在結冰湖面上打水漂

生活科學趣談

COOLEST SOUND EVER! – [Living in Alaska 43]

這是YouTube 的 filmmaker,Cory Williams 在阿拉斯加一處結冰的湖面上打水漂的影片,在3分40秒以後的有趣聲音到底是如何產生的?

我雖曾在冰凍的湖面(日本日光中禪寺湖)打過水漂,在冰上石頭所能彈跳的距離遠比打在水面上來得遠,但是當時卻沒聽到這種聲音,所以這則影片應該是個特例。至於影片裡湖面上那層冰不是藉由下雪所擠壓而成的白色雪冰,而是純粹由周遭冷空氣將湖水凍結所產生的透明冰。以我曾經做過的冰棒風鈴為例,透明的冰棒才能發出清脆的聲音,若冰中含有氣泡而呈現白色時,冰棒經敲擊聲音是悶悶的。另外,經由影片可看到冰層底下與水交界處有一些空氣,從這些氣泡的位置證明這些湖冰是薄冰(影片5分20秒以後亦可證實),所以我認為必須符合下列條件才能產生這種「啾尤!啾尤!」的聲音:1.透明冰 2.薄冰 3.敲擊。接著來聊聊”敲擊”這個外力機制。

在我的經驗中,有一種聲音跟它有點像,那就是鐵匠在製劍時將灼熱的刀峰浸入水中來做焠火這個動作時所產生的聲音,這是因為刀鋒附近產生的蒸汽泡破裂時撞擊到刀鋒因而造成劍體的震動所發出的聲音。雖然劍體本身有特定的固有頻率,但由於氣泡的破裂時機是隨機而零亂的,因此劍體就能受迫而雜亂震動,這種受迫震動的頻率可以在固有頻率附近來發生(不等於固有頻率),因此這些數量很多而頻率接近的震動就能組合成聽起來像是噪音的聲音。不過這種因為焠火所發出的聲音會依浸入的金屬厚度而異,越薄的刀劍所產生的頻率越高。

接著咱們來看看石頭撞擊冰面所造成聲響的波形頻譜:
ice3

從頻譜可分析出響度最大的頻率是2325Hz,這就是石頭撞擊冰面時,薄冰所產生的振動頻率。而在這主頻率的附近有許多peaks,應該是聲音沿著冰面傳遞時,由於冰層厚度的變化所產生的不同共振頻率。這些聲音由於是在二維的冰面上從撞擊點向四周傳遞,當聲波抵達岸邊時會被反射回來,不過由於冰的傳聲速度高達4Km/sec,因此就無法單獨聽到這些反射波,它們會饋入原先的主震動波形而僅能聽到殘響,這些「啾尤!啾尤!」聲所造成的殘響Reverberation大約在每次的撞擊之後sustain了0.1秒之久。

結論
這是石頭敲擊到薄冰時,造成薄冰的上下震動,類似於鼓面或鈸被擊中後的振動。

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