My Cymatics Journey
概要
随着音流学概念的出现以及视觉化时代的到来，越来越多的人以此为契机展开了各种研究与创作，在艺术与设计领域尤为活跃。作为声音可视化最原始也是最重要的一种物理现象，音流学是每个专注于声音可视化领域的研究人员的必经之路。同时，在产品设计领域，人们越发看重产品的使用体验和情感化因素，与产品之间的互动环节越来越重要。通过对音流学原理和发展脉络的研究以及大量声音可视化系统案例的分析，引发了作者对音流学应用方式新的思考和尝试，并在设计作品中进行展现。作者认为，在对音流学原理的应用过程中，不应只局限于对最终视觉效果的呈现，更应注重应用对象与用户之间的互动体验，增强体验者的参与性，使音流学成为更普世的一门学科，进而让人们更好地运用音流学，使艺术与科技的跨界联合碰撞出新的火花。
Abstract
With the advent of the concept of cymatics and the arrival of the age of visual culture, more and more people take this opportunity to conduct various researches and carry out a series of creative activities, mainly active in art and design. As a physical phenomenon of sound visualization, which is the most original and important, the study of cymatics is an essential path for all researchers focusing on Visual-Audio. Meanwhile, in product design, people are focusing more on the user experience and the factor of emotion and the interactions with the product are becoming more and more important. This article is based on the study of the principles and the development of cymatics, gradually analyses massive Visual-Audio systems, and causes the author to think over new ways of thinking on the application of cymatics and the results have been shown in the final design. The author believes that, during the application process of cymatics, we should not only show the final visual appeal but also focus on the interactive experience between people and product and enhance their participation, to make cymatics more universal as a subject, and enable people to use it in a better way, finally connecting art with technology preferably.
第一章 绪论
本章是全文的序章，说明作者开展此次研究的原因，为后文的开启做好准备。
研究背景
随着音流学概念的出现以及视觉化时代的到来，声音可视化作为一个新兴的研究和创作领域，更多地关注声音与图像的关系，它以视觉为核心，声音为载体，借助多种科技手段将听觉与视觉相结合，不仅展现了视听结合的多元化艺术表现形式，更是跨音乐、数字媒体、图形学、图像处理、生物科技、物理、数学乃至哲学等众多领域的又一新的研究方向。它吸引着来自各种不同学科背景的人们，以此为契机展开各种研究与艺术创作活动。而音流学作为声音可视化最原始也是最重要的一种物理现象，其原理及发展脉络是每个专注于声音可视化领域的人们都需要了解和探讨的。早期研究这个领域的人并不多，但随着声音可视化的兴起、相关研究与创作活动的开展以及延伸作品的传播，越来越多的人开始关注音流学，也因此影响并形成了很多新事物。
研究目的和意义
本次研究源于对声音的好奇，声音所传达的信息抽象而细腻，也是最接近灵魂的一种能量形式，它本身就是一个隐性的波段，声音可视化的过程就是演绎波段的过程，它仿佛是一个使者，将这些秘密借用一种最直接的表达方式传递给众生。这也使我不禁想到，声音与画面必然有着千丝万缕的联系，而探索其中奥秘必定能够打开声音可视化的大门，使艺术与科技的跨界联合碰撞出更多火花。
本次研究的意义有如下几点：首先，对于声音可视化的研究，不仅仅是对意识形态的研究，也是对自我、对生命、对万物的重新审视。宇宙在形成时的巨大声响，使人不禁联想到：宇宙的形成也许正是音流学的一场演绎？如果一切都是振动，可以想象，一个人的振动频率与他的意识层面对等，而正是他的意识频率创造了他的外在现象。情绪的起伏，心脏的跳动，人生的曲折，自己造就的波动，自己经历的画面，仿佛生命就是以一种波的形式存在，人们用意识将它演绎，人生才因此变成你我所见。亦如那句：肉眼存在局限，而心里才是永恒。
其次，对于声音本身来说，声音可视化的探索不仅有助于丰富声音的内涵，对于听觉艺术来说更是二次理解与升华，进而使人们加深对声音形象的视觉感知，更好地理解和感受声音。
当然，随着计算机技术的发展，艺术与科技跨界联合的热潮兴起，这种将视觉与听觉结合的方式，不仅增强了声音的可理解性，更延伸了人们的听觉感受，营造了一种沉浸式的通感体验，在这个基础之上，也启发了各种相关领域人员的研究与创作活动，进而延伸出更好的作品。
最后，在研究过程中，我发现国内鲜有相关文献对音流学进行系统化地描述，但是作为一种声音可视化的重要手段，对于音流学研究的必要性不可小觑，如何更好地掌握音流学，更好地将其应用于声音可视化的创作中，这是本文希望读者能够思考并延续的话题。新的契机会给人带来新的启发，希望这项研究能够有助于人们系统化地理解音流学，潜心探究声音可视化系统的建立和应用，并能因此获得更多的创新视角和设计灵感，拓宽视听艺术与科技的应用空间，使更多人感受到动态、立体甚至可触的声音，一同向下一个次元进发。
第二章 音流学简述
本章主要是音流学相关基础知识的储备，通过对音流学的概念、起源以及发展脉络的阐述，对音流学做一个全面的了解，掌握其一般特性，进而更好地展开后期的设计。
音流学的产生
音流学概念
“音流学”一词源于希腊语的“κῦμα”，英文又称“Cymatics”，意思是“波”，这一术语是由汉斯·珍尼于1967年确立，旨在描述声音和振动对物质的周期性影响。它是一个使声音和振动可视化的过程，一般是通过传播媒介（如颗粒物、糊状物以及液体等）覆盖在某个平板或者薄膜上并振动其表面来实现。在音流学中，每种振动波都有其唯一相对应的波形图案，随着音波频率的提高，波所展示的物理图案也随之变得更加复杂而精细（图1）。
共振现象的催化
共振现象指的是，当一个物体发声振动时另一个物体也随之振动，凡是共振的两个物体，它们的固有频率或者相同，或者成简单的整数比。古籍中把这种现象解释为“同声相应”或“声比则应”。早在至少1000年前，非洲部落在用兽皮制作的鼓上撒些谷物以占卜未来（图2），由此说明，沙粒在振动的鼓面上的影响已经流传了上千年。历史上也有不少学者做过此类尝试。达芬奇曾注意到，如果振动一张木桌，上面的灰尘会形成各种不同的形状；伽利略在用凿子拆一块黄铜板的时候注意到黄铜板上呈现出彼此平行并且等距的细条纹，他猜测，也许这些图案是由黄铜板上的黄铜屑形成，并且试图在平行的条纹中找到一个落脚点；罗伯特·虎克在1680年设计了一个简单的装置，由一块覆盖着面粉的玻璃板和一把小提琴弓组成。
音流学的发展
音流学的早期实验
恩斯特•克拉尼被誉为“声学之父”，正是他延续了虎克的工作，也是这一研究领域中的领军人物。他在一块黄铜板上均匀地撒满沙粒，然后开始用琴弓拉黄铜板的边缘（图3），由于黄铜板是高度共振的材料，他发现这些细沙在过程中自动排列成了不同图案，同时，随着曲调频率的不断增加，图案也不断变化并越趋复杂——这就是著名的“克拉尼图形”（图4）。关于克拉尼图形有这样的推论：声音的“波” 产生的震动使空气分子的密度发生了变化，进而产生了板上的震动区域和静止区域，而沙粒正是聚集在板上的精致区域。
玛格丽特·沃茨休斯在1885年发明了一个装置并将其命名为“Eidophone”（图5），这个装置由一个木制共鸣腔和一个橡胶模组成，共鸣腔的一端开口、另一端延伸至橡胶模，上面散落着传播介质。通过对着管口发声（图6），声音会与橡胶模产生共鸣进而形成声音图案。她对形成的图案的样式非常感兴趣，也意外地发现它们与身边的花草树木有着很多相似之处。后来，她将形成的图案通过在玻璃板上加湿覆膜的方式保留下来，而这些图案（图7）也见证了她对声音可视化方法的创新。
音流学的确立
1967年，汉斯创造了“音流学”这个术语，他主要研究视觉化声音，正是他带领我们走进现代音流学领域。他发明了一个与Eidophone很相似的声学仪器——“Tonoscope”（图8），歌唱演员通过这种仪器能即刻知道音高的偏差，所以也有人称之为“音高镜”。与Eidophone不同的是，他在仪器中添加了一个机电转换器用来振动橡胶模，这种振动方式可以使钢板的振动频率处于一个很宽泛的范围，进而使板上的沙粒形成更为复杂的图案。而后，亚历山大·劳特瓦瑟 展开了对汉斯实验成像的研究，他对以水为主的声音可视化成像的现象学和印刷学深感兴趣，并且拿来与自然中相似的形状进行对比。2002年，他的著作《水声图像》出版，为音流学的成像研究建立了新的标准。
音流学的研究发展
约翰·斯图尔特·雷德于1997年在埃及大金字塔中的国王密室里对音流学开展了研究并随后发表了研究成果。这个空间的设计概念囊括了对声音和材料的研究，而约翰的实验目的是研究在石棺塑造过程中花岗石的共振现象。他在石棺内置入扬声器并且连接到一个振荡器，用电动方式制造纯粹的声音频率，同时他在石棺表面覆盖橡胶模，在上面撒上石英砂以观察成像。令他惊讶的是，出现了大量与古埃及象形文字极其相似的图像。随后他开始使用更精准的成像仪器进行实验，尝试各种能听到的声音，最后他与一位美国设计工程师共同发明了CymaScope（图9）这种科学仪器，可以实现声音的、内在几何结构的可视化。随着CymaScope技术的发展，人们将逐渐发掘它在众多领域中的应用潜力，例如天体物理学和动物学。
第三章 音流学应用及其表现方式研究
有人把音流学称为“隐世中的一面镜子”，它可以使原本看不见的物质展现出来，利用这个特点，各类领域中的应用项目也与日俱增，本章将着重分析以艺术与设计领域为代表的应用案例。
音流学在音乐创作中的应用分析
音流学原理看似只是在声音的基础上创造图像，但是反之来看，由音流学图像到原始声音的还原这一过程，同样也是对声音的再创造。
托马斯·米歇尔曾经对罗斯林教堂 的装饰性雕塑进行过研究，该教堂中有四段拱门包括了形似音流学图像的图案（图10）。他发现，这些图案与音符相关并且能够以特定的顺序读取，因此可以推测，当时教堂的建造者或许试图采用这样的方式将某种音乐旋律进行图像可视化并且将形成的图像嵌入了雕刻。后来他的儿子斯图尔特将这首隐世音乐进行编排，并命名为《罗斯林经文歌》，于2006年在教堂内演奏。
与此类似的，一位来自新西兰惠灵顿的氛围音乐家杰奈尔·斯坦福，创作了一部以“音流学”命名的音乐视频，这部作品之所以与众不同，一个主要原因就是，相较于其他根据现有音乐完成的音流学视频而言，本片是在视频拍摄完成后，才出炉了音乐作品。杰奈尔在音乐创作中让各类科学器材与乐器完美融合，出色地完成了他对音乐可视化理解的演绎，也表现出了恰到好处的对音频的把控能力，是对科学与艺术完美结合的最好诠释。这部音乐视频由六个科学实验构成，其中多项实验都取自声音可视化系统中的经典案例。下面将简要介绍这六项实验。
实验一：克拉尼之盘。（图11）此实验灵感源于早期的“克拉尼图形”，在原有实验的基础上，用电线将音箱通过一个放大器连接到金属板上，电子琴和金属板达到共振进而呈现出不同式样的几何图案。音频每毫秒的变化非常迅速，在调多次尝试之后，最终决定选择四个频率：657Hz , 1565Hz, 932Hz, 3592Hz，并用简单的合成技术进行音效混合。
实验二：扬声器盘。（图12）把一个盛有伏特加的培养皿粘到扬声器上，由于扬声器上下振动，就会形成由边缘涌向中间的波纹，之所以选择使用伏特加，是因为它的密度相对较大，也因此有一种厚重感并且运动的速度也很慢，通过多次测试以后，他们选择了两种波纹：一种是50Hz，一种是100Hz。
实验三：橡胶水管。（图13）将软管固定到音箱上，音箱每秒振动25次，摄像机也以每秒25Hz的帧速率进行记录，所以最后的结果是水流好像以螺旋形状被冻住一样。至于出现这种现象的原因，他们指出，只要当扬声器的振动频率和摄像机的拍摄帧率吻合并达到共振，水流就可以冷冻在正弦波的形状。
实验四：磁流体。（图14）磁流体是有磁性的，含铁的纳米粒子支撑着油，如果把磁铁放到磁流体的下面，只要一接触到磁铁，磁流体就会绕着磁力线形成很奇特的形状。他们做了一个容器（图15），底部有三个电磁铁，每一个都与键盘的某个音相连，最终形成了美妙的波纹。
实验五：鲁本斯管。（图16）在金属管内充满丙烷，气体会通过管子上面的孔排出，一边堵住，另一边封好乳胶膜，并把扬声器对准乳胶膜大声播放声音，就会形成燃气的驻波并以不同的高度从孔中排出，而高度取决于声波的频率，看起来很像用火制成的图示均衡器。
实验六：特斯拉线圈。（图17）如图是一个能制造劈过空气的高压电子斧的设备。片中的演奏者身着法拉第笼套装，这套衣服可以在他被高压击中后使电流在套装之间流动最后入地，当演奏者跳起，特斯拉线圈放电并穿过演奏者的身体然后入地。
当实验拍摄结束后，每个实验最终的成像效果所产生的那些声音频率都成为了这首“音流学”之歌的声音素材，相较于早期的声音可视化系统，这部音乐视频中展现了更多的创作手段，为艺术与科技的跨界联合增加了更多可能性。
音流学在图像创作中的应用分析
对于音流学原理最直接的应用方式就是图像创作，在早期的原始图像采集技术逐渐普及的今天，更多的艺术家开始在原始图像的基础上通过科技手段进行了二次创作，使原本普通的图像素材转变成了更精美的艺术作品。
由于对海豚和鲸的声音非常好奇，自2001年起，马克·菲舍尔 开始试图借助音流学技术破解这些声音，他专门去海洋里收集它们发出的各种声音并借助计算机软件进行分析。为了尽可能多地展现声波信号里的秘密，他以自己独特的方式来转化声波：他用红色来标记声波中的低频率，用绿色和蓝色来标记中频率，用紫色标记高频率。声波就这样被转化成一幅幅画作，声音图案因此也成为这些海豚和鲸的一种特殊标志。
例如，马克将白喙斑纹海豚的高频鸣叫声音片段一层层叠起来，旋转并改变其尺度，得到了一种花朵锦簇的效果（图18），这张复合图像中，花朵的每一轮都代表声音信号中的一个不同部分。此外，他也常常会采用将声图内外颠倒或者是放大其中某一个特征的方式进行图像创作，并称之为“艺术能够达到的极致”。
音流学在产品设计中的应用分析
在艺术创作领域，对音流学成像的二次创作是一种间接的转换方式，从某种意义上来说，也是对音流学应用方式的革新思考。随着数字化建模、3D打印技术以及参数化设计的飞速发展和普及，在产品设计领域，对音流学的应用也同样达到了新的高度，这些科技元素的介入使声音可视化输出的结果直接由二维走向了三维，人们由此进入可触的声音时代。
2012年，巴西的设计工作室Estudio Guto Requena 与Galeria Coletivo Amor De Madre艺廊共同开发了一款“噪音椅”（图19），他们将三款由巴西驻地艺术家设计的经典椅子，混合里约热内卢日常街头噪音的录音，借助3D打印技术制成了数位模型。在一年后的SPDW圣保罗设计周上，该工作室又与3D打印机制造商合作改进了噪音椅的设计过程，创造了一种更具参与性的互动体验，使参观者可以见证椅子从设计到制作的全过程（图20、图21）。这把噪音椅真正实现了声音由声波数据转换为计算机数据进而转换为3D模型的全部过程。
与此相似的还有来自纽约布鲁克林，由艺术家和软件工程师组成的创业团队REIFY，原本只能用“听”的的音乐已经不再只是空气中的透明声波。在REIFY团队的巧思之下，声音变成了看得见且摸得到的3D雕塑（图22），为了达到将声音转化为实际雕塑的目的，他们专门开发了一款软件，通过特定的算法将声波转化为3D模型，然后把数据传输到3D打印机里创建出一个物理对象。相较于以往的3D打印方式，他们实验了各种非传统的打印素材——塑胶、铜，甚至椰子壳，将耳熟能详的乡村歌曲、古典协奏曲等重新“谱写”，最终呈现出成蜂巢状的立体几何结构。在这个3D打印声波体验中，用户还可以通过手机上的增强现实应用软件Stylus扫描雕塑并播放对应的音乐（图23）。也许真的有一天我们可以把最喜欢的专辑变成雕塑摆在家中，并且能够借助移动设备随时欣赏喜欢的音乐。
第四章 设计实验
本章主要描述作者为后期设计所做的基础实验，平实展现一个从实验走向应用的过程。实验部分主要分为“音流学成像装置还原”、“音流学成像效果与震动频率的关系”以及“音流学成像效果与成像表面尺寸的关系”三部分组成，在现有的实验基础上，与最初的设计构想结合，探索常人体验音流学的产品呈现方式。
音流学成像装置还原
在本小节中，作者将以扬声器震动与人声震动为例，尝试对音流学图像进行还原，初探音流学成像的基本条件。
实验方法：分别制作两个发声成像装置，通过输入声音，观察金属板和乳胶皮上沙粒的成像效果。
实验一：扬声器震动装置。
选用材料：扬声器，不锈钢板，矿盐颗粒。
实验结果：扬声器发出的声波所产生的震动可以直观地呈现在金属板上，但由于传播媒介（即矿盐颗粒与厚度为1mm的不锈钢板）的限制，成像较为粗糙，但已经可以形成几种简单的音流学图像。
实验二：人声震动装置。
选用材料：塑料水瓢，乳胶皮，矿盐颗粒。
实验结果：相较于扬声器震动装置，人声震动装置成像的线性特征更为明显，更能表现出相近的声音频率之间的微妙差异。
音流学成像特点与震动频率的关系
在本小节中，作者将延续人声震动装置的原理，深入探究成像特点与震动频率的关系，进而总结出人声震动装置的成像规律。
实验方法：通过对入声口输入不同频率的声音，记录乳胶皮表面成像。
选用材料：铁桶，乳胶皮，绣绷，沙粒。
实验结果：通过图像可以很明显地看出，成像由声源的低频率到高频率相应呈现出由简单到复杂的形态；同时低频段的变化比高频段的图像变化较大。
音流学成像特点与成像表面尺寸的关系
在本小节中，作者将在前期实验的基础上深入探究成像表面的尺寸对成像效果是否有影像，并探寻其成像规律。
实验方法：通过对两种尺寸的成像表面进行人声成像实验，观察成像特点。
选用材料：铁桶，乳胶皮，绣绷，沙粒。
实验结果：通过对不同口径铁桶的尝试，作者发现，口径的大小影响着音流学成像的边界以及成像的速度：口径越大，成像越扩散，且越细致；同时，口径越大，成像速度越慢，会相应减慢声波震动传播的速度。
第五章 基于音流学的声音可视化产品设计提案
本章将对实验的成果予以体现，并且将前文讨论的多方面内容进行有机地结合。通过阐述设计理念以及设计定位，突出作者的设计创意。
设计定位
本款设计作品探究实验物理性与呈现表达，注重用户在使用时的体验与互动。基于前期的实验数据以及对产品设计方案的初步讨论，作者和组员提出了一款名为“音画匣子”的互动产品体验装置。“音画匣子”是一款基于音流学的声音可视化产品套装，本着降低成本，制作简单的原则，我们采用生活中常见的材料设计了一款用户可自行安装的DIY套装。在使用过程中可轻松满足音流学实验条件，通过人声展示音流学丰富多彩的几何图像。
就目前现状而言，“音画匣子”只是一件单一的产品，但是，由这件产品所引发的对用户体验模式的思考将不容小觑，借毕业设计展览现场，作者也将同时提出一个以“音画匣子”为主题的用户现场互动体验模式，也借此希冀，在不久的将来，基于音流学的声音可视化系统能够真正实现。
我们将“音画匣子”定义为一款激发科学兴趣与动手能力的创意玩具，适用对象为喜欢与众不同、宣扬个人风格以及追求时尚生活的年轻人。
设计亮点分析
“音画匣子”的显著特点是利用简单的科学实验，让用户开拓眼界，有趣而不乏味。与人们通常所认为的相反，相较于看似鲜活的高科技玩具而言，其实往往那些最简单的玩具，例如积木或弹珠，这些看似呆板无趣的玩具，却恰恰是最鲜活的，而“音画匣子”就是这样一款玩具，用户在体验的过程中，思维与动作都是鲜活的，这一切不仅体现在音流学图像千变万化的形态中，更存在于用户在产品由套装中的零部件到最终完整呈现的拼装过程中。玩耍的本质是开心，“音画匣子”作为一个创意玩具，会让每一个使用者都在层出不穷的惊喜中感受到玩耍的喜悦。
基于“音画匣子”的互动体验模式创新
针对“音画匣子”的体验流程以及展览现场的条件基础，作者在此提出一种新的产品体验模式。展览现场将主要由两个体验区域组成：单人体验区和多人分享区。
单人体验区：该区域为现场核心区域，将用户对“音画匣子”的产品体验过程通过摄像头与投影的方式进行展示与记录，体验过程中所形成的音流学图像将被摄像头实时记录并被投放到背景幕墙上，使用户体验不仅仅局限于一对一的反馈，同样能够让围观的其他用户间接感受音流学的神奇魔力。
多人分享区：相较于单人体验区的单人使用版，多人分享区将以大尺寸的多人使用版“音画匣子”作为体验核心，让更多对该产品感兴趣的用户参与其中，以便捷的方式感受产品带来的乐趣；此外，由于多人分享的模式，体验产品的过程同样也是与他人共同创作与交流的过程，产品的反馈将不仅仅局限于音流学图案的反馈，体验者彼此想法的碰撞与交流也是产品体验所带来的惊喜。
结语
本文以音流学原理为主要研究对象，通过对音流学成像系统的探究，以及国内外现有艺术与设计案例的整理与分析，大致了解了现阶段基于音流学的声音可视化应用情况。同时，通过大量的音流学实验还原与数据分析，最终得出了现有条件下的最佳体验方案，即以“音画匣子”为核心的现场互动体验模式。
在对设计提案的摸索过程中，作者深刻地体会到：首先，在对“音画匣子”的设计过程中，设计的终极目标并非产品本身，而是一种新的体验方式，甚至一种新的生活方式，设计应该更加注重用户的使用体验，从感性的人文角度出发，作为创意玩具的“音画匣子”，其使用对象绝不仅限于“小孩子”，那些喜欢新奇、追求时尚的“大顽童”同样可以是玩具的主宰者；其次，“事”与“物”同等重要，作者未止步于“音画匣子”设计本身，而将其自然地融入产品体验的环境之中，由此可见，既然有产品设计，必然会延伸至体验设计，无形之事定将成为未来设计的重要对象；最后，设计与科技的距离日趋缩小，科学实验与产品设计并非毫无关联，而“音画匣子”作为一种以科学原理为支撑的创意玩具，在给用户带来惊喜的同时也能拓宽对科学知识的了解，更进一步体现了设计与科技融为一体的趋势。
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