史前聲學:巨石陣有靚聲效果?

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圖片來源:1000 Words/Shutterstock

關於史前時代的巨石陣(Stonehenge),有理論認為石陣乃用作墓地、治療場所,又或出於石陣外環縫隙與夏至和冬至陽光光線完美對齊,所以是天文曆表。不過考古學家始終都未能確定是誰建立巨石陣、真正用途是甚麼。索爾福德大學(University of Salford)聲學研究負責人 Trevor Cox 教授十年前也開始研究巨石陣,他鑽研的是其聲學特性 —— 作為巨大的迴聲室,石陣圈內發出的聲音會被擴大,同時隔開外面的噪音。

巨石陣建造目的和用途眾說紛紜,英格蘭遺產委員會(English Heritage)志願者經理 Susan Martindale 稱:「我們對它的了解總算愈來愈多,但有些事我想我們大概永遠都不會知道。」Cox 過去為著作 The Science of the Sonic Wonders of the World 搜集資料時,便開始思考研究巨石陣的聲學特性,能否解開其中一些秘密。他接受英國廣播公司(BBC)訪問時稱:「我發現聲學縮尺模型這項技術,過去從未應用於史前遺址。」

今天的巨石陣遺址並不完整,Cox 指:「假如你到巨石陣看看,這宏偉的遺址有很多石頭已不見了或倒在地上。」他認為巨石陣的石頭排列配置有特殊安排,所以先根據遺產委員會提供的電腦模型,瞭解巨石陣約 4,000 年前最完整的模樣,然後在大學半消音室透過 3D 打印及成型技術製作出 157 顆石塊,以 1:12 的比例重現巨石陣,整個設置歷時約半年。由於模型只有現實原件的 12 分 1,「我們必須以 12 倍的頻率作測試,而可以在這些頻率範圍內運作的喇叭和咪高峰並不常見」。

Trevor Cox 的巨石陣模型。 圖片來源:Trevor Cox / Twitter

Cox 的研究團隊將喇叭置於石頭周圍,並播放各種聲頻;咪高峰則收集石陣模型如何影響聲音的數據。通過數學處理後建立的電腦模型,Cox 可以根據巨石陣的聲學特性來調整音訊,模擬人們在石陣內聽那些聲音有甚麼感覺。結果顯示,雖然巨石陣沒有頂部和地板,聲音卻可於石與石的縫隙間反射,在空間內縈繞,達到聲學上的混響(reverberation)效果。這是因為水平的石塊數量夠多,讓聲音不斷來回反射。「混響後音樂會有所改善,試想像如果在圈內播放音樂,聽起來會更澎湃和更有渲染力。」

研究另一大發現,是石頭對聲音方向的影響。在開放的自然環境中,例如真實巨石陣所在的草山,假如背對聽眾說話,則聽眾只有約 3 分 1 時間能聽懂講者的話。聲音經巨石陣石柱反射後可擴大 4 分貝音量,將理解句子的比例提升到百分百。巨石陣既可讓圈內人清楚聽到彼此的聲音,又拒絕外部聲音,石陣外的人也難以聽到內裡發生的事情。Cox 認為石陣建造者沒有刻意設計混響聲學特性,但當發現這種效果,人們便會加以利用,例如舉行儀式。「人類儀式幾乎都有演講、歌唱或誦念。巨石陣周圍有骨笛、管、鼓、號角這些樂器。」報道指,Cox 的研究增添更多證據,表明巨石陣中會舉行只有少數人能參與的儀式;其他研究也指出,巨石陣附近或會種植樹籬,阻擋外面非參與者的視線。

自 2020 年 Cox 發表初步研究後,團隊開始著手解決新問題,例如圈內的人會如何改變聲學效果。最近研究人員在模型周圍放置多達 100 個小型木雕,完成一組新測量。「在裡面的人會吸收聲音,所以會改變聲學效果。儀式期間應有人在圈內,我們想知道若愈來愈多人進入,會有甚麼變化。」團隊最新研究還會瞭解聽眾如何接收來自不同角度的聲音,因為當聲音從側面或正面傳到人身上,也會改變人們的感知;例如來自側面反射的聲音,可以改善音樂廳內的音樂質素。」Cox 希望分析全新數據集後,能在今年稍後公佈他們的發現。