文／簡麗賢

麥克風（microphone）用來放大聲音訊號，讓更多人能清楚接收到聲波。光纖(optical fiber）即光學纖維的簡稱，是一種由玻璃製成的纖維，光能夠在纖維中以全內反射達成光波傳導。

光波傳訊 又細又純



光纖細如髮絲，顧名思義是很細很純的材質，以光波傳遞訊號。光纖既然用來傳遞光波，又如何能傳遞聲波訊息呢？這涉及光纖、毛細管與水凝膠薄膜的結合，以及聲波振動與腔內光波反射的共振狀態。

我們如何能聆聽唧唧蟲聲、嘓嘓蛙鳴？怎樣感受淅淅瀝瀝的雨聲、蕭蕭颯颯的風聲？如何在真實環境呈現詩人「大弦嘈嘈如急雨，小弦切切如私語」的境界？人類能感受聲音的存在，從科學角度必須具備聲音的振動源與傳遞聲波能量的介質，如空氣、水或金屬等，以及接收聲波的耳朵結構。對於聽力受損的失聰者而言，增強聲音壓力強度的變化量與提升捕捉聲音的精準度，應是科技發明的努力方向。

人耳接收聲波頻率的範圍有限，一般介於20至2萬赫茲，因此無法感受醫院孕婦產檢的超高頻率超音波。人與人溝通表達時的聲音強度大抵以40分貝為主，視情況降低或升高音量。然而若在較大型場地演講或表演時，往往需藉助麥克風轉換能量的設備放大聲音訊號，傳播演講內容或動聽歌曲。市面上的麥克風大抵可購得動圈式（dynamic microphone）、電容式與晶體式麥克風等。以設計「動圈式麥克風」的物理原理而言，主要是電磁感應概念，基本結構包含線圈、金屬振膜片與永久磁鐵三部分；當外來的聲波進入麥克風，聲波能量使金屬振膜片感受到壓力變化而振動，促使與振膜片連接在一起的線圈在磁鐵建立的磁場範圍內振動。依據物理學的冷次定律與法拉第電磁感應定律，線圈在磁場內相對運動會產生感應電流，傳至音箱而放大聲波訊號，若在劇場表演時，觀眾即能聽清楚演員的聲音。

傳遞能量 不受干擾



以動圈式麥克風而言，音質良好且堅固耐用，然因內建金屬材質而容易受電磁場干擾，易影響收音品質。

如何解決一般麥克風易受電磁干擾，聲音訊號易有噪音的問題呢？

國內的陽明交大、振興醫院與國研院儀器中心，共同研發一款細薄輕巧微米級的光纖麥克風，如同一根頭髮，結構簡單、成本低，以光傳遞能量，不受電磁干擾、訊號穩定、靈敏度佳，能更精準細微地捕捉聲音變化的訊號，偵測更高頻的聲音。光纖麥克風的原理是什麼？

當光波從折射率較大的介質進入折射率較小的介質時，也就是從光速較慢的介質傳遞至光速較快的介質時，例如從玻璃進入空氣，如果入射角大於一特定的角度時，光就會在玻璃內全部反射，這個現象稱為全（內）反射，可以減少能量耗損，傳遞訊息更清晰。網路的光纖通訊是應用全反射原理，體現「天涯若比鄰」的現代通訊。

光纖麥克風運用光波連續全反射的特性，以毛細管為共振腔體，光在共振腔全反射，再鍍上厚度10微米靈敏的水凝膠模，做成麥克風探頭結構。

光纖麥克風的原理即利用光在共振腔中來回反射產生共振，當聲波使其中一側的共振腔或薄膜產生微小變化時，就會影響光波在腔體共振的效果。藉由分析光波的改變量就是聲音的變化量，不管在多強的電磁環境，也能穩定清晰地解讀訊息與聲音傳輸。陽明交大的研究團隊將切割的單模光纖與毛細管及水凝膠薄膜結合，測試不同水凝膠濃度薄膜對麥克風厚度與機械性質的影響，最後終於研發出光纖麥克風，可應用在助聽器與穿戴式電子裝置，以及特殊的醫療場域，具有極大應用前景。