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分貝越高聽起來就越大聲?——淺談「等響曲線」,揭開聽覺感知的神秘面紗!

雅文兒童聽語文教基金會_96
・2021/10/13 ・2964字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 文/邱彥哲|雅文基金會聽語科學研究中心助理

馬路旁停著一台沒有熄火、引擎正在運轉的車,另一側站著一位警察,正在吹哨指揮交通。你覺得哪個聲音「聽起來」比較清楚呢?你會發現,高亢的哨音比較大聲,而且清楚;而低沉的引擎聲,似乎又小聲又模糊。雖然這只是舉例,卻也是我們的生活經歷。想知道背後的原因嗎?請繼續看下去,讓我們一起揭開聽覺感知的神秘面紗。

街道上充斥各種聲音,有些聲音特別清楚,有些則十分模糊。圖/GoodFon

你真的知道「聲音」是什麼嗎?

在認識聽覺感知之前,我們要先從聲音本質講起。我們都知道,以物理的角度來說,聲音是一種振動能量。物體藉由重複性的移動產生振動,振動影響周圍介質(一般來說是空氣),介質粒子會因疏密變化而產生壓力,最後形成波的型態,將能量傳遞出去。聲波振動有兩種性質:一個是頻率(Frequency),也就是一秒內振動的次數,以赫茲(Hertz, Hz)作為單位;另一個是音強(Intensity),與聲波的振幅有關,也可以說是振動產生的氣壓大小,專業上會以「力」的單位「每平方公尺多少牛頓(Newton, N; N/m2)」來標示。

然而,直接使用牛頓標示音強,數值範圍會過大,也較不直觀,所以通常會將此數值轉換為我們常見的「分貝」(decibels, dB)來表示。在這裡,我們只要知道分貝數大小表示聲音物理上的強度就可以了。讀到這行,強烈的睡意是否已經襲來?先等等!聲音還有你不為人知的一面。

分貝比較大,聽起來卻比較小聲?

換個角度,從人類感知的面向來講,上述物理現象,其實可以對應到我們常說的「音高」跟「音量」:頻率對應音高,通常頻率越高,音高越高;音強對應音量,通常音強越大,音量越大。但是,上面說的只是「通常」的情況。實際上,事情不是我們想的那麼簡單。

我們可以把人類的感知能力當作一面濾鏡,當外界刺激進入感知範圍後,事物的邏輯就可能會產生新的樣貌。拿前面的「音量」來說,並不是在所有情況下,音強大的聲音,聽起來就真的比較大聲;因為聲音還同時有頻率的性質,所以在感知音量時,也會受到頻率的影響。

咦?也就是說,一個音強比較大的聲音,聽起來可能會比較小聲嗎?沒錯!同樣音強,但不同頻率的聲音,就聽覺感受來說,音量聽起來確實可能會不一樣。那麼,人類感知音量的全貌,究竟是什麼樣子呢?

音量感知的秘密──等響曲線

首次針對這類議題探討的,是物理學家 Fletcher 及 Munson (1993)。他們研究的背景是在 1933 年。當時,對於音量大小的描述,還停留在使用樂理強弱符號(如:p, piano, 表示「弱」; f, forte, 表示「強」)的相對概念。他們意識到,即使都用「強」來描述某個聲音,大家的感受卻不盡相同。於是他們進行實驗,運用數學方法,繪製出一張曲線圖,被後人稱為弗萊徹–蒙森曲線(Fletcher–Munson Curves),也就是「等響曲線(Equal-Loudness Curves)」的概念原型。

這張圖被後來的研究者不斷修正,直到 2003 年,國際標準化組織(International Organization for Standardization, 簡稱 ISO)發表最新版本「ISO 226:2003」。有了這張圖,音量感知的秘密就昭然若揭了──等響曲線堪稱人類音量感知的「鳥瞰圖」!

ISO 226:2003 等響曲線圖。橫軸為頻率(K 表示千倍),縱軸為分貝數。藍色曲線為舊版本之 40 方曲線,紅色曲線為最新修正版本。圖/ Wikipedia

心理感受的「音量」 ≠ 物理實際的「音強」

看不懂這張圖嗎?沒關係,且讓我娓娓道來。在此之前,我們要先了解「響度」的概念。在心理聲學領域,研究者會使用響度來表示我們一般所說的音量,並以方(Phon)」作為響度的單位。方是什麼呢?簡單來講,就是一個聲音以 1,000 赫茲純音為參考音的主觀音量大小(Howard & Angus, 2017)。舉例來說,40 方表示 1,000 赫茲的純音,以音強 40 分貝播放時,所聽起來的音量大小;若是 60 方的話,則是 1,000 赫茲純音,以音強 60 分貝播放時,所聽起來的音量大小。

有了響度的概念,我們回頭看圖,會發現在等響曲線圖中,40 方的曲線從 1,000 赫茲往低頻區間延伸時,分貝數會逐漸上升。這就是說,如果兩個聲音要聽起來一樣大聲(響度/音量),100 赫茲聲音的分貝數(音強)需要比 1,000 赫茲來得大才有辦法。換個角度解釋,物理上同樣是 60 分貝(音強)的聲音,在 100 赫茲上,我們聽起來差不多僅是 40 方響度(音量)的聲音大小,但在 1,000 赫茲時,聽起來卻會更大聲。

聽起來是不是有點複雜呢?其實,你只要記住以下兩點即可:

  1. 等響曲線圖中,同一曲線所經之處,聲音響度/音量(聽起來)都是相等的。
  2. 人類音量感知對 1,000 赫茲附近的頻率特別敏感(聽起來特別大聲)。

現在,你知道為什麼低頻引擎聲會聽起來那麼模糊了吧?這時候你可能會說:「喔,我知道了。但這跟我有什麼關係呢?」有的,這和你荷包的關係可大了!

等響曲線的日常應用──聲音照相

你知道政府已經在 2021 年開始進行「聲音照相」(張雄風,2020)執法了嗎?所謂「聲音照相」,是指行經規定路段的車輛,如果超過指定分貝,就會被裝有噪音計的「聲音照相機」紀錄下來,進行開罰。你可能想問:「蛤?用噪音計量一量就要罰我,有沒有道理啊?」有呢!噪音計可是為我們量身訂做的喔!

所謂「聲音照相」,是指行經規定路段的車輛,如果超過指定分貝,就會被裝有噪音計的「聲音照相機」紀錄下來,進行開罰。

圖/臺北市環保局

根據《噪音管制法》訂定之《噪音管制標準》第二條之二(2013),「音量:以分貝(dB(A))為單位,括號中 A 指在噪音計上 A 權位置之測量值。」也就是說,噪音計在量測到噪音時,要以「分貝(A)」為單位。我相信你聽過分貝,但沒想到分貝還有分 A、B、C?

其實,所謂的分貝(A)指的是「針對原始分貝值進行 A 加權」後的結果,而「A 加權」其實就是模擬等響曲線中的 40 方曲線。進行 A 加權的過程,是將噪音低頻區間的分貝數減少,再少量增加中高頻區間的分貝數(王栢村,2018)。因為噪音計最後呈現的數值,是所有頻率區間的平均結果,若是不經過 A 加權,低頻區間的數值會使整體分貝數過度膨脹,這樣「測起來」就會跟「聽起來」不一樣了。可見噪音不是隨意測量,要罰人民的錢也不是那麼容易的呢!

閱讀至此,我們了解到,人類對於不同頻率的聲音,有著不同的音量敏感度,而且聲音也能從心理感知的角度來觀察。再者,等響曲線除了揭露音量感知的神秘面紗,還實際在社會秩序中發揮作用,可見等響曲線是多麼重要的發現啊! 

參考文獻

文章難易度
雅文兒童聽語文教基金會_96
27 篇文章 ・ 190 位粉絲
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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母體的免疫特區:為什麼子宮不會排斥胎兒?——《我們為什麼還沒有死掉?》

麥田出版_96
・2021/10/22 ・2258字 ・閱讀時間約 4 分鐘

• 作者/伊丹.班—巴拉克
• 譯者/傅賀

說來奇怪,人們早在十七世紀就開始嘗試輸血了。當然,最初人們並不瞭解血型或關於血液的其他基本事實,但他們已經開始把血液從一個人的身體輸到另一個人的身體裡,事實上,這無疑等於謀殺(現在眾所周知的 ABO 血型劃分是從一九○○年開始的)。

人們嘗試了各種類型的實驗和手段:把一隻動物的血輸進另一隻動物,把動物的血輸進人體,把一個人的血輸進另一個人體內,等等。

說得客氣一點,結果有好有壞,不過,在出現了一、兩例死亡事件之後,法國立法禁止了輸血。在接下來的一個半世紀裡,輸血幾乎銷聲匿跡。到了十九世紀,這項操作又重新引起了人們的興趣。時至今日,只要確保血型匹配,輸血就是安全的。

時至今日,只要確保血型匹配,輸血就是安全的。圖/Pixabay

這就是血液的情況。相對來說,輸血比較簡單,但是要在人與人之間移植其他細胞或組織,就困難多了。隨著移植技術的進步,人們可以從供體那裡接受心臟、腎臟、肝臟,以及其他器官,但是受體會出現排斥。受體的免疫系統會馬上識別出一大塊外來物質進入了身體,並試圖反抗。即使移植的器官來自最匹配的供體,受體患者也需要接受免疫抑制藥物治療,來緩解它們對「入侵器官」的免疫排斥。通常來說,人體並不會輕易接納外來物質——在上一章裡,我描述了人體不接納它們的一些方式。

但是,即便我們知道了這些事實,直到一九五三年,才有人試著來認真思考懷孕這件事:在十月懷胎的過程中,孕婦可以跟肚子裡的孩子和平相處,似乎沒有什麼負面效應。顯然,孩子並不是母親的簡單複製品,他們的免疫組成也不盡相同——因為胎兒有一半的基因來自父親,因此遺傳重組之後產生了一個明顯不同的新個體。

所以,問題是,母親如何容忍了體內的另一個生命呢

我們的生殖策略(即「用一個人來孵育另一個人」)裡有許多未解之謎,這不過是其中一個較不明顯並且格外難解的問題而已。事實上,即使在今天,我們也不清楚孕婦容忍胎兒的生理機制。我們知道,母親依然會對所有其他的外來物質產生免疫反應,我們也知道胎兒並沒有與母親的免疫系統在生理上完全隔離,受到特殊庇護。貌似孕婦與胎兒的關係裡有一些特殊而且非常複雜的事情。

孕婦與胎兒的關係裡有一些特殊而且非常複雜的事情。圖/Pexels

這可能早在受精之初就開始了。從那時起,母親的身體就開始逐漸習慣父親的基因。在懷孕的早期,發育中的胚胎就與母親的子宮開啟了複雜的對話。胚胎不僅躲在胎盤背後來逃避母親的免疫反應,而且還分泌一些分子用來針對性地防禦母親的免疫細胞,因為後者更危險。母親的自然殺手細胞和 T 細胞在胎盤外盤旋,但是它們並不是為了殺死胚胎細胞,而是轉入調控模式,開始釋放出抑制免疫反應的訊號,並確保胚胎安全進入子宮(同時促進胚胎的血管生長,這對胎兒來說是好事)。同時,胚胎細胞也不會表達第一型主要組織相容性複合體分子,以逃避免疫監視(有些感染病毒也使用這種策略來逃避免疫監視和攻擊)。此外,母親的免疫系統接觸胎兒的蛋白質並開始學著容忍它們。

除此之外,母親的免疫系統也會受到廣泛且微妙的抑制——但不嚴重,因為孕婦仍然能夠抵禦感染。整個免疫系統會下調一級。這也是為什麼有些女性的自體免疫疾病在懷孕期間會有所緩解。

目前我們的理解是這樣的:在不同類型的細胞和訊號的作用下,子宮成了免疫系統的特區(其他免疫特區還包括大腦、眼睛和睪丸),更少發生發炎。胚胎與母親的免疫細胞會進行活躍的對話,它們能在整個孕期和平相處。

在不同類型的細胞和訊號的作用下,子宮成了免疫系統的特區,更少發生發炎。圖/Pexels

當然,這個過程可能會出錯,而且偶爾也的確會出錯。當出現問題的時候,母親就會對胎兒發生免疫反應。在極端的情況下,這可能會導致女性不孕。在懷孕的早期,它可能會引起自然流產;在懷孕後期,這可能會引起一種叫作「子癇前症」的發炎反應,對母子都非常危險。

最後,說一件有點詭異的事情:胚胎細胞有辦法從胎盤中游離出去,進入母親的血液系統。

之前有理論認為,這也許是為了下調母親的整個免疫系統,使它對胎兒的出現做足準備,這可能也是母嬰對話的一部分。但是,最近幾年,研究者發現事情可能沒有那麼簡單:有些胚胎細胞即使在分娩之後仍然在母親的血液裡逗留——事實上,可以在分娩之後存活數年,從免疫學的角度看,這真說不通。研究者發現,它們會出現在母親的許多組織裡——包括肝臟、心臟,甚至大腦——它們可以發育成熟,變成正常的肝臟、心臟或是腦細胞,留在母親體內。讓我再說一遍:由於我妻子生了我的孩子,她體內和大腦裡的一些細胞現在也有我的基因了。這被稱為母胎微嵌合。目前沒人知道為什麼會這樣。

——本文摘自《我們為什麼還沒有死掉?》,2020 年 9 月,麥田出版

麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。
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