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聽聲音(五):分割聲音的光譜

Muzik Online
・2015/02/09 ・1982字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 456 ・五年級

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作者 官大為(Wiwi)

上一篇文章,我們了解到了人眼睛所看到的各種顏色,其實只是各種不同頻率的電磁波而已。我們把人眼可以看到的電磁波叫做「可見光」,可見光的頻率差不多是 400,000,000,000,000 Hz 到 790,000,000,000,000 Hz(或寫成 400-790 THz),而我們再把這段頻率,切成幾段區塊,給它們一些名字,所以我們才可以互相溝通我們看到了什麼「顏色」。


然後我們也提到了,人類可以聽到的聲音頻率大約是 20 Hz 到 20,000 Hz,雖然比起光線的頻率,這個數字看起來小得多,但如果以比例的方式來看的話,聽覺頻率的下限和上限,可是相差了 1000 倍之遠。

在這麼大的一個範圍內,我們該如何幫不同的頻率取名字呢?像是我們幫顏色取名字一樣,(隨意)挑出幾個頻率,然後把它們冠上 Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si 的名字,這樣就可以了嗎?

如果這麼簡單的話就好了。

住在希臘的聰明男人

如果我們只把 20 到 20,000 Hz 這麼大一塊頻率範圍,隨意(但差不多平均分配地)指定中間七個頻率,代表 Do-Re-Mi-Fa-Sol-La-Si 的話,你聽到的 Do-Re-Mi-Fa-Sol-La-Si 可能會類似這樣子:

很顯然地這種天真的想法完全行不通,我們需要更聰明的做法。還好在大約 2500 年前,在希臘出現了一個很聰明的男人,他的名字叫做 Πυθαγόρας,或是用我們看得懂的寫法-畢達哥拉斯(Pythagoras)。

畢達哥拉斯留給我們的,除了關於直角三角形的很重要的事情之外,他也給了我們一個在音樂上的很重要的事情:「八度」(octave)。

比例原則

因為畢達哥拉斯是有好奇心的聰明人,所以他一定會對為什麼周遭有這麼多高低不同的聲音感到有興趣,加上他數學(很顯然地)不錯,所以他一定會思考聲音跟數學(或宇宙)有什麼關聯,為什麼某些聲音跟某些聲音合起來比較好聽,為什麼某個聲音跟另一個聲音聽起來很像⋯⋯

據說畢達哥拉斯喜歡用比例來思考,他深信宇宙萬物都可以用整數以及它們的比例表示(後來我們當然證明了他是錯的),這也是為什麼當他的學生希帕索斯(Hippasus)發現根號 2 是個無理數(註)的時候,他會不爽到叫其他學生把希帕索斯丟到海裡去的原因了。

總之,畢達哥拉斯真的很喜歡「比例」,所以他也想要用「比例」來解釋聲音頻率互相的關聯。

切一半、再切一半

據說畢達哥拉斯的聲音實驗,是在一台獨弦琴(monochord)上完成的,他想要測試不同長度的弦,產生的聲音有什麼不同,整個流程可能很類似是以下這樣子:


首先,畢達哥拉斯把一條弦架在獨弦琴上,然後用手指撥它,假設這條弦產生了像這樣的聲音:

畢達哥拉斯能夠想到的最簡單的整數比就是 1:1 了,於是他再撥了同一條弦一次。當然,這是同一條弦,你再撥一次的話當然還是產生同樣的聲音:

除了 1:1 以外,你能想到的第二簡單的整數比是什麼呢?大概就是 2:1 了,於是畢達哥拉斯把剛剛那條弦的長度減少成原本的一半,使原來那條弦跟它的長度比是 2:1,然後撥它,產生了以下的聲音:

然後他應該有發現,把一條弦的長度剖半產生的聲音,跟原本整條弦的聲音很像,根本就像是同一個聲音的不同版本而已:

如果繼續把弦長剖半再剖半,變成原本的四分之一或八分之一,產生的聲音也都很像是同一個聲音的不同版本。我接下來要連續播放原來弦長、二分之一、四分之一和八分之一長度的聲音給你聽:

分割聲音的光譜

後來我們知道了弦的長度和所產生的頻率有反比關係,也就是當弦的長度變成原來的一半時,產生的頻率剛好會是兩倍。而經過以上的實驗,畢達哥拉斯發現,所有的聲音好像都會在頻率變成兩倍時重複,換句話說,把一個聲音的頻率變成兩倍時,你得到的只是「同一個聲音的不同版本」,我們後來把頻率比例是 2:1 的兩個音叫做八度(octave),然後把這兩個音聽起來很像的這件事叫做等價八度(octave equivalence)。

這就是我們為什麼只需要幾個音名,就可以形容這麼大一段聲音頻率範圍的原因:只要我們一旦把某個頻率叫做「Do」,那麼那個頻率的兩倍、四倍、八倍、十六倍⋯⋯頻率的聲音,因為聽起來就像是「Do」的不同種版本,所以我們就也可以把這些頻率全部叫做「Do」。

於是我們得到了一個重要結論:我們原本嘗試解決的「如何切割 20 Hz 到 20,000 Hz 的頻率範圍,並給它們名字」的這件事,根本問的就是錯誤的問題。我們應該做的是「任意選定一個頻率 x,然後分割 x 到 2x 這一段頻率,並給它們一些名字,再把這些名字複製到頻譜的其他範圍」就好了。


下期待續

好,所以那我們要怎麼分割 x 到 2x 這段頻率呢?我們需要算更多數學,下次 Wiwi 要跟你一起用畢達哥拉斯的方法,實際操作算出 Do-Re-Mi-Fa-Sol-La-Si 的頻率,甚至進一步算出鍵盤樂器上所有黑白鍵的頻率,敬請期待囉!

(Wiwi)

註:無理數指的就是不能用分數表達的數字,像是根號 2、Pi、e、黃金比例等數值都是無理數。

轉載自MUZiK ONLiNE 名家隨筆

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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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口罩影響幼兒「讀」懂情緒?口罩新生代:幼兒情緒 3 大關鍵發現
雞湯來了
・2022/10/02 ・2250字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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  • 文/雞湯來了特派員 林威廷
  • 校稿/雞湯來了 陳世芃
  • 製圖/雞湯來了 黃珮甄、雞湯來了實習生 翁欣容
  • 編輯/雞湯來了 蕭子喬
圖/雞湯來了

自從 COVID-19 疫情爆發,戴口罩已成為日常生活的新常態。口罩遮住了人們大部分的臉,讓彼此看不到完整長相,更看不到豐富的臉部表情。究竟,這是否對人與人之間的互動有深遠的影響?

更值得注意的是,臉部表情屬於肢體語言的一部份,是言語溝通之外,辨識與表達情緒相當重要的管道。各級學校教師和照護中心人員,為了避免傳播病毒,多會戴上口罩。

然而,在這種環境下成長,年紀還小且對於情緒辨識還在初步學習中的幼兒,是否會因此失去與人正常互動和判斷情緒的機會呢?對於他們情緒辨識的發展,又有什麼影響呢?

「口罩是否會影響幼兒判斷他人情緒」一題,雞湯來了綜整多篇研究,發現西方相關研究較多,而結果其實眾說紛紜。許多研究藉由不同實驗設計,不同切入視角、樣本對照,便得出了不同結果。不過,我們也因而從中歸納出幾個關於口罩新生代幼兒情緒發展的重要發現。

關鍵發現 1|年齡發展階段:3-5 歲最受口罩影響

2021 年 5 月一組研究團隊發表一篇研究,他們測試「3-5 歲幼兒」、「6-8 歲兒童」和「成人」三個群體判斷人臉情緒的正確率:他們準備了不同情緒的人臉,將人臉的照片後製放上口罩,讓這三群人判斷情緒。

圖/雞湯來了

結果發現:不同年齡層的群體中,「3-5 歲幼兒」面對戴或沒戴口罩的人,回答對方情緒的「答對與否」比例差距最大,可說上述三種對象中最受口罩遮臉影響的群體。研究也推論,因為「3-5 歲幼兒」判斷情緒的主要來源仍是臉部表情;6 到 8 歲兒童和成人,則較懂得運用其他情境線索來判斷情緒。

圖/雞湯來了

關鍵發現 2|容易被混淆的情緒:生氣與難過

另一篇 2021 年 11 月的研究,從 9 間照護中心招募 276 位 3-6 歲的幼兒, 讓他們判斷 15 個演員所拍的 90 張人臉照片的情緒。這些幼兒判斷「照片中沒戴口罩的人之情緒」正確率為 70.6%,若將照片換成戴上口罩的人,這些幼兒判斷的正確率仍為 66.9%!

特別的是,有約 25% 無法區分生氣和難過這兩種情緒,占了辨識情緒錯誤之中的多數,可見對於幼兒而言,「生氣」和「難過」在臉部表情上有許多相似的特徵,如何進一步區分情緒,是可以進一步討論的課題。

圖/雞湯來了

關鍵發現 3|表情之外的辨識來源:聲音的判斷力

其實在疫情之前,2019 年就有研究團隊關注過幼兒的情緒判斷能力。他們不只關心臉部表情,也關注聲音。他們讓 313 位就讀幼兒園的 3-6 歲幼兒:分別透過觀察「臉部表情」和「聽聲音」來判斷情緒。

結果發現:觀察「臉部表情」的視覺判斷正確率最高達 8 成,但以「聽聲音」聽覺判斷的正確率只有 5-6 成。由此可知,對於幼兒而言,視覺很可能比聽覺更容易判斷情緒。

研究也進一步分析,發現觀察「臉部表情」時,「開心」的情緒比起「生氣和難過」更容易透過視覺判斷出來;但若只有「聽聲音」的話,悲傷的情緒比較容易被察覺。

圖/雞湯來了

幼兒情緒教育可以怎麼做?疫情之下把握可控的 2 個安心實踐

由上述的幾項研究結果,我們可以發現兩個重點:

  1. 喜怒哀樂,判斷各種情緒的難易度不同
    幼兒判斷不同情緒的能力程度是有差異性的,差異性的原因可能來自於年齡,或者為情緒的不同性質,比如說幼兒最容易辨識開心,但容易混淆難過與生氣。
  2. 除了表情,還有多種判斷情緒的來源
    判斷情緒的依據不只有臉部表情,肢體、聲音語調、各種情境線索也能幫助我們判斷情緒。

或許,在口罩還是一種日常必須之時,我們可以多著眼於其他「可控」的因素,例如引導孩子判斷情緒的多元方法,從聲音、其他肢體語言等判斷;又或者更進一步和孩子透過故事或案例,討論生氣與難過的的差異,嘗試學習更多口罩日常的情緒辨識之道。

圖/雞湯來了

大人可以透過繪本共讀的方式,討論繪本中的角色在故事中的情境中「產生了什麼情緒」、「為什麼會產生這樣的情緒」。共讀討論時,不只從圖片中角色的表情,還可以從書中角色的肢體動作、其他角色的反應等多元脈絡,練習判斷角色的情緒類型和產生原因。

甚至,我們可以進一步在日常生活中,引導孩子正視自己的情緒、接納並以合適的方式表達情緒。同時引導幼兒觀察目前身處的情境,例如現在是什麼場合、現場的人們在做什麼、我應該如何表現等等。

相關推薦:繪本推薦與引導孩子情緒的方法

延伸閱讀:雞湯來了

參考資料

  1. Covic, A., von Steinbüchel, N., & Kiese-Himmel, C. (2020). Emotion Recognition in Kindergarten Children. Folia phoniatrica et logopaedica : official organ of the International Association of Logopedics and Phoniatrics (IALP), 72(4), 273–281.
  2. Gori, M., Schiatti, L., & Amadeo, M. B. (2021). Masking Emotions: Face Masks Impair How We Read Emotions. Frontiers in psychology, 12, 669432.
  3. Schneider J., Sandoz V., Equey L., Williams-Smith J., Horsch A., Bickle Graz M. (2022) The Role of Face Masks in the Recognition of Emotions by Preschool Children. JAMA Pediatr. 176(1): 96-98.
雞湯來了
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什麼!你怎麼用眼睛聽聲音:認識麥格克效應
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2022/09/28 ・2905字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/李翊瑞|雅文基金會聽語科學研究中心助理研究員

早晨,鬧鐘聲不停地在耳邊響起,儘管心裡有再多的不甘願,你依然掀開棉被起身,輕揉著眼睛抬頭看了看時間。

在日常生活中,透過耳朵聽聲音、依靠眼睛看東西,兩者獨立運作,似乎是我們不曾懷疑過的事情。然而,人類的視覺及聽覺真的互不影響、毫無關聯嗎?

當朋友與我們說話時,對方的聲音和唇形如果有著明顯不同,又會發生什麼神奇的事呢?

究竟是「聽」別人說話,還是「看」別人說話呢?圖/Pexels

無心插柳柳成蔭:麥格克效應的發現

當一個人說話的聲音與唇形變化不一致時,所產生的聽錯覺現象稱為麥格克效應(McGurk effect)。

麥格克效應最早是由兩位英國心理學家——哈利.麥格克(Harry McGurk)約翰.麥克唐納(John MacDonald)於 1976 年提出[1],有趣的是,這個發現完全是場意料外的事。最初,他們正在進行一項語音知覺的研究,實驗中會讓嬰兒觀看一位母親說話的影片,同時搭配該位母親的配音,並記錄不同月齡的嬰兒對於語音的反應。

在一次實驗中,播放影片以及聲音時並未同步,使得影片中說話者唇形為「ga」,卻播放出「ba」的聲音。神奇的是,麥格克與麥克唐納不約而同聽到卻不是「ga」或「ba」,而是「da」的聲音[2]

說話者唇形為「ga」、播放聲音為「ba」,會聽到「da」的聲音。圖/雅文基金會

感到困惑的兩人,隨後重新設計了實驗,並招募更多受試者參與研究,發現高達 98% 的受試者在唇形為「ga」播放聲為「ba」的情況下都聽到了「da」的聲音。最終,他們將這個出乎意料的發現,發表在著名的科學期刊《Nature》[1],開啟了後續一系列有關聽錯覺以及視聽整合的研究。

聽到你懷疑人生,不存在的聲音從何而來?

麥格克效應的發生,顯示了視覺與聽覺訊息之間會相互作用,使我們得以一窺人類語音知覺系統的神秘面紗。與他人對話時,雙耳會將接收到的刺激(語音)傳遞至大腦的初級聽覺皮質(A1,圖中藍色處),同時雙眼接收到的訊息(嘴唇變化、臉部表情與舌頭動作)則會傳遞到初級視覺皮質(V1,圖中紅色處),這兩個區域所接收到的訊息會進一步傳送到顳上溝(superior temporal sulcus,STS,圖中紫色處)進行整合[3]

因此,我們知覺到的語音就不是單一的視覺(「ga」)或聽覺(「ba」)訊息,而是整合後的「da」。顳上溝在視聽整合的過程中扮演非常關鍵的角色[4],後續研究也發現,麥格克效應較少出現在顳上溝功能異常的受試者,如自閉症兒童及失語症成人[5, 6, 7]

視覺訊息(來自初級聽覺皮質 A1,圖中藍色處)和聽覺訊息(來自初級視覺皮質 V1,圖中紅色處)會在顳上溝(STS,圖中紫色處)進行整合。圖/Lüttke (2018)

既然我們已經知道不存在的聲音是經大腦整合而產生,多聽多看幾次就會漸漸習慣而消失嗎?長期研究麥格克效應的美國心理學家勞倫斯.羅森布拉姆(Lawrence Rosenblum)曾提到:

「即便我已經研究此效應長達二十五年,既看又聽了成千上萬次,它依然會發生在我身上,無法自主地去控制它[8]。」

由此可知,麥格克效應不同於一般的魔術表演,即使已經瞭解了原理,甚至感受到它正在發生,但那個不存在的聲音依舊會在我們腦中迴響。

從戴口罩到追劇,視聽整合的重要性

雖然口罩雖然能有效減少病毒的傳播,卻也增加了與他人對話上的困難,使溝通的品質大打折扣[9]。在口罩會影響溝通的「聲音」與「視覺」線索,該如何為愛防疫無礙溝通?文中就有提到,影響溝通的兩大面向為[10]

  • 聽覺:口罩會降低高頻語音(約 2000 – 7000 赫茲)的音量,影響高頻語音的清晰度,讓聲音聽起來悶悶的。如果聽不清楚,就可能會把「胡先生」聽成「吳先生」、「鞋子」聽成「茄子」等。
  • 視覺:口罩會遮蔽臉部表情與唇形變化,因而缺少了視覺上的線索。像是在餐廳或會議等多人同時說話的吵雜環境,若看不見唇形會較難辨別每句話的來源。

麥格克效應顯示了大腦會整合聽覺與視覺訊息來理解當下的聲音,而佩戴口罩所帶來的不便,不僅影響了聽力正常者,對於聽力受損的族群更是一大挑戰,不僅無法接收到清楚的語音訊息,更不能透過讀唇來理解對話內容。所幸,透明口罩的問世[11],使我們得以看見對方的表情,感受到對方的情緒,更能清楚辨識唇形,兼顧防疫及溝通的需求!

透明口罩幫助我們看見對方的唇形和表情,減少溝通上的阻礙。圖/BBC News

另一方面,疫情的衝擊也帶動串流影音平台的崛起,宅在家收看喜愛的戲劇及電影已蔚為風潮,而追劇的過程其實也是種視聽整合的展現。我們對於劇情的理解,除了劇中角色對話的聲音,影片中的字幕也很關鍵。要知道怎樣追劇可以聽和看得更輕鬆嗎?別錯過追劇沒字幕就聽不到?電視聲音不清楚,你可以這樣做[12]

字幕有助於理解影片的內容。圖/Pexels

參考資料

  1. McGurk, H., & MacDonald, J. (1976). Hearing lips and seeing voices. Nature264(5588), 746–748. https://doi.org/10.1038/264746a0
  2. Massaro, D. W., & Stork, D. G. (1998). Speech Recognition and Sensory Integration: A 240-year-old theorem helps explain how people and machines can integrate auditory and visual information to understand speech. American Scientist, 86(3), 236–244. http://www.jstor.org/stable/27857023
  3. Lüttke, C. S. (2018). What you see is what you hear: Visual influences on auditory speech perception (Doctoral dissertation, [Sl: sn]).
  4. Beauchamp, M. S., Nath, A. R., & Pasalar, S. (2010). fMRI-Guided transcranial magnetic stimulation reveals that the superior temporal sulcus is a cortical locus of the McGurk effect. Journal of Neuroscience30(7), 2414-2417. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.4865-09.2010
  5. Taylor, N., Isaac, C., & Milne, E. (2010). A comparison of the development of audiovisual integration in children with autism spectrum disorders and typically developing children. Journal of Autism and Developmental Disorders40(11), 1403–1411. https://doi.org/10.1007/s10803-010-1000-4
  6. Redcay E. (2008). The superior temporal sulcus performs a common function for social and speech perception: implications for the emergence of autism. Neuroscience and Biobehavioral Reviews32(1), 123–142. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2007.06.004 
  7. Hickok, G., Rogalsky, C., Matchin, W., Basilakos, A., Cai, J., Pillay, S., … & Fridriksson, J. (2018). Neural networks supporting audiovisual integration for speech: A large-scale lesion study. Cortex103, 360-371.
  8. BBC Two. (2010). Try this bizarre audio illusion! Retrieved August 12, 2022, from https://www.youtube.com/watch?v=G-lN8vWm3m0.
  9. Chládková, K., Podlipský, V. J., Nudga, N., & Šimáčková, Š. (2021). The McGurk effect in the time of pandemic: Age-dependent adaptation to an environmental loss of visual speech cues. Psychonomic Bulletin & Review28(3), 992–1002. https://doi.org/10.3758/s13423-020-01852-2
  10. 張逸屏(民109年8月11日)。口罩會影響溝通的「聲音」與「視覺」線索,該如何為愛防疫無礙溝通?PanSci泛科學。https://pansci.asia/archives/189531
  11. Taylor-Coleman, J. (2020, May 26). Coronavirus: Call for clear face masks to be ‘the norm’. BBC News. Retrieved August 12, 2022, from https://www.bbc.com/news/world-52764355 。
  12. 洪右真(民109年10月28日) 追劇沒字幕就聽不到?電視聲音不清楚,你可以這樣做。PanSci泛科學。https://pansci.asia/archives/192941
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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。