作者：焦學巧 / 中科院水聲環境特性重點實驗室
圖/《回憶中的瑪尼》電影
你記憶中的夏天是什麼樣子的？
窗外蟬鳴陣陣，午後約三五好友在河邊捉魚，院子裡晾滿了媽媽洗過的衣服，淡淡的皂莢粉味充斥鼻尖，晚飯後切開早已在水中浸泡半天的西瓜，絲絲涼意沁人心脾，記憶中的夏天，似乎從來沒有特別炎熱。
無論怎樣，每個人的童年都少不了西瓜的身影。聯合國糧食及農業組織FAO公布的2018年數據顯示，中國的西瓜產量為6302.46萬噸，而出口量僅為4.29萬噸，出口量連生產量的1％都達不到。國家統計局專門就西瓜算了一筆帳：如果按一個西瓜10斤計算，中國人每年要吃掉160億個西瓜，也就是說，占世界人口20％的我們，吃掉了世界約70％的西瓜！
此等解暑利器，是我國土生土長的嗎？
並不是，西瓜的栽培歷史十分悠久，在古埃及，五六千年前已開始種植西瓜。與埃及相比，我國西瓜栽培的歷史要晚得多，文字記載始於五代時期的後漢高祖永福12年（公元947年），合陽縣令胡嶠曾記載由迴廊引入西瓜，因來自西域，所以稱之為「西瓜」。
從南宋開始，就湧現出了一大批「吃瓜群眾」，他們紛紛吟詩詠贊西瓜：
「碧蔓凌霜臥軟沙，年來處處食西瓜」——南宋范成大
「西瓜足解渴，割裂青瑤膚」——元代方回
「拔出金佩刀，斫破碧玉瓶，千點紅櫻桃，一團黃水晶。下咽頓消煙火氣，人齒便有冰雪聲。」——南宋文天祥
「採得青門綠玉房，巧將猩血沁中央，結成唏日三危露，瀉出流霞九醞漿。」——明朝瞿佑
清初詞人陳維崧有一首《洞仙歌·西瓜》，更稱得上是古代詠西瓜詩詞中的精品：「嫩瓤涼瓜，正紅冰凝結。紺唾霞膏斗芳潔。傍銀床，牽動百尺寒泉。縹色映，恍助玉壺寒徹。」 讀後令人饞涎欲滴。
就連文學界的著名「吃貨」汪曾祺都為西瓜折服：「西瓜以繩絡懸之井中，下午剖食，一刀下去，喀嚓有聲，涼氣四溢，連眼睛都是涼的。」
圖/Pixabay
說這麼多，有一個問題是這些詩人也逃不過的，那就是——
如何選出一顆質地上乘、口感綿密、味美多汁的好瓜呢？
有的人第一反應就是，讓老闆切個小口，我嘗一下不就好了嗎？這樣操作沒毛病，前提是瓜多且好賣外加老闆人足夠好。
圖/Pixabay
大部分人採用祖先們傳下來的技巧：用手指挑一敲西瓜，聲音清脆的是不熟瓜，聲音沉悶的是熟瓜。
那麼每次敲瓜前，你有沒有思考過，這裡頭的挑瓜原理是什麼呢？
要想成為合格的吃瓜群眾，首先得明白什麼是成熟度。
口感綿密，咀嚼起來有細沙粒感，水分充足而又不失甜味，這些是大多數人關注的西瓜口感，著重點體現在甜度方面，即含糖量，普遍認為可溶性糖高的西瓜成熟度高。
為什麼敲擊西瓜會產生不同的聲音呢？
切開西瓜，我們可以發現裡面有很多孔隙，西瓜中可溶性固形物占5.8~11.4%，濕基含水率為87.6~93.5%，西瓜的不同密度對應固形物含量不同。通過計算，假設西瓜內部為水溶液和氣體的混合物，那么半徑15cm、密度0.931g/cm的西瓜內對應氣泡半徑為6.16cm，證明西瓜中孔隙內為氣體。
所以，氣泡是西瓜中的主要振動元。當我們敲擊西瓜時，聲音來自西瓜內部的氣泡共振。成熟度不同的西瓜，內部的氣泡數量及分布也有所不同，氣泡振動時對周圍氣泡還會產生影響，呈現在我們耳中的就是或清脆或沉悶的聲音。
那麼，聲音和西瓜成熟度之間有何聯繫呢？
我們先來測評市面上一款名為「聽西瓜」的APP。將手機靠在西瓜上，敲擊西瓜，分析手機收集的聲音信號，它的判斷依據有兩種：
分析頻率信號，通過頻率來確定西瓜成熟度；
觀察時域信號，生西瓜的波形不規則衰減快，熟西瓜的波形上下對稱，衰減慢。
圖/「聽西瓜」APP
圖/作者
這款APP的判斷思路是正確的，通過分析時域或頻域信號，根據頻率或波形辨別成熟度。但是判斷依據太過簡單粗暴，對波形的規則性、西瓜的成熟度、具體判斷原理定義不夠清晰，誤測的機率比較大。
是時候展示真正的技術了！
已知成熟度高的西瓜可溶性糖含量高，根據西瓜密度和質量可以推測西瓜內可溶性固形物和氣體的體積，建立成熟度和氣體體積之間的關係，而敲擊西瓜產生的聲音反應了共振頻率，共振頻率和氣泡的數量及分布存在聯繫。
也就是說，通過氣泡這個中間媒介，可以建立成熟度和共振頻率的關係！
成熟度氣泡共振頻率
根據觀察，西瓜中的氣泡與水溶液混為一體，類似於海水中的氣泡，通過氣泡半徑可以計算共振頻率，建立氣泡半徑和共振頻率之間的關係，從而將西瓜成熟度與共振頻率聯繫。
為了得到確切聯繫，我們對西瓜內部振動模態進行仿真，將西瓜內部的氣泡等效成大氣泡進行多次分割，使分割後的氣泡在西瓜的對稱軸上等間距分布，並計算每次分割後的共振頻率，隨著氣泡的分割次數增加，共振頻率趨向穩定，最後得到氣泡半徑和共振頻率之間的關係。
圖/作者
根據食品檢測技術，成熟西瓜的頻率範圍為133 Hz ~160Hz，低於133Hz的為過熟瓜，高於160Hz為不熟瓜。
我們對16個西瓜進行驗證，採用糖度計測量西瓜汁的含糖量，並對基頻進行修正，除去個別不可用數據，發現：糖度低的瓜基頻高，而糖度高的瓜基頻低。
更詳細的挑瓜秘訣，讀者老爺們可以戳一下這裡康康。
由此，我們證實共振頻率和成熟度之間可以通過西瓜內部的氣泡建立聯繫。根據挑瓜常識，聲音清脆的西瓜對應高頻範圍，而這樣的西瓜成熟度低、不甜；聲音沉悶的西瓜對應低頻範圍，成熟度高、較甜。
下次買瓜時，如果遇到質疑敲瓜不靠譜而非要切開小口親驗的朋友，記得把這篇文章轉發給Ta！
參考文獻
[1]Koro Kato. Electrical Density Sorting and Estimation of Soluble Solids Content of Watermelon[J]. Journal of Agricultural Engineering Research,1997,67(2).
[2]趙傑文,孫永海.現代食品檢測技術[M].中國輕工業出版社:北京,2008:76-79.
[3]王鳴,侯沛.西瓜的起源、歷史、分類及育種成就[J].當代蔬菜,2006(03):18-19.
[4]劉伯勝,雷家煜.水聲學原理[M].哈爾濱工程大學出版社:哈爾濱,2010:210.
來源：中科院物理所