科普文章丨西瓜甜不甜，听声音你就知道了

　　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：

　　“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！

　　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。

　　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