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

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

• 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

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]：

• 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。

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！

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

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？！

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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！