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音樂與噪音的差別——《好音樂的科學》

大雁出版基地_96
・2016/07/21 ・2665字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

音高是什麼?

有了音高,我們就能區分「樂音」和「噪音」。接下來我會用更多篇幅加以說明,這裡我們先用一段簡短介紹起個頭。

在哼唱任一曲調時,你需要為每一個音選擇時值、響度和音高。一首曲子的響度(音量)和時值(音長)的細微變化,可傳遞許多情緒上的訊息——不過由於我們等會只需哼唱〈黑綿羊咩咩叫〉這首歌的前四個音,所以暫且不必太在意這個部分。若你現在試著以同樣的音量和音長哼唱這首歌的前四個音,剩下的,就只需選擇音高了。這首歌前兩個音的音高是一樣的,而第三個音的音高要提高,第四個音的音高則又跟第三個音相同。

每個音都是由空氣間規律、重複的振動所產生,你剛才所哼唱的每一個音,都是由聲帶間高頻率的規律振動所發出。當哼唱頭兩個音的時候,我們的聲帶每秒約振動一百次;而唱到第三個音時,由於我們必須把音高向上拉,因此聲帶每秒的振動次數也跟著增加。所以,無論一個音是由振動的弦、還是由你振動的聲帶所產生的——較高的音每秒需振動的次數也較多。而每一首曲調都是由一連串音高不同的音所組成的。

音高1
使用喉鏡觀察的聲帶(Vocal fold)示意圖。圖/wikipedia

為這些音命名

鋼琴或其他樂器上的音乃是以前七個英文字母來命名,即 A、B、C、D、E、F、G。在這些音之間還另外穿插有幾個音,即鋼琴上的黑色琴鍵,例如在 A 和 B 之間穿插了一個音,我們可叫它「升 A」,意即比 A 高一個音級;或「降B」,意即比 B 低一個音級。這套看來有點兩光的音符命名系統,已傳承了數個世紀,這部分我會在第九章詳加說明。目前各位只需知道音符是以英文字母命名,且有時前面還會跟著「升」或「降」等字眼。在左頁圖片中,因頁面限制,我無法將「升」或「降」等字加上去,只能以傳統符號「♭」來表示「降」;並以「#」來表示「升」。

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音高2
音階以及升降音示意圖。圖/youtube

全世界所有的鋼琴,都被調成一樣的音,亦即你在赫爾辛基按下鋼琴上的一個琴鍵,並將此鍵的音高記錄下來,然後與在紐約的某架鋼琴上的同一個琴鍵的音高相比較,就會發現兩個音是一模一樣的。同樣地,全世界由單簧管或是薩克斯風所發出的音,也都是一樣的。你也許覺得理所當然,但其實才在不久前,世界各國、甚至各城市間同一個音的音高原本都是不一樣的。而今日全球統一採行的音符,是後來經過謹慎挑選的產物。但問題是,當初是由誰來挑選的?又為什麼是這些音?

大家為何使用一樣的音?

假如你會演奏弦樂器像是小提琴或吉他的話,就能以扭緊鬆開琴弦的方式來調整音高。在一開始學琴的時候,就需學習如何利用這種收緊或放鬆弦的方式來為你的琴調音,也就是讓弦以正確的音高差距來發出每個音。舉例來說,任兩根相鄰的小提琴弦之間的音高差,就跟〈小星星〉這首兒歌裡的頭兩個音(第一組「一閃」),以及第三、四個音(第二組「一閃」),之間的差距是相同的。

那麼就拿為小提琴調音來舉例吧!第一步是將最粗的那根弦調成正確的 G 音,接著再利用該曲第一句中兩組「一閃」音高間的音差,將其餘的弦,以兩兩對照的方式互相調音。這第一個做為基準的 G 音,可使用音叉進行校準,或利用調好音的鋼琴來對照調音。但倘若你手邊既無音叉亦無鋼琴時,該怎麼辦呢?

當你獨自演奏弦樂器時,可從最粗的那根琴弦上挑選一個原始音,然後根據這根弦來調其餘的弦。務必確認任兩根弦之間的音差,與兩組「一閃」間的音高差一致。在選擇原始音高時,只需確保該弦已繃得夠緊以便發出清楚的音,但又不會太緊以致琴弦斷裂。你一開始所挑選的音高並非 G 音(除非你擁有絕對音高,這部分我留待之後的章節說明),其實,這個音可能是介於鋼琴上兩個相鄰琴鍵間的音,像是「較 A 高一點」或「比 F 低一些」的音。

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音高3
藉由弦的鬆緊度調整音高。圖/flickr

只要你任兩根琴弦間的音高差,與兩組「一閃」間的音高差一致,所奏出的音便不會偏到哪去,接著其他的弦樂手就能跟著調成一樣的音了。不過,要是其中有吹奏長笛的樂手,便無法一起演奏了。這是因為長笛或任何管樂器上的音都是固定的,沒辦法讓你自行選用之前的那些原始音。例如,長笛手可吹奏「E」或「F」音,卻無法吹出「比 E 高一點」的音。

你和其他弦樂手可同時演奏一段「比 E 高一點─比 F 高一點─比 C 高一點」的旋律,且聽起來就跟長笛手吹奏「E——F——C」的旋律一樣悅耳。但當兩組人馬同時演奏時,恐怕就很難聽了。只有下列兩種方式可容許大家作伙一起演奏:

  1. 當有人看到長笛手的樂器多出了幾公釐時,小提琴手得先制止長笛手演奏,然後就必須在長度較短的新長笛上,就正確的指位把所有的洞鑽出來,或是
  2. 將所有的小提琴都調成跟長笛一樣的音,這樣做的話,其他樂器就可加入了,因為大家都統一以標準音來演奏。

這些標準音並沒有比其他的音更優美動聽,只是「比較正確」而已,因為有人必須決定長笛或其他管樂器的長度。過去比較麻煩的是,不同國家所製造的長笛長短不大一致,意即德國的長笛手除非用的是英國製的長笛,否則便無法跟英國的長笛手一起演奏。

在歷經許多何者才是最佳長度的爭論後,便決定由一群不太講究穿著的專家組成委員會,來統一制訂大家今後使用的標準音。在經過相當多的專業討論(聽起來比較像爭吵)後,這群人便於 1939 年在倫敦舉行的一場會議中,決定我們今日所使用的音有哪些。這也就是現在通行全世界,不論是長笛還是所有其他的西洋樂器如小提琴、單簧管、吉他、鋼琴和木琴等,所共同採用的一套標準音。

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如今,當你聽到有人說「我擁有絕對音感」時,即表示這些標準音的音高已深深烙印在他們的腦海裡,而此一特殊能力,將會是下一章的主題。


書封

 

 

你知道最早被記錄下來的完整樂曲竟然是古希臘的搖滾樂嗎?為什麼身為亞洲人的我們,比較容易擁有「絕對音感」?從科學的角度書寫音樂的故事。 《好音樂的科學:破解基礎樂理和美妙旋律的音階秘密》,大雁文化出版。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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天冷又沙啞了嗎?來看看氣候如何影響語言演化!
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2024/12/21 ・2599字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 文/雅文基金會聽語科學研究中心 廖永賦 助理研究員

你也有這樣的經驗嗎?冬天,尤其是冷氣團來襲時,喉嚨特別容易乾癢。這種季節若在戶外運動,對喉嚨更是一大挑戰!每吸入一口氣,喉嚨就彷彿被餐巾紙抹過一次,愈發乾涸。此時若想開口說話,總得先吞吞口水、潤潤嗓子後才得以清晰表達。其實,天冷對喉嚨的影響不僅於此,甚至還可能影響語言演化的歷程!就讓我們來看看氣候環境能如何形塑語言吧!不過在此之前,我們先來科普一下溫度、濕度及乾喉嚨之間的關聯。

「冷」就一定「乾」?溼度與乾喉嚨的關聯

相信大家都有過雨天衣服晾不乾的經驗,也或許對午後雷陣雨前的悶熱難耐再熟悉不過。一般而言,環境中水分蒸散的速率取決於相對濕度:在相同溫度下,相對溼度越低,空氣擁有越多攜帶水蒸氣的「潛力」,因此能從物體表面帶走更多的水份。而雨天衣服晾不乾,就是因為相對溼度高 ( 接近或是等於 100% ) 所造成的。

聰明的讀者可能會馬上聯想到,那喉嚨容易乾,是否也直接受到相對濕度的影響?答案是……但情況會更加複雜一點,因為我們還需額外考量氣溫的改變。由於呼吸時,空氣會經過呼吸道而逐漸加溫(假設環境溫度低於體溫),此時空氣的「飽和蒸汽壓」(即空氣所能攜帶水氣的最大總量)會逐漸上升,因而能吸收更多水分。舉例來說,若目前溫度為 10°C,此時每立方公尺的空氣中最多 ( 當相對溼度為 100% 時 ) 可以帶有約 9 克的水氣 [1];再假設吸氣後所吐出的空氣增至 30°C,此時,這團空氣最多能夠攜帶31克/公尺3的水氣。換言之,經過一次呼吸之後,這團空氣多出了 22 克/公尺3以上的空間來吸納水氣。

因此,當我們考量到空氣吸入及吐出時的溫度差,便能清楚看出喉嚨乾燥與否其實主要是受絕對溼度而非相對溼度的影響——氣溫低時 ( 例如,10°C 以下 ) ,絕對溼度也一定低(小於 9 克/公尺3),我們因此較容易感到喉嚨乾燥。

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聲調語言與聲帶

所以喉嚨乾不乾到底跟語言有何關聯?其實,它跟台灣人最熟悉的幾種語言 (華語、台語、客語)關係非常密切喔!

台灣人在學習講英語或其他歐洲語言時,舌頭經常會感覺打結。與此同時,來自歐美的中文學習者,也經常難以準確地唸出中文的各種聲調。語言作為一套表達意義的系統,必需仰賴語音上的各種對比來區辨及表達意義。像是英語之所以對我們來說那麼難發音的緣故,是因為它們仰賴許多相近但不同的子音 (consonant) 來區辨及表達意義。舉例來說,/s/ (sand)、/ʃ/ (sheep) 及 /ʒ/ (genre) 這三種子音皆為類似的擦音 (fricative),但華語中僅有 /s/ 的音 ()。

相對而言,我們熟知的華語(北京官話)、台語、客語等,皆為聲調語言 (tonal language)。這類語言中的聲調系統透過母音音高 (pitch) 的變化來達到區辨語意的功能。例如,華語的「嗎」、「麻」、「馬」、「罵」這四個字音僅在聲調 (及時間長度) 上有所差異,其它影響語音的變項如舌位、唇位等則維持不變。

換言之,說話者僅能透過聲調的操弄來表達這四個字的差異,而要能精確操弄聲調,需仰賴的就是精細的聲帶控制——從下圖我們可以看到,要表達出這四種聲調的差異,控制聲帶的肌肉必須在 0.5~0.8 秒內非常精細地調控聲帶,以精確呈現出各種聲調音高的輪廓 (pitch contour )。因此,當聲帶因為濕度、氣溫或是感冒而變得乾燥時,發出母音本身已經很難了 [2],還需作出聲調變化更是難上加難。

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華語的四個聲調 ( 以「ㄇㄚ」為例 )。圖/根據 [3] 之發音資料由作者繪製。

氣候環境對於聲調語言演化的影響

根據上文的這些現象,Everett、Blasi 及 Roberts [4] 提出一個有趣的想法:既然絕對濕度對聲帶的生理有如此顯著的影響,這些影響會不會早已在上千上萬年的尺度上推動著語言聲調系統的演化?為了驗證這個想法,作者分析了 The World Atlas of Language Structures (WALS) [5] 與 World Phonotactics Database 這兩個資料庫的語言,並使用美國國家環境預測中心 ( National Centers for Environmental Prediction, NCEP ) 與國家大氣研究中心 ( National Center for Atmospheric Research, NCAR ) 的資料計算各語言起源地的平均絕對溼度與平均氣溫。

分析結果顯示,一地的平均絕對溼度與平均氣溫皆與該地之語言聲調系統的發展有著顯著的關聯,並且,溼度的與聲調的關聯最為強烈:氣候環境越為乾燥,該地發展出聲調語言的機率越低。當然,直接由地理分布去論證氣候環境對語言之演化影響是大有問題的,畢竟語言的分布同時也受到語族及語系 ( language family ) 的歷史影響。例如,兩種聲調語言在地理分布上皆位於潮濕的地區,或許並非受到氣候影響,而是由於它們恰巧有著共同的祖先,因而在地理分布上相當接近。

面對這種可能性,作者們嘗試分析單一語族「內」的語言(皆為聲調語言),發現「濕度與聲調」以及「溫度與聲調」之間的關係仍然穩定存在:潮濕地區所發展出的聲調語言,其聲調系統相較於起源地乾燥之聲調語言,通常更為複雜多樣、更需仰賴精細的聲調控制。綜上所述,作者認為除了社會與文化因素之外,氣候環境因子如濕度與氣溫,也很有可能是推動語言變遷與演化的因素之一。

聲調語言 ( 紅色 ) 與非聲調語言 ( 藍色 ) 的分布。從圖中可以看出聲調語言多集中分布於潮濕溫暖的地區;非聲調語言的分布則非常廣泛,在各種氣候環境皆可見其蹤影。圖/根據 WALS [5-6] 與 Leaflet [7] 繪製。

看似毫無關聯的「天氣」與「語言」,其實有著很深的淵源。從聲帶的細微震動到語言的地理分布,不知不覺中可能都受了環境左右。下次天氣轉涼時,這些有趣的研究或許能提醒我們,多圍圍巾、多喝溫水,對於呵護嗓子有多重要!

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  1. https://teaching.ch.ntu.edu.tw/gclab/wp-content/uploads/A10-飽和水蒸氣壓.pdf
  2. Leydon, C., Sivasankar, M., Falciglia, D. L., Atkins, C., & Fisher, K. V. (2009). Vocal fold surface hydration: A review. Journal of Voice, 23(6), 658–665. https://doi.org/10.1016/j.jvoice.2008.03.010 https://doi.org/10.1016/j.jvoice.2008.03.010
  3. Ryu, Catherine, Mandarin Tone Perception & Production Team, and Michigan State University Libraries. Tone Perfect: Multimodal Database for Mandarin Chinese. Accessed 1 November 2024. https://tone.lib.msu.edu/
  4. Everett, C., Blasi, D. E., & Roberts, S. G. (2015). Climate, vocal folds, and tonal languages: Connecting the physiological and geographic dots. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(5), 1322–1327. https://doi.org/10.1073/pnas.1417413112
  5. Dryer, M. S., & Haspelmath, M. (2013). The World Atlas of Language Structures Online. https://doi.org/10.5281/zenodo.13950591
  6. Maddieson, I. (2013). Tone (v2020.4). In M. S. Dryer & M. Haspelmath (Eds.), The world atlas of language structures online. Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.13950591
  7. Leaflet—An open-source JavaScript library for interactive maps. (n.d.). Retrieved November 5, 2024, from https://leafletjs.com/
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雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。

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指甲刮黑板的聲音,為何讓人難以忍受?
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2023/10/22 ・2522字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 朱家瑩/雅文基金會聽語科學研究中心 研究員

想像一下當你聽到手指甲刮著黑板產生的摩擦聲,或者是拿著叉子摩擦著不鏽鋼碗的聲音,抑或是小孩的哭叫聲,有沒有哪一個聲音會讓你全身起雞皮疙瘩,想要用手摀住耳朵,甚至是情緒爆炸、只想要遠離現場呢?這些讓人不適的聲音,是有其特有的聲學特質?或是其他緣故呢?

想像一下指甲刮黑板的聲音。圖/Pexels

不是尖銳、高頻音就刺耳,而是流淌在你我血液的祖先智慧

一般認為,令人不適的聲音是因為刺耳的高頻聲,尤其像是手指甲刮黑板時所產生的摩擦聲,其中那種「ㄍㄧ ㄍㄧ ㄍㄧ」的聲音,似乎是造成不適感的主因。

然而,Halpern、Blake 和 Hillenbrand(1986)這三位研究者對於這個現象感到好奇,因此他們進行了一項實驗 [1],他們將那些令人不適聲音(如:刮金屬或石板的聲音)中的高頻音減弱。

結果顯示,即使減弱尖銳的高頻聲音,受試者仍然感到不適,因而主張尖銳的高頻音並不是造成不適感的主因。接續 Halpern 等人在企圖尋求答案時,意外發現刮黑板的聲音頻譜圖跟靈長類猴子的警告叫聲非常相似,因而大膽推測這個不適感並非高頻音造成的,而是源於人類祖先的記憶。

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人類對特定頻率區間的聲音感知最敏感,加上跨感官的連結,讓人聽到某些音就不適

可惜,到底是不是來自老祖先的智慧傳承,這點未獲得後續研究的支持。另一方面,Kumar 等人(2008)進一步以聲學分析探究是否是因特定頻率導致聆聽的不適感時,發現聲音中涵蓋 2500-5500 赫茲這個頻率區間的聲學頻率似乎特別容易引起聽者的不適感 [2]

有沒有哪一個聲音會讓你全身起雞皮疙瘩,想要用手摀住耳朵?圖/Pexels

他們推測這可能是因為這個頻率範圍的聲音感知上最為強烈,同時也具有最高的能量,因此使得聽覺系統特別對這些頻率的聲音敏感。

但是,我們平常聊天談話中也涵蓋了這個頻率範圍的聲音,除了頻率之外,是不是還有其他因素造成對某些聲音的不適感呢?

Ro 等人(2013)發現當聽到聲音時,聲音進入大腦的聽覺皮質同時,會傳遞訊號到觸覺感官系統,啟動了觸覺感官,讓聽者聽到聲音時,「感覺」到自己的皮膚彷彿被指甲刮的刺痛感 [3]

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聽聲音會啟動身體觸覺感官系統並非只存在刮黑板這類聲音,有些人在聽到音樂聲,像是聽到低音貝斯的聲音時,也會感覺到自己的身體也在震動,甚至感受到皮膚的不適感 [4、5]

也許因為這個跨感官的訊號傳遞,讓身體的其他部位也出現不適的感受,才會讓聽者對於這些聲音感到不適。

當感知到令人不適的聲音,杏仁核會依據習得經驗,決定是否啟動保護機制!

Zald 與 Pardo(2002)發現當聽到讓人感到不適的聲音刺激時,大腦中的杏仁核(amygdala)會高度活化 [6],而杏仁核在大腦中負責掌控恐懼、焦慮、害怕等負面情緒,換句話說,當聲音訊息抵達杏仁核時,它會誘發情緒反應,進而導致我們做出不同行為反應 [7]

杏仁核的啟動是大腦的一種保護機制,透過過往的經驗連結學習會對讓人不適的聲音發出警報[8] ,當聽者遇到可能危及安全的聲音時,杏仁核就會發出警報。

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例如,當聽到車子緊急剎車的聲音時,這個聲音傳送到杏仁核,會進而引起我們想要逃離的反應,或者產生對駕駛者行為的憤怒反應。

由於杏仁核在聆聽這些聲音時會高度活化,Kumar 等人(2012)進一步試圖了解在聆聽令人不適的聲音時,杏仁核在大腦中扮演著怎樣的角色,以及聲音資訊如何被傳遞到杏仁核。

他們的研究結果顯示,聲音刺激會最先傳送到聽覺皮質(auditory cortex)進行聲學訊息處理和分析,解碼聲音所代表的意義,例如,聽到「ㄍㄧ」的剎車聲,解碼出來的是來自汽車或者腳踏車的剎車聲。聽覺皮質處理完畢後,將資訊傳遞到杏仁核,當杏仁核接收到來自聽覺皮質的訊號後,依據這些訊息及過去經驗發出警報 [8],誘發恐懼、焦慮或憤怒等負面情緒,並可能促使進一步的行為反應,像是尖叫、摀住耳朵,或逃離現場。

舉例來說,如果是汽車的剎車聲,基於過去的經驗,可能存在危險,因此可能會誘發恐懼情緒,並引發立馬逃離現場的行為舉動。

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有些人基於過去的經驗,聽到汽車的剎車聲,可能會誘發恐懼情緒。圖/Pexels

然而,如果解碼後的聲音是腳踏車的剎車聲,根據過去的經驗,可能不會有危及生命的危險,因此即便會觸發閃躲的動作行為,但負面情緒可能不如汽車剎車聲來的強烈,可能只會憤怒的罵騎車的人不長眼。

聽到某些聲音,讓人立馬想逃或想戰,也許這個過往的經驗是來自遠古時代祖先的傳承,但更可能是因為聽到這些聲音時,觸覺感官系統被啟動了,身體上「感覺」到不適,所以當不適的聲音再次出現時,杏仁核的活化反應就更增強,讓我們除了單純的接收到聲音之外,也產生了身體及情緒上的反應。

  1. Halpern, D. L., Blake, R., & Hillenbrand, J. (1986). Psychoacoustics of a chilling sound. Perception & Psychophysics39, 77-80.
  2. Kumar, S., Forster, H. M., Bailey, P., & Griffiths, T. D. (2008). Mapping unpleasantness of sounds to their auditory representation. The Journal of the Acoustical Society of America124(6), 3810-3817.
  3. Ro, T., Ellmore, T. M., & Beauchamp, M. S. (2013). A neural link between feeling and hearing. Cerebral cortex, 23(7), 1724-1730.
  4. Koenig, L., & Ro, T. (2022). Sound Frequency Predicts the Bodily Location of Auditory-Induced Tactile Sensations in Synesthetic and Ordinary Perception. bioRxiv.
  5. Lad, D., Wilkins, A., Johnstone, E., Vuong, Q.C. (2022). Feeling the music: The feel and sound of songs attenuate pain. British Journal of Pain, 16(5), 518-527. 
  6. Zald, D. H., & Pardo, J. V. (2002). The neural correlates of aversive auditory stimulation. Neuroimage16(3), 746-753.
  7. LeDoux, J. E. (2000). Emotion circuits in the brain. Annual review of neuroscience23(1), 155-184.
  8. Kumar, S., von Kriegstein, K., Friston, K., & Griffiths, T. D. (2012). Features versus feelings: dissociable representations of the acoustic features and valence of aversive sounds. Journal of Neuroscience, 32(41), 14184-14192.
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雅文兒童聽語文教基金會_96
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