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酷炫动图(二十二):窥见声音的涟漪

微风拂过时,我们可以用皮肤感受到空气的流动,竖耳倾听时,空气的振动也敲击着我们的耳膜,但在视觉的世界里,透明的空气似乎总处于隐形状态。如果不借助烟雾和飘动的树叶,我们可以看到空气的流动吗?

其实,空气的波动是可以被看见的。无论是空气的对流,还是声音造成的振动,其实都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,扭曲我们所看到的景象。当你注视着火焰上方的热空气时,就能感受到这样飘忽不定的“热浪”。

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“气浪”依然难得一见,即使看得到,也往往看不清楚。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。

这样的“音浪”在电影特效里才能看到。图片来自:Roundtable Rival 剧照

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!

原视频来自:BBC纪录片《隐形世界》

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 340 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?

透明,也要让你现形!

事实上,这样的方法是有的,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也不例外。

图片来自:Victor Miller, Matthew Tilghman, Ronald Hanson

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(Schlieren photography)。“Schlieren”是德语“条纹”的意思,这种技术是1864 年由德国物理学家托普勒发明的(和今天不同,在那个时候德语才是物理学的“工作语言”)。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。在下面的图中,我们可以看到水波一般的“涟漪”,这就是在空气中振动的声波:

纹影法拍摄击掌的过程。原视频来自:What Does Sound Look Like? NPR

AK47产生的气流和声波“涟漪”。原视频来自:What Does Sound Look Like? NPR

书本掉落产生的声波。原视频来自:What Does Sound Look Like? NPR

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:

火柴燃烧产生的气流纹影。原视频来自:RMIT University

激波管(一种压缩气体产生激波的实验装置)的彩色纹影图像。原视频来自:NACImageTechnology

干涉的光影游戏

那么,透明的气流究竟是怎样获得明暗对比的呢?空气密度不同带来的折射固然重要,但只靠它可不行。其实,问题的关键在于光的干涉。

我们在中学课本上都会学到干涉的物理现象,不同相位的光波之间发生干涉时,会产生两种结果:叠加变得更明亮,或者相互抵消变暗,而这种差异就给了我们让透明现形的机会。

下面我们来看几张示意图。首先,假设我们用一片均匀光照射一块均一透明的介质,光通过其中时不会产生什么相位差,你看到的会是一片均匀的亮光:

接下来,我们放入一块迷之透明物体,它的折射率比外面的介质大一些,所以光在物体内跑的更久一些,出来之后就和旁边的光有了相位差。但是,由于物体透明度很高,出来的光强度和原来差不多,所以你依然无法清晰地分辨物体:

那么该怎么办呢?我们可以再加入一束参考光和它发生干涉。这时候,明暗的差别就显现出来了:

类似的技术在生物学界也有很多应用。生物学家常要在光学显微镜下观察各种小小的细胞结构,但这些结构往往自身没什么颜色,也不容易分辨。在染色之外,利用上述原理的相差显微镜(Phase contrast microscopy)就是一个很好的选择。

在实践中,我们有多种方法可以实现这种相位可视化,常见的一种就是在透镜后的焦平面上做挡光或相移处理,纹影成像也是如此。透镜的后焦面是一个很神奇的位置,在这个面上,接近焦点的光代表物像中的低频成分,偏离焦点的光代表物像中的高频成分。我们在后焦面上做处理,就相当于让物像中不同成分的光来发生干涉。

不同滤波方式下叶脉的显微图像。偏置法可以让图像有一种立体的浮雕效果,如同阳光斜着照亮月球时立体感更强一样。这便是前面纹影成像所采取的“挡掉一半”方式。

看,飞机!

有了纹影成像技术,人们就能在实验室里研究声音和气流了,不过这些图像似乎还是不能满足喜欢大场面的观众们。还能不能更给力点,拍点大场面?

当然可以!这次,我们换上超大号的光源——太阳,来拍一拍天上的飞机:

图片来自:NASA

上图中的就是 NASA 拍摄的超音速教练机 T-38C 飞过太阳时产生的激波(声源以超音速运动时发出呈锥形的波)。

不过,和传统的纹影法不同,这并不是通过光的干涉拍出的图像。在这里,让气流显形依靠的其实是 NASA 的图像处理技术。不同密度气流的折射会让背景上的纹理扭曲,而通过对扭曲程度的分析,就可以计算出空气密度的变化,并把它转化成纹影图像。这种成像方法被称为背景纹影法(BOS,background oriented schlieren)。

一开始,人们只能利用太阳的边缘作背景,在飞机刚飞进和刚离开太阳时进行拍摄。这是因为,太阳君的光球层是一片均匀的圣光,它缺乏图像分析处理所需要的背景特征。不过后来天文学家给了他们提示,用一种特殊的滤镜来过滤光波(钙-K 线,波长约 393.4nm,接近紫外波段),可以看到太阳君的色球层。而色球层就有着丰富的纹理,是绝佳的拍摄背景。这种方法称为“钙-K 线太阳背景纹影法”(CaKEBOS)。

经过处理之前,飞机飞过的图像是下面动图中的样子:

原视频来自:NASA Armstrong Flight Research Center

而在图像处理之后,波纹就清晰地现形啦:

图片来自:NASA

纹影成像技术已经有了超过150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。(编辑:窗敲雨)

文中示意图由作者提供。

The End

发布于2015-11-04, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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物理学博士生

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