聲學稜鏡：將聲音散成彩虹——《物理雙月刊》

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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。

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：

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。

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。

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 α²c²m_e / 2（原子質量），α 是一大串常用的物理常數，c 是光速，m_e 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。

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。

1. Trachenko, K., Monserrat, B., Pickard, C. J., & Brazhkin, V. V. (2020). Speed of sound from fundamental physical constants. arXiv preprint arXiv:2004.04818.

• 作者／朱中亮，財團法人食品工業發展研究所資深研究員

為了生產更天然、新鮮、少添加物使用的加工食品，食品科學家積極研發各種對食品品質破壞較小的非熱加工技術，希望突破熱殺菌的極限。

本期ILSI Taiwan專欄邀請財團法人食品工業發展研究所朱中亮資深研究員介紹現代食品加工技術，包括無菌加工技術、超高溫短時間滅菌技術、冷凍乾燥、欄柵技術、薄膜除菌等殺菌技術，以及製造外觀花俏食品的擠壓加工技術。

無菌加工技術：滅菌之餘美味依舊

隨著食品科技日新月異的發展，許多食品加工技術已非是在廚房中就能辦到的程度。首先要談的「無菌加工」，絕對是能被譽為20世紀食品界重大里程碑的一項技術。

無菌加工是相對於傳統的罐頭加工發展出來的先進技術。罐頭加工將食品原料殺菁後，裝至鐵罐並封口隔絕外界環境，再透過殺菌釜高溫滅菌，將鐵罐內部的微生物都殺死後，才能常溫保存。但是這樣滅菌處理的食品因經過長時間加熱殺菌，風味並不好。

因此科學家想到，在原料填充至罐頭前先滅菌處理，而包裝容器也同樣先滅菌，使食品與容器都達到無菌狀態，最後才在無菌環境中充填並封罐，如此便能降低滅菌的溫度與時間，讓產品的美味依舊，譬如果汁就是無菌加工中最成功的商品之一。

滅菌技術強調殺菌溫度與時間的權衡，提高溫度就能大幅減少加熱時間。

譬如說罐頭要在 121℃ 下殺菌數十分鐘才能達到的滅菌效果，無菌加工則是將溫度提升至 135℃，只需要數秒鐘即可達到相同的效果，且能保留更多的食品風味。現今食品工廠中製作果汁或乳品等，在全自動化的產線中只需要一兩個人力控制機器，產品全在密閉的管線中輸送滅菌，最後才在無菌環境進行包裝。常見的利樂包、部分的包特瓶裝飲料也都是應用無菌加工技術的產品。

當我們飢腸轆轆卻不知該吃什麼時，只要撕開包裝、注入熱水，等待片刻就能享用的泡麵深獲許多人喜愛。別小看一碗簡單的泡麵，背後可是應用了許多現代食品加工技術，如：蔬菜的冷凍乾燥技術、速食麵條的油炸乾燥技術，以及即食調理包的殺菌軟袋技術等。

冷凍乾燥與傳統熱風乾燥相比，能保持食物乾燥前的外觀，其原理是先將食品中的水分凍結，然後控制在真空壓力下能直接將冰昇華為氣態水，因此食物形態能被完整保存，同時在食品中形成許多微孔也造就了食品具有較佳的復水性，冷凍乾燥的食品便能快速吸水沖泡開來；麵條則是煮熟後利用高溫油炸逼出水分，使原本水分存在的地方產生孔洞，同樣達到快速沖泡復水食用的目的。

經過乾燥後的食品本身水活性低，可以長久保存，因此不需要額外添加防腐劑。但速食麵會添加抗氧化劑，原因在於麵條油炸後含油，若不添加抗氧化劑，會造成油脂酸敗，反倒可能產生對人體有害的物質。另外，碗裝泡麵的容器也須經過高溫溶出測試，確定在熱水中泡一段時間後不會溶出對人體有害的物質，才能當作食品容器，消費者在選購上也可以安心。

食品擠壓加工技術：花俏食品外觀靠這招

擠壓加工或許沒那麼容易理解，它的做法與製作塑膠製品的原理─「塑膠射出成型」有些類似。首先將食品原料填充進擠壓機，接著經過揉合、必要時加熱，食品的特性會變得像泥狀。擠壓加工就是趁著食品在泥狀時，迅速將其噴出成形，常見的應用像是貝殼狀或螺旋狀的義大利麵、各種形狀的零食，或是現在正夯的植物肉等。

欄柵技術：多管齊下保持品質

欄柵技術的原理如同治療愛滋病的雞尾酒療法，如果給予一種藥物無法控制病毒，那就給予多種藥物進行治療，將病毒量控制到最低。罐頭食品是以高溫滅菌，讓食品中的微生物一槍斃命無法存活，但缺點是可能會使食品風味變差，並非適合所有的食品；而欄柵技術則是多管齊下的策略，結合各種控制微生物的因子，如：降低水活性、pH值、添加防腐劑、真空包裝去除氧氣或填充惰性氣體、以及冷藏等，藉由調控多種因子，以維持產品品質並延長保存期限。這項技術可謂知易行難，需要十分良好的製程管控才能辦到，在食品科技中稱為 HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points，危害分析重要管制點)，這項技術多年來已廣為食品工廠應用。

薄膜除菌技術：讓飲料好喝又能保存

薄膜除菌技術顧名思義就是使用一種能讓食品中的水與各種成分（如香氣、維生素、蛋白質等）可以通過，但細菌無法通過的薄膜，以達到除菌效果。一般現打的西瓜汁大概放置一天就腐壞不能飲用，但使用薄膜除菌技術包裝的西瓜汁，存放時間能延長到將近兩星期。而為了確定薄膜的有效性，食品科學家用已知最小的細菌測量通過薄膜的量，能減少99.999% 才能稱為有效薄膜，這也是此技術最困難之處。

高壓加工技術：超高壓殺死細菌

前述如製作罐頭的熱滅菌技術、利用膜過濾的薄膜除菌技術等都是常見的殺菌方法。但如果不希望食品被過度加熱，也無法通過薄膜時，譬如魚肉這樣的食品該如何殺菌呢？科學家發現可以對食品施以高壓將微生物殺死。

高壓加工技術的原理是藉由施以高壓，改變細胞膜的通透性，導致細胞內物質流出，或是破壞細胞的繁殖功能使細胞死亡。此項技術是將食品包裝在至容器中放入可以耐高壓很厚的鋼管中，我們稱為高壓腔，在高壓腔注滿水後用高壓泵對管內注水加壓，使腔室內部的水壓到達將近 6000 大氣壓（世界上最深的海溝壓力也「只有」2000大氣壓），就可殺死微生物。由於容器內的食物是受到來自四面八方均勻的壓力，因此並不會造成食物形狀的改變，而且加壓是在室溫甚至低溫之下進行，食物的風味也不會被破壞。這是一項可以良好保持食品色香味的技術，但相對的製造成本也比加熱殺菌高出許多。

食品高壓加工技術從發展到成熟歷時將近百年的時間，除了設備的造價高昂之外，科學家們也必須證實這種方法確實能夠殺滅食品中的細菌，並且不會造成食品品質改變，目前在加拿大、美國、英國、歐盟都已經有研究證實。

加工食品的美麗與哀愁

食品加工的目的有很多，如：提高食品的食用性、保存性、便利性、嗜好性、衛生安全、營養價值、運輸性、商業價值等，看似都立意良善，那為什麼社會上存有「加工食品就是不好的」、「加工食品就是沒營養」、「加工食品是造成文明病主因」等印象，原因出在哪裡呢？

身為一位食品研究者，當社會大眾對健康的需求日益增加時，我們的挑戰是製作出健康、少鹽、少油、少糖、無反式脂肪的食品，且無農藥殘留或毒素。然而過去的確有少數廠商並未花費足夠心力去達到這些目的，反而是為了在市場上取得競爭優勢，使用不正當手段製作產品，這毫無疑問是必須被檢討的。

本文目的是希望能讓讀者了解，市面上還存在許多並非單從字面上的名稱或感覺就能對它做出正確判斷的加工食品，也有許多運用適當的加工技術、用心實在的加工食品供民眾選擇，希望民眾能夠正確分辨出這些加工食品。

延伸閱讀

• ILSI Taiwan 專欄-2016年第4期- 食品高壓加工技術─ 熟食般的安全、更新鮮的質感

• 本文轉載自 ILSI Taiwan-2019 年第 7 期《廚房裡辦不到的加工技術─認識現代食品加工》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 ILSI Taiwan 喔！
• 作者／朱中亮│資深研究員
  德國Hohenheim大學食品科技研究所博士，現任財團法人食品工業發展研究所資深研究員。專長為食品加工與製程，目前研究技術領域為食品非熱加工技術、冷藏食品保存期限預測及溫度管理技術等。

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

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。

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。

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：

• Exploiting the leaky-wave properties of transmission-line metamaterials for single-microphone direction finding, J. Acoust. Soc. Am. 139, 3259 (2016)

相關報導：

• EPFL News 2016/08/09: Researchers invent acoustic prism
• Scientific American 2016/11/01: Engineers Debut the Acoustic Prism
• 跟著鄭大師玩科學 2017/05/04：淺談聲學稜鏡

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。