新知 物理

聲學稜鏡

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撰文者:陳勁豪 博士 (臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心專案計畫助理研究員)
發文日期:2016-12-10
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  • 瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家發明了聲學稜鏡,可以用物理方法來分離出聲波中不同頻率的成份。

    早在1672年,牛頓就已經利用一系列的實驗證明,我們常見的白色光是由許多不同顏色的色光所組成。他的作法是讓白光通過一個由玻璃做成的三稜鏡。不同顏色的光從物理的角度就是指不同頻率的光。玻璃的折射率對不同頻率的光都不太相同,因此當白光經過三稜鏡中的兩次折射後,便可以分離出各種不同頻率的光。當然自然界中有許多方法可以作到類似的效果,即便是透過一個小水滴也可以得到相似的現象。

    但是同樣是波動,聲波基本上就沒有辦法用類似的方法來分出不同頻率的成份。要把聲波中不同頻率的成份分出來,基本上只能用電子方法,先把聲波用傅立葉變換轉換成頻譜,然後取出或濾掉想要的頻率,再轉換回聲波。這一系列的過程相當麻煩。

    瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家發明了一個新的方法,他們可以透過純物理的方法,不須透過各種電子元件就可以把聲波中不同頻率的成份分開。他們的器材是以十個完全相同的方形鋁塊做成。鋁塊的中間跟上方各有鑽孔,十個鋁塊接起來後,看起來就像個上方有挖洞的鋁製方管,外貌也有些類似長笛。關鍵的部份是在鋁塊與鋁塊之間貼有薄膜。當聲波要透過薄膜傳遞時,不同頻率的聲波經過薄膜時會因為頻率不同而產生傳遞的時間差,因此頻率較高的聲波比較容易轉彎,頻率較低的聲波偏折的方向會小一點。
    prism01
    Citation: J. Acoust. Soc. Am. 139, 3259 (2016); http://dx.doi.org/10.1121/1.4949544
     
     prism02
    Citation: J. Acoust. Soc. Am. 139, 3259 (2016); http://dx.doi.org/10.1121/1.4949544
     
    當他們進行實驗的時候,他們輸入了600-1400Hz的聲波。他們發現頻率越高的聲波會被導向較接近音源的表面,而頻率越低的部份則會出現在鋁管的末端。換句話說,這個鋁管就像一個聲學的稜鏡一樣,可以以物理方法把不同頻率的聲波分離出來。

    這個研究立刻產生了許多可能的應用方向。其中一個可能的應用是拿來作為聲學天線用。當來自遠方的聲音被這個聲學稜鏡接收到,由於不同的頻率會對應到不同的反射角,只要測量接收到的訊號中,訊號最強的頻率,就可以反推回聲源的方向。更重要的,是這個分離頻率的方法其實相當簡單,因此應該可以很快的把這個方法優化並且產生更多大量的應用。


    原始論文
    Exploiting the leaky-wave properties of transmission-line metamaterials for single-microphone direction finding
    J. Acoust. Soc. Am. 139, 3259 (2016)
    http://dx.doi.org/10.1121/1.4949544
    相關報導
    EPFL News 2016/08/09: Researchers invent acoustic prism
    http://phys.org/news/2016-08-acoustic-prism.html
    Scientific American 2016/11/01: Engineers Debut the Acoustic Prism
    https://www.scientificamerican.com/article/engineers-debut-the-acoustic-prism/
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