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盘点人类文明史上那些革命性音频技术

发布于:2017-08-20 12:42:55 作者:点击:2190
盘点人类文明史上那些革命性音频技术
  

在1877年秋天8月15日的下午,发明家爱迪生在自己的实验室,对着一个圆筒状的装置朗读了这样一句歌词:“玛丽抱着羊羔,羊羔的毛象雪一样白 ”。这一句只有8秒钟的话立即被这个装置回放出来,这就是爱迪生发明的留声机。这句歌词也成为了世界上第一段被录下来的声音。


爱迪生最初发明的圆筒式留声机



这台留声机由金属大圆桶、曲轴、受话机和膜板构成,如上图。金属圆桶上面刻有螺旋的槽纹,并安装在一个长的曲轴上,曲轴一端是手柄,摇动手柄圆桶就随之转动。受话器其实是一根金属小管,管的一头有一张振膜,振膜上贴着一个有金属钝头的细针,另一头是受话端。录音的时候,先在圆桶上贴一张锡箔,然后将受话器细针端对准圆桶,匀速转动圆桶,对受话器的另一端说话,声音则被振动的细针记录在锡箔上。回放的时候,将细针端再拿回到圆桶的最开始处,转筒圆桶,声音就被原样播放出来。


1877年的这台留声机的发明给后世带来了巨大而深远的影响,在这之后的一个多世纪里,文明和发明的巨浪一波接一波的席卷而来,人类历史进入了有声的时代,而这都起源于这台能够记录声音的留声机以及其后续衍生的录音技术。虽然在当时爱迪生的发明无论质量还是实现过程都不尽理想,但后来很快其他科学家就将其改良,发明了很多更加实用的录音技术,但是我们仍然无法否定爱迪生这一发明在人类文明史上的地位和重要性。因为从那一刻起,人类历史上正式启动了记录声音的进程,第一次把声音保存了下来,从此之后,欣赏音乐再也不必去演奏会现场,而是变得可以随时随地,想听就听。今天,我们有各种各样的播放设备,有随心所欲的录音工具,音乐已经是生活的一部分,这一切谁又可以说不是起源于爱迪生的发明?起源于最古老的录音技术呢?

2、钢丝录音和磁带   

爱迪生的留声机是纯机械录音技术,在这之后,录音技术发展为光学录音、磁性录音和电子录音。其中,光学录音顾名思义就是将声音信号转变为光学信号,记录在感光底片上的一种技术,最初应用在有声电影的研究上,并在最早的电影领域取得了广泛的应用,我们小时候看的露天电影大部分都还是用的这一类技术。在电影胶片的一侧有一条窄条,叫做声带,播放时由播放机转变为同步的声音信号予以伴音。需要说明的是,光学录音由于对制作技术环节要求较高,且不可擦写,所以当时除了电影伴音这部分应用广泛发展外,其他应用面较为狭窄,我们这篇文章不做过多关注,值得一说的是磁性录音技术。



3、唱片和唱片机

说完了录音,我们再来说说存储和播放。留声机发明之后,声音最开始的载体是上面说过圆桶上的那层锡箔纸。很快,科学家们将其改良为圆盘,这就是唱片的雏形。在数字音乐CD诞生之前,声音的载体都是以唱片的形式存在,至今仍有少数人痴迷于唱片。唱片和唱机的发展史基本上与录音技术发展史紧密联系,伴随着录音技术的发展。从最初的机械唱机到后来的磁性唱机,基本上有什么样的录音技术,就会有什么样的回放设备,因为录音和回放本就是一个互逆过程。

【唱机示意图】


唱片一直在忠实的扮演着“现场录音记录者”的形象,唱片机则是“现场录音的回放者”。他们的出现实现了人们“把现场的声音随意带到任何地方”的梦 想,从此我们的生活中充满了音乐,直到近代数字音乐的兴起和互联网、数码化的普及,才逐渐退出舞台,成为历史。


4、CD  

CD技术距今只有30年的历史,是唱片发展到一定阶段后的进一步技术变革,与唱片技术的最大区别在于存储方式的不同。CD是一种纯数字的音乐存储方式,将声音信号先以编码的方式转换为0和1的数字信号,然后将这些数字信号存储到光盘中,而之前的唱片上保存的则是纯粹的模拟信号。由于在制作成本、易于保存等方面的天生优势,CD的出现迅速终结了唱片和相应唱机的统治,成为新一代音乐的载体广为流传。

【CD 光盘】


CD目前仍是我们常用的音乐载体,很多的演出,演唱会,专辑等都以CD的形式制作出售。因为有了CD,模拟唱片和老式的唱机完成自己的历史使命, 退出历史舞台。CD的诞生也是人类数字科技进步的必然结果。近几十年里,CD对我们生活的影响可谓巨大,除了对音乐的存储,CD光盘很快也成为一种计算机数据存储载体,在计算机领域乃至整个科学研究领域都有非常广泛的应用。不但如此,经过技术的不断革新,CD所衍生的DVD和蓝光光盘正在成为娱乐我们生活的重要设备,成为我们生活和工作无法分割的一部分。


5、麦克风技术  

说到这里我们不能不提一个话题:麦克风技术的发展。麦克风技术的发展与录音技术的发展相辅相成,无法分开,因为麦克风作为声音的采集者,本身就是录音环节的一个不可缺少的分支。接下来我们回顾一下麦克风的发展史。

【麦克风受话器】


在文章的最初我们说道的爱迪生留声机中,那个受话器其实就是麦克风的雏形。麦克风是录音环节中负责收集声音的设备,在最初的机械录音中,麦克风 (受话器)负责将声音信号转换为振膜的振动,并将这种振动传递给细针,以刻录锡箔。后来,磁性录音技术的崛起,麦克风也随之发展成为一种将声音信号转换为电信号的设备,从物理结构上大致分为动圈麦克风和电容麦克风。其中,动圈式麦克风由振膜、永磁铁和线圈组成,声音带动振膜振动,振膜推动线圈在磁铁的磁场中上下运动,产生的电流即为声音信号;电容式麦克风由两片极板组成,一片固定,一片与振膜合在一起。声音信号推动振膜振动,两片极板之间的距离产生变化,之间的电容值随之变化,最后再将此值转换为电信号,最后得到声音信号。


麦克风的作用非常广泛,一切需要收录声音的场合中都缺不了它。除了专业的录音室,我们的生活里随处可见他的身影,各式的会议中,农村的广播里,可录式的随身听里,语音聊天室,UC唱歌等等。随着数码存储的兴起,各式便携设备中也都会整合这一功能,手机这一现代化最伟大的通讯工具中,也离不开麦克风的应用。当然麦克风最伟大的贡献还是在于:将乐队或歌者的声音最忠实的记录下来,让我们能随时随地的聆听,也让我们能永远的把它们保存下去。



6、扬声器  

扬声器技术同样是不可不提的话题,在音频发展史中间起到了巨大的作用。扬声器是将一切声音信号转换为声音的终端装置,在整个发生链中处于最末端。扬声器的种类很多,除了我们最常见的电动扬声器外,还有气动扬声器(比如火车或者轮船的喇叭),静电扬声器等等。在最古老的机械式唱机中,扬声器甚至只是一个物理的扩音器而已。不过,我们最熟悉、应用范围最广的还是电动势扬声器,我们下文所指扬声器皆为电动势。

扬声器】


扬声器技术从诞生到今天所经历的变革并不大,基本原理都是将不断变化的电信号通过身处磁场的线圈,用线圈的动能推动振膜振动从而发声,现如今已经遍布在我们的工作和生活的周围。不信你环顾一下你的四周,你的笔记本电脑里面,你的电脑旁边,你的电视里面,你的车里。你的手机里……,到处都有扬声器, 有那个能主动发声的东西。因为有了它,我们收藏美丽声音的梦想得以实现。


7、耳机

耳机其实是一种近场聆听的扬声器,一般都紧贴耳朵甚至干脆塞进耳朵里去。从结构层面讲,耳机和扬声器原理基本一样,可以理解为扬声器的一种变种。

耳机最初作为电话机和无线电的配件使用,后来逐渐发展成为一种便携式娱乐设备的播放终端。现在,耳机有很多的应用分支,除了便携设备外,在录音行业,无线电(电报)领域,乃至专业的HI-FI领域都有非常广泛的应用。与上述扬声器不同的是,耳机强调的是贴耳发声,以微弱的信号营造真实的声场环境, 对制造工艺要求更高。耳机的出现一改人们对于扬声器那大嗓门的认识,从此之后音乐也变得隐私而独享,并且便携且随身起来。


8、FM、AM  

严格意义上来说,FM、AM以及电视等都属于无线电通讯的范畴,是无线电技术进一步的应用方式。自从1887年 诞生以来,无线电技术给我们的生活带来的巨大的影响,无线电广播技术就是其中不可忽略的技术应用之一。简单的讲:无线电广播的实现方式是把需要播出的信息放在无线电波里面,使之随着无线电波的传播被带到各个角落。 


无线电广播】


无线电广播技术的发展,让我们第一次以无线的方式在任何地方都能接收到信息,而在这之前,人们传递信息要么通过有线的方式(例如有线电话),要么通过可见的视觉信号(比如中国长城上的烽火台,航海中的灯塔等)。所以,无线电广播技术的应用不但大大方便了信息的传播和获取,瞬间拓展了我们的视野范围,也让全球信息化的传递踏上了光速。现如今,无线电技术仍有重要的应用范畴,除了音频领域里的FM、AM广播、电视信号的传播以外各种专业领域内的无线电通讯等等举不胜举,我们几乎每天都要用到的手机,无线网络等,也都是基于这一应用。


9、电吉他  

与普通吉他相比,电吉他少了共鸣箱,琴身是实体,发音过程是通过弦马下面的电磁扩音装置(拾音器)把声音信号传送给音箱。电吉他很大程度上扩大了传统吉他的音域,大大增强表演方面的能力,在滑音、颤音和倚音方面的表现能力,并且能通过调节效果器、更换音箱来达到不同的音色效果,是一种风格完全不一样的乐器。 


【电吉他】


电吉他的出现,标志着传统乐器电气化的开始。在这之后,舞台演出都成了插电的演出,电子类的乐器雨后春笋般的多了起来。所以在全球音乐发展史中,电吉他的标志性意义非常明显。电气化的乐器完全改变了过去传统意义上的乐器风格,让创作更加随心所欲,给演奏和以更大的发挥空间。留意一下我们身边的音乐,几乎曲曲都有电气子乐器的声音。不过在近代,随着多轨录音和电子音响合成技术的鼎盛繁荣,乐器电气化的发展已经接近饱和,越来越多的演唱会在标榜不插电,人们在听腻了满是修饰的电子声之后有回归原始的需求,这何尝不是又一个轮回。


10、声卡  

记得我在读大学的时候,在市场上买过一张游戏盘,叫《阿拉丁神灯》,以1.44M的软盘作为存储载体。每次去机房,都要偷偷揣在兜里,趁老师不在塞到软驱里玩上一把。对这个游戏的印象现在仍然很清晰,除了画面是由很小的不同颜色的色块组成的,人物看起来非常粗糙以外,当时最深的印象是:游戏的声音是单调的PC喇叭发出来的嘀嘀声,那一年是1998年,机房里的机器还都是386。最初的电脑只用于科学数据计算。随着技术的发展,电脑的机能越来越强大,电脑逐步诞生多媒体影音娱乐功能,声卡随之诞生。 


Tempotec 节奏坦克 Hifier Serenade 立体声声卡】


1984年,在英国的ADLIB AUDIO公司实验室里,世界上第一块声卡--魔奇音效卡诞生,标志着PC进入到有声时代。很快的,Creative的崛起,ADLIB的没落,声卡成为一个计算机必不可少的配件迅速普及,直至现在我们已经无法想象没有声卡的电脑应该怎么用。声卡的出现,给了我们除了CD机、随声听之外另一个音源设备,从此电脑也有了天籁之音,设想一下,如果电脑一直没有声卡这个配件的话,互联网是否还有如此发达的应用?网络音乐的传播是否还有现在这样的普及?DVD乃至蓝光是否会存在?我们休息的时候想听个音乐,除了CD机外还有什么可选?生活也许会是另外一番景象。


11、MP3(MPX)   

MP3是一种有损的音乐压缩格式,也是全球音乐流行大一统的最主要推动者。MP3格式的诞生让音乐传播从有形到无形,从局域到全球,借助于互联网的覆盖,MP3除了带给我们免费的最流行的音乐外,还让我们深深领略到了互联网的传播速度,原来可以堪比光速。 




MP3是一种编码格式,是MPEG(Moving Pictures Experts Group,中文译名是动态图像专家组)组织发布的一系列音频压缩编码规格之中的一个。该组织以时间顺序先后发布了MPEG-1、MPEG-2、 MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21等几部规格,其中名气最大的当属MP3。这些音频编码标准设立之初的目的是为了压缩庞大的数字音频文件,根据压缩质量和编码复杂程度的不同分为三层(MPEG Audio Layer 1/2/3),分别对应MP1、MP2和MP3这三种声音文件。其中,MP1的压缩比通常为4:1,MP2为6:1甚至7:1,而MP3则达到了 10:1。由于MP3在保持最大压缩比的同时能保持一个相对完美的音质,因此MP3迅速宣红,势头远远盖过其他编码。


MP3的基本工作原理是丢弃PCM调制数据中对人耳听觉影响基本没有的数据部分,并运用心理声学原理调整丢弃数据部分。这个过程就像JPEG压缩图片的过程类似,都是压缩调我们直观上不太容易察觉的部分,从而大幅度降低数据个头。MP3提供一系列的压缩比例供用户选择,在数据大小和文件尺寸之间给我们提供了一个权衡范围。 

    

MP3的出现对我们的生活带来的同样巨大的影响,首先是音乐的传递更加便捷,在这之前,音乐的载体是CD,将CD数字化之后的文件大约是1分钟10M。一张70分钟的CD就会得到大概700M的数据文件,在互联网并不发达的时候,传递这些数据是要费很大力气的。MP3以10:1的压缩比例将700M压缩为 70M,把一首大约5分钟的歌曲压缩到4-5M,这使音乐能够很快就随着互联网的拓展而流行。MP3究竟有多热?从1998年起,MP3就已经成为 “SEX”之后的第二大搜索关键词,霸占互联网搜索排行第二的位置至今。 


不得不说的还有:MP3的出现给唱片业带来的灾难性的冲击。音乐都MP3了,版权都无视了,下载变得随心所欲,于是去CD店消费的人大幅度减少,之前的音乐消费者都变成了网络MP3的下载者,唱片业的销量锐减。纵观美国唱片史上50大热销唱片,几乎全部都是上个世纪80年代诞生的,那个时候CD正大红大紫,比如杰克逊,比如老鹰乐队。MP3出现之后,唱片销量排行榜几乎锁定在那50张唱片上,最近的6-8年内再也没有哪张能跻身进去。所幸的是,现在我们也看到:在itunes下载大行其道的今天,唱片发行商已经意识到再不革新就会被淘汰,传统的唱片发行体系已经着手悄然改革,MP3化的数字发行已经初现,这一系列的变化都要归功于MP3格式的诞生。 


12、数字录音  

数字录音又称电子录音,是相对于传统的模拟录音而出现的一个新的录音方式。数字录音指的是声音信号的数字存储和处理,前期的声音收集(话筒里的拾音器)仍和模拟录音的一样。所以,电子录音其实特指的是声音的后期处理方式和存储介质,由磁带、母带发展成为了数字的1和0。

 


传统模式中录音后的载体是磁性的母带或者磁带,每次传输或者播放都会产生损失,而数字化后的数据不存在这种问题,且能方便的实现多轨的录音合成。通过设置合适的采样频率,借助计算机的辅助,音乐的数字化可以最大限度的保留原是模拟录音母带的声音信息。所以,数字化录音技术其实是计算机科技发展后的必然改变,是现代科技的衍生产物。目前,数字化录音技术已经取代过去的传统技术广泛应用,在音频发展史上同样是一个不容忽视的里程标记。



结 

  未来到底怎样,下一个音频发展史上的里程碑到底在哪里?没有人能告诉我们。但是回顾我们盘点过的这些关键词,仍然可以找出一些规律,音频领域的未来不会脱离数字科技的发展,很多的应用和趋势脱胎于前沿科技发展,还有就是音频技术的发展一切以方便人们的应用为前提,生活不就是这样吗?






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