香檳聲音哪裡來?

當拿著一杯香檳靠近耳朵時,我們可以聽到細微的嘶嘶聲。這些聲音主要來自於香檳酒中微小的氣泡在液體表面破裂。但氣泡破裂時,到底發生了什麼,導致了這樣的獨特聲響?氣泡破裂的聲音,和將海螺靠近耳朵所聽到的聲音,又有什麼關係?

撰文/劉詠鯤

為了瞭解液體內氣泡破裂時,產生聲音的過程,研究團隊[1]將肥皂水、香檳裝在玻璃杯中,利用高速攝影機記錄氣泡的變化並同時用麥克風紀錄所發出的聲音。

透過高速攝影機,研究團隊可以挑出只有單一氣泡破裂的過程,在比對麥克風所記錄下的聲音頻譜後,就得以研究在氣泡破裂過程中,產生的聲音是如何變化。

分析實驗數據後,如直覺預期的:聲音來自於氣泡的破裂。當氣泡升至表面時,氣泡內部的氣體壓力被釋放出來。然而,氣泡並不會馬上消失。氣泡在水面下的部分會在液體與氣體的交界面產生震動。這個震動的頻率和氣泡內氣體體積,以及氣泡開口直徑有關。這個聲音震動可以透過亥姆霍茲(Helmholtz)共振模型來加以描述。

有趣的是,將海螺靠在耳邊所聽到的「海聲」,其實背後的物理原理也是亥姆霍茲共振,這點我們會在本文稍後介紹到。讓我們先回到氣泡破裂的情形,隨著氣泡破裂部分增加以及空腔體積縮小,聲調會越來越高直到氣泡消失。這個音調變化的過程,被超高速攝影機以及錄音機精準的呈現出來。對於非常小,如微米等級的香檳氣泡,只有在一開始破裂產生的聲音是人耳可以聽到的,之後所釋放出的聲音由於頻率較高,超過人耳可識別的範圍;較大的毫米等級的氣泡,則是整個破裂過程中的聲音都可以被人耳聽見。

要知道氣泡體積與發出聲音頻率高低的關係,讓我們先來簡單了解一下亥姆霍茲共振模型。

●亥姆霍茲共振是什麼?

亥姆霍茲振動描述了空氣在一個腔體中以特定頻率震盪的現象(詳細過程解釋如圖一)。該震盪頻率被稱為系統的「自然頻率」,和頸口的尺寸、腔體的大小…等因素有關[註1]。若是外加聲音的頻率和自然頻率相符,震盪幅度會越來越大,也就是就是發生「共振」。若頻率不相符,則聲音會逐漸減小。

圖一、亥姆霍茲共振模型示意圖。容器內的氣體可簡化為兩部分:頸口空氣柱及腔體內氣體。當有外加聲波傳入時,(a)頸口空氣柱被向瓶內推,瓶內氣體體積減小、壓力上升,使空氣柱被向上推。(b)向上通過平衡點。(c)腔體內體積擴大,壓力小於大氣壓力,故空氣柱被向下壓。(d)向下通過平衡點,最後回到(a)的狀態。如此,頸口空氣柱形成彈簧般的上下震盪,反覆運動。

 

這個模型描述的現象其實在生活周遭時常可見:當我們對著瓶子吹氣時,可以聽到瓶子發出的嗚嗚聲。當我們向瓶子中倒水,會發現瓶中的水越多,對瓶口吹氣所發出的聲音頻率越高。因此,從這些現象我們可以觀察到,聲音的頻率和腔體內的空氣體積呈相反關係:腔體空間越大,頻率愈低。在用保溫瓶裝水時,用聽的就能夠大致判斷水是否裝滿,這也是跟保溫瓶內空氣體積隨著水位上升逐漸縮小,導致發出聲音頻率改變有關。

●神奇海螺?

那這和海螺又有什麼關係呢?當我們將海螺靠近耳邊時,會聽到如同海浪般的獨特聲響。這種特別的現象有著許多的解釋,像是詩意的描述這是海螺在海岸邊吸收了日月精華,而產生的獨特現象;抑或是海螺的空腔結構將耳朵附近血液流動聲音放大所致;目前較被接受的說法,則是海螺的構造,形成了獨特的「亥姆霍茲共振腔」。

在海邊拿起海螺可以聽到類似海浪的聲音,這是因為海螺形成的共振腔將環境裡的海浪聲音頻率「篩選」了出來[註2];即使我們回到室內,將海螺靠近耳朵還是可以聽見類似的聲音,這時的聲音來源則是環境中存在的「白噪音」。如同各種顏色光均勻混合會形成白光,各個頻率具有均勻強度的噪音,我們稱為「白」噪音。

在正常情況下,白噪音不會引起人的特別注意,但當我們將海螺靠近耳朵時,共振腔將其中特定的頻率留下後,人耳便會覺得聽到某種特殊的聲響,進而產生聽到海浪聲的感覺。實際上不只海螺,當我們將耳朵靠向保溫瓶、杯子等等具有空腔的物體,我們也都能聽到獨特的嗡嗡聲響。

從香檳氣泡、保溫瓶聲音一直到海螺所發出的聲響,這些在日常生活中所能碰到的聲音,都可以用一個簡單的物理模型加以描述。氣泡破裂發出聲音這個我們習以為常的過程,裏頭的物理其實不止本文所描述的內容,從氣泡的形狀、破裂時表面薄膜等等的變化,都還藏有許多深刻的物理,等著目前的科學家們細細探討。

 

參考資料:
[1]M. Poujol et al., Physical Review Fluids 6, 013604 (2021)
[2] Where Champagne Gets Its Sound? https://physics.aps.org/articles/v14/s7

 

註解:

[1] 具體數學公式可參考維基百科條目:https://zh.wikipedia.org/wiki/亥姆霍茲共振

[2] 因此,也可以將海螺視為聲音的「濾波器」。

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