推薦序
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
序
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
