物理合成音樂

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。 

根據衛福部建議，我國成人每天應該飲用約1500至2000 c.c. 的水，但在日本與歐美許多國家，只要一打開水龍頭，就能馬上擁有一杯能喝下肚的水。臺灣自詡為科技大國，為什麼卻無法擁有讓人安心的 Tap water？

冤有頭債有主，造成我們不敢生飲水的最大原因，其實不在自來水廠。從自來水廠出來的自來水，早已去除水源中的化學有機污染物、有害重金屬及致病性微生物，完全符合「飲用水水質標準」。在非常嚴密的檢驗和監控下，照理來說，你我都能夠非常安心的直接飲用這些自來水。然而，就連對水質信心滿滿的自來水廠，也大力呼籲民眾「不要直接飲用自來水」，這是怎麼一回事？

從水廠到家裡的自來水會經過哪些污染源？

首先，是管線老舊。不只是老舊管線內壁會積聚沉澱物和生物膜，管線本身若有生鏽、腐蝕的情形，還會在水中增加的鐵鏽和金屬離子。

臺灣管線老舊的程度到底有多嚴重呢？根據台水公司108年的資料顯示，我國自來水管線長度超過6萬3千公里，其中超過48%的管線已經超過使用年限。再加上施工、地震、車輛超載等原因，使得管線容易破裂、漏水，進而影響水質。

除了管線品質外，蓄水池與水塔的清潔和維護也是影響自來水品質的重要因素。根據環境部指出，有高達7成以上的自來水污染事件，都是因為住戶疏忽清洗水塔的重要性，導致細菌和泥沙在儲水設施中繁衍和沉積。然而，超過45%的台灣民眾沒有定期清洗蓄水池和水塔的習慣。

這邊也要特別提醒，管線破損與蓄水池的污染，不只會讓飲用水再次受到重金屬與細菌的污染，更讓我們需要當心「新興污染物」的威脅。

什麼是「新興污染物」？

所謂新興污染物，指的是那些對環境有潛在威脅，但還沒有受到國家或國際法律廣泛監管的化學物質總稱。他們來自各種日常化工用品，並且透過城市、工業、家庭廢水進入河川與水體中。

根據聯合國環境署的說明，「符合新興污染物資格的化合物清單很長，而且越來越長」。這些污染物其實離我們並不遠，是我們周遭常見的物質，例如抗生素、止痛藥、消炎藥、類固醇和荷爾蒙等藥物類，驅蟲劑、微塑膠、防腐劑、殺蟲劑、除草劑等環境荷爾蒙類，還有工業化學類的界面活性劑、火焰阻燃劑、工業添加劑、汽油添加劑、PFAS、鐵氟龍等等。

其中的全氟及多氟烷基物質PFAS，因為耐腐蝕、抗高溫，在自然環境中幾乎無法分解，又被稱為「永久性化學物質」。容易在環境及人體內累積，具有生物累積和生物放大性。而且PFAS衍伸的化合物超過一萬種，在防水、防油的紙袋、紡織品、化妝品中都很常看到。

PFAS成員全氟辛酸PFOA在2023年，被聯合國的國際癌症研究機構IARC，從2B級「可能對人類致癌」提升為一級「充分證據顯示對人類致癌」。另一個成員全氟辛烷磺酸PFOS則列為2B級致癌物。而環境部也在2024年，更針對PFOA、PFOS訂定飲用水濃度指引值。

麻煩的是，這些新興污染物在都市中大多還未納入常規監測項目，我們對於他們對環境與人體的影響也還未全盤了解。甚至很多污染物，可能是十年前都還沒出現的。我們也不知道十年後，新興污染物的名單上，還會增加哪些名字。我們能做的事，就是盡量避免再避免。而徹底解決管線破損，與城市污水滲入蓄水池的可能性，我們才能避免這些新興污染物，進入到我們的飲用水中。

使用淨水器過濾，會是淨化水質更好的方法嗎？

淨水器比起單純加熱煮沸，裡面包含了許多科技結晶，確實可以一口氣解決所有問題。但相對的，材料的選用與設計，就會更直接影響水質的好壞。

例如今天要介紹的eSpring益之源淨水器Pro，裡面用的濾材，是很常聽見的「活性碳」。

活性碳的作用是「過濾」，就像麵粉通過篩網，可以篩掉較大的顆粒。活性碳的製備，很多來自木材、椰子殼等高碳含量的原料。在經過高溫碳化，並通過活化劑或化學藥劑處理之後，會形成多孔結構，這些不規則的微小孔隙可以有效過濾水中的污染物。然而，活性碳的作用遠不止如此！其實，活性碳的過濾原理是「吸附」雜質。

有研究透過光譜和密度泛函理論（DFT）分析顯示，活性碳表面的含氧官能團，如羧基（carboxyl groups）和酚基（phenol groups），能夠與鉛離子（Pb(II)）形成穩定的化合物，達到淨水的效果。這意味著活性碳能有效吸附和去除水中的重金屬，如鉛、銅、汞等重金屬，從而保證飲用水的安全性。

也就是說，活性碳不僅通過物理吸附去除水中的懸浮物和大分子，還可以通過化學吸附來處理更複雜的污染物。除了重金屬以外，眾多的有機物、臭味分子甚至是餘氯，也都在活性碳的守備範圍內。一篇發表在《Reviews in Chemical Engineering》的論文也指出，面對日益增加的新興污染物，活性碳也正是一種具有前景的選擇之一，尤其農藥、個人保健與衛生藥(PPCPs)以及內分泌干擾物質(EDC)與活性碳有很強的吸附性，能有效的過濾這些新興污染物。

更進一步，科學家們正在研究各種農業廢棄物和不同的活化方式。他們發現，透過不同的原料和活化方式，活性碳表面官能基和結構的差異可以提高對不同污染物的吸附能力。例如，當使用鷹嘴豆、甜菜甘蔗渣或咖啡渣作為前驅物時，這些活性碳材料展現出對銅離子、鉻離子、染料及其他重金屬和有機污染物的優異吸附能力。

接下來，如果你的淨水器功能只有過濾，能確保的只有有機物與重金屬的去除，細菌可能還是存在。

當我們談論淨水器的功能時，許多人誤以為只要經過過濾就能確保水質的安全。實際上，這樣的理解並不全面。如果淨水器的功能僅限於過濾，它能確保的只有去除水中的有機物質和重金屬，然而，過濾並不能消除所有細菌，因此水中的微生物仍然可能殘留。這就是為什麼，即便過濾器

之外，還需要強效殺菌來進一步保證水質。

紫外線是我們日常生活中常見且高效的殺菌工具，從居家用的烘碗機到手術室、圖書館的空氣或表面消毒，紫外線技術的應用無所不在。在淨水系統中，特別是UV-C 紫外線（波長範圍100-280nm）被證明能夠有效殺滅水中的微生物。許多先進的淨水器配備 UV-C LED ，這種燈能夠針對細菌、病毒進行消毒。

怎樣算是一個合格的淨水器？

美國國家衛生基金會（NSF）制定了一系列針對淨水器的性能、安全性和耐用性的標準，稱為NSF/ANSI標準。

針對台灣飲用水可能遇到的問題：細菌、重金屬、新興污染物、餘氯，各有專門的訂定標準。

eSpring益之源淨水器Pro通過的第一跟二項標準是NSF/ANSI 53和401標準，53項針對的是健康相關的污染物，包含重金屬如鉛、銅、汞等有害金屬離子，還包括一些有機污染物如揮發性有機化合物（VOCs）。401項則是針對來自農藥、藥物等新興的有機污染物，因為在傳統的水處理過程中難以去除，因此特別訂定。

第三項，則是針對UV-C LED紫外線滅菌艙殺菌效果的NSF/ANSI 55標準。這個標準不僅規定了紫外線強度，還包括了水流量和微生物減少效果的測試與持久性，確保淨水器具有足夠的殺菌消毒能力。根據實驗數據，UV-C  LED紫外線能夠有效消滅高達99.9999% 的細菌，99.99% 的病毒，以及99.9% 的囊胞菌，為飲用水提供極高的安全保障。

最後一項標準是NSF/ANSI 42，他針對的餘氯和其他會影響味道與氣味的雜質。也就是像eSpring益之源淨水器Pro有通過第42項標準的，在確保飲用安全的標準之上，還能讓你的水更好喝哦。

這邊也要補充，除了第42、53、以及401項規定的標準，eSpring益之源淨水器Pro還請NSF做了標準之外的各項過濾性能檢測，總共有超過170種污染物的過濾符合標準，包含各種化學物質、重金屬、生物性、農藥、藥物、甚至是近年大家關注的石綿、氡氣與塑膠微粒，都在可被有效過濾的列表之中。這真的很重要，如同一開始我們講的，隨著工業文明的發展，新興污染物的名單只會越來越長而不會減少，多做幾項檢測，絕對是更安心的。如果你的淨水器已經用了很久，但擔心新興污染物沒有在獵捕名單內，可以考慮換成有通過更高標準的淨水器哦。

另外，一些品牌雖然也有NSF認證，但很多都只有零件認證。eSpring益之源淨水器Pro不只針對濾心，還通過「全機認證」，確保從淨水器流出來的每一滴水都符合標準。

進一步了解商品： eSpring益之源淨水器Pro

參考資料:

• 環境部因應全氟化合物(PFAS)管制趨勢，預告修正飲用水水質標準，確保飲用水安全及品質
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林俊傑《江南》：「相信愛一天，抵過永遠，在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久？這出自佛經的時間單位有多個解讀，其中最短，可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢？ 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒，是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間，別說是談戀愛了，連世界上行動最快的光，也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡，連光都得停下腳步，過去我們認為捉摸不定的電子，也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎，正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域，探索全新世界的科學家。而這項技術，還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍！

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧，領域展開！

什麼是阿秒脈衝雷射？

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ，表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

所謂的阿秒脈衝雷射，指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標，就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照，能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎，就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後，雷射領域再次得獎，但這次是更快的阿秒雷射，能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此？看見電子能帶來什麼突破？

為什麼看見電子的運動那麼重要呢？我們複習一下原子的基本構造，在原子核之外，帶有微小負電荷的電子，被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置，而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方，也就是所謂的電子雲。

雖然電子的體積比原子核小很多，但電子雲的範圍，卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中，真正和其他原子產生交互作用的，幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中，當男女主角手心貼著手心，奧本海默這時卻說：「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此，因為我們觸摸到的物體，都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

對了，這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講，一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手，不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質，各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說，電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像，如果我們能看見電子，甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術，我們能真正成為材料的創世神，許多不可能都將化為可能，是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難？

但要操縱電子可不是什麼簡單的事，不只是因為電子非常小，更重要的是他們動得非常快。具體來說，電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒，也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺，速度等於距離除以週期，換算下來，電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動，就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級，否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣，只能拍到一團糊糊的影像，而沒辦法分出勝負。

可是，在 1980 年代，脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右，還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化，已經沒辦法再縮短脈衝時間了，因此這時候，就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝？

首先，要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想，我們在拍照時，想要讓曝光時間更短，要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光，而是調快快門的開闔速度，讓光一段一段進入感光元件中，變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號，就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射，一直以來在做的都是同一件事，在整體輸出功率不變的情況下，讓每一次脈衝的持續時間更短，同時單一次的功率也會更高。簡單來說，就是要從無數次的普通攻擊，變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢？光和其他波動一樣，可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起，波峰和波谷會抵消，波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光，就可以在整體總能量不變的情況下，產生一個超級窄的波峰，其他地方全部抵銷。

1987 年，本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現，當紅外線雷射穿過惰性氣體時，氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光，而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍，從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光，就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了，真的有那麼簡單嗎？

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中，當一道強度夠強的雷射通過氣體原子，原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在，但此時，在電子的大小尺度下，量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象，穿過這道束縛，暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹，我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

但電子還來不及逃遠，雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰，不是指能量的高和低，而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下，不幸的電子被推回原子核附近，再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後，電子並非一無所獲，他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射，因此電子放出的光波長，也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些，你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後，一口氣釋放這些能量，所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代，科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下，利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法，分離出 650 阿秒的脈衝。

最後，獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後，我們的世界將迎來哪些變化呢？

阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊，有在關注諾貝爾獎都知道，諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究，前面講的研究，實際上都已經是二十多年前的往事了，而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀，正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗，成為非常普及的實驗技術，而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然，今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外，有興趣的話，別忘了點擊下方影片，看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多，阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢？當然，它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質，但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上，阿秒雷射可以用來做什麼？

在過去這二十年，許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

舉例來說，在醫療方面，阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子，讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長，分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起，造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣，能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合，成為個人化的健康狀態報表，或是做為診斷的依據，將精準醫療提升到全新的層次。

不只如此，發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關，不斷的開開關關去發送一跟零的訊號，所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體，工作頻率通常不超過上百 GHz ，在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後，就有科學家想到：既然雷射脈衝的速度更快，那不如就別用半導體了，改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體（Optical Transistor）。

今年初，亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝，來開關電流並傳送一與零的位元，這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快，或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解，阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明，讓人們看見那些最遠和最小的事物，超快脈衝用最快的時間解析度，讓我們看到許多人類從未看過的景象。

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參考資料

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• Announcement of the 2023 Nobel Prize …  
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• https://www.nature.com/articles/d4158…
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• https://www.attoworld.de/news/cover-s…
• https://www.attoworld.de/bird/our-res…

• 文／樊家欣｜雅文基金會聽語科學研究中心　助理研究員 

P. LEAGUE 最大咖球星林書豪加盟鋼鐵人隊，帶領鋼鐵人打出新氣象，並獲選為籃球單月最有價值球員「三連霸」，堪稱史上第一人！你，也愛打籃球嗎？當你在體育館時，是否有察覺到周圍的聲音跟平常不太一樣呢？ 

迴響，能讓聲音隔空變魔術！

體育館一般有挑高的設計以及較大的室內容積，當其中有聲音產生，傳遞到周圍較硬的介質表面「反射」回來，而產生延遲和失真的現象，稱為「迴響（Reverberation）」。由於空間容積與迴響時間成正比，空間越大，迴響時間隨之延長。沒有進行吸音處理的體育館，運球聲、腳步聲、群眾吆喝聲等人造聲音將迴盪在空間中，聲音必須經過更長的時間才會完全消失，使人在體育館倍感喧騰。

善用設計，打造餘音繞樑的迴響聲學空間 

迴響在不同的空間，會因周圍反射的材質，展現不同的聲景樣貌，例如：音樂廳就是利用各種不同的「形狀」和「材質」來平衡聲音，再將之導向聽眾。

早期音樂廳的「形狀」只有鞋盒式，台北國家音樂廳就是歐洲數百年經典傳統鞋盒式音樂廳，平面觀眾席的聲響很好，但是後面的眺望台座位，由於天花板空間被擋住，與前面造成相異聲場，聲音就顯得不夠飽滿；而高雄衛武營音樂廳，其內部設計柏林愛樂廳一樣，採用的是葡萄園式音響設計，所有觀眾皆處在同一個屋簷下，觀眾席如同葡萄園般由舞台四周錯落展開，享受相同的音場，因此聲響均等優美。

從細部來看，「材質」平坦而堅硬的表面能反彈聲音、柔軟的表面可吸收聲音，粗糙的表面則會將入射的聲波散射。在牆壁和天花板上裝設經特別設計的嵌板，就能使聲音在抵達你的耳朵之前，先被調整並優化^[3]。藉由空間整體的設計，能讓迴響成為小精靈，締造優美的聲學空間。

迴響時間過長，對聆聽語音是個壞消息⋯⋯

美國國家標準協會（American National Standards Institutes, ANSI）於 2002 年建議迴響時間（Reverberation Time）少於 600 毫秒（= 0.6 秒）有最佳的語音理解和學習。在安靜的情境中，如果反射回來的語音較早抵達聽者的耳朵，則原聲和迴響會在聽覺系統裡整合，可能提升語音辨識度（Speech Recognition）；而較晚抵達的迴響，則不會與原聲有加成的作用，反而會遮蔽或模糊原本的聲音，而使語音辨識表現下降。除了語音辨識度之外，也可能因聲音的失真，而使聆聽變得費力。

聆聽費力度（Listening Effort）為一更敏感的指標，在一些迴響時間過長的情境中，即使語音辨識度沒有下降，但聆聽者可能因著迴響，而使聆聽造成負擔，或進一步使記憶或理解力下降^[5]，相關文章可以參考連結。因此，迴響時間過長，會提高語音辨識的難度和增加聆聽費力度。

善用科技，讓聽損者輕鬆聽清楚

一般人在有迴響的地方聽講可能會覺得比較不清楚或費力，而對於有聽力損失的人來說，會更容易受到迴響的不利影響^{[4] [6]}。因此，許多配戴助聽器或人工電子耳的聽損者，在聽講或聲音環境較為複雜的地方會搭配使用輔助聆聽裝置（Assistive Listening Device），如Ｔ線圈（Telecoil，又稱 T-coil）、藍芽及數位遠端麥克風等。此類裝置可將聲音訊號轉換，以無線的方式傳輸至助聽器／人工電子耳，來克服環境中迴響的干擾或距離因素，幫助聽損者聽得更清楚也更輕鬆^{[1] [2]}，相關文章也可參考連結。

綜言之，迴響在不同的聲學空間會產生不同的效應：在設計不良的空間會產生聽覺上的干擾，而在好的聲學空間則能使聆聽成為一種享受；另外，藉著輔助聆聽裝置也能幫助我們克服迴響等外部因素而有好的聆聽！

參考文獻

1. 吳彥玢（2019）。助聽器使用者使用數位遠端無線麥克風系統與動態調頻系統之比較〔未出版之碩士論文〕。國立台北護理健康大學語言治療與聽力研究所。
2. 林郡儀、張秀雯（2016）。校園聽覺環境及聽覺輔具之應用發展。輔具之友，39，29-34。
3. 凌美雪（2018年08月14日）。鞋盒式或葡萄園式、柏林愛樂黃金之音怎麼聽？自由時報。ltn.com.tw。
4. Brennan, M. A., McCreery, R. W., Massey, J. (2021). Influence of Audibility and Distortion on Recognition of Reverberant Speech for Children and Adults with Hearing Aid Amplification. Journal of the American Academy of Audiology, 33, 170-180. Doi: 10.1055/a-1678-3381.
5. Picou, E. M., Gordon, J., Ricketts, T. A. (2016). The Effects of Noise and Reverberation on Listening Effort in Adults With Normal Hearing. Ear and Hearing,37(1), 1-13. Doi: 10.1097/AUD.0000000000000222.
6. Xu, L., Luo, J., Xie, D., Chao, X., Wang, R., Zahorik, P., Luo, X. (2022). Reverberation Degrades Pitch Perception but Not Mandarin Tone and Vowel Recognition of Cochlear Implant Users. Ear and Hearing, 43(4), 1139-1150. Doi: 10.1097/AUD.0000000000001173.