金屬奈米粒子 閃耀自訂顏色

• 文／Heidi

你有過邊聽音樂邊跑步的經驗嗎？讓我們先來看一段動畫，再開始今天的主題！動畫裡的主角阿辰有個熱愛跑步的阿公，他想要挑戰路跑，於是向阿辰下戰帖，想看誰可以先跑完四圈操場。沒想到，原本落後的阿辰，戴上耳機後，竟然逆轉局勢，贏得了比賽。這究竟是什麼魔法？為什麼音樂能讓阿辰瞬間變成飛毛腿呢？

日常生活中的音樂與運動

2014 年，美國音樂潮牌 Sol Republic 調查 1,000 位民眾使用耳機的習慣，有 62% 的民眾表示「一整天沒有聽音樂，比一整天沒有社交活動」更糟，另外也有 40% 的民眾表示，如果沒有搭配音樂，他們想要運動、鍛鍊身體的欲望就會大幅降低。

在臺灣，如果你曾經踏進健身房或運動中心，想必聽過從喇叭傳出來的快節奏音樂，或是看過不少人戴著耳機跑步、舉重、騎飛輪。如果你在學校或熱鬧的商圈看過街舞表演，通常也都是選用節奏明快的流行歌。可是，為什麼音樂和運動有關呢？一邊運動，一邊聽音樂，真的對我們有幫助嗎？如果有，背後的科學原理又是什麼？

聲音如何穿越耳朵、抵達大腦？

想知道為什麼音樂和運動有關，就得先瞭解聲音如何穿越耳朵、抵達大腦。

從生理構造來看，我們的耳朵可分為三部分：外耳、中耳和內耳。外耳負責將接收到的聲波傳入中耳。中耳有「耳膜」和「聽小骨」，能夠增強聲波，將聲波轉換成內耳能夠解讀的訊號。內耳有「耳蝸」和「前庭系統」，分別掌管聽覺和平衡感。這兩個結構會在末端合體，成為「前庭耳蝸神經」，也就是 12 對腦神經中的第 8 對，可以將聲音訊號直接送進大腦。

擅長平衡、喜歡打節拍的前庭系統

說到平衡感，那就和運動有關了！前庭系統的功能就是穩定身體，讓我們走路時不易跌倒、運動時能保持平衡，眼睛追蹤移動物體時，也不至於暈頭轉向。這些都要歸功於前庭系統裡頭的「半規管」和「耳石」，前者感知旋轉，後者感知重力與加速度。

如果我們一邊跑步一邊聽音樂，讓節奏規律的低頻重拍經由前庭系統刺激大腦，就能讓大腦誤以為是雙腳落地的低頻聲響。如此一來，大腦就會透過前庭系統發送訊號給肌肉，幫助腳步保持規律。換句話說，如果音樂節奏與步伐速度相近，跑起來就能更輕鬆；反之，如果換成節奏較慢的音樂，前庭系統就會讓我們不自覺放慢腳步，導致運動效果不佳。

研究顯示，聽音樂運動「效果十分顯著」

早在 1911 年，美國統計學家艾爾斯（Leonard Ayres）就發現，如果賽道旁有樂隊演奏，自行車選手踩踏板的速度也會隨之加快。^[1] 2012 年，英國雪菲爾哈倫大學（Sheffield Hallam University）的研究進一步證明，相較於踩踏速度沒有和音樂節拍同步的選手來說，同步選手的耗氧量減少 7%，意思就是比較不容易疲累或缺氧。由此可見，音樂就像身體的節拍器，可以穩住運動節奏，減少體力耗損。^[2]

2017 年，印度幾所大學的醫學院教授共同研究音樂對青少年運動表現的影響。這些教授找來 50 位年齡介於 19 到 25 歲的學生，讓他們連續 10 個早晨在跑步機上運動，速度不限，累了就可以停下來。研究數據顯示，在沒有播放任何音樂時，男性的平均運動時間約為 26 分鐘，女性則是 18 分鐘；相較之下，當他們聆聽各自喜歡的音樂時，男性的平均運動時間可以達到 42 分鐘，女性則是 31 分鐘，前後有非常明顯的落差。^[3]

2020 年，美國桑福德大學（Samford University）的研究也顯示，只要在暖身時，聆聽喜歡的音樂，就可以提高臥推槓鈴的表現。雖然臥推速度幾乎沒有差異，如圖（a），可是臥推次數明顯增加。根據圖（b）的數據，如果聆聽不喜歡的音樂（NON-PREF），平均只能推 11.1 下，經過兩分鐘休息後，只能再推 8.0 下；但如果聆聽喜歡的音樂（PREF），平均可以推 13.5 下，經過兩分鐘休息後，也可以再推 9.4 下，可見聽音樂運動的效果確實非常顯著。^[4] 

註解

• 註 1：Ayres, L. P. (1911). The Influence of Music on Speed in the Six Day Bicycle Race. American Physical Education Review, 16:5, 321-324.
• 註 2：Bacon, C. J., Myers, T. R., & Karageorghis, C. I. (2012). Effect of music-movement synchrony on exercise oxygen consumption. The Journal of sports medicine and physical fitness, 52(4), 359–365.
• 註 3：Thakare, A. E., Mehrotra, R., & Singh, A. (2017). Effect of music tempo on exercise performance and heart rate among young adults. International journal of physiology, pathophysiology and pharmacology, 9(2), 35–39.
• 註 4：Ballmann, C. G., Cook, G. D., Hester, Z. T., Kopec, T. J., Williams, T. D., & Rogers, R. R. (2020). Effects of Preferred and Non-Preferred Warm-Up Music on Resistance Exercise Performance. Journal of functional morphology and kinesiology, 6(1), 3. 

參考資料

1. Sound Over Pounds: Survey Finds Two Out Of Three People Cut Their Workout Short Or Ditch It Completely Without Headphones
2. 認識耳朵 – 歡迎光臨林口長庚耳鼻喉部
3. Let’s Get Physical: The Psychology of Effective Workout Music

• 文／Heidi

平時，在學校和補習班時，如果朋友從背後呼喊你的名字，你通常不需要回頭，就可以知道是誰的聲音；而在聆聽音樂時，即使各種樂器的聲音混雜在一起，還是可以聽出如鋼琴、吉他、爵士鼓等不同樂器的音色。可是，為什麼我們能分辨出不同的人聲和樂器呢？想知道答案，就得先認識基音和泛音！

首先，讓我們看一段動畫。在這段動畫裡，主角阿棋出生在醫生世家，卻想成為一位厲害的電吉他手。他不斷練習、上台表演，也邀請家人一同前來欣賞搖滾樂演出。可是，阿棋的二哥聽完表演後，卻只覺得電吉他很吵。

基音與泛音

不管是鋼琴、吉他、爵士鼓，還是人聲，只要振動頻率相同，就能發出相同的音高，比如中央 DO 的頻率是 261.6Hz，也就是說，只要聲音每秒來回振動 261.6 次，就能準確發出中央 DO 的音高。但仔細想想，如果音高都一樣，所有聲音聽起來不就都一樣嗎？

沒錯！所以當我們聽見一個音，其實是聽見了很多不同頻率疊加而成的聲音，只是我們的大腦習慣將這些聲音理解成一個音。換句話說，當我們聽見樂器發出 DO 的音高，其實是同時聽見了代表音高的 「基音」261.6Hz，還有代表音色的「泛音」，也就是頻率 261.6Hz 以外的聲音。

想進一步瞭解基音和泛音，就得從一根弦的振動開始說起。

一根弦的振動

首先，讓我們來看看一根弦有幾種振動模式。當我們撥動琴弦彈奏一顆音，在最簡單的情況下產生的振動會呈現如圖一 1×f 的波形。假設這顆音是中央 DO，那麼這個波形就會每秒來回振動 261.6 次。

然而，一條弦並不會只有一種振動模式，有可能是圖中 2×f 的波形。在這種情況下，頻率就會變成兩倍，也就是每秒來回振動 2×261.6 次，變成高八度的中央 DO。除此之外，振動方式也有可能是圖中 3×f 或 4×f 的波形，變成高一個完全八度再加一個完全五度，或兩個八度的中央 DO。

按照相同的邏輯，一根弦可以有 n 種振動模式，產生 n×f 的波形和 n 種八度音高。

現在，我們知道了振動模式、波形和音高之間的關係，可是實際上，弦的振動模式非常複雜，是所有振動模式混合而成。因此，在彈奏中央 DO 時，琴弦除了產生 261.6Hz 的頻率，同時也會產生 2×261.6Hz、3×261.6Hz、4×261.6Hz，以及所有整數倍頻率的聲音，而最低頻率的聲音（261.6Hz）就是「基音」，也就是大腦所認知的音高，其餘頻率則統稱為「泛音」，主要影響聲音的音色。

以小提琴和鋼琴為例，即使彈奏同一顆音，波形仍然不同，就是因為不同樂器發出的泛音強弱不同，改變了我們聽見的音色。這就是我們能夠分辨不同樂器聲音的原因。

聲譜圖

現在，試試用一聲讀出注音「ㄚ、ㄝ、ㄧ、ㄛ、ㄨ、ㄩ」，你就會發現，即使音高一樣，卻還是能聽出差別，原因就在於它們的泛音（音色）不同。透過電腦軟體，我們可以將人聲轉換成「聲譜圖」，進一步解析泛音的區別，如圖三。

圖三的縱軸是頻率，橫軸是時間。水平線條是聲音能量的強度，顏色越深表示能量越強、聲音越大。每個音各有泛音較強以及較弱的頻率範圍，比如「ㄚ」在 500 至 700Hz 左右的泛音線顏色很深，表示聲音較強，但「ㄧ」和「ㄩ」就相對微弱，構成獨特的音色。

日常生活中的泛音

從上述說明，我們發現不只是樂器，就連人聲有不同的音色，也同樣是因為泛音不同。最後，讓我們回到文章開頭，看看阿棋的二哥為什麼覺得電吉他很吵。

影片提到，搖滾樂表演的電吉他音色，之所以聽起來很特別，正是因為電吉他手善用推弦技巧，增加泛音的「雜質」。假設基音頻率為 1，那麼除了整數倍頻率的泛音以外，推弦後可能會出現 1.9、2.1 等非整數倍頻率的雜質，讓搖滾樂聽起來雖吵，卻也更有靈魂、更有渲染力！

參考資料

1. 音樂與泛音
2. 一次搞懂「泛音列」！
3. Harmonic series (music) – Wikipedia
4. 馬爺爺 23：漫談聲音

• 文／雅文基金會聽語科學研究中心　張逸屏

在 KTV 歡唱時，當挑戰高音不成，還偏偏硬是要唱，就會用大絕招──降 key！但你知道嗎？其實助聽器也有類似降 key 的功能喔！也就是所謂的「降頻技術」。但是，助聽器降頻技術到底是怎麼運作的呢？對於聽損者的語音理解真的有幫助嗎？

一般我們聆聽到的各種聲音，包含了許多高低不同的頻率，低頻的聲音像是打雷、海浪、抽油煙機和語音／ㄨ／等，而高頻的聲音則是像鳥叫、哨子、指甲刮黑板和語音／ㄙ／等聲音。但事實上，絕大多數的聲音都是由許多高低不同的頻率所組成，只是每個聲音的組成成份當中，高低頻的比例不同而已。

所以當我們說這是一個高頻的聲音或語音時，只是意味其中高頻聲音的佔比較多，並不代表當中完全沒有低頻的成份。因此，在討論聽力損失時，除了損失程度（類似近視度數）之外，對不同頻率聲音的接收程度也是需要考量的面向。例如，有些聽損者可能是從低頻到高頻的聽損程度都差不多，有些則在不同頻帶聽損程度變化很大。

一般而言，對於降頻技術使用反應較好的聽力損失者，是屬於高頻區域聽力受損較重的，主要是陡降型聽損和高頻型聽損這兩大族群（如圖二）。受限於助聽器放大強度的限制，無法將高頻的聲音放大到這些聽損者可利用的程度。再者，即使可放大到足夠大聲，但聽損者常有耳蝸死區 ^{[註 1]} 和頻率解析能力 ^{[註 2]} 不足的狀況，導致大腦無法接收及運用這些被放大後的高頻語音。

因此，某些廠牌型號的助聽器，便具備降頻的功能，將降頻功能開啟後，聽損者在較小的音量時就能聽得到高頻的語音，讓高頻的聽力察覺閾值 ^{[註 3]} 能夠降低。如此一來，許多聽損者容易錯失的高頻語音，像是／ㄙ、ㄐ、ㄔ、ㄈ／等就都可以聽得到了，也可能比較不會產生誤聽的狀況，例如將「舌頭」聽成「額頭」（沒聽到／ㄕ／）^{[註 4]}。

三種降頻技術，概念相似、作法不同　

那麼當助聽器的降頻功能開啟時，是怎麼進行訊號處理的呢？降頻技術的原文是 frequency lowering，有時也稱作移頻技術（frequency shifting），顧名思義就是將聽損者聽不到的、較高頻率帶的聲音，挪移到聽損者聽力較好的低頻率帶，讓聽損者能聽到。

在訊號處理方面，通常會依據個案的聽力圖先決定一個起始頻率，針對比起始頻率要高的頻帶來進行降頻處理。而訊號處理的方式大致可分為三種類型（不同廠牌的助聽器可能會使用不同的處理方式），包括：頻率搬移（frequency transposition）、頻率合成（frequency composition，有時亦稱為頻率轉換，即 frequency translation）和頻率壓縮（frequency compression）。^[1]

如圖三（a）所示，頻率搬移是將起始頻率以上的聲音直接搬移到低頻帶，和低頻帶原本的聲音重疊在一起，而且被移走的部份並不保留，如同圖三（a）中，兩個紫色方形移到低頻的區域，原本高頻帶的地方變成灰色，表示沒有訊號。

頻率合成則和頻率搬移很相似，只是在搬移之前會把高頻帶的聲音先進行壓縮，如同圖三（b）中，搬移到橘黃色方形上方的兩個紫色方形疊在一起了（頻寬變小），而且在高頻帶仍然保留原本的聲音。

而第三種是如圖三（c）的頻率壓縮，是把高頻帶的聲音以不同壓縮比例的方式往低頻率帶擠壓，因為有不同的壓縮比例，也就是非線性的，故有時也稱作非線性頻率壓縮（non-linear frequency compression; NFC）。

「聽得到」和「聽得清楚」的拉鋸戰

這三種降頻技術都是將原本聽損者聽不到的高頻聲音，搬移到聽損者聽力較好的低頻帶，藉此讓助聽器使用者能聽到原本無法聽到的聲音。但是，有別於 KTV 的降 key 是全部聲音往低頻搬移，助聽器的降頻技術只有針對部份高頻的聲音處理，所以整體來說會有某種程度的扭曲 ^[2]。若以視覺來比喻，降頻技術則有點類似遊樂園的哈哈鏡（曲面鏡），對於不同區域採用不同方式的反射，所以會有扭曲現象。

哈哈鏡的扭曲影像讓人發笑，但降頻技術若導致聲音過度扭曲而無法辨識，那可不好玩！所以，降頻技術雖然可以提升「察覺」高頻聲音的表現，但能否提升「理解」就不一定了。也就是說，即便降頻技術讓聽損者能聽到／ㄙ、ㄐ、ㄔ、ㄈ／等高頻語音，但聽起來也許已經不像這些聲音了，有些人或許透過訓練和適應後能辨識這些語音，但也有些人會完全無法適應。因此，如同圖四，降頻技術就是「聽到」和「扭曲聲音」兩者之間的權衡取捨 ^[3]。

有一項針對高頻聽損者的研究，分析使用降頻技術的效益和高頻帶平均聽力閾值間的關係，發現高頻聽力閾值愈高（高頻聽力相對較差），使用降頻技術後在聽能表現的提升愈顯著 ^[3]，因為對這些聽損者而言，能聽到高頻的聲音是比較重要的，因此可以接受一點聲音扭曲的代價，來換取聽得到高頻聲音的效益。

但對高頻聽力相對較好的人來說，可能原本可以聽得到一些高頻語音，因此也比較會感受到聲音被扭曲了。這樣的研究發現讓我們了解，降頻技術並不一定適合每個聽損者。

參數設定和聆聽情境是關鍵

除了要選擇合適的對象來使用降頻技術之外，聽力師也需要針對聲音處理技術的參數做合適的設定，才能在「聽到」和「扭曲聲音」兩者之間找到完美的平衡點。因為研究也發現，當降頻處理的程度愈大，也就是起始頻率愈低或壓縮程度愈大，那麼搬移／壓縮的聲音就愈多、聲音特性改變的幅度也愈大，此時助聽器使用者也容易覺得音質變差了 ^[3]。因此，挑選到合適的參數設定，才能在音質變化不大的情況下，享受到改善高頻語音察覺的益處！

此外，對降頻技術效益有影響的因素還包括了聆聽的情境，例如環境是安靜／吵雜、或內容是語音／音樂。相對於安靜的環境，在吵雜的環境中，助聽器使用者較能接受大程度的降頻處理 ^[3]，可能是在安靜情境下較能感受到降頻處理帶來的音質改變，而在吵雜時，「聽得到」的重要性會更加凸顯。

而相較於語音，降頻技術可能會對聆聽音樂產生負面影響 ^[4]。對語音來說，頻率的搬移和壓縮影響比較小，因為許多高頻子音其實有點類似寬頻的噪音，所以即使頻率被悄悄偷天換日到低頻帶了，再加上情境和上下文的線索，聽者仍然能理解接收到的語音。但在聆聽音樂時，精準的頻率是很重要的。概念上可以從「和絃」來理解，和絃中的組成音符，每個音都必須在正確的頻率上，組合起來的和絃才會是正確而且悅耳。這樣就不難理解降頻技術可能會對於聆聽音樂造成較大的負面影響，造成聲音聽起來不和諧。

和聽力師共同尋求最佳解方

綜合以上的研究發現，我們知道聽損者和聽力師針對降頻技術的討論，除了自己是否適合使用外，也要嘗試不同的參數設定，甚至是在不同聆聽環境中選擇是否開啟降頻功能、或設定不同的參數。其實就和所有的助聽器選配和調整一樣，都需要和聽力師密切討論、並說明在使用上的感受，才能讓助聽器發揮最理想的效果。

總結來說，降頻助聽器可能可以提升聽損者的聽音表現，但不見得適用於每個人。而且，若降頻處理的範圍或壓縮程度較大，也可能會讓聲音的音質改變、或語音的特性被扭曲，而導致聽不清楚的狀況。總結來說，使用降頻助聽器時，關鍵就是要以「最少的聲音扭曲」來換取「聽得到」高頻音的好處 ^[2]。

註解

註 1：相對於聽力損失是耳蝸中的毛細胞不健全或功能異常，耳蝸死區（cochlear dead regions）則是某些區域完全沒有毛細胞，導致有某些特定頻率的聲音，再怎麼放大也無法聽到。

註 2：頻率解析能力為分辨兩個不同頻率聲音的能力，一般來說聽損者的頻率解析能力也會較差。

註 3：「聽力察覺閾值」為某一頻率下，個人能聽到（察覺）聲音的最小音量。閾值愈高，表示要愈大聲才聽得到，聽損的程度就愈重。

註 4：想了解更多關於「高頻聽力損失」和「微聽損」相關資訊，可參閱雅文基金會「微聽損網站」和「如果小美人魚失去的是聽力，幸福也沒有比較容易：談輕微聽力損失『微聽損』」一文。

參考資料

1. Angelo, K., Alexander, J. M., Christiansen, T. U., Simonsen, C. S., & Jespersgaard, C. F. C. (2015). Oticon Frequency Lowering: Access to high-frequency speech sounds with Speech Rescue technology. Oticon Whitepaper.
2. McCreery, R.W. (2016, October). 20Q: Frequency lowering ten years later – evidence for benefit. AudiologyOnline, Article 18370.
3. Souza, P. E., Arehart, K. H., Kates, J. M., Croghan, N. B., & Gehani, N. (2013). Exploring the limits of frequency lowering. Journal of Speech, Language, and Hearing Research, 56(5), 1349–1363.
4. Chasin, M. (n.d.). The Problem with Frequency Compression and Music.