系列 如何“看”到声音？

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。其实在视觉上，我们也能“看到”空气的流动。

【“看到空气本身”这个说法不太好，这篇文章是讲看空气的密度变化的】

我所说的并不是通过随空气流动的烟雾来看。即使没有烟雾的辅助，大家也一定见过“热浪”：当你注视着火焰上方的空气时，后面的景象显得飘忽不定。这是因为不同密度的空气有不同的折射率，火焰加热了的空气和周围的冷空气混在一起，对由景物过来的光线产生了折射，便扭曲了我们看到的景象。

【这一段属于原理性讲解，编辑不应略过】

此外我们知道，声音就是在空气中传播的密度变化波呀。所以在影视作品中，可以看到用扭曲的音浪来表现超强声波。（然而那都是特技）

（图片来自 Roundtable Rival 剧照 ↗）

（观众：骗棱～我长这么大怎么从来没肉眼看见过声波 (´･ᆺ･`)）

摸摸，这是因为日常的声音太弱啦，产生的密度变化没有热空气那么强。所以我们需要些比较厉害的东西……

（一个胖子抱着核弹满头大汗地跑过来：“导演，是要这个吗？”）

败家玩意，这么贵的核弹就拿来看个响啊，去，把仓库那吨火药搬出来就行。

（图片来自 BBC 隐形世界）【中文字幕视频 ↗】

是滴，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。当然，室温下的声速有 340 m/s ，所以你需要离得很远，然后放慢动作才能看清。 ╮(╯▽╰)╭

（这么麻烦啊，有什么简单的办法能看到普通的声音吗？）

【编辑想先讲现象再讲原理也可以，我这里就不改了】

其实，如何看出透明物体的微小的折射率变化，是做生物的很关心的问题：

有一天生物汪找到了物理喵，说哎呀我们这个细胞样品是透明的啊，染色也染不了啊，没颜色再高倍的显微镜也白搭啊。傲娇老板非要看，你看我该怎么办？

物理喵说，没颜色啊，那你这个样品有啥能区分的性质啊？

生物汪想了想，有区别的大概就是不同结构的密度和厚度不一样吧。

然后物理喵把它翻译成自己的语言：哦，光学厚度不一样，可以产生相位差，那让它发生干涉，就能把相位差转化成光强差了。

后来名叫 泽妮可 泽尼克的物理喵就拿了诺贝尔奖，然后生物汪顺利毕业，大团圆结局。 (๑•̀ㅂ•́)و✧

（图片来自 Wikipedia - Phase contrast microscopy ↗）

（观众：故事讲的真好，然而并没有听懂 (⊙▽⊙)）

物理喵噌地拉出来一面黑板：“那就要从光的波动性讲起了～”

假设我们用一片均匀光照明，那马你看到的是一片均匀光：

然后我们放入一块迷之透明物体，它的折射率和外面不一样，所以光在物体内跑的更久一些，出来之后就有了相位差。但由于物体透明度很高，出来的光的光强还和原来差不多，所以你看到的几乎还是一片均匀光：

此时如果再加入一束参考光和它发生干涉，没有相位差的地方变得更亮，有相位差的地方相消变暗，就把看不见的相位差转化成看得见的光强变化了：

【如果编辑不想讲最前面的故事的话，“类似的技术在生物学界…”一段应提到下面这段之前】

在实践上，我们有多种方法来实现这种相位可视化，最常见的是在透镜后的焦平面上做挡光或相移处理。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（比如你们知道的，均匀光经过凸透镜会汇聚到中央的一个点），偏离焦点的光代表物像中的高频成分（比如余弦光栅，一种类似于百叶窗的东西，它在后焦面上会形成三个光点，且光栅越密光点分离的越远）。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。

（图片来自 Microscopy UK ↗）

上图是用显微镜拍摄的叶面照片，不同的滤波方法有不同的效果。明场看起来并不清晰，因为它挡掉了外围的高频成分，而高频代表着图像中的细节。暗场则是挡掉中央的低频成分，故可以让图像对比度更高。如果把挡掉改成相移的话，就是前面泽尼克发明的相衬法。偏置可以让图像有一种浮雕效果，就像阳光斜着照亮月球时立体感更强一样。下文要讲的纹影成像法，就是挡掉一半频谱的做法。

纹影成像的英文是 schlieren photography，然而 Schlieren 是一个德语名词（的复数形式），意思是“条纹”。这是因为在一百年前，德语才是物理学的工作语言，许多重要的工作都是发表在德文杂志上的。直到二战之后，物理学的工作语言才渐渐变成了英语。但今天学物理的童鞋仍能碰到德语单词，它们多出现在核物理和量子力学中，因为一百年前正是近代物理的奠基时代。比如 bremsstrahlung（轫致辐射），reststrahlen（剩余射线），eigen-（本征），gedanken experiment（思想实验），Zitterbewegung（电子在运动时理论上会打颤颤）等等……

（编辑：这都扯到哪了，赶紧给我回来！）

好哒。纹影成像法，是 1864 年由德国物理学家托普勒发明的。纹影成像装置有很多很多种，下面这种是最简单的：

首先你需要一个凹面反射镜，焦距大的效果更佳。然后将点光源放在球心（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（这样像就会往另一个方向挪一点）。然后用尽量薄的物体（刀片或黑纸）挡住球心处一半的光，就能拍摄到纹影啦。

（以上图片来自 Mike Hargather ↗）

上图看起来像是在水中拍摄的，但其实是在空气中用纹影法拍摄的【中文字幕视频 ↗】。另外，如果改成用彩色的滤光片去挡的话，就可以拍摄到彩色的纹影。

（图片来自 RMIT University）

所以这个实验在家就可以做，比较难搞的是大凹面镜，点光源可以用 LED ，相机则很常见。

（这么麻烦啊，有没有更简单的装置啊？）

嗯，传统的纹影成像需要很麻烦的装置，所以大家过去都是在风洞里拍拍模型灰机，而拍真正的灰机是最近的事情。

拍真灰机啊，那上哪找那么大的光源呢？ (⊙_⊙)

太阳！

（图片来自 NASA Photo ↗）

上图是 NASA 拍摄的超音速教练机 T-38C 飞过太阳时的激波（声源以超音速运动时发出呈锥形的波）。不过一开始他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。这是因为新的纹影法并不是借助干涉来使相位可视化，而是基于强大的图像处理技术，从背景的扭曲计算出空气密度变化来。这种方法称为背景纹影法（BOS，background oriented schlieren）。不过它需要背景有些斑点纹理之类的作参考才行，然而太阳君的光球层是一片亮瞎了的圣光，啥特征都木有。

【我觉得电烙铁的图片没必要，有点拖沓… 建议就像上面一段这样一口气讲完】

后来天文喵告诉他们，用一个特殊频谱的滤镜（钙-K 线，波长约 393.4nm，接近紫外波段）可以看太阳君的色球层，而色球层就有很多迷之纤维状物体啦。

【处理前的图片应放在前面】

（图片来自 NASA Photo ↗）

然后他们一做图像处理，发现果然好使！于是将这种方法命名为 “蛋糕老板” “钙-K 线太阳背景纹影法”（CaKEBOS）。

（图片来自 NASA Photo ↗）

（哇，听起来好简单 (⊙ｏ⊙)）

嗯，他们说搭一套这样的平台只要 3000 美刀哦。

（。。。。。。）

（我还是买凹面镜去吧。。。）