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美国物理学会会刊《今日物理》科普文章:香槟中的声学奥秘

美国物理学会会刊《今日物理》科普文章:香槟中的声学奥秘 两江科技评论
2019-08-14
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导读:本期,我们主要简述了被动声监测是否可以获取气泡定量信息,也就是监听气泡在香槟酒中生成和逐渐上升的过程产生的声音。


《今日物理(Physics Today)》是美国物理学会创办的面向面向专业与大众读者的专业科普杂志,主要任务是及时提供物理学当前发展状态方面的信息及物理知识和应用的推广普及,“今日物理”涵盖了物理及其相关科学,因为它拥有庞大而多样化的物理科学家读者群。此外,作为物理学界排名前十的国际期刊,也是美国乃至全世界物理科学家的一个交流平台。


原文标题:Champagne acoustics”。

作者:Kyle Spratt、Kevin Lee(德克萨斯大学奥斯汀分校应用研究实验室研究员)

             Preston Wilson德克萨斯大学奥斯汀分机械工程教授)

编译:仁杰、郭孟真、范倩雯、叶慧超

校对:黄唯纯 博士

出品单位:南京大学光声超构材料研究院


你是否有过这样的体验,将气泡酒缓缓倒入香槟杯中,气泡涌动上升,仔细聆听,透过这些气泡的声音可以感知它们的大小分布。

流行的说法是,气泡酒的品质可以由气泡的品质来决定。俗话说,“气泡越小,酒越好。”不管这句话是否为真, 气泡酒的乐趣与其气泡的存在密不可分的关系,可以说是毫无争议的;当然,关于气泡形成背后的物理与化学原理的研究,至少已有20年之久。

本期我们主要简述了被动声监测是否可以获取气泡定量信息,也就是监听气泡在香槟酒中生成和逐渐上升的过程产生的声音。

被动声监测已广泛应用于其他涉及气泡的领域,例如测量海底天然气管道和可燃冰的水下泄漏问题,或测量海底冰川融化产生的咝咝声,也就是监听气泡从海底冰川孔洞中逃逸产生的噪声。

马塞尔米诺尔特( Marcel Minnaert)源于他对自来水发出的声音的兴趣,发表了世界上首个关于量化震荡气泡固有频率的研究。他首先假设气泡的动能完全来自于由周围液体的运动,因为周围的液体比夹带气体质量大的多,而气泡的弹性势能来自比周围的液体的可压缩性要好的多的夹带气体的压缩和膨胀。然后Minnaert推导出气泡的小径向振荡的表达式,并认识到它等同于简谐振子的表达式。他发现,气泡的固有频率与气泡直径成反比。

 

气泡酒气泡的特征不仅取决于葡萄酒本身的性质,还取决于葡萄酒的容器及其温度。我们想要在最典型的场景下进行实验,所以我们对在标准香槟杯中的冰镇香槟酒进行了测量。我们没有探索的一种可能性是使用由一些被特意刻上细槽来促使气泡产生的香槟杯。实验在香槟酒开启后倒入酒杯中后立即展开。我们的第一轮实验研究了一瓶来自加利福尼亚的库克斯起泡葡萄酒(Cook's California Sparkling Wine)和一瓶更昂贵的酩悦皇家香槟酒(Moët & Chandon Impérial Champagne)研究气泡。


我们将一个水听器(水下麦克风)直接插入香槟酒杯底部中央附近的位置,记录气泡发出的声音,如图1a所示。当第一次倒酒的时候,气泡的活动是如此强烈,以至于似乎无法确定一个独立事件,即无法监听单个气泡成核的位置。然而声学监测的一个优点就是无需区分单个成核点位,就可以监听整个气泡活动。


音频记录的频率范围在20Hz到20000Hz之间,完全处于音频频率范围内。当直接听这些记录的时候,它们听起来像咝咝声(sizzling)或咔咔(crackling)的声音,裸耳听声能够获取的关于气泡的信息并不多。然而,当仔细观察记录下来的声波脉冲波形时,我们观察到,咝咝声是由持续几个周期的短音脉冲组成的。图1b就展示了这样一个来自库克斯酒(Cook’s)的独立事件。每一次音爆都对应着一个气泡从成核部位破裂并开始上升到表面的过程,它的频率包含了气泡大小的信息。图中描述的事件频率为6.7kHz。由Minnaert简谐方程得出这一频率对应的气泡直径为0.94mm。

 文章链接

https://doi.org/10.1063/PT.3.4005

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