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由音頻產生奇妙的幾何圖形:克拉尼誕辰|科學史上的今天:11/30

張瑞棋_96
・2015/11/30 ・1084字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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克拉尼在正方形金屬薄片上鋪了一層薄薄的細沙,接著拿起小提琴琴弓,將弦靠在金屬片邊緣,緩緩拉動。細沙隨著金屬片的細微震動而上下跳動,慢慢改變位置,結果竟形成一幅對稱的幾何圖案。克拉尼驚喜的看著聲音在眼前幻化成形,自己最愛的音樂與科學就這麼巧妙地結合在一起,還有什麼比這更棒?!

恩斯特·克拉尼。圖片來源:wikipedia

克拉尼出身書香門第。曾祖父是滿腹經綸的神學家,祖父與父親不但分別是德國威騰堡大學的神學教授與法律教授,還先後擔任過這所大學的校長。家風凜然,加上父親堅持要他將來當律師,克拉尼被迫選讀法律與哲學。但就在他1782年大學畢業後,父親過世,克拉尼終於可以重拾自小熱愛的音樂與科學。

其實克拉尼只是重做虎克1680年就做過的實驗,差別在於虎克當年用的是玻璃板與麵粉。虎克發現此一現象後並未深究,直到百年以後,克拉尼才系統性地展開一系列實驗,並於1787年出版著作,發表實驗結果;自此這類由音頻產生的幾何圖案就稱為「克拉尼圖形」(Chladni patterns)。

自此這類由音頻產生的幾何圖案被稱為「克拉尼圖形」。圖/flickr

克拉尼圖形呈現的就是駐波的二維波形。當弓弦劃過金屬片邊緣時,會使金屬片產生共振,於是位於震動較大之部位的沙就會不斷跳動,直到彈跳至震動較小的位置──也就是波的節線,因而勾勒出波的共振圖案。不同的頻率會產生不同型態的共振,如今信號產生器可以產生精確的各種頻率,更能輕易製造出繁複美麗的共振圖案。除了純粹欣賞視覺之美,因為提琴、吉他等樂器所發出的美妙聲音就是源自琴身本身的共振,因此克拉尼圖形也被用來設計或改良這類樂器。

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克拉尼用以產生駐波二維波形的裝置。圖片來源:wikipedia

除了弦樂器,克拉尼還曾在教堂的管風琴中裝入各種氣體,測量其振動頻率,而首度計算出不同氣體中的音速。克拉尼就因為在聲學上所做的先驅性研究,而被稱為「聲學之父」。

此外他還研究隕石,根據所蒐集的資料分析,於1794年發表論文,率先主張隕石來自外太空,而非當時普遍認為的來自火山。一開始克拉尼備受嘲弄,直到1803年的流星雨在法國北部落下數以千計的隕石碎片,經法國科學家調查,出具報告後,克拉尼的論點才終於獲得世人認同。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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從「衛生紙」開始的環保行動:一起愛地球,從 i 開始
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/03 ・1592字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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你是否也曾在抽衛生紙的瞬間,心頭閃過「這會不會讓更多森林消失」的擔憂?當最後一張衛生紙用完,內心的愧疚感也油然而生……但先別急著責怪自己,事實上,使用木製品和紙張也能很永續!只要我們選對來源、支持永續木材,你的每一個購物決策,都能將對地球的影響降到最低。

二氧化碳是「植物的食物」:碳的循環旅程

樹木的主食是水與二氧化碳,它們從空氣中吸收二氧化碳,並利用這些碳元素形成枝葉與樹幹。最終這些樹木會被砍伐,切成木材或搗成紙漿,用於各種紙張與木製品的製造。

木製品在到達其使用年限後,無論是被燃燒還是自然分解,都會重新釋放出二氧化碳。不過在碳循環中,這些釋出的二氧化碳,來自於原本被樹木「吸收」的那些二氧化碳,因此並不會增加大氣中的碳總量。

只要我們持續種植新樹,碳循環就能不斷延續,二氧化碳在不同型態間流轉,而不會大量增加溫室氣體在大氣中的總量。因為具備循環再生的特性,讓木材成為相對環保的資源。

但,為了木製品而砍伐森林,真的沒問題嗎?當然會有問題!

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從吸碳到固碳的循環

砍對樹,很重要

實際上,有不少木材來自於樹木豐富的熱帶雨林。然而,熱帶雨林是無數動植物的棲息地,它們承載著地球豐富的生物多樣性。當這些森林被非法砍伐,不僅生態系統遭到破壞,還有一個嚴重的問題–黃碳,也就是那些大量儲存在落葉與土壤有機質中的碳,會因為上方森林的消失重新將碳釋放進大氣之中。這些原本是森林的土地,將從固碳變成排碳大戶。

不論是黃碳問題,還是要確保雨林珍貴的生物多樣性不被影響,經營得當的人工永續林,能將對環境的影響降到最低,是紙漿和木材的理想來源。永續林的經營者通常需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。木材反覆在同一片土地上生成,因此不用再砍伐更多的原始林。在這樣的循環經營下,我們才能不必冒著破壞原始林的風險,繼續享用木製品。

人工永續林的經營者需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。

如何確保你手中的紙張來自永續林?

如果你擔心自己無意中購買了對環境不友善的商品,而不敢下手,只要認明FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。並且從森林到工廠、再到產品,流程都能被追蹤,為你把關每一張紙的生產過程合乎永續。

只要認明 FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。

家樂福「從 i 開始」:環境友善購物新選擇

不僅是紙張,家樂福自有品牌的產品都已經通過了環保認證,幫助消費者在日常生活中輕鬆實踐環保。選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌,這代表商品在生產過程中已經符合多項國際認證永續發展標準。

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「從 i 開始」涵蓋十大環保行動,從營養飲食、無添加物、有機產品,到生態農業、動物福利、永續漁業、減少塑料與森林保育,讓你每一項購物選擇都能與環境保護密切相關。無論是買菜、買肉,還是日常生活用品,都能透過簡單的選擇,為地球盡一份力。

選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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聲音的DNA:聲紋辨識
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2023/01/14 ・2473字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 文/洪萱眉 雅文基金會聽語科學研究中心 助理研究員

在如今這個網路時代,人人在日常生活中都常要透過帳號、密碼來辨識身份,不管是提款卡、行動裝置(手機、筆電、平板)、網路銀行、行動支付等,都需設定一組帳號密碼來辨識自己的身份。

為了不讓自己的帳號被駭,每次都得抓破頭來設定,太簡單擔心被破解,太複雜又怕自己記不住。更煩人的是,每個平台的密碼設定都有自己的規則,有些要求要有特殊符號,有些則要求英文大小寫和數字都要有。

於是,為了兼顧安全與便利性,越來越多廠商使用指紋辨識來解鎖,這樣既不用擔心忘記密碼,也不容易被盜用。然而,你知道,我們的聲音其實和指紋一樣,也能進行身份辨識嗎?

專屬個人的聲音密碼

每個人的聲音都有獨特性,和指紋一樣能進行身份辨識。圖/freepik

聲音跟指紋一樣,都有獨一無二的特定性,而在利用聲音的特性做辨識時,就稱為聲紋辨識。我們接到熟識親朋好友來電時,他們不用說他是誰,我們只要一聽到聲音就能辨識。這是因為每個人的說話特性不同,聽聲音就能辨識說話者。而我們的語音訊號中可供辨識的因素,主要可分為三個面向[1]

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  • 發音器官的差異:因每個人的發音器官差異,如口腔形狀、聲帶長短粗細不同,造成每個人的聲音特性有所不同。例如,當小朋友前排乳牙掉了時,說話時會有俗稱「漏風」的感覺,就是因為口腔的共鳴特性變了而造成的;而男生的聲帶比女生的要長且粗厚,振動頻率較低,因此聲音較低沈。
  • 說話方式的差異:每個人的說話習慣的不同,像是說話的語速、語氣、抑揚頓挫、咬字清晰度、口音等等。比如電話一接通,就聽到大聲又連珠炮似的說話,馬上就知道是樓上的王阿姨要找媽媽。或是一聽到緩慢溫柔充滿感情的台灣國語,就知道是阿嬤從台南打電話來了。
  • 說話內容的差異:生長背景、教育程度、社經地位的不同,使說話內容有所差異,例如:用詞、句型等等。像巷口賣水果的阿伯和他讀中文系的女兒,同樣要向顧客自賣自誇鳳梨有多甜,女兒也許會說「那甜蜜的滋味藏著一絲微微的酸,就像那年夏天的初戀」,阿伯則可能會說「帥哥偶謀騙你,這粒旺來跟我女兒的笑容一樣甜啦!」

上述的這些差異都可作為我們辨識說話者的依據。而其中說話方式和內容可能被他人學習、模仿,只有發音器官的差異是天生的,無法被模仿且在分析,所以許多辨識系統是採用發音的聲學特徵(acoustic features),例如,聲音頻率(高/低)、音色(如:輕柔、渾厚)等特性都可作為辨識的依據[1]

聲紋比對辨身分

聲紋辨識和指紋一樣,皆為生物辨識的一種。從人類的身上萃取出具有身份鑑別能力的特徵,如:指紋、聲音,將此特徵經處理、分析後儲在系統裡,日後可依據此特徵來辨識使用者的身份。利用我們獨特的聲音來辨識身份的聲紋技術,亦可稱為「語者辨認」或「說話人辨認」(speaker identification)[2]

聲紋辨識的過程包含兩個階段:1. 聲紋提取(voiceprint extraction)。2. 聲紋比對(voiceprint comparison)。在確認說話者的身分之前,要先有說話者的聲音語料,依說話者提供的聲音語料進行分析,並建立專屬他的聲紋模型

一般在處理語音訊號時,會將音檔切割成小區段的方式來處理、進行分析,透過聲譜圖上的資訊來分析說話者的聲音頻率、音強、抑揚頓挫等建立專屬他的聲紋模型,並將其聲紋資訊存到系統裡。就像將我們的指紋存到手機的系統裡一樣,可以比對我們登錄系統裡的生物資訊來進行身份的核對。

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當系統裡存有說話者的聲紋資訊後,其實就就能快速的進行一對一的說話者身份驗證(speaker verification),或是進行一對多的說話者辨認(speaker identification),從眾多人找出誰是說話者[3]

聲紋辨識不只可以抓犯人,還可以……

上述的聲紋辨識,是不是會讓你聯想到在看影集時,劇中的刑警從報案中心的人聲或是搜集回來的錄音檔中,辨識出報案人或犯人的身份。一般大家的印象會覺得聲紋辨識只會出現在刑事調查中,但其實日常生活中已經有用到聲紋來辨識身份囉!比如,智慧型手機的語音助理,只要說出關鍵詞:「嘿,Siri」、「OK Google」就能啟動AI回應。

其實,這個過程就是擷取聲音特徵,並與之前登錄的音檔互相比對,進行說話者的身份認證。除此之外,越來越多的金融機構也開始引進這項技術,憑聲音來確認身份,這樣除了可以取代回答冗長的問題來確認客戶身份、提高便利性外,也同時提高了安全性[4]

除了辨識身份,聲紋辨識其實也能應用在其他地方。現在也有許多研究團隊開發各種聲紋科技的應用,例如:透過大數據的聲音比對,由電腦判斷出鳳梨的好壞[5]、或是辨識青蛙叫聲的APP [6]等,這些也都是運用到聲紋辨識的原理。想必聲紋科技的發展會是一種趨勢,未來會有越來越多的場合都能運用此技術,讓我們拭目以待!

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現今生活中越來越多使用聲紋辨識技術。比如,現代人不可分開的智慧型手機,對手機的語音助理說出關鍵台詞,就能啟動AI的回應。圖/freepik

參考資料:

  1. 王小川。(2009)。說話人辨認。語音訊號處理(第二版,頁12-2 – 12-12)。全華圖書。清華大學電機系。淺談語者辨認http://web.ee.nthu.edu.tw/p/404-1175-11508.php?Lang=zh-tw
  2. Phonexia. (n.d). What Is Voice Biometrics?https://www.phonexia.com/knowledge-base/voice-biometrics-essential-guide/
  3. 緒方憲太郎。(2022)。語音科技將會如何改變未來。聲音經濟學(林詠譯,頁159-191)。商周出版。
  4. 洪明生、蘇晟維。(2022/12/11)。大數據聲紋比對判斷好壞 選鳳梨用「聽」的! Yahoo!新聞。取自:https://bit.ly/3Vrh2Hf
  5. 上游新聞市集。(2022/8/25)。現在是哪隻青蛙在叫?「蛙抵家」APP幫你聽聲認蛙!青蛙辨識軟體,揪你幫台灣錄蛙聲。取自:https://today.line.me/tw/v2/article/7NjZrr8
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。

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如果天空少了月亮,地球會怎麼樣?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/25 ・1477字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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如果天空少了月亮?文學家應該會很難過,音樂家也會少了創作的題材,沒有中秋節就少了月餅,也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害,天文學家絕對會很高興!

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落,主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐,不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話,造成地球潮起潮落就只剩下太陽,滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。數十億年前,地球剛形成時,地球自轉的速度比現在快許多;因為月球的潮汐力,讓地球自轉的速度漸漸變慢,慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球,地球的一天可能不到 10 小時。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。圖/Pexels

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿,讓地球自轉軸保持穩定,如果少了月球這個平衡桿,地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度,因為月球的存在,這個傾角的變化幅度不大,大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動,讓地球出現四季變化。

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如果沒有月球,地球的自轉軸變動的幅度就會變大,自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響?假設兩個極端的例子,地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度,太陽永遠直射赤道,地球上不會有北回和南回歸線,地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度,太陽直射的區域會從北極到南極,也就是北回歸線位在北緯 90 度(也就是北極點),而南回歸線在南緯 90 度(南極點)。這種情況下,地球四季變化會非常劇烈,北半球夏天時,北極不會結冰,溫度比現在還高,南半球冰凍的區域比現在還大,這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

未來人類可能先在月球建立基地,作為人類前進火星的跳板,在月球上測試火星裝備和訓練太空人,準備完成後再前往火星。如果少了月球的整備演練,要一步登陸火星將會困難重重。圖/麥浩斯出版

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星,一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球,會發現月球上有許多坑洞,這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑,表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石,這些隕石可能就會撞上地球。

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隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前,一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球,造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後,哺乳類才能興起,人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石,如果撞上地球,可能會改變地球物種的演化,人類說不定就不會出現在地球! 最後,如果沒有月亮,阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗,要直接踏上其他行星表面(例如火星),難度會高許多,甚至變得不可能!

——本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版
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麥浩斯
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