神奇海螺？耳朵靠近香檳聽到的氣泡聲，是從哪裡來的？

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。

作者提供

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。

Photo Credit: iStock

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?

註解

1. 具體數學公式可參考維基百科條目亥姆霍茲共振
2. 因此，也可以將海螺視為聲音的「濾波器」

本文經台灣大學風險社會與政策研究中心授權轉載，原文與參考資料發表於此

延伸閱讀

• 氣泡酒要符合哪些標準才能稱為「香檳」？

責任編輯：丁肇九
核稿編輯：翁世航