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：

• 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。

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