乐器做传感器，听起来是不是有些不可思议？
上过小学自然课（或科学课）的同学都应该知道，声音是物体振动产生的波，各种乐器的声音也是如此。不同乐器演奏时发出的声音千变万化，但都可以用音调、响度和音色这三个主要特征来描述：音调即乐音的高低，与频率有关，频率越高音调越高；响度也就是乐音的大小，距离一定的时候与振幅有关；而音色就稍微复杂和抽象一些，指乐音的品质，可以说是乐音给人的总体上的感觉，与波形等有关。总体而言，乐器的材质、形状、结构不同，演奏手法不同，乐音表现就会不同，这也是为什么同是小提琴，一些大师制作的就要格外受欢迎的原因。这么想来，通过乐器声音携带的频率等信息，是不是就可以做一些有趣的应用呢？
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美国加州大学河滨分校的William H. Grover课题组显然也是这么想的，他们近期在ACS Omega 杂志上发表文章，报道了他们如何受到非洲传统乐器——Mbira的启发，制造出了一种便携、易用的密度传感器，检测精度可达到0.012 g/mL。
Mbira，中文翻译为安比拉琴，也称为拇指钢琴，起源于3000多年前的非洲，在不同非洲国家有不同名字，比如，在津巴布韦称为Mbira，在肯尼亚称为Kalimba（卡林巴），如此等等。无论名字是什么，这种乐器基本都是由负责共鸣的琴体和其上的不同长度的竹片、木片或金属片组成，通过弹拨竹片、木片或金属片来演奏音乐。上个视频自行感受一下。
视频来源：腾讯视频
研究者利用弯曲成U型的中空钢管代替金属片，将Mbira（下图A左）改造成了一种密度传感器（下图A中、右）。原理很简单：液体样品装入中空钢管中，然后拨动钢管发出声音，由于声音的频率与注入的液体样品密度呈线性关系（f ≈ aρ+b），因此可以用智能手机上安装的专门软件测量频率并读出密度大小。
改造后的Mbira密度传感器。图片来源：ACS Omega
Mbira密度传感器声音频率和样品密度关系。图片来源：ACS Omega
以往测量液体的密度方法几乎都无法进行野外现场的测试。比重计尽管可以精确地测量液体密度，但它需要吹制玻璃工艺、精细的校准，使用者也需要先经过较长时间的培训。折射仪可以测量液体的折射率，折射率通常与液体的密度成正比，然而折射仪只适用于透明液体，而且折射率与密度之间的精确关系因物质不同而不同，因此测量前需要做标准曲线，这种技术显然也不是普通人能掌握的。而Mbira密度传感器+智能手机通过采集声音频率来测量密度，不仅适用于几乎所有液体，而且设备本身制造简单、成本低、便携，操作更是简单到小朋友都可以完成（下图D，测量河水密度）。尽管其检测精度0.012 g/mL可能算不上太高，但对于大多数野外现场的液体密度测试来说已经足够。
Mbira密度传感器+智能手机在野外现场测试河水（D）及牛奶（E）的密度。图片来源：ACS Omega
研究者优化了传感器的参数，实验结果表明，长度短于50 mm的Mbira密度传感器灵敏度下降，并且难以用手操作；内径与外径的比越大，传感器对样品密度越敏感。因此，传感器采用了50 mm长度和内/外径比为0.87的薄壁管进行后续的应用研究。
Mbira密度传感器长度优化。图片来源：ACS Omega
研究者首先将Mbira密度传感器应用于区分正品和假冒的液体药物，例如治疗感冒和流感的药物口服液。如果两个药物密度不同，其成分肯定不同。所以，只用把正品和怀疑为假冒的样品用同一个Mbira密度传感器测量密度，与正品有明显差别的就是假冒产品（下图左）。此外，Mbira密度传感器还可以很容易的区分无毒的甘油和有毒的二甘醇。二甘醇（1.118 g/mL）和甘油（1.261 g/mL）的密度仅相差约13%，使用Mbira密度传感器很容易检测到这种差异（下图右）。该测试方法比气相色谱-质谱和红外光谱技术简单易行得多，对于欠发达的国家和地区来说，更具现实意义。
Mbira密度传感器鉴别药物以及区分甘油和二甘醇。图片来源：ACS Omega
Mbira密度传感器成本低廉、操作简便，可以迅速地测量出液体密度，应用潜能巨大。使用Mbira密度传感器，饮料制造商可以测量饮料的密度以确定糖或酒精含量，海洋生物学家可以测量海水的密度以确定盐含量，医务工作者甚至患者自己可以测量尿密度以监测健康状态，消费者可以测量液体药物甚至饮料的密度以避免使用假冒产品……
视频来源：ACS Omega
后记：这篇论文让小希想到了去年初的那篇用玩具做成的离心机（点击阅读详细）。真真是脑洞有多大，创造力就有多大！
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Musical Instruments As Sensors
ACS Omega, 2018, 3, 11026-11032, DOI: 10.1021/acsomega.8b01673
（本文由小希供稿）
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