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知識大圖解:電子槍

知識大圖解_96
・2015/04/27 ・983字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

「電子槍」可不是什麼火力強大的武器,而是日常電器中的重要元件。

電子槍是一種多用途的電子元件,在許多設備中扮演關鍵的角色,應用範圍涵括3D印表機、焊槍、英國鑽石光源中心(Diamond Light Source)的大型同步加速器,以及美國金博爾物理研究所(Kimball Physics)的電力系統。

電子槍的運作原理可用最基本的動能和電流來解釋。將電子槍安裝在電氣裝置的真空管中,它會將電子和離子從金屬源(陰極)釋放出來,轉變成可供利用的能量波束,這個過程稱為「熱離子發射」。

Electron guns
請點擊看大圖。

電子槍中有一根小燈絲會加熱陰極,使其釋放出電子流。電子迅即加速,並被拉往鄰近帶正電的陽極。陽極上開有小孔,電子穿過之後,會形成一道集中的電子束,繼續在裝置內前行。1897年,湯木森(J. J. Thomson)在進行陰極射線的實驗後研究其用途,並利用這個概念發現了電子的存在。

電子槍大致可分成兩大類型:熱離子發射與場發射。前者比較常見,可在高溫下運作。場發射(field emission)產生的熱量較少,但是亮度較高、電場較強。此外,「泛射式電子槍」則可將電子束散射至較為寬廣的區域。

 電子槍如何將能量轉變成實用產品?

關鍵在於釋放出原本固定在導體中的電子,但真正困難的是控制逃脫出來的電子。我們會將金屬加熱,使得電子離開陰極,然後用高電場來分離這些電子。 

電視和鑽石同步加速器看似截然不同,電子槍在兩者中如何運作?

電子槍的用途非常廣泛,但其背後的物理概念倒是不難。基本上就是提供電子能量,讓電子脫離束縛態。在鑽石中心,我們的電子槍上裝有一組電極,可以重整電子束,並將其送進線性加速器。舊型陰極射線管電視機則裝有能夠產生上萬伏特的零件,來加速電子束,使其直接打在螢幕上成像。所以,電視和鑽石同步加速器主要差別在於激發出電子後,對電子所做的處理。

要是沒有發明電子槍,整個產業界會變得如何?

可能一直到最近都還不會發明電視機,但是這關係其實也不算太大,因為廣播和電視節目的發射機也都需要用到裝有電子槍的放大器;若沒有電子槍,根本不會有電視節目可看。而且不只是電視節目訊號,老式的電動閥也是基於電子束而研發出來的,如果現代世界少了電子槍,整個電子產業的發展等於少了一個關鍵步驟。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第07期(2015年4月號)

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知識大圖解_96
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用過手刀劈電視嗎?淺談「始祖螢幕」的誕生——如何從笨重的 CRT 進化到超薄液晶?
張瑞棋_96
・2021/09/01 ・4519字 ・閱讀時間約 9 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

編按:顯示器在當代極其重要,哭鬧的孩子只要拿出 ipad 就能讓他瞬間破涕為笑(錯誤示範)。但你還記得童年時擺在客廳的電視嗎?就是有雜訊時要用手刀怒劈 45 度角的那種!這種電視使用的是 CRT(陰極射線管)技術,堪稱現在各種 3C 產品的「始祖銀幕」,本文將回顧它的前世今生,一睹螢幕對人類的卓越貢獻(?)。

《咒術迴戰》中的七海健人有云:「枕邊掉的頭髮越來越多,喜歡的夾菜麵包從便利商店消失,這些微小的絕望不斷積累,才會使人長大。」——泛科《童年崩壞》專題邀請各位讀者重新檢視童年時期的產物,讓你的童年持續崩壞不停歇 ψ(`∇´)ψ。

電腦發展日新月異,但至今仍不脫馮紐曼架構(Von Neumann architecture),也就是分為處理單元、控制單元、記憶單元、輸入裝置與輸出裝置,共五大單元。這裡面,以輸出裝置中的顯示器,由笨重的陰極射線管(cathode-ray tube, 簡稱 CRT)進展到輕薄的液晶顯示器(liquid-crystal display, 簡稱 LCD),在外觀上讓使用者感受到最明顯變化。

不過你知道嗎?它們的發明最初其實都和電腦無關。

顯示器的起源與演進

CRT 緣起於德國物理學家蓋斯勒(Heinrich Geissler)在 1857 年發明的「蓋斯勒管」(Geissler tube),這也是霓虹燈的始祖。蓋斯勒在密封的玻璃管中注入稀薄的氣體(約標準大氣壓的千分之一),例如氖或氬這類稀有氣體,然後對玻璃管兩端的電極施以高壓電,使氣體離子化。游離的電子會撞擊到周遭的氣體分子,產生更多游離電子,當電子落回原來的軌域,釋出的能量便會以光的型態出現;不同的氣體會散發出不同顏色的光芒。

後來英國物理學家克魯克斯(William Crookes)將蓋斯勒管內的氣體抽到只有大氣壓的千萬分之一,結果不再有均勻的光芒,而是只有陽極那端的玻璃發出光芒。此發光原理與蓋斯勒管不同,是失去電子的氣體離子被吸往陰極,陰極金屬片被撞擊後,電子脫離金屬原子,在陰極的斥力與陽極的吸力雙重作用下,高速射向陽極。由於近乎真空,電子不會被稀少的氣體分子阻擋,一路射向玻璃,撞出電子而產生發出光芒。

被自己的光所照亮的蓋斯勒管,來自 1869 年的法國物理學書籍的畫。圖/維基百科

不過當時連原子的結構都不清楚,根本不知其中原理,只能以實驗摸索光芒的由來。1869 年,德國物理學家希托夫(Johann Hittorf)發現若在靠近陽極處放置遮蔽物,會在玻璃管末端投下陰影,據以推斷產生光芒的能量必定是由陰極往陽極直線行進。1876 年,他的弟子戈德斯坦(Eugen Goldstein)確認這是從陰極金屬片產生,並將之命名為「陰極射線」。

1879 年,克魯克斯發現陰極射線的行進方向會受到磁場影響而偏折,不過這項特性要等到 1896 年,才由德國物理學家布勞恩(Ferdinand Braun)找到實際用途。他將克魯克斯管加以改造,把陽極那端的玻璃管面積加大,塗上螢光材料,並延長玻璃管長度,中間用電磁鐵產生磁場來控制電子的飛行方向,如此便可以在螢光玻璃上產生圖案。

克魯克斯管示意圖。從陰極直線發射出的陰極射線撞擊到玻璃壁,因此在玻璃壁顯示出磷光。在玻璃管內置入的蒙片會在磷光區域形成陰影。圖/維基百科

隔年二月,布勞恩發表他所設計的「布勞恩管」,並明確指出其用途:顯示電流/電壓隨著時間的變化。就這樣,布勞恩不但發明陰極射線管,同時也發明史上第一個示波器,以視覺方式具體呈現電流的週期、波形、相位等特性。值得注意的是,此時仍不知道電子的存在,直到三個月後,湯姆森(J. J. Thomson)才發表他用克魯克斯管所做的實驗,證實陰極射線是帶負電的基本粒子,也就是電子。

示波器畢竟只是顯示簡單的波形,要再過三十年,陰極射線管才有新的用途:做為電視機的映像管。你或許會以為既然都能做到動態影像了,再來應該很快就會用於電腦螢幕了吧?其實並不然,因為真正全程使用電子訊號的電腦直到二次大戰結束後才發明出來,在此之前,不可能採用 CRT 螢幕;反倒是二次大戰前剛發明的雷達系統先用 CRT 來顯示移動中的目標。

Tektronix 示波器。圖/Tektronix

西元1949年以後:OOXX——第一個視覺化的電腦遊戲

其實 1945 年問世的第一台通用型電腦「電子數值積分儀暨計算機」(Electronic Numerical Integrator And Computer,簡稱 ENIAC)也沒用到 CRT,它是靠插拔電纜與切換開關來設定程式,而計算結果則輸出到打孔紙帶。率先配備 CRT 螢幕的電腦是 1949 年啟用的「電子延遲存儲自動計算機」(Electronic Delay Storage Automatic Calculator,簡稱 EDSAC),它也是第一台採用馮紐曼架構的電腦。不過 EDSAC 的 CRT 螢幕只是做為示波器,監測電路之用;輸入程式與輸出計算結果都還是用打孔紙帶。

有趣的是,劍橋大學的博士生道格拉斯(Sandy Douglas)於 1952 年為 EDSAC 寫了井字遊戲的程式,利用 CRT 螢幕呈現井字與 ”O”、”X” 符號,成為史上第一個視覺化的電腦遊戲,也讓 CRT 螢幕首度在電腦上輸出運算結果。不過真正讓 CRT 螢幕專門做為輸出裝置的商用電腦,是迪吉多電腦公司(Digital Equipment)於 1959 年推出的 PDP-1,自此開始,CRT 螢幕逐漸成為電腦的標準配備。

OXO 井字遊戲。圖/Pexels

一個物質怎麼會有兩個熔點?液晶的崛起

CRT 技術不斷改善,從單色變為彩色、從低解析度進階到高解析度,但受限於陰極射線管的技術原理,仍難以擺脫笨重的身型。不過由於沒有其他替代性的技術,CRT 螢幕一直是電視與電腦的唯一選擇,直到 1990 年代,日益成熟的液晶顯示器才逐步加以取代。

其實液晶的發現早在陰極射線管發明之前。在 1880 年代,植物學家從胡蘿蔔中萃取出兩種胡蘿蔔素,一種是紅色的,另一種是無色的。有人認為無色的胡蘿蔔素就是植物性膽固醇,但缺乏確切證據而引發爭辯,沒有定論。1888 年,奧地利植物生理學家萊尼澤(Friedrich Reinitzer)決定進行實驗,分析比較兩者的物理化學特性,以釐清這個問題。

萊尼澤先從膽固醇的各種衍生物著手,結果他在加熱苯甲酸膽固醇酯(C34H50O2)時,發現兩個奇特的現象。首先它在 145.5°C 時會熔化成混濁的液體,接著繼續加熱到 178.5°C 的話,混濁突然消失,變成清澈透明。而在冷卻的過程中,原本透明的液體會變成藍紫色,然後顏色迅速消失,變為混濁。當溫度繼續下降,藍紫色再度出現,接著變為黃綠色、橙黃色、紅色,同時出現結晶的現象。

一個物質竟有兩個熔點,還會在冷卻結晶過程中變色,這完全超乎萊尼澤的理解,於是他寫信向晶體學專家雷曼(Otto Lehmann)請教。雷曼用偏光顯微鏡仔細觀察後,發現混濁的苯甲酸膽固醇酯液體中,有許多結晶體,使得不同偏振方向的光產生不同折射,也就是類似石英、寶石等固體晶體的雙折射現象。雷曼繼續研究哪些物質在液態時,也具有固體晶體光學的性質,並把這類液態下的物質稱為「液態晶體」,這就是液晶的名稱由來。

具結晶性的液體,液晶。圖/維基百科

雷曼發表實驗結果後,雖然有其他科學家繼續液晶的研究,包括以人工合成,但這些研究都僅限於科學上的好奇,沒有人想到將液晶的光學特性用於顯示文字或圖像。直到 1962 年 4 月,美國無線電公司(Radio Corporation of America,簡稱 RCA)的物理化學家威廉(Richard Williams)突發奇想,首度對液晶施加電場,才開啟了液晶顯示器的研究。

其實威廉的本意並非為了尋求液晶的顯示功能,恰恰相反,他是想讓液晶發揮遮蔽作用,才著手進行實驗。當時美蘇對峙,核子危機一觸即發,威廉設想飛行員出任務時,可能會被核彈強光傷害視力,於是想要發明一種類似高速快門的裝置,可以讓透明玻璃瞬間變黑,以保護飛行員的眼睛。威廉看上的是一種「向列型液晶」,這種分子就像火柴盒中的火柴棒那樣順向排列,除了自身轉動外,彼此也會相互滑動。他想試驗電場是否會改變它們的方向,吸收不同波長的光。

威廉在兩片耐熱玻璃之間塗上薄薄一層向列型液晶,加熱到 125°C,再接上電,結果發現原本透明的液晶有部分立即變暗,形成皺褶般的圖案。一關掉電源,圖案馬上消失,液晶又變回透明。威廉腦筋一轉,想到這或許可以用來替代電視機的映像管,於是在對公司內部演示時,主動提議開發液晶顯示器。

不過這個點子馬上被打回票,因為先不提各種技術障礙,光是機器得維持在一百多度的高溫這點,就太過危險,不可能做為一般消費商品。威廉只好放棄這個構想,轉而投入其它研究,所幸當時現場有位 28 歲的年輕人看了演示後念念不忘,液晶顯示器才沒有胎死腹中。

美國工程師兼商人 George Heilmeier

2009 年的 George Heilmeier。圖/維基百科

這位年輕人是擁有博士學位的海爾邁爾(George Heilmeier),他在 RCA 的工作是研究如何用雷射技術進行通訊傳輸。原本雷射是用紅寶石之類的晶體產生,但海爾邁爾不需要那麼大的功率,因此他一直想要找到成本更低的晶體代替。威廉的演示為他指出一個新的方向:或許可以用向列型液晶取代固態晶體。他帶領部門開始研究液晶,結果在 1966 年發現一種方法,可以在室溫下合成出向列型液晶,海爾邁爾立刻體認到:阻擋開發液晶顯示器的障礙已經排除。

海爾邁爾成功說服高層,成立液晶顯示器的研究團隊。隔年他們即做出小型的原型機,可以顯示靜態圖樣與簡單動畫。1968 年 5 月,RCA 召開盛大的記者會,對外公布他們已擁有將液晶用於顯示器的技術,並樂觀地預言再過幾年,科幻電影《2001太空漫遊》中的平面電視即可問世。

這個預言當然太過樂觀了,液晶顯示器的畫質要趕上 CRT 螢幕還有一大段距離要走,初期只能用於電子計算機與電子錶。不過 RCA 決定全力發展電腦事業,竟大幅縮減液晶顯示器部門,將液晶顯示器市場拱手讓予日本為首的其它國家。海爾邁爾也於 1970 年代離開 RCA,到國防部服務幾年後,轉任德州儀器副總經理,並於 1983 年升為技術長(順帶一提,張忠謀就在這一年離開服務了 25 年的德州儀器。)

無論如何,由於海爾邁爾開發出原型機,加上 RCA 大力宣傳,隨後又改變策略,對外授權液晶顯示器的技術,才加速了液晶時代的來臨。如今液晶顯示器以各種型態出現在我們生活中,除了用於電腦、筆電,從手機、電視,到各種電器用品也都處處可見,已是現代社會不可或缺的角色。或許有一天液晶顯示器也會步上被新技術淘汰的命運,但它與 CRT 螢幕絕對是未來人們回首過往科技產品時,一定會伴隨出現的記憶。

參考資料

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 570 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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用錯使用方法,漂白劑也會出人命?請注意,盡量不要「混搭」清潔劑!
阿咏_96
・2020/12/18 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

今年八月時,有新聞指出,一位英國女子西摩(Leah Seymour)在打掃浴室時,將馬桶清潔劑與漂白劑混合一起使用,幾分鐘後出現強烈氣味,導致她氣喘發作,失去意識,送醫後宣告不治身亡。

什麼!漂白劑不是我們生活中常用來消毒的好朋友嗎?到底發生了什麼事?漂白劑真的這麼危險嗎?以後是不是就別用了?

修但幾勒!

在恐慌蔓延之前,我們必須先來了解漂白劑究竟是何方神聖,又是如何作用的。

別只會唱愛情轉移,你知道電子轉移嗎?

我們日常使用的漂白劑,通常是透過氧化還原反應將顏色去除或變淡,除了漂白的功能之外,也可以用來消毒殺菌。

漂白水是我們消毒環境、清洗衣物的好幫手。圖/Pixabay

氧化還原反應指的是過程中發生電子轉移的化學反應,例如以下這個鎂和氧化銅的反應式: 

Mg+CuO → MgO+Cu

我們可以把 鎂 Mg 想像成是一位財大氣粗的火爆小子,而 銅 Cu 是個性溫和的好好先生,有天他們倆相遇了,鎂對銅表示想買下他的情人 氧 O,急躁的鎂不管銅的意見,就把錢(也就是電子)付給他,同時也把氧搶走了,於是鎂就把氧佔為己有,而銅得到了錢財,變回孤身一人。

在氧化還原反應裡,不同角色有各自的稱呼和招式,把電子付給別人的火爆小子稱為「還原劑」,招式為「還原」,讓別人變回孤身一人;得到電子的好好先生為「氧化劑」,招式為「氧化」。

大家不妨猜猜看,圖中的 H 和 F 之間,誰是火爆小子,誰又是好好先生呢?圖/Wikipedia

然而,好好先生與火爆小子的身份並非永遠不變,也就是說「沒有最火爆,只有更火爆」,未來當鎂遇到比他更財大氣粗的人時,手上的氧也會被「買」走,而銅遇到比他更溫和的人時,也可能會買別人的氧。

而這種急躁又霸道的性格,稱之為「活性」,也就是說活性越大的元素,性質越活潑,越急著把錢(電子)塞到別人手裡、買走氧,不過,他們把氧買走後,就會「浪子回頭」,個性變得比較收斂,性質更為安定。

拿~麼厲害!漂白劑原來是轉移高手

接著回到故事主線,漂白劑的種類可以依據在漂白過程發生的氧化還原反應中擔任的角色來區分:若在反應裡擔任氧化劑者,稱為「氧化型漂白劑」;若擔任還原劑者,稱為「還原型漂白劑」。

平時我們較常接觸到的是氧化型漂白劑,而氧化型漂白劑通常可以再分為兩類:氯系漂白劑氧系漂白劑

你用的是氯系,還是氧系漂白劑呢?圖/Wikipedia

這邊即將登場的是:氯系漂白劑

氯系漂白劑含有次氯酸鈉(NaClO),溶在水中會解離成次氯酸離子(ClO)和鈉離子(Na+),當次氯酸離子(ClO)與水反應後,會轉變為弱酸性的次氯酸(HClO),但鈉離子(Na+)與水反應後,會變成強鹼性的氫氧化納(NaOH),因此使水溶液變成弱鹼性。

次氯酸(HClO)就是典型的好好先生,很容易得到其他物質的電子,也就說能夠氧化許多的物質,透過氧化就可以破壞細菌的細胞機能,最後導致細菌死亡。而漂白的功能也是因為氧化了含有顏色的化合物而造成褪色。

不過,漂白水的原液只含微量 HClO 分子,加水稀釋後 HClO 的比例會提高,此時才具有比較好的消毒殺菌效果。

什麼?跟清潔劑一起用ㄟ出代誌?!

然而,如果以不正確的方式使用氯系漂白劑,可能會對我們的健康造成危害!

使用漂白水的時候,有些人會加上「比較好聞」的清潔劑,或是跟其他強效清潔劑混合,希望可以藉此達到更好的清潔效果。

請小心!如果將漂白水和其他清潔劑混合,很有可能產生危害人體的物質。

許多香精油、清潔劑中,都可能含有檸檬烯。圖/Pixabay

加拿大多倫多大學 2019 年的研究發現,當我們在室內環境使用氯漂白劑溶液時,容易釋放出氣態的次氯酸(HOCl)和氯氣(Cl2),由於兩者都是強氧化劑,因此它們會和清潔劑中的揮發性有機化合物——檸檬烯(limonene)產生反應。

檸檬烯是最豐富的揮發性有機化合物之一,許多我們的日常用品有它的存在,例如個人護理產品、清潔用品、空氣清新劑等。

檸檬烯本身是無毒的,在不同的室內條件下,檸檬烯可以與臭氧或其他氧化劑反應,生成顆粒,例如它和氫氧自由基可以快速進行反應。

他們觀察到,在室內日光燈或陽光的照射下,檸檬烯會與次氯酸、氯氣發生反應,並在室內產生大量的粒子,接著他們用氣膠儀質譜法(Aerosol mass spectrometry)分析這些粒子後,發現這些例子大部分都是含氯的顆粒,吸入身體後可能對肺功能或氣管造成負面的影響 4

光照之下,在透明的空氣中可能發生了許多你完全察覺不到的化學反應!圖/Pixabay

然而,我們也不能完全把責任都推給檸檬烯。

事實上,當氯漂白劑溶液釋放出次氯酸(HOCl)和氯氣(Cl2)後,在光的照射下註1,很容易被分解為氫氧自由基及氯原子,它們倆也是強氧化劑,可以與許多室內揮發性有機化合物反應,產生氯化物,甚至有助於形成二級有機氣溶膠(SOA),可能會危害人體的呼吸系統健康 5

雖然這些顆粒的成分、對健康的影響程度還需要進一步研究,但我們仍然可以知道,這些光解作用、氧化反應形成的產物,對人體健康具有一定的風險。

使用漂白劑前,三件最重要的小事

次氯酸鈉在我們的生活中扮演著重要的角色,游泳池、廁所乃至於免疫系統,都可以發現它的存在。

然而如同歌詞裡說「水能載舟,亦能煮粥」,次氯酸鈉帶來便利的同時,也伴隨著其他風險,為了避免更多因誤用而造成的悲劇,我們必須了解如何安全的使用漂白劑,以下為大家整理了和次氯酸鈉平安共處的 3 大守則!

  1. 禁止飲用與避免觸摸

次氯酸鈉之所以能「消毒殺菌」,是因為具有一定的生物毒性,如果誤飲可能會造成中毒,在使用次氯酸鈉進行清潔時,最好戴上口罩及手套,避免直接接觸喔!

請盡量戴上手套、口罩,避免與清潔劑零距離的接觸。圖/Unsplash
  1. 避開陽光及高溫

如同剛剛的研究提到,次氯酸鈉遇到光或熱會被分解成有毒的氯氣,因此平常不使用時要保存在陰涼處,也不要搭配熱水使用。

  1. 避免與清潔劑混合

除了上面提到的檸檬烯以外,其實清潔劑裡還含有其他物質,會跟次氯酸鈉反應生成氯氣或其他對人體有不良影響的化學物質。

即使上述這些注意事項看起來都是常識,卻非常容易被大家忽略!請大家務必謹慎、聰明地使用,才能讓我們在享受潔淨空間的同時,避免意外的發生!

註解

  1. 這項研究的實驗是在只有朝北窗戶的房間內進行的,他們推測窗戶接收陽光較多的房間會有更迅速的光解反應。

參考資料

  1. Wang, C., Collins, D. B., & Abbatt, J. P. (2019). Indoor illumination of terpenes and bleach emissions leads to particle formation and growth. Environmental Science & Technology, 53(20), 11792-11800.
  2. Yahoo新聞:「漂白水+清潔劑」刷浴室 她聞刺鼻味倒地……4天後亡
  3. 香港政府一站通:漂白水的使用
  4. Das, R., & Blanc, P. D. (1993). Chlorine gas exposure and the lung: a review. Toxicology and industrial health, 9(3), 439-455.
  5. Gaschen, A., Lang, D., Kalberer, M., Savi, M., Geiser, T., Gazdhar, A., … & Geiser, M. (2010). Cellular responses after exposure of lung cell cultures to secondary organic aerosol particles. Environmental science & technology, 44(4), 1424-1430.
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追劇沒字幕就聽不到?電視聲音不清楚,你可以這樣做
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2020/10/28 ・2840字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 509 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/雅文基金會聽語科學研究中心 研究員 洪右真

好不容易能當廢柴追劇,結果一場電影看下來,手裡握的不是啤酒和鹽酥雞,而是得用來不斷調整音量的遙控器,聽不清楚劇中對白實在有夠掃興。

相信很多人看劇時心中不免出現「如果沒有字幕根本聽不懂演員對白呀!」或「這電影音效怎麼這麼爛,一直蓋掉對白,都聽不清楚。」這類的OS。除了演員的口音、語速、清晰度和掌握台詞語言的熟稔度外1,2,讓電視語音品質打折扣的原因百百種,先找出病灶對症下藥,不再讓看劇成為對耳朵的一種折磨。

常常覺得聽不清楚劇中對白嗎?到底是演員口齒不清、電視喇叭太爛,還是我的聽力退化了?圖/pxhere

打磨又加工,電視聲音其實通過層層處理

我們坐在電視前聽到的聲音都是經過多次的轉換和處理,包括拍片時透過麥克風的收音,影片後製時添加的音效,或為了凸顯訊息而使用的降噪、等化和壓縮功能等。再一路到電視喇叭的規格、視聽設備的擺設方位、環境噪音強弱等都會影響我們感知到的音質3

尤其,現在的電視大多會開啟「壓縮動態範圍」(dynamic range compression)功能,提升整體響度,但卻讓音訊失去原本的大小起伏2,反而降低了語音的清晰度。

顧此失彼,輕薄螢幕讓聲音品質走下坡

電視機不斷推陳出新,而時下正流行液晶螢幕,越薄越好。然而,為了追求超薄造型和節省空間,電視喇叭常被設計成內建在機體的背面或下方,而非像傳統電視直接面對前方。

這樣的設計導致喇叭送出的聲音會先由背後的牆面或下方的櫃體反射,接著才會傳送出來,影響聲音品質6。而且聲音的反射常會引起梳狀濾波(comb filtering),造成原始信號與延遲的反射音相互疊加或抵銷,改變聲音的本質3,7

根據研究指出,電視喇叭的頻率響應(frequency response)表現也不盡相同。頻率響應反映輸出與輸入聲音的符合程度,差異越小越好,可惜不少電視喇叭輸出與輸入的音量差異可高達10-20分貝,讓聲音扭曲,降低語音清晰度3,8

各種喇叭位置。現在的電視為了追求薄面造型,通常會犧牲喇叭內建的最佳位置。圖/Mapp, P. (2016, September). Intelligibility of cinema & TV sound dialogue. In Audio Engineering Society Convention 141. Audio Engineering Society.

電視機之外,聽力退化如何影響你?

聽力損失也可能是讓你聽不清楚電視聲音的元兇。不同的聽損類型和程度會對語音接收品質造成不一樣的影響,像是家中長輩最容易因為重聽而將電視越轉越大聲。

一般來說,聽力退化大部分都先發生在高頻率帶,而首當其衝的便是語音清晰度。所以長輩會因為聽不清楚子音和子音間短暫又細小的差別(如ㄑ和ㄐ),而覺得演員講話時的聲音悶悶的。

不僅如此,重聽的長輩對於音高(pitch)的掌握度也較差,讓他們在多人講話的場景中(如:政論節目)也較難鎖定特定說話者1,不免讓他們因為聽得辛苦而更加怒火中燒、血壓飆升。若再加上家裡的各種噪音,不管是電器運轉聲或小孩哭鬧聲,也都會讓訊噪比(signal-to-noise ratio)惡化,使訊息內容被噪音覆蓋,增加聆聽的困難。

只要一個環節出錯,都會影響對白清晰度,讓觀眾追劇追得苦哈哈。

讓追劇更享受,你可以這樣做!

如研究結果顯示,約八成使用者在聽不清楚時的第一個反應便是將音量調大,再來則是打開字幕2。國內電視節目大多已上有字幕,所以不成問題。但若是使用特定平台追美劇、看脫口秀或演講,則可選擇開啟字幕或是調降語速。

此外,降低家中環境噪音或避免聲音反射也是解決之道。透過擺滿書的書架、地毯和其他布織品(如窗簾)的擺設都可以降低聲音的反射,讓語音更清楚傳遞。

接著,你也可以調整電視音效的混音模式,試試看何種設定聽起來最清楚和舒服。比如把動態範圍(dynamic range)選項下的壓縮模式改回標準模式,看看聲音是否更自然。其他設定還有像是轉換不同聲音模式(sound mode)、自動音量平衡(auto volume leveling)或是調整均衡器/EQ效果器(equalizer)。

記得,若想要讓對白更清楚,通常可試著調降低頻(bass)音量並調升高頻(treble)音量。另外,透過降低干擾音頻的音量通常會讓聲音聽起來比較自然,一昧的使用增強效果反而容易讓聲音失真扭曲10

電視機播音設定細節多,幫助你追求更好的閱聽品質。圖/Pixabay

每個廠牌和型號的音效功能名稱和預設值皆不同,建議還是得耐著性子嘗試各種設定,才能讓電視音效最貼近你的聆聽需求。

如果上面這些方法的效果都不是很好,也有一些需花錢的改善方法。像是無線抗噪耳機可以讓你直接聆聽電視聲音,或電視音響(sound bar)改善聲音輸出品質,也都是不錯的選擇。

發揮巧思,輔具配戴者也能受到照顧

若家中重聽長輩有戴助聽器,那我們應該更要有同理心,因為助聽器也會壓縮處理電視的聲音,可能造成過度壓縮(over-compression),進而降低語音接收的清晰度4,5

不過,戴助聽器也是有解的。除了可以直接調整助聽器音量外,還可以將設定改為指向式麥克風,讓聲音接收範圍更限縮以排除其他噪音。

簡單更改設定,就可以幫助配戴助聽器的家庭成員。圖/Creazilla

其他則還有助聽器配件,如語音串流器(streamer)或脖掛型線圈(neck loop)等都可以讓長輩直接接收電視的聲音,不僅讓他們聽得更輕鬆,也還家人一個清靜的居家空間。

影響電視聲音品質的原因數不清,下次若身邊有人又在抱怨聽不清楚電視對白,別忘了除了把音量調大聲或憤而關掉電視外,還有很多可以改善聽品質的小技巧,一起做個智慧型的追劇達人!

參考資料

  1. Armstrong, M. (2016). From clean audio to object based broadcasting. BBC Res. Dev. White Pap, 1-23.
  2. Strelcyk, O., & Singh, G. (2018). TV listening and hearing aids. PloS one, 13(6), e0200083.
  3. Mapp, P. (2016, September). Intelligibility of cinema & TV sound dialogue. In Audio Engineering Society Convention 141. Audio Engineering Society.
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  5. Verschuure, H., Prinsen, T. T., & Dreschler, W. A. (1994). The effects of syllabic compression and frequency shaping on speech intelligibility in hearing impaired people. Ear and hearing, 15(1), 13.
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知識大圖解:電子槍
知識大圖解_96
・2015/04/27 ・983字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

「電子槍」可不是什麼火力強大的武器,而是日常電器中的重要元件。

電子槍是一種多用途的電子元件,在許多設備中扮演關鍵的角色,應用範圍涵括3D印表機、焊槍、英國鑽石光源中心(Diamond Light Source)的大型同步加速器,以及美國金博爾物理研究所(Kimball Physics)的電力系統。

電子槍的運作原理可用最基本的動能和電流來解釋。將電子槍安裝在電氣裝置的真空管中,它會將電子和離子從金屬源(陰極)釋放出來,轉變成可供利用的能量波束,這個過程稱為「熱離子發射」。

Electron guns
請點擊看大圖。

電子槍中有一根小燈絲會加熱陰極,使其釋放出電子流。電子迅即加速,並被拉往鄰近帶正電的陽極。陽極上開有小孔,電子穿過之後,會形成一道集中的電子束,繼續在裝置內前行。1897年,湯木森(J. J. Thomson)在進行陰極射線的實驗後研究其用途,並利用這個概念發現了電子的存在。

電子槍大致可分成兩大類型:熱離子發射與場發射。前者比較常見,可在高溫下運作。場發射(field emission)產生的熱量較少,但是亮度較高、電場較強。此外,「泛射式電子槍」則可將電子束散射至較為寬廣的區域。

 電子槍如何將能量轉變成實用產品?

關鍵在於釋放出原本固定在導體中的電子,但真正困難的是控制逃脫出來的電子。我們會將金屬加熱,使得電子離開陰極,然後用高電場來分離這些電子。 

電視和鑽石同步加速器看似截然不同,電子槍在兩者中如何運作?

電子槍的用途非常廣泛,但其背後的物理概念倒是不難。基本上就是提供電子能量,讓電子脫離束縛態。在鑽石中心,我們的電子槍上裝有一組電極,可以重整電子束,並將其送進線性加速器。舊型陰極射線管電視機則裝有能夠產生上萬伏特的零件,來加速電子束,使其直接打在螢幕上成像。所以,電視和鑽石同步加速器主要差別在於激發出電子後,對電子所做的處理。

要是沒有發明電子槍,整個產業界會變得如何?

可能一直到最近都還不會發明電視機,但是這關係其實也不算太大,因為廣播和電視節目的發射機也都需要用到裝有電子槍的放大器;若沒有電子槍,根本不會有電視節目可看。而且不只是電視節目訊號,老式的電動閥也是基於電子束而研發出來的,如果現代世界少了電子槍,整個電子產業的發展等於少了一個關鍵步驟。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第07期(2015年4月號)

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