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音樂中的喜怒哀愁— 淺談「音樂情緒辨識」

科學月刊_96
・2012/03/21 ・4527字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 506 ・六年級

音樂擁有不可捉摸、觸人心弦的魔力,無法用任何公式、語言來描述。

若我們能讓電腦學會欣賞她的美,她的美將更深入我們的日常生活中。

文 / 楊奕軒

音樂具有感染人心的魔力,而此魔力也正是人們喜歡聆聽及創作音樂的主因。音樂可以拉近人與人之間的距離、創造共同的回憶、增加活動或戲劇的氣氛、更能輕易地引起我們的喜怒哀愁。熱情的歌曲讓我們慷慨激昂、悲傷的歌曲說出人們的心傷、悠揚的歌曲則讓我們心情平靜。對許多人來說,生活中少了音樂,便覺得索然無味。

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人們在聆聽音樂時感受到的情緒其實受到許多因素影響,除了樂曲本身之外,聽者本身的個性、性別、年齡、對於該音樂或歌手的熟悉度、喜好度、聆聽時所帶有的心情、聆聽時周遭的時地物,乃至於聽者對於該音樂所持有的回憶等等,都會產生一定程度的影響。也因此,聽者所感受到的情緒和作曲家或是歌手想傳達的情緒,並不盡然相同。

圖一:電影《真善美》(The Sound of Music)中的美 妙歌曲是許多人共同的回憶。

但在許多時候,我們可以說人們對於音樂中所要傳達的情緒是有共識的。或許在聽一首輕快的歌曲時,心情並不因此特別覺得愉悅,但卻能夠感覺到這首歌一般人聽起來應該是會覺得滿輕快的。人們對於音樂的情緒具有這樣的欣賞力與鑑別力,但電腦卻還沒有。

本文所要介紹的「音樂情緒辨識」(Music Emotion Recognition),即是在談如何讓電腦像人腦一般,具有辨別音樂情緒的能力。理想中,一個音樂情緒辨識系統能夠藉由分析一首歌曲的聲波,找出諸如旋律、節奏、音色、歌詞等等的特性,從而自動地辨識出這首樂曲所要傳達的情緒。就像一台配備「人臉偵測」(Face Detection)的數位相機,能夠藉由分析場景內的畫面,自動地判斷哪些區域具有人臉一樣。在資訊科學領域,這樣的研究常被稱為樣式辨認或是圖形辨認(Pattern Recognition)。

圖形辨認的發展與人們想讓電腦能夠更有智慧地理解圖像、聲音有密不可分的關係。傳統上認為,電腦與人腦相比較,電腦強於記憶和計算,不僅能夠儲存大量的資料,更具有強大的運算能力,但是,電腦卻沒辦法像人腦一樣理解這些資料的內容與意涵。電腦能夠知道一張圖片中那個區域的顏色最藍,但卻沒辦法判斷究竟是藍天或是大海;電腦能夠知道一段聲音檔中哪個片段的音量最大聲,但卻沒辦法判斷這個片段究竟是人聲、樂器聲、還是爆炸聲。然而,隨著近來圖形辨認與相關科技的發展,電腦在理解多媒體資料內涵的能力上已有許多進步,電腦與人腦之間的差距也逐漸在縮小,自動化地辨識音樂情緒即是一例。

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為什麼要做音樂情緒辨識?

音樂與情緒有密不可分的關係,自古以來便有許多不同學門的學者在探究音樂與情緒的關係,包含哲學家、社會學家、音樂學家、人類學家、神經科學家、音樂治療學家等,但資訊領域真正大量投入人力研究自動化音樂情緒辨識系統,卻要遲至21 世紀初期。因此,音樂情緒辨識仍是個還非常新的概念與研究領域。

音樂情緒辨識的興起,主要是源於數位化時代的來臨,MP3 壓縮技術以及硬碟儲存能力長足的發展,儲存媒體不僅空間越來越大、價格也越壓越低,人們能輕而易舉地在個人電腦或是行動裝置上儲存成千上萬首的歌曲,可是如何在那麼龐大的音樂庫中找到想聽的歌曲,就成了個很棘手且重要的問題。

傳統上,一般使用者還是習慣將歌曲以歌手名稱、專輯名稱等分資料夾存放,就如同一片片的光碟一樣。使用者想要聽歌的時候,必須在資料夾間瀏覽,選取自己想要聆聽的專輯,或是從許多不同專輯中挑出部分歌曲。較為進階的使用者會將不同專輯的歌曲組合、儲存成播放清單,作為一種簡單的捷徑,在不同的時機挑選不同的播放清單來聽。

然而,手動地挑歌是非常耗費時間的行為,播放清單的使用也造成只有少數部分的歌曲被反覆地聆聽,大多數的歌曲其實很少會被使用者給選到,降低了音樂庫實質上的豐富性。況且,在許多時候使用者並不清楚或不願意選擇要聽哪些歌曲,而只想跟著當下的情緒或是情境,聆聽符合那種感覺的歌曲。比如說,無聊的時候想要聽點比較會讓人亢奮的音樂、專心念書或是工作的時候想要聽點優雅安靜的音樂。這樣的需求必須透過音樂情緒辨識的幫助,深入分析音樂的內容及情緒,方才能夠被滿足。

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有了音樂情緒辨識系統,使用者可以以情緒為索引來找尋歌曲。比如說,使用者可以指定特定的情緒,要求系統回傳帶有這一類情緒的歌曲;使用者也可以指定一系列的情緒,例如說從平靜到亢奮再回歸平靜,從而產生一個音樂播放清單,其中歌曲情緒的變化便隨著使用者的設定。這樣的檢索方式不但便利、有趣,也更加的人性化。

圖二:那麼多歌曲,到底那些適合現在的心情播放呢?

除了讓使用者選擇音樂的情緒之外,結合現有的科技也可以讓電腦根據使用者的心情、狀態「主動地」推薦。例如一個智慧型的空間,比如說客廳或是汽車內,可以透過攝影機或是麥克風捕捉使用者的表情、動作、音量等的資訊,從這些資訊中判斷使用者當前的心情,再主動地推薦符合該心情的歌曲。

一個智慧型手機或是音樂播放器也可結合當時的時間、地點或是一些感測器蒐集到的資料,判斷當時使用者可能在從事怎樣的活動, 比如說起床、運動、工作或通勤等,藉此來推薦適當的歌曲。有了音樂情緒辨識,音樂將能更深入日常生活中,豐富我們的生活。

情緒標定

音樂情緒辨識本身是個跨領域的研究,同時會需要心理學、音樂學及資訊科學的知識。由於音樂情緒辨識關切的是人對於音樂的感受,因此也可以說是一個藝術與科學的交會點。

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就像我們教小孩子認字一樣,我們會使用許許多多的範例,教導小孩子說這個字是1 、那個字是2 。小孩子會透過這些範例慢慢學習到,一條線直直下來的圖形是1 、兩個圓圈疊在一起的圖形是8⋯⋯。同樣地,要教電腦辨識音樂中的情緒,也需要先準備一個標定好的資料庫,在這個資料庫裡面,我們很明確的知道哪些歌是屬於快樂的情緒、哪些歌是屬於悲傷的情緒,如此一來,電腦方能利用這些資料來找出各種音樂的特徵與情緒的關係,分析出具有怎樣特性的音樂會引起怎樣的情緒。就像是有個老師在旁邊給小孩子許多範例,教導她學習,這樣的過程也被稱之為監督式學習(Supervised Learning),而不是盲人摸象,沒有提供任何訓練資料就要電腦做判斷。

音樂情緒資料庫的建立關係到心理學「實驗設計」的理論。由於情緒的感受沒有客觀的答案,因此通常還需要邀請一些受測者來替歌曲作情緒的標定。這些標定會被當成是歌曲情緒的「標準答案」。電腦會被要求能夠像人類受測者一樣準確地判斷出這些歌曲的情緒。

由於情緒受到聽者個性、性別與年齡等等的影響,因此必須讓不只一位的受測者聽我們所選定的音樂,並記錄這些受測者聆聽之後所感受到的歌曲情緒。如果一首歌曲的情緒無法取得多數人的共識,那代表所要傳達的情緒是比較模糊的,或許就不適宜納入資料庫內。使用者的選定必須均衡,例如一半是男生、一半是女生,背景皆固定為大學院校中的學生等;歌曲的選定則必須多元,我們希望資料庫裡包含的音樂盡量越豐富越好,能涵蓋各種不同類別、不同情緒的音樂,如此資料庫才能具有代表性。另外,也需要注意實驗設計不能給受測者太多的負擔,且標定情緒的過程要明確且統一,例如,究竟是要以音樂旋律所傳達的情緒為準,還是以歌詞為準,或是兩者皆考慮?這些因素皆必須仔細考慮並設計,否則可能會影響標準答案的品質,進而限制了情緒辨識的可學習性。

情緒運算

有了標準答案之後,我們還必須用到數位信號處理的技術,結合音樂學的知識和圖形辨認的技術,分析音樂信號的特徵,方能將音樂的特徵與音樂的情緒做連結。

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圖三:美國楊百翰大學研究,幼兒能夠分辨音樂為快樂或悲傷。

那些音樂的特徵會跟情緒有關呢?我們不難猜到,情緒的亢奮與否和歌曲的音量大小、節奏快慢、音調高低與音色是否明亮有關;情緒是快樂或悲傷則可以從樂曲是大調或是小調、音色是否和諧順暢有關。雖然這些資訊都可以在樂譜中得到,但在實際的情況中,許多時候我們只有音樂信號,並沒有相對應的樂譜。再加上以現代的科技而言,電腦還沒辦法像受過音樂訓練的人腦一樣,精準地將歌曲的樂譜從聲波中還原出來,電腦能夠做到的,是透過數位信號處理的技術,盡量去估測出這些音樂特徵的值,例如估測一首歌一分鐘大約會有幾個拍子、或是估測一首歌音高的分布情形等。由於電腦尚無法精確地以音樂的語言來描述音樂,只能透過一些統計值及的準確率也因而受到影響。

圖四:在電影《K歌情人》中,男主角以真摯懇切的詞曲挽回女主角的心。

音樂特徵的分析本身亦是一門很大的學問,世界上還有許多科學家正努力研究更好的演算法來提升分析的效能。這類型的研究被統稱為「音樂資料檢索」(Music Information Retrieval)。自從2000 年開始,每年都會舉辦一個國際性的音樂資料檢索學術研討會(International Society Conference on Music Information Retrieval, http://www.ismir.net/),讓世界各地的音樂資料檢索學家一同分享與討論研究,並有各式各樣的比賽比較各種音樂分析演算法的優劣。音樂資料檢索學家關注的題目很多,包含弦律辨識、和弦偵測、音色分類、自動轉譜、人聲與樂器聲分離、音樂指紋、音樂序列比較、音樂推薦、音樂資料庫管理等。國內許多大專院校與中研院,也都有設立專門研究音樂的實驗室。這些研究除了能增進我們對音樂的認識,也能夠幫助使用者更有效率地管理並檢索音樂。

另一個分析音樂情緒的方法是透過歌詞語意的分析。許多人認為,相較於歌詞,音樂信號對於情緒的感染力還是比較強,主要是因為人們依然可以從外國歌曲或是純音樂中辨認出適當的情緒。但是許多研究指出,引進歌詞資訊仍然有助於提升音樂情緒辨識的準確率。主要的原因是因為歌詞中有許多強烈與情緒相關的關鍵字,比如說「分手」、「謊言」、「安慰」、「幸福」等,這些關鍵字可以很容易地被辨認出來並用來估量歌曲的情緒。

歌詞分析的困難點在於現今的語音科技仍然無法準確地從聲音信號中辨識出歌詞,因此必須假設歌曲的歌詞是可以在網路上下載下來進行分析,但對於許多歌曲,尤其是比較冷門或是早期的歌曲,這樣的假設並不成立。

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無論是透過音樂信號分析或是歌詞分析,甚至是兩者的結合,我們都能運用圖形辨認的技術,找出若干音樂與情緒之間的對應關係。如此一來,對於沒有經過受測者標定過的歌曲,依然可以應用這些學到的對應關係,來猜測歌曲中內涵的情緒,進而將每一首歌曲的情緒辨識出來,供使用者端的應用程式使用。

除了上述的流程之外,我們也可以在情緒辨識系統裡加入一些個人化的功能,讓情緒辨識系統可以根據使用者的喜好有不同的反應。畢竟情緒的感知是很主觀的,能做好個人化的部分可以讓音樂情緒辨識更加地實用。

結 語

有人說,音樂之所以那麼迷人,是因為她那不可捉摸、觸人心弦的魔力,這魔力沒辦法用任何公式或是語言來描述。或許,我們永遠沒辦法、也沒有必要,去破解為何音樂能夠如此輕易地引起我們的喜、怒、哀、愁,但或許我們能夠讓電腦學會去欣賞音樂的美,進而讓音樂的美更加充斥在我們的日常生活中。

楊奕軒︰任職中央研究院資訊科技創新研究中心

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原發表於科學月刊第四十三卷第二期

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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腦中那首歌停不下來?可能是「耳蟲」找上你!
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2025/08/20 ・3373字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 文 / 雅文基金會聽語科學研究中心 林旻萱 助理研究員

在你的日常生活中,是否也有過這樣的經驗呢?四周一片寂靜,你坐在書桌前,試圖專心準備即將到來的考試,卻發現怎麼樣都無法靜下心來,因為腦袋裡正不受控制地播放同一首歌,甚至有時候還會不自覺的哼唱起旋律。那也許是你在商店裡無意間聽到的廣告歌曲,也或許是喜歡的歌手發的新歌,無論你有沒有刻意去回想,它都會佔據你的腦海,像是腦中的背景音樂,不斷重播。

像這樣被一首歌「洗腦」的狀況,到底為什麼會發生呢?

為什麼我們會被歌曲洗腦?原來是耳蟲搞的鬼

事實上,上述的這種現象稱為不自主音樂意象(Involuntary Musical Imagery, INMI),也稱為卡歌症候群(Stuck Song Syndrome, SSS),在口語上常被稱為耳蟲(earworm),是指一段旋律在大腦中自發浮現,並不斷重播的現象 [1][2]。耳蟲這個詞是從德文的詞彙 “ohrwurm” 而來 [3],”ohr” 是指耳朵,而 “wurm” 則是小蟲子的意思,用以形容像小蟲子爬進耳朵一般,在腦中揮之不去的音樂。根據研究,耳蟲最早的文學來源,或許可以追溯到 19 世紀 [3]。在 1845 年美國出版的一部短篇小說《悖理的惡魔》中,故事的角色就遭遇了「腦中自發響起旋律而無法擺脫」的困擾,這與現代常被提起的耳蟲現象極為相似。這顯示出,即使當時尚未明確定義耳蟲現象,人們也早已在日常生活中有過這種音樂入侵大腦的經驗,甚至為此感到困擾。

心理學教授 Philip Beaman 指出,2008 年就曾有研究針對芬蘭約 12000 名網路使用者進行大規模的問卷調查,結果顯示,有 33% 的受試者表示耳蟲會每天出現,且有超過 90% 的受試者表示至少每週會發生一次耳蟲現象 [2][4],由此可見,耳蟲現象其實相當普遍。那麼,究竟是什麼原因導致耳蟲現象呢?

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旋律在腦袋裡重播,讓人也忍不住地哼唱起來。 圖 / AI創建

常見的耳蟲現象,與大腦構造息息相關

為了探討大腦結構與耳蟲現象之間的關聯,Farrugia 等人於 2015 年進行了一項研究 [1],他們調查了 44 名受試者接觸音樂的經驗,並透過問卷了解受試者對耳蟲現象的看法,包括耳蟲的出現頻率及其對生活的影響等等。結果顯示,曾學習音樂或經常接觸音樂的人,更容易出現耳蟲現象,而且這些音樂片段可能對他們產生更強烈的情緒與心理影響。

另一方面,研究也透過磁振造影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)對受試者進行腦部掃描,分析大腦的灰質體積與皮質厚度。結果發現,耳蟲現象的頻率可能與某些特定腦區的結構有關。大腦右側的額下回(Inferior Frontal Gyrus, IFG)不僅與音高記憶有關 [1][5-7],也負責抑制機制,當右側 IFG 的皮質厚度降低,抑制能力便會減弱 [1]。研究者發現,耳蟲現象發生時,IFG 的活動或許能夠抑制耳蟲出現 [1][8-9]。此外,耳蟲出現的頻率與大腦的前扣帶迴皮質(Anterior Cingulate Cortex, ACC) 厚度也有顯著的關聯,當耳蟲出現得越頻繁,ACC 的皮質厚度越薄 [1]。ACC 位置所在的大腦網絡區域,即使是大腦處於「非任務狀態」時,仍在進行各種思維活動 [1][10]。也就是說,在人們處於放空、發呆,甚至沉浸在白日夢中的時候,ACC 並不會休息停滯,反而呈現高度活躍的狀態。一項研究顯示,ACC 的皮質厚度與非任務狀態的思維活動比例有關 [11]。若將耳蟲視為一種非刻意但可感受到的意識活動,則 ACC 在耳蟲現象的神經機制中,可能扮演重要的角色。

有些人會對耳蟲感到困擾,而有些人則會擁有正向的情緒。 圖 / AI創建

對某些人而言,耳蟲能喚起愉快回憶,帶來正面影響;但對另一些人來說,強烈情緒反而可能使耳蟲成為困擾。先前已有研究指出,聆聽音樂時較容易產生正向情緒的人,其海馬旁迴(Parahippocampal Cortex, PHC)體積通常較大 [1][12], Farrugia 等人也進一步發現,認為耳蟲對自己有幫助的人,其 PHC 的灰質體積也相對較大。他們推測,PHC 灰質體積較大可能喚起與耳蟲相關的記憶,激發情緒,讓耳蟲產生較正向的作用。此外,右側顳極(Temporal Pole, TP)則被認為與情感處理相關 [1][13],若 TP 灰質體積較大,個體對情緒的刺激反應可能更為敏感,而這一類的人也較難抑制耳蟲經驗所連結到的負向情緒反應。這些結果顯示,大腦結構與功能互相影響,使每個人對於耳蟲的感受都有所不同。

那些「洗腦神曲」是怎麼來的?這些特徵是關鍵!

除了大腦結構與自身情感機制會使得耳蟲現象發生之外,歌曲本身的特徵也扮演了重要角色。根據研究,歌曲若具備某些特徵,會更容易引發耳蟲現象 [14],如下所示:

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  1. 節奏較快:INMI 歌曲的節奏通常比非 INMI 歌曲快,輕快的節奏更容易吸引注意力並留下記憶。
  2. 旋律輪廓常見:若旋律的起伏模式符合人們熟悉的音樂結構,更容易在腦中重播。
  3. 特殊旋律轉折:即使旋律不常見,只要具有獨特且引人注意的起伏變化,也可能成為耳蟲。
  4. 近期曝光與流行程度:最近聽過或正在流行的歌曲,更容易成為耳蟲。
經常聽的流行音樂,更容易引起耳蟲現象。圖 / freepik 

重複的旋律,能夠促進兒童語言發展嗎?

根據研究,使用兒歌作為教學素材,能有效提升 4 至 5 歲兒童的詞彙量,且兒童在理解與運用新詞彙方面皆有明顯進步 [15]。兒歌是兒童日常生活中最常接觸的音樂形式之一,而且具備了引來耳蟲的特性:旋律輕快、有節奏感,常見且具記憶點。若兒歌能透過耳蟲現象在兒童腦中自發性地重現,利用這種「非刻意但頻繁回想」的特性,或許能在自然語境中提供兒童額外的語言練習機會,使語言學習不僅僅是限於教學情境中,甚至能夠延伸至日常生活的潛意識層面。

研究也指出,透過兒歌進行學習,不僅能提升幼兒的詞彙量,亦能增強其語言學習的自信心,自我表達也會更為積極 [15]。因此,若能善用兒歌作為語言學習的媒介,並考量耳蟲現象可能帶來的記憶強化效果,也許有助於促進兒童在語言學習上的發展。

耳蟲現象,其實有跡可循

總而言之,當你腦中突然浮現一段旋律,反覆播放、揮之不去時,其實不必感到意外。這正是大腦運作與音樂特性交互作用的結果,是一種相當普遍且自然的現象。即使你沒有刻意記住某首歌,它仍可能在潛意識中悄悄留下痕跡。

所以下次當某首歌又悄悄佔據你的思緒時,不妨放鬆心情,靜靜欣賞它的旋律與節奏。你之所以忍不住想哼唱,並不是因為分心,而是因為這段旋律剛好觸發了大腦中的某個開關,也許還會勾起某些情緒或回憶呢!

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耳蟲,是音樂在我們腦海中留下的溫柔印記,時刻提醒著我們:大腦與音樂之間,總有著令人著迷的互動。

參考資料:

  1. Farrugia, N., Jakubowski, K., Cusack, R., & Stewart, L. (2015). Tunes stuck in your brain: The frequency and affective evaluation of involuntary musical imagery correlate with cortical structure. Consciousness and cognition35, 66-77.
  2. Liikkanen, L. A. (2008). Music in everymind: commonality of involuntary musical imagery. In 10th International Conference of Music Perception and Cognition. Sapporo, Japan, August 2008 (pp. 1-5).
  3. Beaman, C. P. (2018). The literary and recent scientific history of the earworm: A review and theoretical framework. Auditory Perception & Cognition1(1-2), 42-65.
  4. Beaman, C. P., & Williams, T. I. (2010). Earworms (stuck song syndrome): Towards a natural history of intrusive thoughts. British Journal of Psychology101(4), 637-653.
  5. Albouy, P., Mattout, J., Bouet, R., Maby, E., Sanchez, G., Aguera, P. E., … & Tillmann, B. (2013). Impaired pitch perception and memory in congenital amusia: the deficit starts in the auditory cortex. Brain136(5), 1639-1661.
  6. Hyde, K. L., & Peretz, I. (2004). Brains that are out of tune but in time. Psychological science15(5), 356-360.
  7. Hyde, K. L., Lerch, J. P., Zatorre, R. J., Griffiths, T. D., Evans, A. C., & Peretz, I. (2007). Cortical thickness in congenital amusia: when less is better than more. Journal of Neuroscience27(47), 13028-13032.
  8. Aron, A. R., Robbins, T. W., & Poldrack, R. A. (2004). Inhibition and the right inferior frontal cortex. Trends in cognitive sciences8(4), 170-177.
  9. Aron, A. R., Robbins, T. W., & Poldrack, R. A. (2014). Inhibition and the right inferior frontal cortex: one decade on. Trends in cognitive sciences18(4), 177-185.
  10. 廖泊喬。(2024/3/13)。DMN腦神經科學研究:好好躺平有助潛能發展。觀點同不同。取自:https://issues.ptsplus.tv/articles/7927/
  11. Bernhardt, B. C., Smallwood, J., Tusche, A., Ruby, F. J., Engen, H. G., Steinbeis, N., & Singer, T. (2014). Medial prefrontal and anterior cingulate cortical thickness predicts shared individual differences in self-generated thought and temporal discounting. Neuroimage, 90, 290-297.
  12. Koelsch, S., Skouras, S., & Jentschke, S. (2013). Neural correlates of emotional personality: A structural and functional magnetic resonance imaging study. PLoS One8(11), e77196.
  13. Royet, J. P., Zald, D., Versace, R., Costes, N., Lavenne, F., Koenig, O., & Gervais, R. (2000). Emotional responses to pleasant and unpleasant olfactory, visual, and auditory stimuli: a positron emission tomography study. Journal of Neuroscience20(20), 7752-7759.
  14. Jakubowski, K., Finkel, S., Stewart, L., & Müllensiefen, D. (2017). Dissecting an earworm: Melodic features and song popularity predict involuntary musical imagery. Psychology of Aesthetics, Creativity, and the Arts11(2), 122.
  15. Christina, Y., & Pujiarto, P. (2023). The Effectiveness of Nursery Rhymes Media to Improve English Vocabulary and Confidence of Children (4-5 Years) in Tutor Time Kindergarten. Journal of Education Research, 4(3), 1326-1333.
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雅文兒童聽語文教基金會_96
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當情緒像過山車?從亢奮到低落,解碼躁鬱症的真實面貌
PanSci_96
・2024/10/12 ・2253字 ・閱讀時間約 4 分鐘

躁鬱症(Bipolar Disorder),正式名稱為「雙向情緒疾患」或「雙極性情感障礙」,是一種讓患者的情緒不受控制地在極度亢奮和極度低落之間擺盪的精神疾病。這樣的情緒變化不僅僅是短暫的起伏,而是持續多天、甚至數週的狀態,對於患者的生活、關係和工作會造成重大影響。

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什麼是躁鬱症?

躁鬱症患者的情緒通常經歷兩個極端階段:躁期和鬱期。

在躁期,患者可能會感到無比的精力充沛、自信心爆棚,甚至會有過度樂觀和衝動的行為。然而,躁鬱症不僅僅是「情緒高漲」的表現,在躁期過後,患者往往會經歷嚴重的情緒低谷,進入所謂的鬱期。此時,他們會感到情緒低落、無力感、甚至有自我傷害的傾向。

近幾年大眾逐漸正視精神疾病的影響,許多名人也曾經公開分享他們的躁鬱症經歷,如歌手瑪麗亞.凱莉、演員小勞勃道尼。這些公眾人物的經歷讓我們看到了這種精神疾病的廣泛影響,以及如何對他們的創作、生活和心理造成衝擊。

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躁鬱症的分類與盛行率

根據跨國研究,不論種族、性別或地區,躁鬱症的盛行率約為 1%,這意味著每 100 人中就有一人可能經歷過躁鬱症的發作。如果將所有的亞型計算在內,終生盛行率甚至可能高達 2.4%。躁鬱症的發病年齡通常集中在 20 至 30 歲之間,超過 70% 的患者在 25 歲前就會出現早期症狀。

躁鬱症依照症狀的不同,還可以分為不同的亞型。最常見的分類是第一型和第二型。第一型躁鬱症的特徵是患者會經歷完整的躁期,通常會影響患者的日常功能,甚至需要住院治療。而第二型躁鬱症的躁期則相對較輕,稱為「輕躁期」,但鬱期仍然會對患者的生活造成嚴重影響。

躁鬱症根據症狀可分為不同亞型,最常見的是第一型和第二型。圖/envato

什麼是「躁期」和「鬱期」?

「躁期」和「鬱期」是躁鬱症的兩個主要特徵階段。

躁期: 許多人對「躁」字的理解常常會聯想到「暴躁」或「焦躁」,實際上躁鬱症的躁期,更多的是情緒高昂、亢奮的狀態。在輕躁期(Hypomania),患者會持續數天感到極度精力充沛,無論在工作還是生活中,表現得比平時更有自信和創造力。但問題是,這種情緒亢奮狀態不一定持續太久,躁期可能會逐漸惡化為狂躁期(Mania)。這時,患者的行為可能會變得極端,容易做出無法預測的決定,例如過度消費、縱情娛樂或進行不安全的行為。

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鬱期: 在鬱期,患者的情緒和行為完全反轉。他們會感到無精打采、情緒低落,對任何事物都提不起勁。這時候,患者的日常活動變得困難,注意力和記憶力也會大幅下降,甚至有自我傷害或自殺的傾向。

從外界看來,躁期似乎是一個非常「高能」的狀態,但實際上,躁鬱症的危險之處正在於它的不穩定性。躁鬱症患者在躁期中無法控制自己的情緒與行為,即使感覺自己處於高峰狀態,這樣的「興奮」很可能會導致衝動行為,如不理智的財務決策或人際衝突。

如何應對躁鬱症?

躁鬱症不僅僅是情緒的擺盪,同時也會對患者的生活產生影響:

  1. 無法控制的躁期時間:躁期的長度和強度不是患者能控制的,患者可能從精力充沛的狀態,轉變為難以收拾的混亂局面。
  2. 鬱期的危險性:在躁期過後,進入鬱期的患者常常因為自責或對前期行為的後悔,而陷入更深的低谷,這增加了自我傷害的風險。
  3. 生活質量下降:反覆發作的情緒擺盪讓患者難以享受生活,甚至對快樂的感受也會變得懷疑和恐懼。
  4. 人際關係受損:情緒極端的變化會讓患者難以建立穩定的人際關係,這對於長期支持系統的建立是巨大的挑戰。
  5. 大腦損傷:每次發作對大腦的損害都是不可逆的,長期下來,注意力、記憶力、甚至思考能力都會受到影響。

治療與日常應對方法

對於躁鬱症的治療,藥物和心理治療是兩個不可或缺的部分。穩定情緒的藥物,如鋰鹽,是控制躁鬱症的重要工具。鋰鹽自 20 世紀開始就被廣泛用於躁鬱症的治療,能有效減少躁鬱症的復發風險。如果患者正處於躁期,醫生還可能會使用抗精神病藥物來幫助控制症狀。

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除了藥物治療,心理治療同樣重要,特別是在症狀穩定後,透過心理治療,患者可以學習如何識別躁鬱症復發的早期徵兆,以及如何調適壓力和情緒。

心理治療可以幫助患者學習識別躁鬱症復發的早期徵兆,並有效調適壓力和情緒。圖/envato

如何支持身邊的躁鬱症患者?

身為躁鬱症患者的家人或朋友,了解如何在不同的情緒階段支持患者是關鍵。在躁期時,避免硬碰硬,而是試著將患者的注意力引導到安全的活動上;在鬱期時,提供非批評的陪伴,讓患者感受到被理解與支持。

躁鬱症是一種需要長期管理的疾病,但這並不意味著生活的希望就此消失。許多躁鬱症患者在接受治療後,依然能過著豐富充實的生活,並在自己的專業領域中發揮才華,擁有幸福的人生。

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