科普 | 西瓜甜不甜，听声音你就知道了

不摇

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：

“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。”

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。

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

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！

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133Hz~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。

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

TestGuru

类似地，工业上也有通过敲击容器外壳，然后测量其发出的声音的频率来推算出容器内的液体或空气的体积等参数的例子。这通常先需要对该型号的容器做标定。能识别出背景软件是什么吗？