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聲學稜鏡:將聲音散成彩虹——《物理雙月刊》

文/陳勁豪|臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心 專案計畫助理研究員

Credit: Esfahlani et al.

瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家發明了聲學稜鏡,可以用物理方法來分離出聲波中不同頻率的成份。

早在 1672 年,牛頓就已經利用一系列的實驗證明,我們常見的白色光是由許多不同顏色的色光所組成。他的作法是讓白光通過一個由玻璃做成的三稜鏡。不同顏色的光從物理的角度就是指不同頻率的光。玻璃的折射率對不同頻率的光都不太相同,因此當白光經過三稜鏡中的兩次折射後,便可以分離出各種不同頻率的光。當然自然界中有許多方法可以作到類似的效果,即便是透過一個小水滴也可以得到相似的現象。

1672 年,牛頓就已經利用一系列的實驗證明,我們常見的白色光是由許多不同顏色的色光所組成。圖/By D-Kuru – Own work, CC BY-SA 3.0 at, wikimedia commons

但是同樣是波動,聲波基本上就沒有辦法用類似的方法來分出不同頻率的成份。要把聲波中不同頻率的成份分出來,基本上只能用電子方法,先把聲波用傅立葉變換轉換成頻譜,然後取出或濾掉想要的頻率,再轉換回聲波。這一系列的過程相當麻煩。

瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家發明了一個新的方法,他們可以透過純物理的方法,不須透過各種電子元件就可以把聲波中不同頻率的成份分開。他們的器材是以十個完全相同的方形鋁塊做成。鋁塊的中間跟上方各有鑽孔,十個鋁塊接起來後,看起來就像個上方有挖洞的鋁製方管,外貌也有些類似長笛。關鍵的部份是在鋁塊與鋁塊之間貼有薄膜。當聲波要透過薄膜傳遞時,不同頻率的聲波經過薄膜時會因為頻率不同而產生傳遞的時間差,因此頻率較高的聲波比較容易轉彎,頻率較低的聲波偏折的方向會小一點。

聲學稜鏡的外貌有些類似長笛,關鍵是在鋁塊與鋁塊之間貼有薄膜。當聲波要透過薄膜傳遞時,不同頻率的聲波經過薄膜時會因為頻率不同而產生傳遞的時間差。圖/By By Petar Milošević, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons

當他們進行實驗的時候,他們輸入了 600-1400 Hz 的聲波。他們發現頻率越高的聲波會被導向較接近音源的表面,而頻率越低的部份則會出現在鋁管的末端。換句話說,這個鋁管就像一個聲學的稜鏡一樣,可以以物理方法把不同頻率的聲波分離出來。

這個研究立刻產生了許多可能的應用方向。其中一個可能的應用是拿來作為聲學天線用。當來自遠方的聲音被這個聲學稜鏡接收到,由於不同的頻率會對應到不同的反射角,只要測量接收到的訊號中,訊號最強的頻率,就可以反推回聲源的方向。更重要的,是這個分離頻率的方法其實相當簡單,因此應該可以很快的把這個方法優化並且產生更多大量的應用。

原始論文:

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本文摘自《物理雙月刊》39 卷 2 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

 

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