聲學稜鏡：將聲音散成彩虹——《物理雙月刊》

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

當你走進一棟建築，是否能感受到它對環境的友善？或許不是每個人都意識到，但現今建築不只提供我們居住和工作的空間，更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生，正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題，確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染，同時提升我們的生活品質。然而，要成為綠建築並非易事，每一棟建築都需要通過層層關卡，才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境，政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立，旨在透過標準化的建築評估系統，鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時，為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法，自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止，已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品，涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築，不僅提升建築物的整體性能，也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

說這麼多，你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程，要經歷哪些標準與挑戰？

綠建築標章	智慧建築標章	綠建材標章

第一招：依循 EEWH 標準，打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源，是綠建築（green building）的核心理念，但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單，而是涵蓋建築物的整個生命週期，也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內，都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準，讓我們先回到 1990 年，當時英國建築研究機構（BRE）首次發布有關「建築研究發展環境評估工具（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM®）」，是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後，於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）這套評估系統，加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶，氣溫高，濕度也高，得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生，四個英文字母分別為 Ecology（生態）、Energy saving（節能）、Waste reduction（減廢）以及 Health（健康），分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級，設有九大評估指標。

我們就以「台江國家公園」為例，看它如何躍過一道道指標，成為「鑽石級」綠建築的國家公園！

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園，也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時，還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築，其外觀採白色系列，從高空俯瞰，就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落；從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊，生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構，設計自然護岸，保留基地既有的雜木林和灌木草原，並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物，採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙，不僅強化了環境的保護力，也提供多樣的生物棲息環境，使這裡成為動植物共生的美好棲地。

第二招：想成綠建築，必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築，使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出，一路到今日，國際間對此一概念的共識主要包括再使用（reuse）、再循環（recycle）、廢棄物減量（reduce）和低污染（low emission materials）等特性，從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時，使用自然材料與低 VOC（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）建材，亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後，內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度，以建材生命週期為主軸，提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說，為確保室內環境品質，建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件；為了防溫室效應的影響，須使用本土材料以節省資源和能源；使用高性能與再生建材，不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性，也強調材料本身的再利用性。

在台江國家公園內，綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念，更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設，並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料，為鳥類和小生物營造棲息空間，讓「蚵殼磚」不再只是建材，而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆，整體綠建材使用率為 52.8%。

在日常節能方面，台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如，引入樓板下的水面蒸散低溫外氣，屋頂下設置通風空氣層，高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出，廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地，創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企，如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流，不僅提升了隔熱效果，減少空調需求，讓建築如同「與海共舞」，在減廢與健康方面皆表現優異，展示出綠建築在地化的無限可能。

在綠建材的部分，另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程，其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材，比方提高高爐水泥（具高強度、耐久、緻密等特性，重點是發熱量低）的量，並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」，還用再生透水磚做人行道鋪面。

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區，首先，他們捨棄金屬建材，讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是，他們也將施工開挖的土方做回填，將有高地差的荒地恢復成平坦綠地，本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪，無痛轉綠。

等等，這樣看來建築夠不夠綠的命運，似乎在建材選擇跟設計環節就決定了，是這樣嗎？當然不是，建築是活的，需要持續管理–有智慧的管理。

第三招：智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率，除了從建築設計與建材的使用等角度介入，也須適度融入「智慧建築」（intelligent buildings）的概念，即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性，使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器，用於蒐集環境資料和使用行為，並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

為了推動建築與資通訊產業的整合，內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度，為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂，目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例，為了掌握建築物生命週期中的能耗，需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標，評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面，則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境，以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中，充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術，來達成兼顧環保和永續發展的理念，也是利用建築資訊模型（BIM）技術打造的指標性建築，受到國際矚目。

在興建階段，為了保留基地內 4 棵原有老樹，團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描，並將大小等比例匯入 BIM 模型中，讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離，確保施工過程不影響樹木健康。此外，在大樓啟用後，BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」，透過 3D 建築資訊模型，提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護，包括保養計畫、異常修繕及耗材管理，讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用，從建造設計擴展至施工和日常管理，使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management，簡稱 FM ) 為例，該系統可在雲端進行遠端控制，根據會議室的使用時段靈活調節空調風門，會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣，而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率，保持低頻運作，實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現，從源頭減少碳足跡；綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小，並保障居民的健康；智慧建築標章運用科技應用，實現能源的高效管理和室內環境的精準調控，增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用，讓建築不僅是滿足基本居住需求，更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

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。

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.

• 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。