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引言
自古以来，人们就有如此好奇之心：能不能在听见声音的同时，也能“看见”声音，从而更进一步地了解声音呢？在古代，这可能是王室豪门更关心的话题，因为声音与他们爱听的音乐和乐器息息相关；而如今，其意义远不止于上层社会的娱乐，而是关乎社会生活的方方面面：有人在的地方，就有声音；有声音在的地方，就有江湖。江湖之中，善恶分明。“好”声音，诸如音乐，就把优势发挥到极致；“坏”声音，诸如噪声，就把它消灭于无形。而声音的可视化，则可帮助我们知己知彼，百战不殆。
和上回书一样，声音可视化我也打算从上下部讲。这期我们讲早期的声音成像，分两部分：
- 振动的可视化
- 声波的可视化
下期主要介绍近代当代的成像技术，比如波束成型 (Beamforming) 、声全息 (Acoustic Holography)和Scan&Paint 等，在现代工业中有极广泛的应用。
一、振动的可视化
像我在之前文章里面提到的，毕达哥拉斯最早研究弦乐器的音高和弦长的关系，但是就声音成像而言，其滥觞于18世纪，确切的说是1787年，Ernst Chladni第一次“看见”盘子的振动。想必很多人都看过这个视频，和Chladni当时做的实验异曲同工。封面这种体现振动模态的图案被称为Chladni pattern。当用小提琴的琴弓从钢板边拉过，激起钢板的振动模态，其节点被表面的细沙完美的勾勒出来。Chladni pattern如此奇妙，连拿破仑都为之着迷，专门派人把Chladni的Die Akustik (The Acoustics)翻译成法语。
Chladni Pattern的直观展示
视频来源: [https://www.youtube.com/watch?v=CR_XL192wXw]
1827年，Charles Wheatstone（惠斯通）第一次提出了麦克风的概念。不过次麦克风并非我们现在所熟知的麦克风，而是基于Kaleidophone（大概翻译：发音体振动显像仪），也是用来可视化振动体的表面振动模态，而并非声波。
40年后，又是我们熟悉的大魔王——亥姆霍兹再次强势现身，狂刷存在感。他发明了振动显微镜，来观测小提琴弦和人speech的振动。于是人们在19世纪才得知琴弓在琴弦上划过时，弦到底是怎么运动的。
随后几十年里，August Kundt（没错，测impedance的Kundt Tube就是以他命名的）实现了管中驻波的可视化；英国的John Tyndall（丁达尔效应以他命名。small world...）通过光的传播来观测波的现象。
下面这一位的杰作让笔者爆粗，直呼牛x——通过火焰来做傅里叶变换！这位牛人就是Rudolph Koenig，他的作品叫Manometric flame，其原理如下：
声音被管状采集设备采集，引起隔膜振动（联想现代麦克风的工作原理）；隔膜振动带动管道中的燃烧气体周期性变化，从而引起火焰的周期性变化，这个周期和隔膜振动几乎相同；这样的隔膜有很多，尺寸不同，从而起到分频作用；右侧有一面旋转的镜子，可以从镜中看到火焰因声音而产生的变化——sound visualization任务达成！结合更精准的Helmholtz resonator，这就是当年的示波器，直接给声音作傅里叶变换！下面的视频后半部分展示了Manometric flame+Helmholtz resonator的神奇功效↓↓。机械和物理之美的直观展示，带你们走近科学。
下面请王师傅宽油展示
二、声波的可视化
August Toepler于1859年至1864年之间发明了纹影法 (Schlieren photography)，通过光来“拍摄”声波的传播，这是声学历史上第一次可视化波的传播过程。这一重大发现/发明激励了很多的科学家做类似的实验，甚至包括其他领域。这其中就包括Schlieren images reveal supersonic shock wavesAugust Toepler于1859年至1864年之间发明了纹影法 (Schlieren photography)，通过光来“拍摄”声波的传播，这是声学历史上第一次可视化波的传播过程。
这一重大发现/发明激励了很多的科学家做类似的实验，甚至包括其他领域。这其中就包括Ernst Mach（恩斯特·马赫，听着是不是耳熟？），他通过火花的可视化，并结合当年最新的成像技术（可以精准测量波的传播速度），首次提出火花产生的波里面，不只有声波，还有超音速的激波 (额……sounds super weird，还是super-sounds weird?)。所以
里面的M是不是清晰了？
下面，移动体将对声波发起三次挑战：
这三张GIF来自南安普顿I的SVR [Institute of Sound and Vibration Research]
注意，第一和第三种情况中文叫次音速和超音速，不要和次声波（f<20Hz）和超声波（f>20kHz）弄混。前者说的是速度，后者说的是频率。
还记得我们在第一课讲过的建筑声学之父吗？没记住的话罚抄课文50遍：声学发展史之——建筑声学 (Architectural Acoustics)。这些19世纪的大佬都需要划重点，拿小本单独记上：因为他们都是全才啊，哪哪都落不下。
建筑声学之父，Sabine，利用前人的研究成果，第一次可视化了声音在音乐厅的传播。他在音乐厅中发出火花，进而激发弱激波（听着依旧奇怪），和声速非常接近，然后用shadowgraph技术成像，于是人们终于激动地“看见”他们在音乐厅里面听见的声音。下面的套图展示声音在不同音乐听里的各种造型：
后记
这一期主要回顾一下声音可视化的历史，并且再一次赞叹古人的智慧和执着。下一期的内容可能大家更感兴趣，因为涉及到现在使用的比较广泛的波束成型、声全息、Scan&Paint技术，从传统汽车行业，到新兴行业，比如语音识别，虚拟现实中都有广泛应用。
参考
本文大部分内容来自Microflown Technologies公司Daniel Fernandez的博士论文：
Fernandez Comesana, Daniel.Scan-based sound visualisation methods using sound pressure and particle velocity. Diss. University of Southampton, 2014.
