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音響室進階班:乾濕適中完美放送—《音響入門誌》

PanSci_96
・2016/10/01 ・6413字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

文/阿賣|本名張涵盈。身份多重,大致上來說是個創作歌手、音樂製作人與業餘的室內設計師。

場地提供/In Our Time、ST Music

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在閱讀過許多音響空間的文章,跟許多高手討教以後,你終於下定決心要為自己打造一間完美的音響室了,從這一刻起,你進入另一個世界,有更多探索不完的新知。

明明已經對於吸音板、擴散板、低頻陷阱這些名詞不再陌生,但真要動手去搬動擺設、請師傅來施工,手上的設計圖畫了又畫,從第一版改到不知道第幾版了,卻總會有一些東西不知道該擺哪裡才好?哪一面牆上好像缺一塊什麼?就好像靈魂不知道哪裡缺了一塊一樣。

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徹底了解聲音 先從物理說起

一切還是要從聲音的物理說起。

聲音在空氣中傳遞,碰到物體後,會發生的行為可以粗略分成吸收和反射。也可以說,不論擺放任何物體在空間裡,從家具到處理聲音的裝置,都是在利用這兩個機制善加組合運用,達到最好的音場效果。

當聲波碰到軟物質時,不會反射回來,能量會消失在軟物質裡面,這樣的現象叫做吸收。例如有大面窗簾、厚地毯,又擺放了很大的布沙發的客廳,聲音就會被大量吸收,這時候整個客廳的音場就會比較「乾」。乾的音場會很清晰,但是比較缺乏力道、聽覺上不夠飽滿。

反之,如果空間裡都是硬的物質,例如水泥或磁磚的牆面、玻璃窗、木製桌椅、光滑的瓷磚地板,這樣的空間就不容易吸收聲音,聲波碰到牆或是地板的時候很容易被反射,這樣的空間就會比較「濕」,有大量的回聲和殘響。

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最理想的音響空間,必須是清晰的乾,但同時又有適量的殘響濕,簡單的說就是軟硬適中,不能完全吸收、也不能完全反射。

為要調整出最恰當的吸音比例,除了室內家具之外,購買專業吸音板擺在正確的位置,確有其必要性。

擴散是啥玩意 好聲自有大道理

知道了吸收跟反射的概念,接下來要介紹「擴散」了,這是一個奇妙的聲學名詞,在音響玩家中,只要提到「擴散」兩個字,就幾乎代表著「好聲」,它到底是怎麼一回事呢?

簡單來說,「擴散」就是反射的一種,但它對於聆聽音響來說,是更優秀的反射方式。當聲音碰到一面硬牆,它會被均勻地反射回來,但若這一面牆是凹凸不平的,那聲音在牆的各處被反射回來的快慢就會有所不同,這樣會對原本的聲波有「打散」的效果,回音就不會顯得平板,而且避免駐波和共振的發生。這件事就稱為「擴散」,在音響室或錄音室常常會看到凹凸不平的塊狀牆面,就是這個道理。

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如果沒有預算在家裡打造這樣具有擴散效果的牆面,也可以買現成的「擴散板」,它就是一塊表面深淺凹凸不平的結構,擺設在音響室裡需要擴散的地方,就會讓聲音獲得擴散的效果。

對於喜歡自己動手 DIY 的玩家、或是木工的愛好者,擴散板更是一個浪漫的玩意兒,因為它是可以自己 DIY 完成的,表面高低不同的每一根木柱,都是經過設計的,且很多款經典擴散板的設計圖,在網路上都很容易找到。找一些好木料,找一個晴朗的星期天下午,自己動手製作一塊美麗的擴散板,是人生一大樂事啊。

吸音裝置名目多 相通卻又不相同

吸音棉吸音板低頻陷阱,這三樣東西根本上都是屬於「吸音」的裝置,他們雖然是三個不同的名詞,但實際上是沒有明確界限的,這三樣東西之間有模糊不清的曖昧地帶,有時候甚至可以同時兼具其中兩種或三種身份。

例如,把具有吸收低頻能力的吸音板放在低頻聚集過多的地方,讓它發揮吸收低頻的效果,就可以把這塊吸音板稱為「低頻陷阱」。這就像是沙發拿來躺著睡,就可以說沙發是床一樣的道理。同樣的東西在不同的用途下,可以在概念上是不同的事物。

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為什麼要先解釋這個呢?因為每次跟人談及吸音棉、吸音板與低頻陷阱的時候,大多數朋友最後都聽得一頭霧水,最後總是很疑惑地問我:「所以,這三樣東西到底要怎麼區分?」事實上就是不能區分的,當想把這三樣東西就外觀上、或就材料結構上來分類的時候,就已經走錯路了。這三樣東西,比較像是用「功能性」來分類的,他們可能都是很類似的材料,但是因為擺放的位置不同,密度、厚度和長寬高的不同,就可以被稱為不同的名詞。

吸音棉、吸音板和低頻陷阱,它們可能都是海綿,或者外面包布的玻璃纖維棉或岩棉(註一)。通常整體的材料和尺寸越厚重,吸收的頻率就能達到越低,吸收頻率能到越低的,就越能稱為「低頻陷阱」。

甚至被稱為「低頻陷阱」的市售產品,也常常有吸收中高頻的效果,擺在低頻不多的位置上,它就只是一塊吸音板而已。說來說去,就物理上來說,這三樣東西做的事情都是一樣的,就是吸音。

吸音專業不專業 想法最有大差別

口語上常說的「吸音棉」,一般指的是樂團的練團室裡貼滿牆壁的那種黑色吸音海綿,它的功能比較像是利用吸音的方式,來減低樂團練習的音量,重點是不要吵到人,免得遭來鄰居抗議。這種吸音棉通常很便宜,跟音響玩家在音響專門店購買的吸音板,有很大的價格差異。

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看到這裡,讀者可能會問:「如果我去音響店裡買吸音板,擺在樂團的練團室,它是否有減低音量避免吵到鄰居的效果呢?」答案是有的,但這樣做成本太高了,昂貴的吸音板要貼滿整間房間,是一件非常奢侈的事情。簡單的說,吸音板通常指的是「專業的聲學裝置」,為了調整空間的音場,而必須「有技巧的」去擺在正確位置的高級玩意兒。而吸音棉呢,通常指的是「廉價的降噪海綿」。

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更深入來說,它們可能都同樣是海綿所製成,但它們價格的差異在於,吸音板的尺寸和厚度、海綿的密度,是經過聲學專家設計過的,專門針對大部份室內音響空間和頻率的先天不良,來作改善的用途,它通常會告訴消費者它能吸收的頻率範圍,低頻到多低,高頻到多高,專業的吸音板,通常會附上這個產品對於不同頻率的吸收能力的圖表資料。而且同一家公司,可能會出產多款不同尺寸、不同厚度與密度、甚至不同造型的吸音板,針對各種不同的空間聲學問題對症下藥。

而吸音棉呢?是沒得選的,市售的吸音棉大多是差不多的東西,只要有吸音的效果不要吵到鄰居就可以了,不需要太講究的。事實上,如果你的練團室的牆壁不是實心的磚牆,那即使把吸音棉貼滿整間房間,練團還是很容易吵到鄰居的。別忘了上一期有提過,吸音棉不是隔音棉,它沒有隔音效果,世界上沒有隔音棉這種東西。

此外,在這裡也要提醒讀者,如果希望打造一間真正好聲的音響室,千萬不要把吸音棉貼滿整間房間,這種完全不經思考的處理方式是不可能有什麼好音場的。

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但若是哪天碰到一個專家,跟你說房間裡的哪個角落需要放置「吸音棉」,請不要跟他辯駁,說在這本雜誌上看到筆者說吸音棉是不專業的東西。他都已經告訴你在哪個角落要怎麼處理了,這是行家的想法,他口中講的吸音棉,其實就是指專業的吸音板,當然不是樂團練團室的那種黑色吸音棉囉。

同樣一塊海綿或玻璃纖維棉,它來到這世界上,可能因為命運的不同,而有不同的歸屬,最後到底成為了吸音棉、吸音板還是低頻陷阱,端看使用者怎麼用及會不會用了。

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狹縫中思考 低頻最難明瞭

不管是音響玩家或是製作音樂的錄音師、混音師,都不會小看低頻這回事,低頻的頻率分佈和量感,始終是一個複雜且極難對付的課題。一個音響空間裡低頻的處理,往往是能不能獲得好音場的決定性關鍵。

相信很多讀者都或多或少聽過這個說法:「中高頻有方向性,低頻沒有方向性。」其實這一切都跟「繞射」這個物理現象有關。

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當水波經過一道「寬門」的時候,它會直直地往前行進;但是當它經過的是一道「窄門」的時候,宅門會變成一個新的「源頭」,讓整個水波呈圓形往四面八方擴散開來(如下圖)。這種波動經過狹縫而擴散開來的物理現象,稱為「繞射」。當狹縫窄到會讓波動繞射的時候,原本直線前進的波就不會再是直線前進了,它會往四面八方散開。

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這個「寬」跟「窄」的差別,大致上以水波的「波長」為基準。如果門窄到跟水波的波長差不多,那這道門就可以說它是窄的,在物理上稱為「狹縫」。如果門很寬,遠遠比水波的波長還要寬,那這道門就是寬的,就不是物理上所謂的「狹縫」。

瞭解了這個概念,試著來換算一下低頻的波長,會發現頻率 100Hz 的聲波,波長算出來竟然是 3.4 公尺!(註二)是的,3.4 公尺,比大多數人家裡的一層樓還要高,這麼長的長度,聲音才來回振動了一次。如果是 50 Hz 的聲波,波長就是剛剛的兩倍,長達 6.8 公尺了。

到這裡,您是不是已經發現了什麼呢?

是的,對於一般的建築,任何人家裡的空間格局,或任何居家室內空間,對於 100Hz 以下的低頻來說,都是狹縫!居家空間裡的任兩道牆,對於低頻聲波來說,都是相當窄的窄門,就算是很大的客廳,天花板和地板之間,對低頻來說依然都是狹縫。因此當喇叭發出低頻的時候,在室內空間幾乎都會往四面八方散開。即使在室外的大型演唱會,喇叭距離地面也很難高達數十公尺,因此低頻永遠都會有繞射的現象。

這種沒有方向性四處亂竄的低頻,根本上無可避免,會造成聆聽時音場的混亂,讓整個聽覺上變得「轟」。特別是在兩面牆之間的直角處,很容易形成低頻堆積。而兩面平行的牆面、或是天花板和地板,都正好會成為低頻的共振腔,讓某個頻率一直在中間嗡嗡作響。(註三)

到底吸音板、擴散板和低頻陷阱這些裝置該如何擺設,才能解決惱人的低頻問題以及平行牆面造成的駐波呢?抓準六大觀念,你也可以在家輕鬆擺設出定位清晰、乾濕適中的好音場,讓我們從喇叭開始說起吧。

喇叭聆聽貴賓席 擺位自有大道理

一般還不懂音響空間的人,大多數會將喇叭靠牆放,這不是一個好的方式。喇叭的背面應該和牆面保持一段距離,通常在 1 到 2 公尺之間,視不同的喇叭設計而有不同的擺放距離。以一般大小的房間來說,喇叭和後牆的距離,聆聽位置和喇叭之間,各為房間長度的 1/3,是一般認為最理想的比例。

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通常會讓喇叭發出的聲音水平地打向聆聽者的耳朵,因此喇叭的高度和聆聽者的耳朵大約在相同高度,以此類推,不管是吸音板或是擴散板,也應該以坐著聆聽時的人耳高度為最主要區域,如上圖。

但實際的情況並不這麼單純,視不同的器材、不同的需求和室內空間的分配,還是會有很多不同的擺設方式。

喇叭後牆是重點 低頻陷阱不能缺

喇叭背後的牆面,是一個關鍵的地方。

大致上的觀念是這樣的,因為喇叭會將聲音往前打,但低頻因為沒有方向性,所以越低的頻率在喇叭的背後會越累積越多,如果喇叭背後剛好是呈直角的牆角的話,狀況則會更嚴重,也因此喇叭的後牆是需要將低頻做吸音的,不吸音會讓整個音場顯得太轟而失去清晰度。

然而,我們也很需要讓喇叭後牆具有反射能力,將聲音往前反彈到聆聽者的耳朵,這樣喇叭聽起來才會結實有力,不至於軟趴趴。又要吸音、又要反射,這樣的要求,就讓喇叭後牆的處理陷入兩難的局面了。一般的做法是:將吸收低頻的裝置擺設在「關鍵位置」上,其它的地方留著做反射用途。最常見的就是在後牆和左右側牆的兩處直角,擺上大型的低頻陷阱,這兩個巨大的吸音裝置可以解決掉這間音響室裡最多惱人的低頻。

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也可以將低頻陷阱擺在後牆兩個直角處的人耳高度附近,但上面碰到天花板的兩個「三面直角」處,另外吊掛較小的低頻陷阱。而兩個喇叭中間的那一塊牆面,可以擺上一面擴散板來反射聲音,讓喇叭聽起來更結實有力。

找到第一反射點 關鍵時刻不妥協

室內音響空間的擺放,一般都建議第一反射點一定要做吸音。

第一反射點是什麼呢?第一反射點就是喇叭到牆面、牆面到聆聽者的耳朵之間,畫出聲音的反射路徑後, 聲波在牆上反射的那附近區域(如下圖)。在左右側牆面的第一反射點裝置吸音板,讓喇叭發出來的聲音不受到來自兩側牆的反射音干擾,音像定位就會清晰。

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同樣的道理,喇叭發出的聲音也會打到天花板,再從天花板反射回到我們的耳朵裡,這個天花板上的第一反射點,也是必須要吊掛吸音板的區域。

左右牆面要對稱 定位清晰最透徹

一對喇叭的擺放位置,最好距離房間的左右側牆是一樣的距離,而且兩邊的牆面最好是盡量對稱的形狀和接近的材質,如果左右牆面不對稱,來自兩側牆的反射音,很容易造成聆聽音樂的干擾,會讓聽到的聲音變得跟原本唱片裡要傳達的不一樣,最明顯的就是樂器的擺位很容易歪掉,原本應該在中間的樂器變得偏左或偏右。

如果因為房間的格局,喇叭的左右側真的有無法對稱的情況,例如有一邊就剛好是一道門,那音像定位就很容易混淆不清,這時候在兩側相同距離的第一反射點,擺上一模一樣的吸音板做吸音,會比較改善。

沙發後牆不放過 聽感加深好開闊

一般來說,讓喇叭打向聆聽位置,這位置通常都是沙發區,建議沙發不要完全靠著後面的牆放置,中間要留 1 到 2 公尺的空間出來,在聆聽位置(沙發)後面的牆上人耳高度附近,可以裝置擴散板,讓喇叭過來的聲音被後牆反射時,是經過擴散以後的聲音,這個做法可以加深音場的深度,讓整個聽感上產生房間變大的錯覺。

天地之間別忘記 平衡聽感有道理

天花板和地板,如果不處理,房間的六個面,就會有兩面是硬的材質,這樣會讓整個空間內反射的比例佔得太高。而且別忘了,天花板與地板之間是巨大的平行面,會造成某個低頻的駐波,沒有處理好就很容易有一處低頻過多,室內會變得很轟。

因此必須在天地之間擺上一些吸音或擴散裝置,一般來說最簡單的想法是鋪地毯,至少在地面會有吸音的效果。但要注意的是,地毯的吸音頻率通常都在中高頻,無法延伸到低頻,這樣依然不能解決平行面之間的駐波造成低頻過多的問題(註三)。最好的解決方式,還是要將大型的低頻陷阱吊掛在天花板上,一方面破壞原本平板的形狀,一方面吸收低頻,吊掛的位置要視室內的音場分佈而定,原則上以低頻聚集最多的地方為主。

另外,也有在天花板吊掛擴散板的做法,但要注意的是擴散板一般是木頭製成,重量都很重,吊掛在天花板如果不夠牢固,是相當危險的,有人會因此使用保麗龍製的擴散板代替,但保麗龍製品不管是外觀或聲音上,都不如木製擴散板,因此也有人設計出重量較輕的木製擴散板,通常是格子狀的,但依然有一定的重量,在施工時一定要請專業的工程人員,才能確保安全性。5-10

了解聲音的物理之後,一路解析實際的音響空間調整,你決定好要動手進行住宅大改造了嗎?

  • 註一:如果吸音板的材料是玻璃纖維棉或岩棉,通常外頭都會包布,免得細小的纖維溢出,這些長纖維吸入肺裡會造成呼吸道的傷害,鑽進皮膚裡會造成紅腫發癢。所以在音響室看到包布的吸音板,千萬要小心不要刺破了。
  • 註二:物理公式「聲速 = 頻率 x 波長」,空氣中的聲速 340m/s,頻率為 100Hz,代入可得波長為 340/100 = 3.4 公尺。
  • 註三:樓高造成的駐波屬於低頻。以一般樓高兩米半來說,在天花板和地板為半波長(天地視為兩個節點),波長就是 5 公尺了,代入物理公式「聲速 = 頻率 x 波長」,兩米半樓高的共振頻率為 340/5 = 68 赫茲,68、136、272……等等兩倍頻、四倍頻以上都會有共振而過多的現象。

作者簡介

阿賣,本名張涵盈。身份多重,大致上來說是個創作歌手、音樂製作人與業餘的室內設計師。

1981 年生於台灣屏東,25 歲那年因為對社會與教育體制的荒謬感到失望,從台大物理研究所休學,潛心投入音樂創作。從吉他手跨到編曲人、製作人,累積了大量的錄音室工作經驗,後來靠著物理直覺和實作的毅力,自學摸索室內設計與建築聲學,在台北市廈門街建造了自己的錄音室。

作者信箱:mybeat70i@gmail.com 有疑問的讀者可來信討論

雙人團體「小城星電台」的吉他手與詞曲創作人,發行過兩張 EP 與一張專輯,從墾丁到馬來西亞都曾演出。

2015 年底已發行第一張個人創作專輯 「小城星電台—阿賣」。


Vol4

本文摘自《音響入門誌》vol. 4:無線傳輸篇

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舞池太冷該怎麼炒熱氣氛?DJ 請下點聽不到的低頻 BASS!
Peggy Sha
・2022/12/07 ・1640字 ・閱讀時間約 3 分鐘

「Despacito~Quiero respirar tu cuello despacito~」聽到這段旋律,你是不是也開始不由自主地跟著搖擺了呢?跟著音樂一起流動實在是再自然不過的事了,不過,假設你完全聽不到這些動感「音樂」,它還能發揮同樣的效果嗎?

科學家也想知道這個問題的答案,於是乎,他們把實驗室搬到舞池啦!

人會跟著聽不到的低頻音樂動次動嗎? 圖/GIPHY

超酷的實驗,就要在超酷的表演廳進行!

沒錯!最近發表在《當代生物學》(Current Biology)期刊上的研究就是這麼嗨!這份研究的第一作者是來自麥克馬斯特大學(McMaster University)的神經科學家 Daniel Cameron,他本身就是個音樂愛好者,除了會打鼓外,研究的主要方向也離不開音樂,總是在探索音樂和人類間的互動關係。

想要從事如此動感的實驗,一般的研究室可沒辦法進行,研究者們選擇的地點是麥克馬斯特大學裡面的「LIVELab」,這個地方算是個研究型表演劇院,裡面既能進行各式演出,也能同時進行各種測試和研究。

LIVELab 介紹影片。影/YouTube

劇場裡不僅有 3D 動作捕捉系統,還有可以模擬各種音樂環境的超強大 Meyer 音響系統,最重要的是,它還配備了本次研究的主角──能產生極低頻率的喇叭!普遍來說,我們耳朵能聽到的聲音頻率介在 20 Hz~20,000 Hz 之間,更高或更低都聽不見,那麼,問題來了:聽不見的聲音,還會對我們產生影響嗎?

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偷偷來點低頻音,大家真的會感受得到嗎?

為了尋找答案,研究者邀請加拿大的電子音樂雙人組合「 Orphx」到 LIVELab 辦了場表演,並招募了一群實驗參與者來參加。想聽這場演出,需要比平常多一點點的準備。

首先,觀眾需要戴上運動感應頭帶,用以偵測舞蹈動作;再來,觀眾在參加前和參加後都需要填寫調查表,好衡量他們對於演出的喜愛程度、相關生理感受,並確認他們沒有聽到那些偷偷塞進去的低頻聲音。

加拿大的電子音樂組合 Orphx 在 2008 年的現場表演照片。圖/Wikipedia

在整整 45 分鐘的演出中,研究人員會悄悄在幕後控制撥放低頻聲音的喇叭 ,這些喇叭會撥放 8~37 Hz 間的聲音,每兩分鐘開關一次,結果發現,當喇叭開著、放出低音的時候,觀眾的運動量竟然增加了近 12%!

為什麼我們聽不到低音卻還是想跳舞?聲音能被「感受」嗎?

不過,為什麼這些超低聲音會讓人們更愛跳舞呢?研究者們現在還不知道確切的生理運作機制,但他們有些推測。研究者認為,低頻聲音雖然無法被聽見,也不會讓大腦中處理聲音的部分變得活躍,但是,卻能被神經系統的其他部分接收到。

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Cameron 表示,我們腦中的前庭系統,也就是專門負責平衡感和空間感的感覺系統對於低頻刺激非常敏感。另一方面,觸覺也扮演了很重要的角色,我們身上的機械性受器(mechanoreceptor)同樣對於低頻的刺激很敏感,會隨著震動而移動,這也就是為什麼,當你站在很大聲的音響前方時,會感覺全身彷彿都在跟著震動。

圖/Pexels

或許,就是這些系統,讓我們能夠用不同的方式來「感受」到音樂、接收我們聽不見的低頻聲音。

如果想要完整了解背後的機制,勢必還要多辦幾場這樣的「科學音樂表演」,但在那之前,如果大家想要讓舞池嗨一些的話,低頻音催下去就對啦!

參考資料

  1. Want to fire up the dance floor? Play low-frequency bass
  2. Cameron, D. J., Dotov, D., Flaten, E., Bosnyak, D., Hove, M. J., & Trainor, L. J. (2022). Undetectable very-low frequency sound increases dancing at a live concert. Current Biology32(21), R1222-R1223.
  3. Low-Frequency Bass Encourages Dancing
  4. Inaudible, low-frequency bass makes people boogie more on the dancefloor
Peggy Sha
69 篇文章 ・ 390 位粉絲
曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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嗶——超速了!什麼?聲音竟然有「速限」
linjunJR_96
・2020/11/11 ・1866字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

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光速是宇宙的終極速限,任何的物質運動和資訊傳遞都不准超速。不過最近有人做出了最新預測,除了一般物質外,聲音的傳遞速度竟然也有最大上限?

不管是光(電磁波)還是聲音,都是以波動的形式傳播。值得注意的是,波速只會跟系統本身性質(例如:介質不同)有關,一般的繩波或是水面波同樣也是如此,不論震動得多用力或多快,都不會讓波跑的更快或更慢。

我們可以把聲波的傳遞想像成下圖中的彈簧。既然彈簧波的速度可以用彈性係數和彈簧質量來表示,同樣的,聲速應該也可以用某些性質來描述。

可以把聲波的傳遞想像成圖中的彈簧。圖/Shyam Srinivasan

先從聲音的性質說起

聲音在不同材料中傳遞的差異,可以用體積模數(Bulk Modulus,簡寫 B )來表示。體積模數代表物體在面對外部壓力時,會做出多少體積上的改變。數學上可以寫成:

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等號左邊是施加的壓力,右邊是體積模數 B 乘上體積變化量占總體積的比率,負號只是習慣,這代表相同壓力下,B 值越大物體越不容易壓縮,和彈簧的 F=-kx 類似。我們知道越「硬」的彈簧反應越快,可以更快地傳遞波動;同樣地,比起在空氣中傳遞,聲速在較難壓縮的液體和固體中會比較快。因此不難看出,B 會與聲速扯上關係,而且 B 值越大聲速越快。

聲波在固體傳播的速度比在空氣中快。圖/giphy

一般來說,聲速可以寫成:

分子就是上面提到的體積模數 B,而分母的材料密度則表示介質越稀疏,聲速越快。國中學過的聲速與溫度成正比便是這個道理,當溫度變高時,空氣體積膨脹,密度變小,因此聲速傳遞更快。

為什麼聲速有上下限?

不過公式中的 B 和材料密度都是需要透過實驗獲得的材料參數,因此很難看出聲速會有什麼上下限。如果要再往前一步,就必須進入微觀的原子尺度。想像兩個同極相斥的磁鐵,彼此互相靠近時,斥力會逐漸變大;這是因為隨著兩個相斥磁鐵逐漸靠近,抵抗靠近的磁力位能會逐漸增加。

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當兩個同極磁鐵互相靠近,因抵抗靠近的磁力位能增加,斥力會逐漸變大。圖/giphy

同樣地,當原子間的鍵結能量增加,將兩顆原子拉伸或壓縮的難度會隨之上升,物體也就越不容易被壓縮。也就是說,體積模數 B 正比於單位體積內原子間的鍵結能量,巧合的是,材料密度也能寫成單位體積內的原子質量,於是我們可以將聲速寫成:

一般固態物質中,鍵結能量可由古早的波耳氫原子模型導出,大約是 α2c2me / 2(原子質量),α 是一大串常用的物理常數,c 是光速,me 是電子質量。於是我們在原子尺度的物理圖像中,得到了聲速的新公式:

公式中的英文字母都是常數,唯一重要的是原子質量,原子質量越小的聲速便越快。依照理論,聲速最快的會是原子量=1 的固態氫原子,聲速為 36100m/s 。

聽起來很厲害,實際上真的是如此嗎?

針對一系列不同原子量的固態元素,我們可以看看他們的聲速是否的確符合預期。不過因為 B 的實際值和鍵結種類,晶格結構等複雜因素有關,因此並不會完全落在理論線上,不過整體的趨勢十分吻合。

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固態元素中聲速對原子量的對數圖。斜直線為斜率 -0.5 的理論預測,虛線為擬合直線。紅點為原子量=1時的聲速上限。圖/Science advance

有趣的是,如果我們將新的聲速公式移項一下,會發現聲速上限對光速的比率,可以用簡單的物理常數來表示,這點是前人使料未及的。這結果或許不像光速這麼絕對,不過仍然是一次很漂亮的科學推理,也為固態物理的理論與實驗提供了嶄新的發展題材。

參考資料

  1. Trachenko, K., Monserrat, B., Pickard, C. J., & Brazhkin, V. V. (2020). Speed of sound from fundamental physical constants. arXiv preprint arXiv:2004.04818.
linjunJR_96
33 篇文章 ・ 848 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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線上分享、線下製造的「數位自造」時代:來自製仿生獸和自己的聲紋首飾吧
活躍星系核_96
・2018/04/10 ・5028字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

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  • 作者/曾靖越
    臺北市立大學視覺藝術學系助理教授,熱愛閱讀、電影、跑步與科技藝術。每天不喝咖啡就無法將大腦開機,期許自己的文字能對社會產生些許功能性。

數位時代,製造仿生獸只需要搜尋關鍵字

荷蘭藝術家泰奧.揚森(Theo Jansen)製作的仿生獸(Strandbeest),多次來臺展出,它那奇妙的結構與不可思議的運作模式,總是能在展場吸引大家駐足欣賞。但是如果自己有強烈的慾望想要擁有一臺(隻?)仿生獸,那該怎辦?作者的官方網站就有販售模型的引導頁面,這個可動的自組模型似乎和「大人的科學」所附贈的是一樣的。

可是數位時代,或說自造時代,光買個模型回來自己組合,好像對愛好自找麻煩的人,實在挑戰性甚低。幸好,知名 DIY 網站教學 Instructables,總是提供了各種解決之道。只要登上網站搜尋關鍵字「Strandbeest」,將發現數量多到可以做到手軟的各種教學;這些教學都是世界各地的創作同好,將自己的創意付諸實現之後,把心得整理後進行分享、發布平台。

Maker 文化風起:製造知識分享+數位機工具

隨著「數位製造機工具的普及」(諸如 3D列印機、雷射切割機、CNC三軸雕刻機等等),以及「製造知識的交換與分享」,讓個人製造的文化在當代大行其道1。人類在深層內心中對於親身實踐的渴望,我們可以從被譽為自造者領袖,也是美國首間自造者空間 TechShop 創辦人之一的馬克.哈奇(Mark Hatch),所提出一段自造者運動宣言2中深刻體會:

「製造」是我們之所以為「人類」不可或缺的要素,我們必須經由製造、創造、表達,才能感受到完整。製造實體物品是獨特的,我們產出的物品就像是自己的一部分,彷彿能體現出我們內在靈魂的某一區塊。

Photo Credit: AaltoFablab via https://www.flickr.com/photos/aaltofablab/

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前面小節提到的「製造知識的交換與分享」、「數位機工具的普及」,是讓創客(Maker)文化迅速流行的關鍵,若再深究這兩個元素的相同之處,那就是「數位化」讓製作資訊的傳遞與分享,更為快速與簡易。再進一步思考,創客運動是透過數位化及社群分享的力量,將數位檔案(虛擬),於機工具進行實體輸出(現實),因此,數位製造的機工具可以看作打破虛擬與現實的關鍵,這是一種「位元」與「原子」互為表裡,雙向交流的一種體現3

現代自造新風貌:混合在線與離線

這裡我們再回頭來談談仿生獸,來印證上面講的一些概念:若我想打造一隻自己的仿生獸,可以先 Google 廣大網友的製作心得,像是「打造仿生獸的六個常見問題4,去習得一些製作的脈絡與心得,也可透過了解別人失敗的經驗,並進而避免問題重複發生。當我充滿信心,又找到雷切機或 3D列印機可以使用後,便想要用數位工具自己製造零件出來。這個步驟需要將零件數位化,並運用機器製造出來,許多 Maker 會選擇前面提到的 Instructables 等網站,搜尋看看有沒有相關案例,並下載原始檔案,依喜好自行修正或直接輸出使用。

STRANDBEEST INSPIRED 3D PRINTABLE WALKING MACHINE, By danowall1, 摘自:http://www.instructables.com/id/Strandbeest-Inspired-3D-Printable-Walking-Machine/

這裡有一個很特別的現象:

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即便我自己沒有真實具備工匠的手藝與技能,但我卻能透過網路分享平台,得知世界上某個角落創作者的自身心路歷程,並透過使用他的數位檔案,如實複製與實現真實的物件。

深度數位化的今日的社會,我們早已習慣於數位檔案無限複製與分享的生活型態,若再加上 3D列印機等數位機工具的出現,我們將發現「原子的作用越來越像位元」,原子儼然已經成為了新位元,換句話說,而數位檔案可以編修與輸出型態,間接讓電腦程式以處理位元的方式處理原子,促成了「混搭」(remix)文化5

從另一個角度來看,這種數位檔案編修的混搭文化,讓線上的創客社群成為製造參與、消費與產製的新空間形態,社群中的個體在創造屬於自己的作品外,還能在平台中交換知識與資源,使當代的創新設計與製造實踐,已逐漸呈現一種「混合在線與離線製造」的新風貌6

將聲紋轉化為首飾

於此,我們再來談談一個創作型態:Soundwave Jewellery,這是家由加拿大的金工創作者 Danielle Crampsie 所創建的公司。提供服務,將顧客的聲波視覺化、轉刻在各種首飾之上,形塑一種個人化的穿戴式配件。

Soundwave Jewellery 的作品非常特別,除了美觀之外,顧客對於首飾上的紋路(也就是聲波)會產生高度認同感,因為這些圖形不是別的,是自己或可能是與自己關係密切的人(事、物)所說的話(或發出的聲音)。Soundwave Jewellery 提供給顧客一個非常寶貴的價值,這種價值是如同旅人與紀念品,是以保存回憶,而提高物件的珍貴度所產生的,這種物件與回憶的微妙連結,使人與物件,人與回憶的關係長久持續7

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Soundwave Jewelry作品,摘自soundwavejewellery.com

Soundwave Jewellery 的工藝品表現精緻,若自己也想擁有,但買不下去,可以買一塊 3mm 至 5mm 的壓克力板,找一台筆電、一台雷射切割機來試看看接下來的步驟:

  1. 將聲音數位化
    我們所看到聲音的波形,是一種將無形化為有形的視覺表現;若要將創作的本體:「聲音」,進行型態的捕捉,在今日非常容易執行,只要運用手邊的行動電話,以各種錄製聲音的App進行錄音即可。這種類型的App往往都可以儲存wav, mp3等格式之音訊檔案,聲音錄製好之後,可用自己熟悉的方式,將聲音檔案從手機傳到電腦(雲端硬碟、藍芽、儲存卡等等均可)。

摘自作者SAMSUNG S7行動電話內建之錄音App截圖

  1. 將聲音數位檔視覺化
    前一個步驟所得到的數位聲音檔,並非視覺化的聲音波形圖,因此,若要進行聲波形態的編輯與輸出,則要將其視覺化。在網路上搜尋了許多方法後,可發現由設計師 MishaHeesakkers 所開發的線上服務:Waveformer ,是最理想的方案。Waveformer是一個可提供使用者上傳聲音檔案(諸如mp3與wav檔均可上傳),並將其聲音波形轉為向量檔案(svg格式)的網站,下載之後的向量檔案將可供繪圖軟體進行編輯。

Waveformer網站截圖,摘自https://www.misha.studio/waveformer/

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  1. 檔案編修與運用數位自造機工具輸出實體
    下載後的 svg 檔案可以透過向量圖行編輯軟體(像是Adobe Illustrator)進行編輯,修改成為自己喜愛的個人特色聲波圖後,就可以運用雷射切割機進行輸出。

雷射切割完成之壓克力吊牌,作者拍攝

用類比型態詮釋數位非線性剪輯特性

日本產品設計師與電子藝術家 Yuri Suzuki,擅長運用不同媒材探討聲音與人的關係。Yuri Suzuki 跟許多人一樣,在數位洪流中對類比時代聲音形式的消逝感到困惑,因此,他透過作品 The Physical Value of Sound ,針對數位時代中「聲音的型態」進行提問8。The Physical Value of Sound 運用黑膠唱片與唱機的重新衍繹,像是拆解黑膠唱盤軌道重新連接,或是多個唱臂同時讀取不同音軌且同時播放,都是一種用類比型態詮釋非線性剪輯的一種方式,讓類比音樂模式也能有數位化的編輯特性,十分有趣。

日本慶應義塾大學環境情報學部教授田中浩也,曾提到的數位製造中的概念循環:在進行數位製造的過程當中,「物品」(Prototype),「事件(或故事)」(Story),「體驗」(Experience)三個內涵元素彼此會進行循環,而這樣的過程當中,建構了 FabLab(Fabrication Laboratory)運作的主要概念。

此圖原出自FabLife:衍生自數位製造的「製作技術的未來」(FabLife:デジタルファブリケーションから生まれる「つくりかたの未来」,作者:田中浩也 ,譯者:許郁文,出版社:馥林文化)一書,其中Experience原譯為「詞彙」,作者閱讀前後文,認為修正Experience譯為「體驗」較佳。

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換句話說,這呼應到了本文最前面所談及的自造者的創作型態:數位自造概念起始於製造者有了需求與想像,接著便開始動手進行製造(將意念轉為位元,將位元(資訊)轉化為原子(物質)),最後,將成品進行公開交流討論與分享。如此一來,新的成品將不斷被製造出來(透過成品與數位檔案的再次分享),而成品的使用又產生經驗,而這種經驗在使用、分享甚至進化改良的過程中,又形成故事,如此一來,整個數位自造的過程便如同循環一樣,一直反覆下去9

藝術家動手將思想與創意,無中生有地產出實體作品,其實也是一種古老的創客。當代的許多新媒體藝術家,亦早已運用數位機工具進行創作,臺灣年度自造者盛會 Maker Faire Taipei,去年(2017年)甚至首次出現以「創客藝術」為主題的展覽特區,綻放出自造運動的當代新美學。

數位時代,創作者的意念已可透過技術的標準化,無縫傳達給他人,這種虛實整合提供了一種新的思維模式,讓創作者的「製造者身份」被概念化為一種數位媒介下的製造實踐主義(maktivism)、DIY公民10。總體而言,數位時代中,由於技術的標準化,創作的概念形變為線上技術服務、電子原始檔案、多媒體教學文件、並於線上群組進行分享(如下圖),這都已是當代的一種創作生態,這是一種不斷運用「眾人的智慧」的共生形式。

創客創作的分享型態,摘自:曾靖越.(2017)。位元與原子-創作概念在自造時代的形態轉換。2017「創新、設計、經營」國際研討會暨亞洲基礎造形論壇,國立台北商業大學,桃園。

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註:本文結構與內容延伸自 – 曾靖越(2017)。 位元與原子-創作概念在自造時代的形態轉換。2017「創新、設計、經營」國際研討會暨亞洲基礎造形論壇,國立台北商業大學,桃園。

  1. 田中浩也(2013)。 FabLife : 衍生自數位製造的「製作技術的未來」 (許郁文, Trans.) 衍生自數位製造的製作技術的未來 (初版. ed., pp. 20-21). 臺北市: 臺北市 : 泰電電業。
  2. Hatch, M. (2015). 全世界在瘋什麼自造者運動? 解放創新思維,動手打造未來新世界 (張嚴心, Trans.) ( 21): 臉譜出版;家庭傳媒城邦分公司發行.
  3. 田中浩也. (2013). FabLife : 衍生自數位製造的「製作技術的未來」 (許郁文, Trans.) 衍生自數位製造的製作技術的未來 (初版. ed., pp. 16). 臺北市: 臺北市 : 泰電電業.
  4. 原文作者: Jeremy S Cook, 6 Common Problems to Avoid When Building a Strandbeest, 譯: 劉允中, 摘自:
  5. Anderson, C. (2013). 自造者時代 啟動人人製造的第三次工業革命 (連育德, Trans.) ( 107-110): 天下遠見出版公司.
  6. 邱誌勇(2016). 實體與虛擬的並置參與:當代自造者運動的社群集結與想像. 考古人類學刊(85), 83-107. doi:6152/jaa.2016.12.0004
  7. 賴彥均(2007). 紀念品:旅遊回憶的保存與觸發. (碩士論文), 國立交通大學, 新竹市.
  8. 該作品創作理念請見:
  9. 田中浩也(2013)。FabLife : 衍生自數位製造的「製作技術的未來」 (許郁文, Trans.) 衍生自數位製造的製作技術的未來 (初版. ed., pp. 60)。 臺北市: 泰電電業。
  10. 邱誌勇(2016-07-26)。創客運動 實踐科技空間的虛擬性.

本文轉自 nmlab《如何運用大眾的智慧打造仿生獸與聲紋吊飾

活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia