时，她抬起弓箭，观众躺在观众身上。小提琴手将弓箭划过绳子……结果表现出色，在整个礼堂中回荡，为您的聆听乐趣。

音乐家在表演前在舞台上热身。Jiqian Airplanefan的图像 - 自己的作品。获得许可CC-BY 3.0， 通过Wikimedia Commons。

除了小提琴家的才华和训练外，小提琴的质量在产生的声音中起着重要作用。音乐家对他们的乐器非常特别，这是正确的，因为乐器的设计会影响其共鸣。例如，当鞠躬时，字符串以一定的频率振动，该频率通过每秒来回振荡的次数来衡量。至关重要的是，将小提琴的桥梁和身体优化以传递这种振动的能量 - 否则，共振将是最小的。

小提琴和其他弦乐器是通过测试孔的最佳位置，木材厚度以及内部钢筋的放置以及其他因素来设计和构建的。还可以看到通过chladni板中的小提琴中可以看到不同类型的振动（称为chladni模式）的几何形状。

小提琴形的铝chladni板的照片显示了chladni图案。斯蒂芬·莫里斯（Stephen Morris）的图像 - 自己的作品。获得许可CC由2.0， 通过Flickr。

Chladni板如何工作，它们是如何产生的？

恩斯特·克拉德尼（Ernst Chladni）：探索流星和音乐

我们现在知道，声音通过固体，气体或液体介质在海浪中传播，但我们并不总是知道这一点。在1700年代后期，一位名叫恩斯特·克拉德尼（Ernst Chladni）的德国科学家是第一个通过设计一种可视化振动的方法来证明声音通过波浪传播的人。

获得法律学位后不久，恩斯特·克拉德尼（Ernst Chladni）突然改变了职业变革，使他既被称为“流星之父”和“声学之父”。奇拉迪（Chladni）自己的父亲是一位法学教授，不赞成儿子对科学的兴趣，迫使他跟随他的脚步并成为律师。Chladni忠实地做了对他的期望，但是1782年从法学院毕业后不久，他收到了父亲去世的消息。虽然这对Chladni来说一定是一个艰难的时期，但他可以自由地从事他真正想要的职业，并将注意力转移到物理学上。

具有讽刺意味的是，Chladni的法律背景使他在这项科学方面具有优势：在审查了有关法院案件的目击者证词方面的经验后，他使用类似的方法来支持他的理论，流星是外星的而不是起源的火山，那是当时的普遍共识。

奇拉迪（Chladni）研究了他对从天上掉下来的物体的所有能力，发现了目睹事件并听到并看到类似现象的人：落在地面上的岩石群体，火球，爆炸和声音繁荣。在编译了最可靠的目击者报告之后，Chladni能够估算岩石进入大气的速度。他得出的结论是，除了岩石的外观外，这些极高的速度除了岩石来自外太空时才有可能。

左：恩斯特·克拉德尼。在美国的公共领域图像Wikimedia Commons。右：Chladni板技术的插图。在美国的公共领域图像Wikimedia Commons。

Chladni还为实验声学铺平了道路。也许物理学家对音乐的兴趣和能力激发了他追求该领域的兴趣，并根据本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）的发明发明了新乐器罗伯特·胡克（Robert Hooke），包括Euphone和Clavicylinder。他在欧洲巡回演出，进行了演示，并解释了他们的设计背后的科学。

在他的成就中，他能够使用器官管确定气体中的声速并开发Chladni的定律。该公式将平板板的振动模式频率联系起来。除其他应用外，Chladni的定律可以帮助预测平坦表面上的振动模式，并描述Cymbals和Bells的振动。

Chladni对音乐和声学的兴趣使他考虑了一种乐器的形状和对称性，从而促进了他最著名的想法……

用chladni板块找到声学艺术

恩斯特·克拉德尼（Ernst Chladni）不仅受到罗伯特·胡克（Robert Hooke）的乐器的启发，而且还受到了可视化淋巴结图案的实验，他开发了一种自己的技术，可以在金属板上显示振动模式。

这是它的工作原理

Chladni板的形状可以是正方形的，矩形，圆形的，甚至像小提琴或吉他体一样形状，只要中心的固定约束即可。（在Chladni的情况下，他取了一张平坦的矩形金属板并将其固定在坚固的底座上。）板上撒上材料，以查看图案，例如面粉，沙子或盐。（我们使用沙子进行实验！）接下来，通过在盘子的侧面画出小提琴弓，直到它达到共振，盘子会激发盘子。

当盘子兴奋时，某些区域会振动，有些区域不会移动。更具体地说，您可以看到沿板的节点线的站立波。沙子从抗ino，处于常驻波的幅度最大，朝向节点线，幅度最小，形成称为的模式Chladni人物。

注意：在播放此视频之前，请先调低声音。Chladni Plate产生的音符非常刺耳，而不是像您的耳朵一样。

根据您的敏捷程度，您可以通过握住不同的节点来“弹奏” Chladni板，并用不同的抗inodine弓令人兴奋。不同的模式会改变和不同，具体取决于音调。

这些模式中的许多非常有趣：

在不同模式下，同一板上的两个Chladni图模式。

我们已经看到了如何创建Chladni板上的图案，但是它们是什么意思？

包括chladni板在内的所有物体都有一组固有频率，它们会振动。一个系统，例如乐器中的立波，倾向于以某些离散频率振动固有频率或者特征。一旦以一定频率振动，结构变形为相应的形状：本本莫德。

简单支撑的矩形板的前六个本征模。

板是一个连续的系统，它显示了依赖几何特性和约束的特征频率。它可以展示的本征频率是无限的。足以产生影响的模式特别感兴趣。板的固有频率在很大程度上取决于形状和支撑条件的几何形状及其弯曲刚度。例如，在仪器生产中，在赫兹（Hertz）中测量的本本频率与木材的刚度有关。

吉他板上Chladni图案的代表。将较低频率（109 Hz）的左图与右图以较高频率（426 Hz）进行比较。

带有结构力学模拟的“看到”声音

可视化声音在许多领域都有应用家具放置在房间里和分析充满流体的管道。可视化声音甚至可以帮助建筑工程师设计音乐厅因此，建筑物的声学不会干扰小提琴家的精湛演绎Paganini的Caprice No. 24。通过研究声音的变化，波形，波长，速度和其他属性，我们可以更好地了解如何操纵和繁殖声音，并考虑其在设计中的物理效果。

Chladni板模型的一个例子。

结构分析软件使您能够以chladni板作为这样做的基本示例来模拟板，壳和膜中结构振动的性质。结构力学模块，一种附加产品comsolMultiphysics®软件，包括功能，使其易于在各种形状中设置板几何形状，并在中心构成固定约束。您可以从材料库中的可用选择中选择板块，通常是钢或铝。

COMSOL®软件还包括用于运行特征频率研究的预定义物理设置。这项研究的结果表明，以不同频率形成的Chladni数字。如下所示，在610 Hz时形成的图案与在3815 Hz时形成的图案差异很大。在Chladni板的不同频率上对声波的分析可以应用于涉及声音物理效果的其他设计项目。

Chladni模拟在610 Hz（左）与3815 Hz（右）。

将功能进一步发展，可以将Chladni板的Comsol多物理模型转换为称为应用程序的专用用户界面。仿真专家可以构建一个应用程序，其中具有限制的输入和仿真输出，以易于使用。这样，没有模拟专业知识的人仍然可以看到Chladni模式并尝试参数更改，而无需找出基础模型。

Chladni Plate应用程序的屏幕记录。

Chladni板的应用超出了声音

尽管许多可视化声音的方法取代了Chladni的技术，但科学家仍然看到其研究物理现象的潜力。例如，物理学家倾向于同意淋巴结线的粒子运动是随机的，因此无法控制 - 但是研究人员表明，可以控制多个对象的运动在Chladni板上。一个研究团队使用激光灯代替小提琴弓来激发薄而坚固的膜，并观察到与小振动物体相似的效果。然后他们通过量子点阵列。这一发现可能导致一种设备，该设备在设计核材料时可以检测到小重力异常。

无论您是想研究多个物理应用的声波还是设计值得站立鼓掌的小提琴，Chladni板都是一种观察不同频率的效果和独特的振动模式的方式，从而使我们能够“看到”声音。

下一步

尝试自己观察Chladni模式。我们创建了一个专门为此博客文章的应用程序，并在应用程序库中为您提供了应用程序。

进一步阅读

• 查看这些博客文章，涉及模拟的进一步音乐应用：
  • 通过应用程序向学生传授有关声学现象的知识
  • 我们可以听到鼓的形状吗？
  • 通过模拟查找调音叉神秘的答案
• 了解有关Chladni板块的最新研究：
  • P.H.Tuan等人，“探索薄板的谐振振动：重建Chladni模式和共振波数的测定“，美国声学学会杂志，卷。137，不。4，第2113–2123页，2015年。