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商品簡介

作者簡介

名人/編輯推薦

目次

書摘/試閱

 歡迎進入聲彩繽紛的世界!閱讀以後,你的生活將從此妙趣痕聲!

「聲音」是我們日常生活中最常接觸的物理現象。從本質來看,聲音就是一種波動,所以不僅蟲鳴鳥叫是聲音、音樂是聲音,甚至是地震都是一種聲音。生物們藉由聲音來傳遞訊息,而人們更是利用聲音來探索世界、傳遞感情。隨著人們在聲音之旅的旅程中邁進,這個世界也愈來愈繽紛多彩。
 
●音樂的本質是聲波,這種波動真的可以感染我們的情緒?
要回答這個問題就必須知道情緒是怎麼來的。情緒是由我們大腦中的「邊緣系統」受到刺激之後,透過神經系統或內分泌系統產生應對的結果。科學家們透過腦造影實驗發現,當人們受到音樂這種抽象的聲音刺激之後,受試者大腦中掌管多巴胺分泌的區域會有明顯的活躍,這就證明了音樂是可以影響情緒的。
 
●誰說傷心的人別聽慢歌?傷心的人更應該聽慢歌!
誰這麼大膽敢質疑五月天!?當然是有專業才敢大聲。這個理論可以從三方面來講。在生物因素上,悲傷音樂元素可以引發一連串生理反應來影響情緒。在心理與社會因素上,人們會因為自己的悲傷與悲傷音樂產生了共鳴,或者因為悲傷音樂轉移了我們糾結情緒,而使心情得到改善。在文化因素上,音樂可以讓我們與歌曲意境共情,當我們能以有安全距離的位置感受悲傷,再加上豐富的想像力,就能讓我們產生悲天憫人的感受,如此一來也就達到撫慰的效果。
 
●預測地震有可能嗎?聽聽地球的歌聲吧!
地震的本質其實就是地殼釋放能量產生出波動,也就是說,它正是地球的聲音。那麼地震有可能預測嗎?很遺憾的,非常難。但是,我們卻可以預警。當地震發生時,我們可以透過各個地點地震儀取得的波動數據,來對這場地震做全身檢查預測出各個地區可能的震度與災情,並在主震到達之前的簡短時間內提出警報。當然,這樣的預判還必須以從古至今的地震數據作為參考。也就是說,地震預警不僅僅是對當下地球歌聲進行解析,還必須充分閱讀過去的樂譜。
 
本書收錄臺大科學教育發展中心「探索基礎科學講座」的演講內容,先從聲音的物理性質切入,說明各種樂器的發音原理;接著介紹音樂製作的流程與重點;再透過心理學的研究剖析聲音對情緒的影響;並說明研究人員如何利用地震儀來聆聽地球的聲音;而聲音在各種脊椎動物生活中所扮演的角色,更是顛覆你對於動物叫聲的理解;此外,利用聲音的物理性質,人們不僅能夠將其用於海洋的探測,甚至能讓光與聲音互相轉換,讓我們看見聲音聽見光
 
當你「聆聽」完這首由各個領域交織而成的知識交響曲,你不僅會對聲音的奇妙與多樣感到驚奇,更會發現這個聲聲不息的世界是如此地美麗。
 

 探索基礎科學系列講座  簡介

 
自1825年起,英國王家科學院舉辦了「王家科學耶誕講座」,以富有教育性、趣味性的方式,將科學知識介紹給社會大眾,提升英國學子、民眾的科學素養。無數的學者曾在此講座中講授科學知識,而除了在第二次世界大戰時曾暫停舉行外,這一具有古老傳統的科普講座,至今仍持續不斷。
 
臺灣大學科學教育發展中心自2009年起,師法「王家科學耶誕講座」,舉辦「探索基礎科學講座」,借重學養與教學俱佳的科學大師們開講,與有志探索科學世界的朋友們共聚一堂。講座的主題與基礎科學知識緊密相連,每期輪流就數學、物理、化學、生命科學、地球科學各學門開闢講題,講師們仔細清楚的解說科學原理,許多非科學背景的聽眾們,也能迅速的進入科學世界,體會探索知識的樂趣。 
 
本期講者:蔡振家(臺灣大學音樂學研究所副教授)、楊敏奇(德國msm-production音樂製作人/大米音樂總監)、李承宗(東海大學通識中心兼任助理教授)、馬國鳳(中央研究院地球科學研究所特聘研究員)、嚴宏洋(國立海洋生物博物館特聘講座教授)、黃千芬(臺灣大學海洋研究所教授)、李百祺(臺灣大學電機工程學系特聘教授)。
 

宋家驥  國立臺灣大學 工程科學及海洋工程系教授、兼任工學院船舶及海洋技術研究中心主任

林惠真  東海大學生命科學系終身特聘教授兼研發長

莫顯蕎  國立中山大學榮譽退休教授/海洋科學系兼任教授

焦傳金  國立自然科學博物館館長

——聯合推薦(依姓氏筆劃排列)
 
 
知識系統應該這樣來建構!本書從現象出發,讀者能重拾兒時探索自然現象的樂趣,從中「知其然且知其所以然」,理解聲音的原理以及對身心靈的影響!想一想我們是否過度用眼睛「看」世界?讓我們試試閉上眼睛、張開耳朵,用聲音「聽」世界吧!
——東海大學生命科學系終身特聘教授兼研發長    林惠真
 
 
 
    聲音是一個相當抽象但是又具體存在的物理現象。它的發生來自於振動的能量,藉由介質的彈性特性,聲音就可以傳遞出去。所以只要具有彈性的物質,如空氣、水、金屬、混凝土,乃至於大地土壤、人體器官……等都可以傳遞聲音,我們也因此可以在這些介質中接收到聲音。而聲音在傳遞的過程中如果遇到障礙物,就會有反射、折射、繞射……等的現象產生。在這樣的一個巨觀條件下,就產生了很多聲音的研究、應用或欣賞的問題。
    例如:如何產生我們想要(喜歡)的聲音,也就是音源的設計;聲音在介質中如何傳遞,也就是音(波)傳 (wave propagation) 的瞭解;接收到的聲音如何提取或解釋其中的訊息,也就是訊號的處理,都是我們需要去探討的。
    雖然聲音是這麼明確地存在於我們的日常生活中,但是一般大眾對其瞭解相當有限。第25期臺大科學教育發展中心的探索基礎科學系列講座特別規劃了「妙趣痕聲——聲彩繽紛的STEAM」這個主題,也出版了《妙趣痕聲》這本科普書籍。本書包含了大家感興趣的各個聲音主題,例如音源:樂器、聲音的接收及處理;麥克風及混音、聲音與生物關係;人類情緒與脊椎動物的生活;一直到利用聲音的傳遞在海洋及醫學上的應用等,讓大家對於聲音地進一步熟悉,提供一個平易的管道。
    身為一個聲音研究者,除了很高興見到本書的出版外,也希望藉由本書的出版,能夠拋磚引玉吸引更多關於聲音的科普書籍問世,讓更多的民眾得以更加的熟悉聲音。當然,更期待的是,能有更多的莘莘學子、新生代的學者、專家投入聲學領域的相關研究。
——國立臺灣大學 工程科學及海洋工程系教授、兼任工學院船舶及海洋技術研究中心主任    宋家驥
 
 
 
 
 
 妙趣痕聲的繽紛世界
 
    小說家休‧洛夫廷的奇幻小說《杜立德醫生》(Doctor Dolittle)和海洋生物學家瑞秋‧卡森的自然文學作品《沉寂的春天》(Silent Spring) 引起我對動物聲音的興趣,更對自然界聲景之涵義有嶄新的體會。我在大學講授海洋動物行為學和動物聲學,曾參與多項相關的基礎和應用研究,例如魚類發聲器官的構造和演化、魚類的聲音類型和功用、潟湖內石首魚類在生殖季節中的聲音時空分布、初生嬰兒哭聲特徵與先天性疾病的關係,和莫扎特鋼琴協奏曲:A大調K448樂章在兒童癲癇治療上之應用等。在平日,我常採用輕柔的爵士音樂來營造一個令人放鬆的環境,聲音己悄然地成為我生活中的要素。
    生物聲學研究內容包括聲音的物理、特徵、發音機制、遺傳機制、生理調控、功能、生態、演化、聽覺心理及聲音的應用等。近年聲景生態學備受重視。聲景是由環境中的地理聲音(如風聲和雨聲)、生物聲音和人造噪音所構成,而聲景生態便是探究這些聲音的時空變化以及聲音與生物體間的關聯影響。臺灣因應電力需要,政府積極推動大型風力發電計畫,但風力發電場所產生的人為噪音可能會對生態造成負面的冲擊,這正是聲景研究最為關切的問題。
    我很幸運有機會閱讀了《妙趣痕聲》,從平淡退休生活中得到新知的刺激,喚醒我要不斷探索聲之無限妙趣。這本書用簡潔的文字和科普方式介紹:1.樂器與嗓音的物理;2.音樂製作;3.音樂情緒與大腦的連結;4.用被動聲納方法聆聽地球(如地殼活動)和脊椎動物的聲音;5.用主動聲納方法「看」海洋和地殼;6.把聲能與光能轉換原理應用在醫學上。以上的題材皆與生物聲學息息相關。
    樂器、聲帶的發聲物理原理一章,為音樂藝術與自然科學間建立跨領域的橋樑。音樂創作者若是瞭解了這些物理機制,將更能掌握創造所需音質的訣竅。在介紹聲音合成和調配技術方面,對我在處理信號、進行音訊回播實驗,探究這些訊號當中之關鍵成分有很大的幫助。
    我對音樂情緒與大腦這一章特別感興趣。作者引用科學數據來說明聽覺心理學, 指出聽音樂和從事音樂活動(例如唱歌、玩樂器)是如何影響大腦生理,並進一步牽動情緒和行為反應,讀後獲益良多。作者解釋傷感的音樂可能改善低落情緒的原因,改變了我對音樂治療的刻板印象和誤解。音樂在人類演化中所扮演的角色是協助傳遞情緒訊息,使感情傳達能跨越文化的溝壕,增進社群間之連結。2022年,因氣候極端變化引致的災難、新型冠狀病毒的疫情,再加上俄羅斯與烏克蘭的戰爭影響全球經濟和糧食供應,許多人因為生活壓力增加而引致焦慮,使得身心健康均受到影響。在這樣的全球情境下,我們更應該要認識和利用音樂所附帶的療癒功能。
    《妙趣痕聲》亦提醒我們應該多聆聽生物的語言,如此一來也許就可以像杜立德醫生一樣,能夠透過與動物進行溝通,增加彼此的認識,從而建造相容互利的生存關係。希望人類能夠減少噪音,以保留聲景的原貌和維護生態系之生物多樣性,這些都是讀者們可以積極參與的行動。
 
國立中山大學榮譽退休教授/海洋科學系兼任教授
莫顯蕎
 
 
 

 

 科學是文明的DNA

    在大眾的心中對於科學往往會有著一種謎樣的矛盾:一方面有一種本能驅使的好奇心存在著,極度冀望能夠瞭解科學驅使的文明世界;另一方面又會因為過往經驗裡的挫折感,因而覺得科學是難以理解和接近的「數理世界」。回顧過去的歷史可以發現,人類社會不斷地透過觀察自然環境、理解自然現象,例如星象、氣候、季節、生物的生長繁殖或是物候等科學活動的本體, 來保障生活平順、預期未來,盡可能地趨吉避凶,這便是生物所演化出來尋求生存最佳化的本能。隨著時代的邁進,人們除了累積環境的觀察與歸納自然秩序之外,還發展出了透過科學來改善生活條件、創造便利的工具和設施,於是文明出現快速的躍升(手機與網路都是最新的文明躍進展現)。扼要地說,科學就是文明的DNA,沒有科學就不會有人類文明!那麼作為一個科學家,又要如何協助大眾解開這種對於科學的矛盾心情呢?
    其實,這種矛盾心結的來由經過剖析是很容易可以理解的。打個比方來說,數學、物理和化學可算是建立科學第一層次的烈性剛強三兄弟,大哥是數學,而後面跟著的物理和化學是孿生兄弟;三個兄弟彼此合作、互相支援,就構成了科學的基本內涵。科學第二層次則是由兩個溫柔婉約的連體孿生姐妹來主持, 一個是地球科學、另一個是生物科學(比較新穎的說法是生命科學),而讓她們連體的就是生態學,這是一門理解生命世界和非生命世界兩者間互動的學科。雖然「數、理、化」三兄弟的剛烈讓人比較難接受,但他們為科學所打造的地基卻是創造人類文明最關鍵的基礎工程;不論是地球科學或生物科學的知識都需要透過三兄弟打下的根基,才能夠去嘗試分析、探究與理解。再換個角度,若把事情顛倒過來看的話,「生物、地科」連體姐妹所著墨的課題,都是屬於透過系統內的成員(包括化學分子、原子,甚至是次原子的電子等)相互作用才會產生的新特質,和原先各成員單獨具有的特性均不一樣,是比較綜合性、全面性且複雜的,也就更加難以捉摸和預測了。這樣的特質就有如在地下找尋湧出地下水的泉口一般難以預測與掌握,因此被稱為湧現性質(emergent properties)。也正是因為這樣的特性,難怪生物、地科常被解讀為囉唆、冗長、難以記住……等。
    舉個實際例子來說明湧現性質。在天氣預報上,颱風和降雨都是很難精準預測的;而在生物學上,幹細胞的發育運作也是相當不容易掌握的。兩者不但都需要透過無數次的觀察或實驗來獲得數據,還需要廣泛地採用統計學方式來進行描述和分析,而且最終獲得的結果還都只是表示一個事件發生的機率值而已呢!
    儘管科學世界各學門之間盤根錯節、層層遞進,讓大眾往往會望其卻步,但科學的重要性是無庸置疑的。它雖然是推動著文明向前的極大動力,但也極有可能是一把雙面刃。只有從層次上去理解科學的本質,再加上熟悉文明和科學的關聯,才是消除大眾矛盾心結的不二法門!讓大眾接受科學、理解科學,甚至願意從事科學,推展出一個有反省、有前瞻的文明,並同時避免自我毀滅的厄運降臨,是現今社會非常重要的課題。
    有鑑於此, 第25期臺大科學教育發展中心的探索基礎科學系列講座特別規劃了「妙趣痕聲——聲彩繽紛的STEAM」這個主題,介紹聲學(acoustics)這一門研究聲波的傳播原理與應用、既古老又新穎的學問。聲波是藉由介質(medium)的彈性(elasticity)來傳遞動能所形成的一種波動,是日常生活當中最普遍接觸到的物理現象。不過聲學的運用卻是無遠弗屆地,從樂器的發聲、音樂的錄製、認知心理和行為,到海洋探測、地震預警、醫用超音波(聲波與光波的轉換) 都與其息息相關。此外, 多種動物為溝通所發出的聲波(或超音波)以及應對聲響的行為反應,不僅是人類行為最佳的自我投射,也是驅使我們探究原始自然界的好奇心的初衷,更是模仿生物來創新發明的泉源。無疑的,本書絕對是「妙趣痕聲」!
    最後,「妙趣痕聲」是我擔任臺大科學教育發展中心主任之後,第一個「原創」的探索系列講座題目。這不僅是因為我小學時參加過合唱團,也是大學就讀動物系時接觸青蛙叫聲所留下的印痕至今依然難以忘懷的結果。能夠讓時光倒流,再度享受昔日對聲音感到愉悅的經驗, 最應該感謝的便是本期探索系列講座的三位顧問教授——李百祺、劉雅瑄、蔡振家,以及貢獻本書各章節的講師們。唯一遺憾的是,講師李琳山院士(講題為「芝麻開門:語言的聲音開啟人類文明的無限空間」)因故而無法參與出版,在此一併致謝。
臺大科學教育發展中心主任
于宏燦
 
推薦序——妙趣痕聲的繽紛世界
序——科學是文明的DNA
ch1 樂器與嗓音的物理 蔡振家|臺灣大學音樂學研究所副教授
ch2音樂製作:聲音的錄製與有趣的混音 楊敏奇|德國msm-production音樂製作人/大米音樂總監
ch3誰說傷心的人別聽慢歌——談音樂情緒與大腦 李承宗|東海大學通識中心兼任助理教授
ch4地球聽診器 馬國鳳|中央研究院地球科學研究所特聘研究員
ch5聲音在脊椎動物生活中所扮演的多樣角色 嚴宏洋|國立海洋生物博物館特聘講座教授
ch6用聲音看海洋 黃千芬|臺灣大學海洋研究所教授
ch7看見聲音聽見光——光與聲音在生物醫學的應用 李百祺|臺灣大學電機工程學系特聘教授
附錄
參考資料
圖片來源
名詞索引

 地球聽診器

前 言

    醫生之於聽診器,或許就和地震學家之於地震儀器一般:身體內的聲音,需要透過聽診器來到醫生的耳朵,接著依靠經驗和醫學專業的養成,判斷出病患的病灶;而地球上板塊運動衍生的地震活動,則可以透過地震儀記下地震波,接著用數學和物理學的計算,解析出地底下的構造。兩者除了有如此類似的特質外,也有著類似的終極目標——拯救人命。本章將從地震科學的發展歷程,說明如何運用地震科學來幫助人類趨吉避凶。
 
用欣賞音樂的角度來理解地震學家的工作
地震的本質
    用儀器我們便可以記錄下地震的本質「波動」,如果我們將地震儀所收到的地震波形,輸入聲音編輯軟體後進行播放,也是可以播出聲音的!而實際上,也有些經歷過大地震的人們會在社群網路上口述分享,在地震波來襲的前後會聽到異常的巨大聲響,進一步還會有些網路上的流言將此作為「地鳴」來解釋,並武斷的認為這樣的聲響可以作為地震來臨之前的前兆現象。不過若以科學機制來解釋,與地震有關的聲響多半還是與地震發生同時產生的,最多只可能當做數秒前的早期預警而已。
    地震是波動、聲音也是波動,有些時候處理地震資料和處理音檔的方式還有些類似,這兩種工作可謂是異曲同工的科學原理。現代的音樂創作者會利用軟體濾除不需要的聲波頻率,或是將不同的聲波頻率經過調整修飾變得更令人動聽。事實上,這些針對波形進行處理的手法,地震學家也經常使用。而錄音室往往需要用隔音設施以免收到太多的雜音,同樣的,理想上地震儀也該擺在沓無人煙的荒山野嶺,以免接收到太多不是地震的假訊號。確實,有很多研究用途的地震儀是以這樣的原則設置,甚至會挖一口幾百公尺的深井,並將地震儀藏在地下以免受到人為干擾。但如果研究的目的是想要瞭解地震對人們的影響,比如提到地震的震度,反而就要把儀器放在人口密集的地方,才能即時的知道震度大小,也就是實際上地面搖晃的程度。但這樣一來,就免不了會受到車水馬龍的街道噪訊所困,這時前面提到的濾波去雜訊技術就會派上用場!
地球聽診器:地震儀
    至於今天我們介紹的地球聽診器:地震儀,其基本原理是利用懸於空中的擺錘來作為相對「靜止」的慣性物體,當地面發生任何搖晃時,便會與相對靜止的擺錘產生相對運動,而經過機械的設計(阻尼)可將後續擺錘持續的擺盪消除(因為那已不是地震本身的晃動),並記錄下晃動隨時間的演變,便得到了地震的「波形」。到了現代,地震儀除了經由輕量化設計不斷的縮小體積外,還使用數位化的方式進行記錄,讓地震觀測方便許多,甚至連現在人手一支的智慧型手機內所藏的加速度計,也都能算是一種地震儀。由於以往很難在所有會發生地震的地方都裝滿地震儀(尤其是比較昂貴的地震儀更是數量有限),使得過去的資料收集不夠全面。然而隨著地震儀愈做愈小, 地震學家在上山下海時, 都能夠把地震儀帶著跑。有時只要有比較大的地震發生,地震學家就會搖身一變,變成拎著地球聽診器上「前線」的戰地醫生。像2018年花蓮強震後,地震學家便立刻整裝出發到現場架設地震儀器。因為大地震剛過後的餘震非常的多,到現場裝設地震儀能幫助我們蒐集到更多資料。
    有些地震發生的位置在大洋中央,光靠陸地上的地震儀只能記錄到規模比較大的地震,這時就要把地震儀放到海底,這又是一項大工程!因為放置研究用的海底地震儀(Ocean­bottom seismometer, OBS)需要動用到海洋研究船, 比在陸上設置多出船員與船隻的經費。而且海底的環境充滿未知,有時也會發生OBS失去聯絡而消失的情況,要找回來還真像大海撈針一般困難。因為一般OBS接收到了地震波後,仍無法克無通信無法穿過海水的問題,因此如果是為了監測臺灣鄰近的地震活動並適時發布地震或海嘯警報,就需要幫地震儀接上纜線,以進行通電和傳輸即時訊號。總之,地震儀不僅是聽診器,還因為對研究非常重要,所以會地震學家總希望把地震儀放世界上的每個角落。
 
如何分辨地震波與其他振動
地震波的特色
    就如前文提到的,地震儀所記下來的是地表的振動情況(圖4-1),本來就會收到不是來自天然地震所產生的雜訊, 舉凡巨大聲響、爆炸衝擊、汽車駛過乃至於細碎的腳步聲,都有可能會被不同類型的地震儀給記錄下來,這時候分辨「這是不是地震波」就很重要。
    要分辨出地震波,就要先知道地震產生的波動有什麼特性,一般會將地震波依傳播特性分為體波(body wave) 和表面波(sufarce wave)。所謂體波,指的是會在地球內部傳播的波,可再依波動的特性分為P波和S波。由於P波為縱波、S波為橫波(圖4-2),故行進時的P波會讓傳遞的介質沿著傳播方向振動,因此P波的波速比S波更快。而地震波在地表上的運動是三維的運動,所以一般地震儀會分成垂直向、水平(東西向+南北向)的分量紀錄,才可以完整的描述地表的運動。從地震波形紀錄中,可以看到P波明顯的垂直向振動,而S波則多以水平向為主。所以一發生地震,具有地震科學背景知識的朋友們,在感受到明顯的地振動時,常常會很專業的說:「哇!這個P波好明顯!」「這個應該是遠地的地震!」而且在自己的社群軟體上也常會看到相似的留言,這或許是地震學家,甚至是地科人的一種職業病吧!
表面波
    還有一種地震波的型式稱做表面波,如其名,它們是在地表附近傳遞的一種「由地震波產生的波」,是由P波、S波後續疊加、干涉而產生,所以它們的波動性質較為複雜。對一般大眾而言,表面波特別重要的地方是在於它對建築物的威脅,因為表面波雖然比S波晚到達,但卻可能有更大的振幅,這也再次印證了為什麼現今的強震警報(地震早期預警)如此重要!因為強大的震波總是比較晚到。
     此外,表面波特有的「頻散」的現象,就是讓高頻的波速度變快、低頻的波速度變慢的特性,就像是我們同時用了X光機、電腦斷層掃描、腹部超音波檢測等不同的檢測方式來剖析人體中的不同構造。換句話說,「所有的地震波」都可以是地震學家的研究利器。雖然地震有時致災致命,但對於地球內部數百、數千公里深處,可能永遠都沒有科技能夠達到那樣的地方,而地震波就是我們唯一可以認識地球內部的工具。事實上, 地震波的應用可不只適用於地球,它也是我們認識大多數星球內部的工具。過去,人類都曾將地震儀帶至月球、火星上(是不是應該要改叫月震儀和火星震儀呢?),這些儀器運用的原理和目的完全一樣,就是想要瞭解其他星球有沒有板塊運動?各自的內部分層構造又是如何?
 
關於地球聽診器的故事
地震儀的發展歷程
    談到地震儀,可能很多人會想到東漢時期張衡所發明的「候風地動儀」,不過就現代使用地震儀的觀點來看,候風地動儀只算得上是「測震儀」,不能說是「地震儀」。因為就古籍上所載的使用方式,只能得知其可測得地震方向,但地震發生的時間、強度都無法有效的測得,也無法得知其確切的原理。而且在古人眼中,地震常會是不祥之兆。對統治者而言,候風地動儀可能更重要的用途是在預測民怨,並非真的對地震定位有精確需求吧?總之,因為古人不認識地震的特性,候風地動儀的實體也沒有傳到後世、更沒有被改進,實在可惜。
    有史實可以考證的真正地震儀在十九世紀末才問世, 接著在1900年之後,現代地震儀才逐漸普及。而在這時期也大致確立了地震儀必要的元素:重錘、彈簧、阻尼、紀錄器以及時鐘(圖4-3)。
    重錘和彈簧是為了讓慣性原理能發揮作用所設計的。十九世紀末的物理學理論知識早已知道固體具有彈性波動的概念,因此不像早期會做出錯誤歸因(比如亞里斯多德認為地震是風所造成的)。當時人們已經瞭解到,地震的本質是彈性波的運動,不過一直到利用紀錄紙記下地震波之後,人們才發現P波與S波等地震波相的存在。而時鐘的功用,則在於讓人們知道地震何時到達。紀錄紙宛如音樂盒中的捲筒,利用機械發條原理慢慢轉動,並逐步記錄下地震波。只要轉軸穩定旋轉, 加上預先做好的網格紙作為時間間隔記號,再搭配上精準的時鐘,就能得到地震波到達地震觀測站的時間。
地震儀資料的應用
    當我們取得兩個測站的地震波相資料以及震波到達的時間後,就能夠回推出震波的速度(圖4-4)。經過長期的觀測得知,地殼中行進的P 波平均波速大約是6公里/每秒,而S 波則為3 公里/每秒。當有了地震波的波速值之後,只要有一系列擺放在不同地點的數個地震儀測站所組成的地震觀測網,就可以利用P波與S波到達各測站的時間,解算並回推出地震發生的時間、震央的位置以及深度(圖4-5)。這些資料,才是地震觀測真正量化、數據化的開始。也因為如此,地震不再是只有利用體感記下來的震度,終於可以用儀器來觀測並研究地震,可謂是地震研究重要的里程碑。
    雖然早期地震儀又大又笨重, 而且捲筒紙上所留下的地震紀錄,也不如現代數位化的紀錄容易做後續處理,但這些資料現在仍然有相當重要的研究價值, 就像是莫札特或是巴哈等人的經典樂章, 依然能夠淵遠流傳下去一般。因為至今的地震儀即使構造改變,但基本原理仍與過去相同,地震學家仍可利用現代的技術,重新分析過去的資料,這也是所謂「歷史地震研究」的方式之一。比如1906年梅山地震、1909年臺北地震、1920年花蓮地震等等,都因為分析過去的地震紀錄,而得到更多的科學回饋。或許,這就是人們常會將老歌重新詮釋,賦予經典的旋律一個新生命?
地震儀的靈魂:阻尼器
    話說,地震儀中必備的阻尼器(圖4-6),雖然是個常常被大家忽略的構造,卻是十分重要的角色,故在此需特別介紹,事實上在地震儀剛問世時,地震學家為了設計阻尼可是絞盡了腦汁。為什麼地震儀需要阻尼?因為沒有阻尼的地震儀在遇到稍大的地震時,就會像是在用麥克風唱歌時,將迴音(echo)不小心開太強所產生的效果一般,明明唱完了這一句,但聲音卻不斷迴響,干擾到了下一句的聲音。在記錄地震時的狀況便是:明明地震的搖晃早已停止,但地震儀中捲筒紙上的指針仍不斷地瘋狂擺動著,將因為慣性作用而產生的「假地震波」也記了下來,這樣不僅會讓紀錄失真,也可能會在地震接連發生時,掩蓋了稍晚到達的地震波。早期的阻尼是利用空氣產生阻力,使得在地震停止搖晃後,擺錘剩下的慣性力量也會因阻力而快速的減少。而後來的地震儀則是常以電磁感應的方式,用磁場來製造阻力。
 
 
 

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