Audio系列:從模擬數字音頻到數字音頻一

小亞漫聊社 發佈 2024-01-09T21:13:23.093427+00:00

聲音的概念在講解音頻前,首先簡單介紹一下聲音的本質聲音是物體振動產生的聲波,並通過氣體、固體等介質進行傳播的波動現象當聲波的震動經由人耳傳入到鼓膜,引起鼓膜震動時,耳蝸就會將震動的機械能轉換為電信號發送給大腦,就形成了我們聽到的聲音。

聲音的概念

在講解音頻前,首先簡單介紹一下聲音的本質

聲音是物體振動產生的聲波,並通過氣體、固體等介質進行傳播的波動現象

當聲波的震動經由人耳傳入到鼓膜,引起鼓膜震動時,耳蝸就會將震動的機械能轉換為電信號發送給大腦,就形成了我們聽到的聲音。

聲音可以被量化描述的主要有三個:頻率波形音強

  • 頻率:發聲物體每秒震動次數,單位為Hz(赫茲)
    • 比如20Hz代表著發聲物體每秒震動20次
    • 頻率不同代表著聲音的音調不同,頻率越高音調越高。鋼琴A0(最低音)~C8(最高音)的頻率範圍為27.5Hz~4186Hz
  • 音強:聲音的響度,發聲物體的震動幅度決定,振幅越大音強越高,聲音越響,單位為db(分貝)
  • 波形:當發聲物體材質不同時,所發出的聲音也不一樣,是因為它們的波形不同,也就是音色不同

聲音的存儲

1857年,一位法國印刷商人 愛德華·萊昂·斯科特·德馬丁維爾 通過一個喇叭狀接收器,推動針尖,在運動中的煤煙燻黑的紙上記錄下來了波紋狀線條,人類第一次將聲音轉化為圖像,並成功的記錄在了紙上。

雖然成功的將聲音記錄了下來,但這種方法卻無法實現聲音的重放。


20年後的1877年,美國發明家托馬斯·阿爾瓦·愛迪生發明了第一個可以實際錄製並播放聲音的設備:留聲機。通過包裹著柔軟的鋁箔的蠟桶,在錄製時針尖在鋁箔刻下凹 痕。這些凹痕在重放時,可以把針尖的震動還原成聲音。

早期的滾筒留聲機雖然記錄並播放了聲音,但受限於蠟桶和設備的精度問題,聲音聽起來就像信號極差的廣播,充滿著呲呲的噪音,但成功的回放了錄製下來的聲音,開創了人類記錄並回放聲音的偉大一步。

模擬音頻:唱片

1887年德裔發明家埃米爾·貝林納發明了研製成功了原片形唱片和平面式留聲機,並在未來幾年實現了製作母盤,實現了大規模複製。唱片工業就此誕生。

此後唱片經歷了從粗紋唱片(SP)到細紋唱片(LP),從單聲道到雙聲道再到四聲道的發展。

時至今日,市面上依然能購買到黑膠唱片(密文唱片的一種),並且有很多黑膠唱片的忠實用戶,雖然大部分音樂發行公司都不再發售黑膠唱片了。

模擬音頻:音樂卡帶(Musicassette (MC))

1962年 飛利浦發明了用於存儲聲音的緊湊型磁帶。

1964年 德國漢諾瓦開始卡式錄音帶的大規模生產

1980年 由於Sony Walkman系列等攜帶型袖珍卡式錄音播放器(隨身聽)的出現,音樂卡帶流行更 加廣泛。也是當年開始,音樂卡帶開始取代密文唱片,成為了可攜式音樂的主流。

音樂卡帶存儲聲音的方式與唱片同屬於模擬音頻存儲。只不過從凹凸不平的紋路變化演變成磁帶的磁性變化。

音樂卡帶以及隨身卡帶播放機的出現,將以往只能在家依靠笨重的設備才能聆聽的唱片音樂,演變成為隨身攜帶,隨時隨地聆聽的移動音樂時代。

在筆者第一次接觸音樂、聲音存儲及播放媒介的時候,已經是音樂卡帶的時代了,不少與筆者相仿的讀者,可能從沒來沒聽過唱片,但絕大多數都接觸過卡帶。

模擬音頻的優缺點

模擬音頻是將聲波拾取後以機械刻度或磁記錄的方式存儲下來(比如唱片的紋路起伏變化,磁軌的 磁性變化等,與聲波的變化相對應)

優點:聲音在時間上是連續的,理論上的音頻解析度無限大。

缺點:

  • 唱片製作精度:唱片會先製作一個母盤,再由母盤復刻成可批量發行的唱片。
    • 在母盤進行錄製時,刻錄設備的精度就顯得尤為重要,好在規模較大的的唱片發行商都有當時最先進的設備。
    • 在使用母盤進行復刻時,因為需要使用物理結構進行讀寫和刻錄,不可避免的會對母盤造成物理損耗。並且復刻本身就是對精度的二次丟失。甚至一些發行較火的唱片,在母盤過度磨損後,不得不使用復刻唱片作為母盤在進行復刻。所以當時很多發燒友都會在唱片發售的第一時間入手頭版復刻盤來追求最佳音質。
  • 唱片使用及存儲:
    • 唱片本身並沒有類似現代數字音頻的糾錯功能,所以日常播放導致的物理磨損是不可逆的
    • 唱片本身面積較大,材質也各有不同。需要保存在乾燥通風的地方以防止發霉,並且還需採用垂直擺放的方式防止唱片變形。
  • 卡帶播放器及卡帶本身的優劣直接影響到聲音的素質:
    • 磁頭的素質以及磁頭的老損成都決定了聲音的素質,高端卡帶播放器價格不菲。
    • 質量差的卡帶在播放時,可能會造成音軌混疊等問題。
    • 傳動結構不穩定會導致磁帶運轉時速度不穩定,造成播放速度高於或低於標準速度。

綜上所述,模擬音頻介質無論是保存還是播放對音頻本身有決定性的影響。再加上體積以及播放器機械結構複雜等原因,模擬音頻介質在主流市場上已經被CD/MP3等數字存儲介質所取代。

此章節簡單介紹了一下聲音的本質、模擬音頻存儲的發展和優缺點,主要是為了接下來介紹數字音頻作為一個參照參考。所以並不是深入講解模擬音頻存儲,如果有對此部分非常感興趣的讀者,可以留言,後續可能會專門開設單獨的專欄來講述這部分內容。

下一章節 將為您介紹數字音頻編碼方式(PCM、DSD、MQA)

此系列會從會從模擬音頻介紹到數字音頻,常見的音頻格式優缺點及使用取捨,再到音箱耳機該如何選購


本人並非專業從事音頻相關研究工作,僅僅作為一名普通的音樂聽眾,開設這個系列的專題也僅僅是出於興趣。故本文可能有錯誤、紕漏以及描述不準確的段落出現,請大家諒解並指正。

Audio系列是本人開始發文的第一個系列,後續會逐步開設視頻、PC、手機等IT領域雜談。

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