「马赫环」是什么，它的产生原理是怎样的？
马赫环：视觉欺骗的奇妙现象
你是否曾注意到，在明暗对比强烈的区域，例如黑白交界处，我们会看到一条比实际边界更宽、更亮的亮带，而在较暗的区域则会看到一条更窄、更暗的暗带？这就是“马赫环”（Mach bands），一个源于我们视觉系统对光信号处理方式的奇妙现象。它就像是我们眼睛内置的“锐化滤镜”，让物体的边缘更加清晰，但同时也带来了并非真实存在的条纹。
马赫环的诞生：从视网膜到大脑的信号传递
要理解马赫环的产生原理，我们需要深入到我们视觉系统的内部，探究光信号是如何从视网膜传递到大脑，并在此过程中发生怎样的“加工”。
1. 视网膜上的“信号抑制”：侧抑制（Lateral Inhibition）
我们的视网膜上分布着大量的神经元，其中一种叫做双极细胞（bipolar cells）和水平细胞（horizontal cells）发挥着关键作用。当光线照射到视网膜时，感光细胞（视杆细胞和视锥细胞）会将光信号转化为电信号。
然而，这个信号传递的过程并非是简单的“一对一”的复制。在视网膜中，存在着一种叫做“侧抑制”的机制。简单来说，当一个神经元接收到刺激时，它不仅会把信号传递出去，还会通过与之相连的水平细胞，对周围的神经元施加抑制作用。
想象一下，视网膜上有一个区域接收到了强光，产生了强烈的电信号。这个区域的神经元会兴奋，并将信号传递。但同时，它也会通过水平细胞“告诉”它旁边的神经元：“别那么兴奋！”。而旁边的神经元，如果接收到的光线较弱，它们受到的抑制就会更少，因此会相对地更“活跃”。
2. 马赫环的形成：信号的“加权”与“减权”
现在，让我们将这个侧抑制机制应用到马赫环的场景中。考虑一个明暗交界线的区域，假设左边是明亮区域，右边是暗淡区域。
明亮区域的边缘： 在明亮区域，神经元接收到的光信号很强。当信号传递到明暗交界处时，明亮区域的神经元在发出信号的同时，会通过侧抑制机制，抑制紧邻的暗淡区域的神经元。
暗淡区域的边缘： 与此同时，暗淡区域的神经元接收到的光信号很弱。但由于明亮区域的神经元施加的抑制作用，它们相对而言会被“衬托”得更弱。
亮带的出现： 这里的关键在于，明亮区域的神经元不仅将自己的信号传递出去，它们对相邻暗淡区域的“抑制”效果，在视觉信号处理的后期（例如在大脑皮层），会被解读为一种增强。换句话说，原本只是一个普通的明亮区域，因为其边缘的神经元“积极地”抑制了对面的暗区域，使得我们感觉这个边缘比实际的亮区更亮一些。我们的大脑，为了更好地分辨边界，会“夸大”这种明暗的对比。
暗带的出现： 类似地，在暗淡区域的边界，暗淡区域的神经元本身信号就弱，再加上明亮区域神经元施加的抑制，使得这个区域的信号变得更弱。当大脑接收到这个更弱的信号时，就会感知到比实际更暗的暗带。
因此，马赫环并不是物理光线本身产生的，而是我们视觉系统在处理强烈明暗对比时，通过侧抑制机制“主动”制造的。这种机制可以被理解为一种边缘增强（edge enhancement）效应，它帮助我们更清晰地识别物体的轮廓，从而在复杂的视觉环境中更好地生存。
马赫环的意义与影响
马赫环现象在很多领域都有着重要的意义：
心理物理学研究： 马赫环是研究人类视觉感知机制的经典案例。通过研究马赫环，科学家们能够深入了解视网膜和大脑是如何处理和解读视觉信息的。
图像处理： 在数字图像处理领域，马赫环的原理被借鉴来增强图像的清晰度，例如在图像锐化算法中，会模拟类似侧抑制的效果，让图像的边缘更加突出。
艺术与设计： 艺术家和设计师常常会利用马赫环效应来创造视觉上的冲击力，或者引导观众的视线。某些艺术风格，如日本浮世绘中的线条表现，就巧妙地利用了这种对比增强的效果。
总结
马赫环，这个看似简单的视觉现象，背后却蕴含着我们视觉系统精妙的运作原理——侧抑制。它提醒我们，我们所看到的“真实”世界，其实经过了我们眼睛和大脑的“加工”。这种加工虽然有时会带来一些“幻觉”，但却是为了帮助我们更好地感知和理解周遭的环境。下次当你观察到物体边缘的奇妙亮暗时，不妨想想这背后隐藏的“马赫环”效应，以及它为我们的视觉体验带来的丰富层次。
你是否曾注意到，在明暗对比强烈的区域，例如黑白交界处，我们会看到一条比实际边界更宽、更亮的亮带，而在较暗的区域则会看到一条更窄、更暗的暗带？这就是“马赫环”（Mach bands），一个源于我们视觉系统对光信号处理方式的奇妙现象。它就像是我们眼睛内置的“锐化滤镜”，让物体的边缘更加清晰，但同时也带来了并非真实存在的条纹。
马赫环的诞生：从视网膜到大脑的信号传递
要理解马赫环的产生原理，我们需要深入到我们视觉系统的内部，探究光信号是如何从视网膜传递到大脑，并在此过程中发生怎样的“加工”。
1. 视网膜上的“信号抑制”：侧抑制（Lateral Inhibition）
我们的视网膜上分布着大量的神经元，其中一种叫做双极细胞（bipolar cells）和水平细胞（horizontal cells）发挥着关键作用。当光线照射到视网膜时，感光细胞（视杆细胞和视锥细胞）会将光信号转化为电信号。
然而，这个信号传递的过程并非是简单的“一对一”的复制。在视网膜中，存在着一种叫做“侧抑制”的机制。简单来说，当一个神经元接收到刺激时，它不仅会把信号传递出去，还会通过与之相连的水平细胞，对周围的神经元施加抑制作用。
想象一下，视网膜上有一个区域接收到了强光，产生了强烈的电信号。这个区域的神经元会兴奋，并将信号传递。但同时，它也会通过水平细胞“告诉”它旁边的神经元：“别那么兴奋！”。而旁边的神经元，如果接收到的光线较弱，它们受到的抑制就会更少，因此会相对地更“活跃”。
2. 马赫环的形成：信号的“加权”与“减权”
现在，让我们将这个侧抑制机制应用到马赫环的场景中。考虑一个明暗交界线的区域，假设左边是明亮区域，右边是暗淡区域。
明亮区域的边缘： 在明亮区域，神经元接收到的光信号很强。当信号传递到明暗交界处时，明亮区域的神经元在发出信号的同时，会通过侧抑制机制，抑制紧邻的暗淡区域的神经元。
暗淡区域的边缘： 与此同时，暗淡区域的神经元接收到的光信号很弱。但由于明亮区域的神经元施加的抑制作用，它们相对而言会被“衬托”得更弱。
亮带的出现： 这里的关键在于，明亮区域的神经元不仅将自己的信号传递出去，它们对相邻暗淡区域的“抑制”效果，在视觉信号处理的后期（例如在大脑皮层），会被解读为一种增强。换句话说，原本只是一个普通的明亮区域，因为其边缘的神经元“积极地”抑制了对面的暗区域，使得我们感觉这个边缘比实际的亮区更亮一些。我们的大脑，为了更好地分辨边界，会“夸大”这种明暗的对比。
暗带的出现： 类似地，在暗淡区域的边界，暗淡区域的神经元本身信号就弱，再加上明亮区域神经元施加的抑制，使得这个区域的信号变得更弱。当大脑接收到这个更弱的信号时，就会感知到比实际更暗的暗带。
因此，马赫环并不是物理光线本身产生的，而是我们视觉系统在处理强烈明暗对比时，通过侧抑制机制“主动”制造的。这种机制可以被理解为一种边缘增强（edge enhancement）效应，它帮助我们更清晰地识别物体的轮廓，从而在复杂的视觉环境中更好地生存。
马赫环的意义与影响
马赫环现象在很多领域都有着重要的意义：
心理物理学研究： 马赫环是研究人类视觉感知机制的经典案例。通过研究马赫环，科学家们能够深入了解视网膜和大脑是如何处理和解读视觉信息的。
图像处理： 在数字图像处理领域，马赫环的原理被借鉴来增强图像的清晰度，例如在图像锐化算法中，会模拟类似侧抑制的效果，让图像的边缘更加突出。
艺术与设计： 艺术家和设计师常常会利用马赫环效应来创造视觉上的冲击力，或者引导观众的视线。某些艺术风格，如日本浮世绘中的线条表现，就巧妙地利用了这种对比增强的效果。
总结
马赫环，这个看似简单的视觉现象，背后却蕴含着我们视觉系统精妙的运作原理——侧抑制。它提醒我们，我们所看到的“真实”世界，其实经过了我们眼睛和大脑的“加工”。这种加工虽然有时会带来一些“幻觉”，但却是为了帮助我们更好地感知和理解周遭的环境。下次当你观察到物体边缘的奇妙亮暗时，不妨想想这背后隐藏的“马赫环”效应，以及它为我们的视觉体验带来的丰富层次。
网友意见
马赫环是超音速气流内压缩波和膨胀波相互干涉形成的驻波。
有两个重要的发生条件：
- 流体必须为超音速
- 超音速流体内压力与环境压力不相等
此外如果需要超音速的流体温度较高才能用肉眼观测到。温度低的马赫环虽然存在，但是我们看不到。
能超音速飞行的飞机（亚音速民航客机显然不行）的发动机喷嘴都是收敛-扩张型，喷出的气体在收敛段由亚音速加速至音速。从最窄处到喷嘴为扩张段，这一段气流会被加速至超音速，甚至火箭发动机的喷气速度为数倍音速。
（虽然理论上亚音速喷嘴也可以支持飞机超音速飞行，因为喷气温度高音速也高，而推力是根据喷气速度来计算而不是音速的倍数也就是马赫数）
喷管中的最窄截面积决定了发动机的通气量，而喷嘴面积和最窄截面积之比决定了最终喷气速度。
通常超音速喷嘴都可以调节这两个截面积来控制推力。
当飞机的加力燃烧室开启时，燃气中未完全耗尽的氧气会被继续注入燃油燃烧。燃气达到更高的温度。这时喷出的燃气呈明亮的红热状态。
假如这时喷嘴处的喷气压力和外界不相同，恭喜你，你将看到明亮耀眼的马赫环。
喷气压力高于环境压力（上）
喷出的超音速流体压力高于环境压力，会直接膨胀，而膨胀后压力又比环境低了，再被压缩，再膨胀。
喷气压力低于环境压力（下）
喷出的超音速气流由于压力低于环境，会形成一道激波并被剧烈压缩。在这道激波压缩后，压力反而又高于了环境压力，会再形成膨胀波。然后再被压缩，再膨胀。循环下去，所以人能看到一道规律的钻石状马赫环。
也就是说只要喷出的超音速流体只要压力不等于环境压力，就会形成「膨胀-压缩-膨胀-压缩……」的循环现象，唯一的区别是，第一道波是激波压缩还是直接膨胀。所以不管是哪种情况，看起来都差不多。
当尾流压力增加时，密度提高，速度变慢，总温不变而静温提高。也就是压力大的地方气就热了，且这时高温会更促使加力燃烧室喷出的未完全燃烧燃油再次燃烧，且本来气体温度的变化也会影响颜色。（如果飞机不开加力，喷气也是超音速的，只是不明亮，所以肉眼看不到）
超音速喷管，钻石状马赫环 https://www.zhihu.com/video/1082465328776134656微信公众号：卢西Luft | 回复：「彩蛋」试试看
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