微风拂过时，我们可以用皮肤感受到空气的流动，竖耳倾听时，空气的振动也敲击着我们的耳膜，但在视觉的世界里，透明的空气似乎总处于隐形状态。如果不借助烟雾和飘动的树叶，我们可以看到空气的流动吗？

其实空气的波动是可以被看见的。无论是空气的对流，还是声音造成的振动，都会让空气局部的密度发生改变，而不同密度空气对光线的折射率也是不一样的，当光线通过其中时就会产生折射，扭曲我们所看到的景象。

当你注视着火焰上方的热空气，或者夏天眺望远方太阳炙烤下的公路时，就能感受到这样飘忽不定的“热浪”

声音（sound)是由物体振动产生的声波。是通过介质（空气或固体、液体）传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。最初发出振动（震动）的物体叫声源。声音以波的形式振动（震动）传播。不过，在生活中的大部分时候，因为空气密度的变化并不强烈，这样的“气浪”依然难得一见，即使看得到，也往往看不清楚。

这样的“音浪”在电影特效里才能看到

那要想看看真的声浪怎么办呢？最简单粗暴的方法当然是增加声波强度。导演，把仓库里那吨火药都招呼上！

是的，我们需要爆炸的冲击波才能制造出肉眼可见的空气密度变化，上面的动图展示的就是这一场景。当然，空气中的声速有米/秒，所以你需要离得很远，然后放慢动作才能看清。这方法的确很麻烦，有什么简单的办法能看到普通的声音吗？

透明，也要让你现形！

事实上，这样的方法是有的，只需要给光源做点改变，就能在原本透明一片的空气中看到更加清晰的气流了，声波造成的空气密度变化也不例外。

上面图中就是一个吹火柴的“气流现形图”，看起来效果很棒是吧。这种技术就是纹影成像法（Schlierenphotography）。“Schlieren”是德语“条纹”的意思，这种技术是年由德国物理学家托普勒发明的。纹影成像装置有很多种，下面这种是最简单的。

装置的关键在于一面凹面反射镜，焦距大的效果更佳。将点光源放在球心（对于球面镜，半径就等于2倍焦距）的位置，这样反射回来的像也成在球心的位置。不过为了避免光源挡住光路，需要把光源往旁边挪一点。然后，再用尽量薄的物体（刀片或黑纸）挡住球心处一半的光，这样就能拍摄到纹影啦。

利用这种方法，让声音现形也不在话下。在下面的图中，我们可以看到水波一般的“涟漪”，这就是在空气中振动的声波。

纹影法拍摄击掌的过程

AK47自动步枪产生的气流和声波“涟漪”

书本掉落产生的声波

另外，如果改成用彩色的滤光片去挡的话，还可以拍摄到彩色的纹影图像。

火柴燃烧产生的气流纹影

激波管（一种压缩气体产生激波的实验装置）的彩色纹影图像

干涉的光影游戏

那么，透明的气流究竟是怎样获得明暗对比的呢？空气密度不同带来的折射固然重要，但只靠它可不行。其实，问题的关键在于光的干涉。

我们在中学课本上都会学到干涉的物理现象，不同相位的光波之间发生干涉时，会产生两种结果：叠加变得更明亮，或者相互抵消变暗，而这种差异就给了我们让透明现形的机会。

下面我们来看几张示意图。首先，假设我们用一片均匀光照射一块均一透明的介质，光通过其中时不会产生什么相位差，你看到的会是一片均匀的亮光。

接下来，我们放入一块迷之透明物体，它的折射率比外面的介质大一些，所以光在物体内跑的更久一些，出来之后就和旁边的光有了相位差。但是，由于物体透明度很高，出来的光强度和原来差不多，所以你依然无法清晰地分辨物体。

那么该怎么办呢？我们可以再加入一束参考光和它发生干涉。这时候，明暗的差别就显现出来了。

类似的技术在生物学界也有很多应用。生物学家常要在光学显微镜下观察各种小小的细胞结构，但这些结构往往自身没什么颜色，也不容易分辨。在染色之外，利用上述原理的相差显微镜（Phasecontrastmicroscopy）就是一个很好的选择。

在实践中，我们有多种方法可以实现这种相位可视化，常见的一种就是在透镜后的焦平面上做挡光或相移处理，纹影成像也是如此。透镜的后焦面是一个很神奇的位置，在这个面上，接近焦点的光代表物像中的低频成分，偏离焦点的光代表物像中的高频成分。我们在后焦面上做处理，就相当于让物像中不同成分的光来发生干涉。

不同滤波方式下叶脉的显微图像。偏置法可以让图像有一种立体的浮雕效果，如同阳光斜着照亮月球时立体感更强一样。这便是前面纹影成像所采取的“挡掉一半”方式。

看，灰机！

有了纹影成像技术，人们就能在实验室里研究声音和气流了，不过这些图像似乎还是不能满足喜欢大场面的人们。这次，我们换上超大号的光源——太阳，来拍一拍天上的飞机。

NASA拍摄的超音速教练机T-38C飞过太阳时产生的激波（声源以超音速运动时发出呈锥形的波）

不过，和传统的纹影法不同，这并不是通过光的干涉拍出的图像。在这里，让气流显形依靠的其实是NASA的图像处理技术。不同密度气流的折射会让背景上的纹理扭曲，而通过对扭曲程度的分析，就可以计算出空气密度的变化，并把它转化成纹影图像。这种成像方法被称为背景纹影法（BOS，backgroundorientedschlieren）。

经过处理之前，飞机飞过的图像

一开始，人们只能利用太阳的边缘作背景，在飞机刚飞进和刚离开太阳时进行拍摄。这是因为，太阳的光球层是一片均匀的圣光，它缺乏图像分析处理所需要的背景特征。不过后来天文学家给了他们提示，用一种特殊的滤镜来过滤光波（钙-K线，波长约.4nm，接近紫外波段），可以看到太阳的色球层。而色球层就有着丰富的纹理，是绝佳的拍摄背景。这种方法称为“钙-K线太阳背景纹影法”（CaKEBOS）。

图像处理之后，波纹清晰地现形

纹影成像技术已经有了超过年的历史，这些简单而巧妙的设计至今依然在帮助人们获取空气动力学的第一手资料。通过它欣赏空气与声音产生的“涟漪”，也是一种相当奇妙的体验。

广泛的科技应用

时至今日，声学的应用范围越来越广，在军事、医学、建筑等方面有举足轻重的地位，尤其是建筑声学更是建筑设计师们一直在研究的重点科目。

次声波应用

人和其他生物不仅能够对次声波产生某些反应，而且他（或它）们的某些器官也会发出微弱的次声波。因此，可以利用测定这些次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况。

通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，更深入地研究和认识这些自然现象的特征与规律。例如，利用极光所产生的次声波，可以研究极光活动的规律。

利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。例如，通过接收核爆炸、火箭发射或者台风产生的次声波，来探测出这些次声源的有关参量。

预测自然灾害性事件。许多灾害性的自然现象，如火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等，在发生之前可能会辐射出次声波，人们就有可能利用这些前兆现象来预测和预报这些灾害性自然事件的发生。

次声波在大气层中传播时，很容易受到大气介质的影响，它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系。因此，可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中的传播特性，探测出某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。

通过测定次声波与大气中其他波动的相互作用的结果，探测这些活动特性。例如，在电离层中次声波的作用使电波传播受到行进性干扰，可以通过测定次声波的特性，进一步揭示电离层扰动的规律。

超声波应用

利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎。

清理金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事．如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，能够很快清洗干净。

用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹。

人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样．平常说的“B超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变。

（图文整理自guokr网，点击阅读原文可以进行访问）