在結冰湖面上打水漂

生活科學趣談

在阿拉斯加一處結冰的湖面上打水漂,3分40秒以後有趣的聲音到底是如何產生的?

影片所呈現的透明湖冰有別於下雪擠壓而成的白色雪冰,這是經由湖面上方冷空氣將湖水凍結而成。若以我曾做過的冰棒風鈴為例,透明的冰棒才會發出清脆的聲音,若冰中含有氣泡而呈現白色時,敲擊所發出的聲音則是沉悶的。另外,影片也呈現冰層下方有一些空氣,或許藉由這些氣泡的存在也是發出如此奇妙聲音的機制之一。我猜想產生這種「啾尤!啾尤!」聲音的機制:
1.冰的振動頻率高
2.聲音傳到冰與空氣交界面時,由於無氣泡的透明冰在 0℃ 的傳聲速率 3838 m/s 大於 0℃水的傳聲速率 1402 m/s,也遠大0℃空氣的傳聲速率 331 m/s。因此在聲波入水後就能在水中傳遞較遠的距離而不易消散(類似於聲傳通道 Sound Channel)。這些聲音在二維的冰面上從撞擊點向四周傳遞時,當聲波抵達岸邊時會被反射回來,由於冰的傳聲速聲高達每秒4公里,因此難以獨立區別出這些反射的回音。這是因為兩聲波到達我們人耳的時間差須為0.1秒以上才能被人耳聽出是兩個短音,否則就會變成是一個長音。3838 × 0.1 ÷ 2 = 192(公尺),因此只要反射體(岸邊、水底石頭…)距離敲擊點小於192公尺,反射回來的聲波就會饋入原先的主振動波形而僅能聽到殘響的迴盪效果。這些「啾尤!啾尤!」聲所造成的殘響,從下面波形頻譜的分析,在每次的撞擊之後約持續了0.1秒。.

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

接著來聊聊”敲擊”這個外力機制,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,刀鋒附近產生的氣泡破裂時撞擊到刀鋒因而造成劍體的振動,雖然劍體本身有特定的固有頻率,但由於氣泡的破裂是隨機而零亂的,因此劍體就能受迫而雜亂振動。這種受迫振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振動就能組合成聽起來像是上圖2325Hz附近的許多小peak。

結論:這個啾啾聲或許是殘響的迴盪效果 + 與湖冰振動主頻率接近的許多泛音所組合而成

同場加映

貝加爾湖之冰