能做好提琴的就是好木頭

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

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。

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 奈米或 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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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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• 文／Heidi

平時，在學校和補習班時，如果朋友從背後呼喊你的名字，你通常不需要回頭，就可以知道是誰的聲音；而在聆聽音樂時，即使各種樂器的聲音混雜在一起，還是可以聽出如鋼琴、吉他、爵士鼓等不同樂器的音色。可是，為什麼我們能分辨出不同的人聲和樂器呢？想知道答案，就得先認識基音和泛音！

首先，讓我們看一段動畫。在這段動畫裡，主角阿棋出生在醫生世家，卻想成為一位厲害的電吉他手。他不斷練習、上台表演，也邀請家人一同前來欣賞搖滾樂演出。可是，阿棋的二哥聽完表演後，卻只覺得電吉他很吵。

基音與泛音

不管是鋼琴、吉他、爵士鼓，還是人聲，只要振動頻率相同，就能發出相同的音高，比如中央 DO 的頻率是 261.6Hz，也就是說，只要聲音每秒來回振動 261.6 次，就能準確發出中央 DO 的音高。但仔細想想，如果音高都一樣，所有聲音聽起來不就都一樣嗎？

沒錯！所以當我們聽見一個音，其實是聽見了很多不同頻率疊加而成的聲音，只是我們的大腦習慣將這些聲音理解成一個音。換句話說，當我們聽見樂器發出 DO 的音高，其實是同時聽見了代表音高的 「基音」261.6Hz，還有代表音色的「泛音」，也就是頻率 261.6Hz 以外的聲音。

想進一步瞭解基音和泛音，就得從一根弦的振動開始說起。

一根弦的振動

首先，讓我們來看看一根弦有幾種振動模式。當我們撥動琴弦彈奏一顆音，在最簡單的情況下產生的振動會呈現如圖一 1×f 的波形。假設這顆音是中央 DO，那麼這個波形就會每秒來回振動 261.6 次。

然而，一條弦並不會只有一種振動模式，有可能是圖中 2×f 的波形。在這種情況下，頻率就會變成兩倍，也就是每秒來回振動 2×261.6 次，變成高八度的中央 DO。除此之外，振動方式也有可能是圖中 3×f 或 4×f 的波形，變成高一個完全八度再加一個完全五度，或兩個八度的中央 DO。

按照相同的邏輯，一根弦可以有 n 種振動模式，產生 n×f 的波形和 n 種八度音高。

現在，我們知道了振動模式、波形和音高之間的關係，可是實際上，弦的振動模式非常複雜，是所有振動模式混合而成。因此，在彈奏中央 DO 時，琴弦除了產生 261.6Hz 的頻率，同時也會產生 2×261.6Hz、3×261.6Hz、4×261.6Hz，以及所有整數倍頻率的聲音，而最低頻率的聲音（261.6Hz）就是「基音」，也就是大腦所認知的音高，其餘頻率則統稱為「泛音」，主要影響聲音的音色。

以小提琴和鋼琴為例，即使彈奏同一顆音，波形仍然不同，就是因為不同樂器發出的泛音強弱不同，改變了我們聽見的音色。這就是我們能夠分辨不同樂器聲音的原因。

聲譜圖

現在，試試用一聲讀出注音「ㄚ、ㄝ、ㄧ、ㄛ、ㄨ、ㄩ」，你就會發現，即使音高一樣，卻還是能聽出差別，原因就在於它們的泛音（音色）不同。透過電腦軟體，我們可以將人聲轉換成「聲譜圖」，進一步解析泛音的區別，如圖三。

圖三的縱軸是頻率，橫軸是時間。水平線條是聲音能量的強度，顏色越深表示能量越強、聲音越大。每個音各有泛音較強以及較弱的頻率範圍，比如「ㄚ」在 500 至 700Hz 左右的泛音線顏色很深，表示聲音較強，但「ㄧ」和「ㄩ」就相對微弱，構成獨特的音色。

日常生活中的泛音

從上述說明，我們發現不只是樂器，就連人聲有不同的音色，也同樣是因為泛音不同。最後，讓我們回到文章開頭，看看阿棋的二哥為什麼覺得電吉他很吵。

影片提到，搖滾樂表演的電吉他音色，之所以聽起來很特別，正是因為電吉他手善用推弦技巧，增加泛音的「雜質」。假設基音頻率為 1，那麼除了整數倍頻率的泛音以外，推弦後可能會出現 1.9、2.1 等非整數倍頻率的雜質，讓搖滾樂聽起來雖吵，卻也更有靈魂、更有渲染力！

參考資料

1. 音樂與泛音
2. 一次搞懂「泛音列」！
3. Harmonic series (music) – Wikipedia
4. 馬爺爺 23：漫談聲音

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《為什麼義大利名琴的音色難以複製？》
• 作者 / 文詠萱｜科技大觀園特約編輯

戴桓青小時候學過幾年小提琴，但並不在行；在美國加州理工學院念博士班時，有位會拉小提琴的同學選擇以此為科普文章題目，發現很多名琴研究都是德州農工大學教授納吉瓦里 (Joseph Nagyvary) 所著，兩人決定利用耶誕假期前往拜訪，沒想到從此與小提琴研究締結不解之緣。戴桓青延續已退休的納吉瓦里針對小提琴木材的相關研究，分析名琴修復時留下的木屑，研判小提琴好聽的秘密，可能就存在小提琴的木材中。

名琴的音色秘密在木板？

戴桓青總共分析了八把史特拉底瓦里小提琴 (Stradivarius) 與二把耶穌．瓜奈里小提琴 (Guaneri del Gesù) 的木材，這兩類名琴在製琴界、演奏界皆以音色優美聞名。針對音色的定義，戴桓青表示：「聲音的屬性除了音高跟音量外，其他都叫做音色。音色很主觀，雖然科學家還不知道要怎麼去定義、分析音色，但演奏家對於音色上的共識認知是存在的，很少人會說其他琴比這兩種名琴好聽。」

世界上的木材上千萬種，而小提琴的木材萬中選一。前板得使用阿爾卑斯山南麓的雲杉，背板使用來自巴爾幹半島或是義大利平地的楓木。戴桓青針對木材解釋：「先前納吉瓦里教授分析這些名琴的光譜，發現這些製琴師應該不是直接使用天然木材，而是有經過處理，我們延續他的研究。過去針對這些名琴的研究，都是以研究幾何形狀為主，小提琴有很多曲線、細微的比例、木板不平均的厚度等，但大家模仿出來後，還是沒有辦法做到和這些名琴一樣的聲音，所以我們認為往材料的方向研究是正確的。」

製琴小鎮的配方對決

300 年前製琴師都在義大利北部的克里蒙納 (Cremona) 小鎮中製琴，「我們已經發表的論文，主要在分析這幾把名琴的背板楓木，發現木材確實有做過化學處理，但並不確定是由供應木材的供應商所處理，還是由製琴師處理。」

至於前板雲杉，戴桓青的研究尚未發表，但針對木材處理來源，交叉比對後發現，那些化學處理的痕跡，應為每位製琴師的秘密配方。「近期的研究發現，小提琴三大家族所做出來的琴，配方都很明顯不一樣，也都相當複雜，因此可以排除是由木材供應商處理的可能性。這也相當合理，因為克里蒙納人很少，製琴的人彼此會互相競爭，各自有各自的配方並不奇怪。」

外型幾何容易模仿，但木材的化學處理就很難用肉眼看出來。「配方我們尚未解出來，製琴是一項工藝，順序也是很關鍵的一件事，配方有可能很複雜地先泡再洗掉，還要考慮溫度、pH 值、處理時間等，沒有辦法從現在的化學分析回推工序與配方。」戴桓青用食物當做各家配方的例子：「就像炸雞排，每家店的原料都差不多，但炸出來味道都不一樣，你不可能買一塊雞排回來分析，就知道他的工序。」

影響琴聲音的可能性

也有許多研究是針對名琴的塗漆，想知道漆對聲音的影響，或是模仿名琴塗漆，看看是否能複製出名琴的聲音。對此，戴桓青認為，「塗漆是一定有影響的，上不同的漆會有不同的差別。但研究名琴塗漆這麼多年，漸漸發現裡面的成分都是我們已知的，但就是沒辦法只透過模仿塗漆和模型，複製出名琴的聲音。」

世界上有許多木製的樂器，很少會聽到樂器放越久越好聽。「我問過很多專家，只有兩種樂器會放久了聲音變好聽，一種是中國古琴，另一種就是義大利小提琴。至於為什麼會有這個現象，目前還有沒人理解，需要更多的研究。而有些樂器本來設計就不是可以用很久的，例如古箏。」

關於小提琴纖維素分子研究，戴桓青團隊利用「同步輻射」小角度 X 光散射探照，發現琴的木頭纖維素是會重新排列的，「我們針對小提琴的木頭分析，發現纖維素分子之間本來有半纖維素把它們區隔開來，但隨著時間過去，半纖維素會自然分解，纖維素會重新排列。至於這件事對聲音的確切影響，目前還不是很清楚，只知道老的琴會有這樣的現象。」

針對這樣的研究，難免有人會懷疑這些名琴是不是真的比較好聽，畢竟這不是隨隨便便就可以聆聽現場演奏的珍品。戴桓青表示：「事實上，確實要近距離地聽很多把名琴來演奏，才能感受到他們的差異。可是通常一位演奏家表演或比賽，只會帶一兩把琴出門。若真的要做相關研究，首先盲測畢竟有其限制，且『音色』是人類很不了解的領域，很難用科學的方法去解釋和比較。」

Original publish date:Apr 15, 2007

編輯 John C. H. Chen 報導

科學家發現，頂級提琴師傅對於分辨哪些木板可以用來做好提琴上，判斷的標準大部分是建立在木板的外觀上，而並不一定是能夠發出好聲的木板。

對於提琴製造者而言，挑出一塊適合製琴的木板可以說是要製作一把好琴的第一步。對一把小提琴而言，琴的各部位通常使用的木頭材質都不一樣。例如花梨木及黑檀木常被用來製作指板；楓木拿來作琴馬(bridge)；雲杉木則常拿來製作響板(soundboard)。響板主要的功能是增強弦的共鳴，對決定小提琴的音色具有決定性的因素。

奧地利University of Natural Resources and Applied Life Sciences的Christoph Buksnowitz將84塊樂器製造級的挪威雲杉木(Norway spruce, Picea abies)切割成長40公分寬15公分的木板。接著他請15位奧地利的頂級製琴師傅來給這84塊木板打分數，看看哪些木板最適合拿來製作上等小提琴。接著他把這些木板帶回實驗室，利用科學儀器來測量木板的物理性質，例如硬度、密度、聲學性質等等。

老經驗的製琴師附鑑別木板大概不外乎觀察木板的紋理、色澤，接著便是用手敲敲木板來測試木板所發出的聲音。這些辨別方法需要長時間的經驗累積。但是跟實驗室中的儀器測試結果一比較，研究人員發現，製琴師傅在辨別木板的硬度、強度方面有很好的結果，但是他們選出來的木板卻往往不是具有最好聲學性質的木板。換句話說，製琴師傅基本上是靠木板的外貌在選木板的。不過這並不表示這些製琴師傅只在意這些膚淺的表面。因為事實上木板的紋路結構可以有效的透露出這塊木板的密度，進而影響到聲音的表現。

但是挑到一塊好木板只能是製造出好琴的第一步，後面還有許多細節會影響到最後這把琴的表現。例如切割木板的方式，切割的形狀等等。好的製作方法可以補足木板的不足進而讓這塊木頭起死回生。因此有些製琴師傅會自豪的說，給我一塊木板我就可以做出一把好琴來。但是對頂級的製琴師傅，例如STRADIVARI(註：STRADIVARI為世紀義大利製琴名家，現存由他們所做的小提琴平均每把價格均在百萬美金以上)這種製琴技術已到頂峰的小提琴而言，木板的材質便是使提琴聲音再提升的關鍵。

不過科學檢測可以客觀的判定木板的性質，但是製作一把小提琴並不只是靠各項冷冰冰的數字，而是靠製琴師傅的巧手來讓每塊木板能夠發出獨特的聲音，這才是小提琴迷人的地方。

原始論文
The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 121, No. 4, pp. 2384–2395, April 2007

參考來源：

• news@nature.com: Violin makers can’t pick out good wood

相關連結：

• Wikipedia: Stradivari

• [Oct 05, 2008] 名琴美音的秘密