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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

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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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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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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

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「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
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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。