野放過後，關心小熊的你可能還想知道……——《小熊回家：南安小熊教我們的事》

埃米爾．貝利納（Emil Berliner），1851 年 5 月 20 日至 1929 年 8 月 3 日。

如果你是一位古典音樂發燒友，那麼一定聽過德意志唱片公司的鼎鼎大名。這家公司成立於 1898 年，是世界上最早的古典音樂廠商，它的創始人正是唱盤留聲機的發明者——埃米爾．貝利納。貝利納是出色的發明家兼企業家，是當之無愧的「唱片之父」。到目前為止，世界最知名的幾大唱片商標幾乎都與他有關聯。

愛迪生是個具有商業頭腦的發明家，他很在意一項發明的商業前景，因此根本不會花精力去推廣那個音質不太好、用幾次就壞的留聲機。這和他大力推廣照明系統形成了鮮明的對比。

不過，在研究錄音和揚聲裝置的過程中，愛迪生不斷改進揚聲器的語音品質，並將很多的專利授權給了做電話的貝爾。雖然貝爾對留聲機比較感興趣，也改進過愛迪生發明的留聲機，但效果也不是十分理想。

延伸閱讀：愛迪生誕辰｜科學史上的今天：2/11

要製造出一種實用的、大家真正願意購買的留聲機，就需要搞清楚聲音中到底包含了哪些資訊，然後將它們不失真地記錄下來；同時，還需要把記錄下來的聲音資訊大量複製，賣給大眾。

早在十七世紀，伽利略就發現聲音和振動相關，這種機械振動在空氣中以波的形式傳播，傳入我們的耳朵，就是聲音。振動的頻率越高，我們聽到的聲音就越高，人們甚至可以通過調整琴弦振動的頻率，發出不同的音高。但是人們並不知道為什麼每個語音聽起來都不一樣，為什麼 a 聽起來是 a，不會是 o。到了十九世紀初，法國數學家和流體力學家傅立葉（Jean Baptiste Joseph Fourier）發明了傅立葉轉換，它可以將任何波動信號變成很多單一頻率的波動信號（正弦波）的組合。

延伸閱讀：無所不能的傅立葉轉換：傅立葉誕辰｜科學史上的今天：3/21

這其實揭示了各種複雜聲音的本質，就是各種單一頻率聲音的組合。a 的聲音和 o 的聲音裡面都包含了很多相同頻率的波動信號，但是它們的組合方式不同。a 在某個頻率上音量特別大，而在另外一些頻率音量特別小；相反的，o 在另外一些頻率上音量比較大，因此它們聽起來並不相同。

要想清晰完整記錄聲音的資訊，記錄聲音振動的儀器就需要足夠精確地把不同頻率聲音的變化都記錄下來。同樣的，要想讓揚聲器播放的聲音十分逼真，就需要它振動的頻率範圍和人發音的頻率範圍一致。愛迪生其實僅解決了第二個問題，但是沒能很好地解決第一個問題，即他不能準確地把這種頻率的聲音都記錄下來。

解決第一個問題的，是美籍德裔發明家貝利納（Emile Berliner）。一八七○年，十九歲的貝利納為了躲避普法戰爭，隨著父母全家移民到了美國。貝利納剛到美國時做的是收入最低的工作，包括洗碗和送報。但是出於對發明的興趣，他很快就在電話和留聲設備研發方面嶄露頭角。他改進了電話話筒，並因此獲得專利。這個專利被貝爾買走，隨後他也就順理成章成為貝爾電話公司的一名工程師。

一八八六年，貝利納開始研究留聲機。他把一個圓盤均勻塗上石蠟，然後用一根針在石蠟上記錄聲音的振動。由於圓盤的旋轉比圓筒要穩定許多，而且堅硬的細針在石蠟上劃過時，可以準確記錄下各種頻率聲音振動時的細節，因此從一開始，貝利納研製的留聲機的聲音品質就比愛迪生的好很多。更重要的是，圓盤很容易生產，這種留聲機記錄聲音的材料成本要比愛迪生的低得多。

愛迪生是一個在發明權方面從不讓步的人。他和貝利納打了一場曠日持久的官司，最終獲勝。然而，他的那種圓筒式留聲機雖然後來也改進了聲音品質，但實在不便於普及，很快就在市場上消失了。

在和愛迪生打官司期間，貝利納在柏林開辦了一家唱片公司，這就是著名的「德意志留聲機公司」（Deutsche Gramophone）。直到今天這家公司的黃色商標，依然被音樂發燒友視為唱片高品質的象徵。

貝利納還發明了一種大量複製唱片的方法。他在圓形鋅片上塗上石蠟，在錄音時，聲音振動控制的錄音針就會劃去鋅片上的石蠟，然後將鋅片用酸腐蝕，被劃掉石蠟的部分就會被腐蝕出聲道。這樣就得到了唱片的母盤，之後就能大量地複製唱片了，唱片的成本低到工薪階層的家庭完全能夠支付得起。

進入二十世紀，馬可尼在無線電報上的成功讓一些發明家開始嘗試使用無線電傳輸語音和音樂信號。人們將聲音的頻率和振幅載入到固定頻率的無線電波上，並隨著無線電波一同被發送到遠方。在接收端，接收機再將聲音信號從無線電波中分離出來。

一九○六年十二月，美國發明家和企業家費森登（Reginald Fessenden）開始了無線電廣播業務，播放音樂和一些音訊節目。但是由於沒有很好的接收機，這種廣播失真嚴重，而且一台接收機只能接收很低頻率的信號，因此也無法普及。

人們在進行無線電廣播時認識到，在資訊傳輸中存在一個必須解決的大問題，那就是信號的失真和被干擾。雖然在進行有線傳輸或者無線電報發送時，資訊失真的問題也普遍存在，但是大家對它的認識只局限於信號「足夠好」或者「不太好」。如果是前一種情況，大家就認為此時能夠進行通信；如果是後一種情況，大家就認為此時通信中斷了。

但是到了無線電廣播時，人們發現，儘管收到的語音能夠辨識，但是和說話人的語音聽起來完全不同。至於干擾，有線通信是不容易被干擾的，因為每個設備之間都有自己專用的線路；但是無線通訊則不同，電磁波在經過大氣時，會被自然界本身的電磁波干擾，接收到的信號中混有大量雜訊，有時雜訊甚至比信號還強，以至無法準確辨識信號。

那時還沒有關於資訊失真和雜訊的理論，我們今天常說的失真率、信噪比，都是在資訊理論出來之後才被普遍接受的概念。當時的工程師只能靠摸索來消除失真和雜訊的影響，但是效果並不理想。

這種情況在兩個發明出現之後才得到有效的改善：一是一九○七年美國科學家德福里斯特（Lee de Forest）發明了電子三極管；二是一九一七年法國發明家萊維（Lucien Lévy）提出了超外差式接收原理。之後，馬可尼及時將業務轉移到無線電廣播上來，他在英美等國迅速建立起無線電臺，並在全世界銷售收音機。

一九二○年六月，英國馬可尼公司利用廣播轉播了音樂會的盛況。同年，美國西屋電氣公司的廣播站利用廣播報導了總統選舉的情況。

留聲機和無線電廣播的出現大幅度豐富了人們的生活，大眾可以藉由它們欣賞高水準的音樂和文藝節目，同時，人們獲取資訊的方式也從閱讀報刊書籍逐漸變為聽廣播。當然，人類也從此開始記錄文字以外的資訊。

今天，我們能夠聽到邱吉爾在二戰時的精彩演說，以及馬丁．路德在半個世紀前呼籲人權平等的聲音。那些聲音所傳達給人們的資訊，不僅包括演說的內容，還有他們豐富的情感，這是在留聲機出現前人們完全無法想像的。

當然，對人類來說，更豐富的資訊是在圖片中。

——本文摘自《資訊大歷史：人類如何消除對未知的不確定》，2022 年 6 月，漫遊者文化，未經同意請勿轉載。

為什麼無人機飛得起來？

不管是載人的直升機，還是無人機，飛起來的原因都相同。轉子可帶動螺旋槳旋轉，使螺旋槳上下的氣壓產生差異。當螺旋槳上方的氣壓比下方的氣壓低，就會有一股拉力將螺旋槳往上拉（升力，將物體垂直向上拉升的力量），如此一來便能讓機體上升。

再來，同時使用多個螺旋槳，並分別調整各螺旋槳的轉速，就可以讓無人機自由上升 / 下降、前進 / 後退、左 / 右移動。事實上，仔細觀察飛行中的無人機螺旋槳，會發現相鄰的螺旋槳旋轉方向剛好相反。

想讓無人機前進時，會讓機體前方下傾。左右移動時也一樣，會讓前進方向的機體部份下傾。只要讓其中一側的螺旋槳轉速下降，就可以讓那一側的機體下傾，往那個方向移動。如果要讓四軸無人機旋轉，則需讓其中一條對角線上的螺旋槳轉速降低。

無人機的運動機制

無人機需靠轉子（馬達）轉動螺旋槳才能移動。大疆 Phantom 系列的多軸無人機所搭載的馬達，是所謂的無刷馬達（brushless motor）。

無刷馬達顧名思義，就是沒有電刷的馬達。相對的，學校自然科課程中提到的電刷馬達則是需要讓電刷與整流子持續摩擦旋轉，使用時會逐漸磨損。無刷馬達則是透過特殊電路驅動其旋轉，可以減輕維護的負擔。而且，無刷馬達可以透過名為 Hall IC 的磁場感應器持續監測馬達狀態，故可穩定控制其速度，當發生馬達負荷過重、線路接觸不良、斷線等異常狀況，可以馬上停止馬達運作，並發出警告訊號，以提高無人機的安全性。其他還有速度可控範圍廣、均勻扭矩（flat torque）、高功率等優點。

另外，將訊號送至轉子的零件叫做 ESC（Electric Speed Controller）。也可以說，ESC 就是控制轉子旋轉速度的零件。原則上，無人機搭載的 ESC 數量會與轉子數量相同。

ESC 的輸出端有三條電線，電流可控制轉子的旋轉。隨著轉子位置的不同，ESC 會輸出不同方向、不同大小的電流，使轉子能夠持續旋轉。也就是說，無刷馬達中的 ESC，扮演著一般馬達中整流子及電刷的角色。

相對的，ESC 的輸入端也有三條電線，分別是連接到電源正負極的電源線，以及從 FC（Flight Controller）接收訊號的訊號線。其中，FC 會蒐集來自陀螺儀感應器、加速度感應器、氣壓感應器、超音波感應器、磁場方位感應器、GPS 等裝置的資訊，以控制機體的行動。

無人機的感應器

• 陀螺儀感應器與加速度感應器

陀螺儀感應器可以計算機體傾斜的角度，是穩定機體時不可或缺的感應器。相對的，與陀螺儀感應器十分相似的加速度感應器，則用於檢測速度。陀螺儀感應器與加速度感應器的組合，可以同時計算「傾斜狀況」與「速度」兩者的變化量，並控制機體往傾斜方向的反方向拉回，保持機體平衡，懸停於空中。簡單來說，陀螺儀感應器與加速度感應器就是能夠保持無人機姿態平衡的重點感應器。

• 氣壓感應器與超音波感應器

高度越高時，氣壓感應器會測到越低的氣壓，故無人機可參考氣壓數字，以維持在特定高度。不過畢竟這只能用來偵測氣壓，要是遇到陣風或其他原因造成的氣壓變化，就有可能會失去功能。

超音波感應器可以利用超音波的回聲來感應自身高度。在無人機起飛或降落時，如果位於地表附近的無人機沒辦法透過氣壓感應器蒐集到足夠的高度資訊，就會用到超音波感應器。在高空使用氣壓感應器，在地表附近使用超音波感應器，兩種感應器的組合搭配，便可讓無人機在每個高度區間都能維持一定高度。

• 磁場方位感應器與 IMU

磁場方位感應器有時也直接稱做羅盤，可感應地球的磁場（地磁），藉此瞭解無人機目前朝向東西南北哪個方向。不過，地磁的北邊（磁北）與地圖的北邊有一定差異，即磁偏角。而且隨著時間與地點的不同，磁偏角也不大一樣。舉例來說，札幌的磁北比地圖北邊往西偏了 9°，那霸卻只偏了 5°（參考自日本國土地理院網站）。因此，若換一個地方飛無人機，就需進行「羅盤校正」，重新確認磁場感應器所指示的北方，與實際北方間的差異。

• IMU

GPS 是全球衛星導航系統（GNSS：Global Navigation Satellite System）的一種，是美國的衛星系統。就像汽車的導航系統與智慧型手機的位置資訊服務一樣，無人機可接收 GPS 的電波，藉此判斷自身所在位置，並設定好飛行路線的經緯度自動飛行，或是可以懸停在某個固定位置。這就是所謂的「衛星定位系統」，用於戶外飛行的無人機多會裝設相關的電波收訊器。不過，就像汽車在進入隧道後，導航系統會失效一樣，無人機使用 GPS 時也有可能會突然收不到訊號。因此，為了維持無人機的安全飛航，操控者需隨時注意 GPS 電波的接收狀況。

另外，包括 Phantom 在內的某些多軸無人機，不僅會接收 GPS 訊號，也會同時接收俄羅斯衛星系統 GLONASS 的訊號，偵測機體本身的位置。

這些控制機體姿態的感應器通稱為 IMU（慣性測量單元：Inertial Measurement Unit）。

當出現「IMU 錯誤訊息」「機體不穩定」「羅盤方向不對」「穩定器傾斜」等狀況，就需進行「IMU 校正」。請養成攝影前以及在他處飛行前，一定要進行 IMU 校正的習慣。

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《接棒福三，福衛七號讓天氣預報更準確！》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

2019 年 6 月 25 日，福爾摩沙衛星七號（簡稱福衛七號）在國人的引頸期盼下升空。一年多來（編按：以原文文章發佈時間計算），儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道，但已經回傳許多資料，這些資料對於天氣預報的精進，帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題，就是福衛七號傳回的資料，對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻，得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星，軌道高度 700~800 公里，以 72 度的傾角繞著地球運轉（繞行軌道與赤道夾角為 72 度）。這些衛星提供氣象資訊的方式，是接收更高軌道（約 20,200 公里）的 GPS 衛星所放出的電波，這些電波在行進到氣象衛星的路程中，會從太空進入大氣，並產生偏折，再由氣象衛星接收。換句話說，氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的，而是因為大氣的折射，產生了偏折，藉由偏折角可推得大氣資訊。

氣象衛星會一邊移動，一邊持續接收電波，直到接收不到為止，在這段過程中，電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣，逐漸變為最底層、最接近地面的大氣，科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角，通過計算回推出折射率，而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ，因此可再藉由每個高度的大氣折射率，得出溫濕度垂直分布，這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料，可以納入數值預報模式，進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時，必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式，可以模擬任何一個位置的氣塊的運動，但是因為大氣環境非常複雜，模擬時不可能納入全部的動力條件，因此模擬結果不一定正確。而另一方面，掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊，楊舒芝形容：「觀測就像拿著照相機拍照，不管什麼動力方程式，拍到什麼就是什麼。」但是，觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置，我們才會有觀測資料。

所以，我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料，另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者，找到一個最具代表性的大氣初始分析場，再以這個分析場為起點，去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係，因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時，帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響，做了許多模擬與研究，發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑，以及豪大雨的降雨區域及雨量等，納入福衛三號的掩星觀測資料，都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明，由於颱風都是在海面上生成的，而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料，相較於一般位於陸地上的觀測站，更能夠取得海上大氣資料，因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面，這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境，例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確，那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究，加入福衛三號的掩星觀測資料，平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里，相當於改進了 5％。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊，還需要風場資訊的協助，楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例，一般來說豪大雨都發生在山區，但這次的豪大雨卻集中在海岸邊，而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式，楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休，福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星，不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉，取得的資料點分布比較均勻，高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下，福衛七號的傾角只有 24 度，它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間，對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說，密集度更高；加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星，還增加了俄國的 GLONASS 衛星，這些因素使得在低緯度地區，福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍，每天可達 4,000 筆。

另一方面，福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進，可以獲得更低層的大氣資料，而因為水氣主要都集中在低層，所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號，其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化，而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時，最直接觀測到的數據，相較之下，折射率是計算出來的，就像加工過的產品，一定有誤差。因此，近來各國學者在做數值模擬時，愈來愈多都是直接納入偏折角，而不採用折射率。黃清勇解釋：「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度，也會增加運算所需的時間，而預報又是得追著時間跑的工作，因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步，因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道，不過這一年多來的掩星觀測資料，已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報，準確度提升了 4~10％；陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例，成功地利用福衛七號的掩星觀測資料，模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號，還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星，預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波，然後推估風速。可以想見，一旦有了獵風者的加入，我們對大氣環境的掌握度勢必更好，對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧！