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聽聲音(二):你為什麼可以聽到旋律?

Muzik Online
・2015/02/05 ・1608字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 476 ・五年級

作者 官大為(Wiwi)

在上一篇文章,我們示範了如何將理髮院招牌的視覺效果,以聲音的形式實作出來,聽了永無止境往下掉、以及往上昇的聲音,也看到作曲家將這個技巧實際運用在電玩遊戲裡的例子。

上一篇 聽聲音(一):聲音的理髮院招牌

今天我們要用聲音繼續欺騙你的大腦,以及了解為什麼你可以聽得懂巴哈的(或任何作曲家的)多聲部鍵盤作品。

鋼琴為什麼可以同時扮演好幾個角色?

這好像是個廢話問題:鋼琴有這麼多個鍵,然後彈的人又有這麼多隻手指,它當然可以同時做很多件事阿!

你可能沒有想過的問題是,鋼琴上所有的音都是「鋼琴」的聲音,並不像管弦樂團中有這麼多不同的音色可以使用。但在鋼琴獨奏曲中,我們為什麼還是可以聽得懂某一些音是旋律、某一些音是伴奏,甚至在有兩個以上的旋律同時進行時,我們也能分辨哪一個音是屬於哪一條旋律的呢?

旋律在你的大腦裡

不過先等等,我們剛剛用了好幾次「旋律」這個字,所以「旋律」到底是什麼意思?根據維基百科上的解釋,旋律是指「一串能夠被聽者『意會成同一個個體』的連續的音」。

也就是說,所謂的「旋律」其實只是一種幻覺而已,你之所以能在一連串的音中聽到一個「旋律」,是因為你的大腦把某些(通常是頻率接近的)音做了「意義上」的聯結。要示範這個概念,我們先來聽聽看這個音樂片段:

然後再聽聽另一個音樂片段:

當然,事實上這兩個音樂片段都只是一些音而已,但因為連續的音音高都很接近,所以你的大腦可以很方便地把整個音樂片段當成一個「旋律」、一個有意義的個體。

然後,因為以上的兩個音樂片段音高有一些差距,而我們的大腦傾向把音高相近的音當成是同一條旋律線,所以就算是兩個片段同時播放,你的大腦也可以理解這是兩個獨立的旋律線條正在並行,而且不會把兩個旋律的音搞混。

旋律在左邊還是右邊?

這就是為什麼我們可以聽得懂多聲部鋼琴作品的原因:因為我們的大腦喜歡把音高相近的音當成同一條旋律線。事實上,我們的大腦有一點「太喜歡」把音高相近的音當成同一條旋律線,即使聲音來源的方向不同,大腦還是會把接近的音聯想在一起,然後當作它們是來自同一個方向。

聽聽看這個音樂片段,你是否也是聽到與前面相同的兩個旋律呢?

再聽一次同樣的音樂片段,這次聽聽看是高音旋律在左邊喇叭(或耳機的左耳),還是低音旋律在左邊喇叭呢?
大部分的人聽到剛剛的音樂片段,會認為高音旋律是來自其中一個喇叭,而低音旋律來自另一個喇叭。而事實上,我偷偷地把同一個旋律的音,交替安排在兩個喇叭了。

接下來的音樂片段,我會先各別播放左聲道和右聲道的聲音,然後再一起播放。試試看在你已經知道同一個旋律不是來自同一聲道的情況下,你是否依然無法改變你大腦的感知?

我們用鋼琴的半音階再試一次,先獨立播放左聲道和右聲道,然後再合起來。
同樣地,即便知道兩個聲道分別的內容,你的大腦是否還是認為高音旋律在其中一邊,低音旋律在另一邊?

聽聽看速度更快一點的?

Deutsch’s scale illusion

以上的實驗顯示,當聲音的「來源方向」和「頻率高低」資訊相衝突的時候,人腦會傾向選把「頻率接近」、而非「方向相近」的聲音連結在一起。這個現象是在 1973 年由 Diana Deutsch 發現的,所以我們把這個現象就做「Deutsch’s scale illusion」。

當使用耳機聽以上的例子的時候,大部份的右撇子會覺得比較高的旋律來源在右耳,即使將耳機左右調換也是一樣。

你可以到這個網頁Diana Deutsch – Scale Illusion閱讀更多關於這個現象的資訊。

還有更多

「聽聲音」系列才剛始,接下來我們還要來聽更多有趣的聲音,敬請期待下集囉!

(Wiwi)

轉載自MUZiK ONLiNE 名家隨筆

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Muzik Online
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地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

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Mia_96
156 篇文章 ・ 373 位粉絲
喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
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