共振频率|天气这么热，再不收好这份挑西瓜绝技就来不及了
作者：焦学巧 / 中科院水声环境特性重点实验室
图/《回忆中的玛尼》电影
你记忆中的夏天是什么样子的？
窗外蝉鸣阵阵 ， 午后约三五好友在河边捉鱼 ， 院子里晾满了妈妈洗过的衣服 ， 淡淡的皂荚粉味充斥鼻尖 ， 晚饭后切开早已在水中浸泡半天的西瓜 ， 丝丝凉意沁人心脾 ， 记忆中的夏天 ， 似乎从来没有特别炎热 。
无论怎样 ， 每个人的童年都少不了西瓜的身影 。 联合国粮食及农业组织FAO公布的2018年数据显示 ， 中国的西瓜产量为6302.46万吨 ， 而出口量仅为4.29万吨 ， 出口量连生产量的1％都达不到 。 国家统计局专门就西瓜算了一笔账：如果按一个西瓜10斤计算 ， 中国人每年要吃掉160亿个西瓜 ， 也就是说 ， 占世界人口20％的我们 ， 吃掉了世界约70％的西瓜！
此等解暑利器 ， 是我国土生土长的吗？
并不是 ， 西瓜的栽培历史十分悠久 ， 在古埃及 ， 五六千年前已开始种植西瓜 。 与埃及相比 ， 我国西瓜栽培的历史要晚得多 ， 文字记载始于五代时期的后汉高祖永福12年（公元947年） ， 合阳县令胡峤曾记载由回纥引入西瓜 ， 因来自西域 ， 所以称之为“西瓜” 。
从南宋开始 ， 就涌现出了一大批“吃瓜群众” ， 他们纷纷吟诗咏赞西瓜：
【共振频率|天气这么热，再不收好这份挑西瓜绝技就来不及了】
“碧蔓凌霜卧软沙 ， 年来处处食西瓜”——南宋范成大
“西瓜足解渴 ， 割裂青瑶肤”——元代方回
“拔出金佩刀 ， 斫破碧玉瓶 ， 千点红樱桃 ， 一团黄水晶 。 下咽顿消烟火气 ， 人齿便有冰雪声 。 ”——南宋文天祥
“采得青门绿玉房 ， 巧将猩血沁中央 ， 结成唏日三危露 ， 泻出流霞九酝浆 。 ”——明朝瞿佑
清初词人陈维崧有一首《洞仙歌·西瓜》 ， 更称得上是古代咏西瓜诗词中的精品：“嫩瓤凉瓠 ， 正红冰凝结 。 绀唾霞膏斗芳洁 。 傍银床 ， 牵动百尺寒泉 。 缥色映 ， 恍助玉壶寒彻 。 ” 读后令人馋涎欲滴 。
就连文学界的著名“吃货”汪曾祺都为西瓜折服：“西瓜以绳络悬之井中 ， 下午剖食 ， 一刀下去 ， 喀嚓有声 ， 凉气四溢 ， 连眼睛都是凉的 。 ”
图/Pixabay
说这么多 ， 有一个问题是这些诗人也逃不过的 ， 那就是——
如何选出一颗质地上乘、口感绵密、味美多汁的好瓜呢？
有的人第一反应就是 ， 让老板切个小口 ， 我尝一下不就好了吗？这样操作没毛病 ， 前提是瓜多且好卖外加老板人足够好 。
图/Pixabay
大部分人采用祖先们传下来的技巧：用手指敲一敲西瓜 ， 声音清脆的是不熟瓜 ， 声音沉闷的是熟瓜 。
那么每次敲瓜前 ， 你有没有思考过 ， 这里头的挑瓜原理是什么呢？
要想成为合格的吃瓜群众 ， 首先得明白什么是成熟度 。
口感绵密 ， 咀嚼起来有细沙粒感 ， 水分充足而又不失甜味 ， 这些是大多数人关注的西瓜口感 ， 着重点体现在甜度方面 ， 即含糖量 ， 普遍认为可溶性糖高的西瓜成熟度高 。
为什么敲击西瓜会产生不同的声音呢？
切开西瓜 ， 我们可以发现里面有很多孔隙 ， 西瓜中可溶性固形物占5.8~11.4% ， 湿基含水率为87.6~93.5% ， 西瓜的不同密度对应固形物含量不同 。 通过计算 ， 假设西瓜内部为水溶液和气体的混合物 ， 那么半径15cm、密度0.931g/cm的西瓜内对应气泡半径为6.16cm ， 证明西瓜中孔隙内为气体 。
所以 ， 气泡是西瓜中的主要振动元 。 当我们敲击西瓜时 ， 声音来自西瓜内部的气泡共振 。 成熟度不同的西瓜 ， 内部的气泡数量及分布也有所不同 ， 气泡振动时对周围气泡还会产生影响 ， 呈现在我们耳中的就是或清脆或沉闷的声音 。
那么 ， 声音和西瓜成熟度之间有何联系呢？
我们先来测评市面上一款名为“听西瓜”的APP 。 将手机靠在西瓜上 ， 敲击西瓜 ， 分析手机收集的声音信号 ， 它的判断依据有两种：
①分析频域信号 ， 通过频率来确定西瓜成熟度；
②观察时域信号 ， 生西瓜的波形不规则衰减快 ， 熟西瓜的波形上下对称 ， 衰减慢 。
图/“听西瓜”APP
图/作者
这款APP的判断思路是正确的 ， 通过分析时域或频域信号 ， 根据频率或波形辨别成熟度 。 但是判断依据太过简单粗暴 ， 对波形的规则性、西瓜的成熟度、具体判断原理定义不够清晰 ， 误测的概率比较大 。
是时候展示真正的技术了！
【共振频率|天气这么热，再不收好这份挑西瓜绝技就来不及了】
已知成熟度高的西瓜可溶性糖含量高 ， 根据西瓜密度和质量可以推测西瓜内可溶性固形物和气体的体积 ， 建立成熟度和气体体积之间的关系 ， 而敲击西瓜产生的声音反应了共振频率 ， 共振频率和气泡的数量及分布存在联系 。
也就是说 ， 通过气泡这个中间媒介 ， 可以建立成熟度和共振频率的关系！
成熟度←气泡→共振频率
根据观察 ， 西瓜中的气泡与水溶液混为一体 ， 类似于海水中的气泡 ， 通过气泡半径可以计算共振频率 ， 建立气泡半径和共振频率之间的关系 ， 从而将西瓜成熟度与共振频率联系 。
为了得到确切联系 ， 我们对西瓜内部振动模态进行仿真 ， 将西瓜内部的气泡等效成大气泡进行多次分割 ， 使分割后的气泡在西瓜的对称轴上等间距分布 ， 并计算每次分割后的共振频率 ， 随着气泡的分割次数增加 ， 共振频率趋向稳定 ， 最后得到气泡半径和共振频率之间的关系 。
图/作者
根据食品检测技术 ， 成熟西瓜的频率范围为133 Hz ~160Hz ， 低于133Hz的为过熟瓜 ， 高于160Hz为不熟瓜 。
我们对16个西瓜进行验证 ， 采用糖度计测量西瓜汁的含糖量 ， 并对基频进行修正 ， 除去个别不可用数据 ， 发现：糖度低的瓜基频高 ， 而糖度高的瓜基频低 。
更详细的挑瓜秘诀 ， 读者老爷们可以戳一下这里康康 。
由此 ， 我们证实共振频率和成熟度之间可以通过西瓜内部的气泡建立联系 。 根据挑瓜常识 ， 声音清脆的西瓜对应高频范围 ， 而这样的西瓜成熟度低、不甜；声音沉闷的西瓜对应低频范围 ， 成熟度高、较甜 。
下次买瓜时 ， 如果遇到质疑敲瓜不靠谱而非要切开小口亲验的朋友 ， 记得把这篇文章转发给Ta！
参考文献
[1]Koro Kato. Electrical Density Sorting and Estimation of Soluble Solids Content of Watermelon[J]. Journal of Agricultural Engineering Research,1997,67(2).
[2]赵杰文,孙永海.现代食品检测技术[M].中国轻工业出版社:北京,2008:76-79.
[3]王鸣,侯沛.西瓜的起源、历史、分类及育种成就[J].当代蔬菜,2006(03):18-19.
[4]刘伯胜,雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨工程大学出版社:哈尔滨,2010:210.
[5]中新网.趣谈中国人吃瓜的历史[EB/OL].https://www.chinanews.com/sh/2019/07-23/8903764.shtml
_原题_：科普 | 西瓜甜不甜 ， 听声音你就知道了
来源：中国科学院北京分院
编辑：Dannis
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