文／簡麗賢

學生問我：「科博館的超聲波演示，為何聲波可以懸空支撐紙片？」、「台中國家歌劇院設計美聲涵洞，這有何物理概念？」聲波特性問題，大哉問！

科學家早已了解運用聲波的「駐波」特性，可懸浮質量輕的物體；即使電磁波也可以利用駐波概念懸浮極微小的細胞。

聲波懸浮 猶如魔術



研究者在實驗室以開口向上的超聲波發射器產生聲波，正上方安置反射板，透過聲波反射與波疊加的干涉特性，在發射器之間形成駐波：距離愈遠，振動位移為零的節點愈多，懸浮點愈多，可懸浮愈多的紙片或小保麗龍球。研究者為求得較明顯的駐波，在實驗桌面及垂直桌面上方各放置一具超音波發射器，效果尤佳。

聲波懸浮技術是藉由空氣壓力差異支撐懸浮物的重量。一般駐波式聲音懸浮的原理，是透過振動源產生聲波，依靠聲源形成的聲波壓力，透過超聲波發射器與反射裝置，聲波不斷的反射與干涉，形成駐波，支撐微小物件的重量。若適當調整聲源與反射裝置間的距離，調整聲音壓力差異的位置，能抵抗物件所受的重量，使物件漂浮。

台中國家歌劇院是台中地標，內部牆壁的曲面設計應用聲波反射的特性，一如聞名遐邇的音樂之都奧地利維也納的歌劇院，歷史悠久，是觀光客常造訪的景點，體驗現場歌劇演出的魅力。

筆者曾造訪維也納的歌劇院，偌大的歌劇院舞台，看不到麥克風裝備，坐在後排的我，距離舞台大約50公尺，仍然很清楚聽到歌聲。舞台的曲面與歌劇院的四周牆壁的曲面空間設計，發揮清晰傳遞聲波的功能。

台中歌劇院仿自古代的「洞窟」而設計成「美聲涵洞」，內部共有58面曲面的牆，建築物材料大都為鋼筋混凝土，部分為鋼製材料，被建築業稱為「全球最難蓋的房子」。就聲波特性討論歌劇院的曲面設計，涉及聲波的反射、吸收與空間的「混響」等。

聲波反射 混響交疊



聲波需要依靠介質才能傳播能量。說話時是以空氣當介質，並且在空氣中形成壓力變化的疏密波。聲波若遇到障礙物，會發生反射現象，像光波遇到鏡子反射、山谷的回音或用聲納探測海底，就是應用聲波反射。在反射過程中，部分聲波的能量會被障礙物吸收，因此反射後的音量會小些。

聲波遇到界面處反射時，遵守「反射定律」。透過反射定律，可以設計有趣的活動。例如，新竹小叮噹科學遊樂區中，曾設置兩個拋物面做成的凹面鏡，兩凹面鏡的主軸相同，焦點也相同。當甲、乙兩人分別站在兩個焦點位置，甲小聲地說悄悄話，經過曲面的反射後，乙可以聽到甲說的話，這是利用聲波的反射，而且發出聲波的人站在曲面的焦點，聽的人也在另一曲面的焦點。

為使聽眾能清楚聽到舞台上發出的原聲，歌劇院若不使用擴音設備，設計時必須考慮反射牆面的聲波反射與能量吸收，也要考慮建築聲學的「混響」效果。混響是原發出聲音與反射後的回聲，交互影響的效應。在室內發出聲音必然有回聲，當聲源停止發出聲波後，能量會被環境物質吸收，在聲波能量逐漸衰減到很微弱之前，必經歷一段時間。聲源停止發聲後，聲波在封閉空間反射延續的時間稱為「混響時間」，會影響聽覺的辨識度。設計歌劇院的建築時，必然考量空間容量與原聲與回聲的混響時間。