科学|从留声机到数字信史时代，人类是如何把声音保存下来的？
美国科学家曾成功地将1878年锡箔上记录的声音传输到计算机上 。 这段录音是用爱迪生发明的留声机录制的 。 虽然声音嘈杂 ， 只持续78秒 ， 但这是现代人能听到的最古老的可播放录音 ， 也是历史上第一次录制的音乐表演 。
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录音 ， 顾名思义 ， 记录过程被记录在介质上 。 随着人类科学技术的发展 ， 记录手段已经从机械记录、电声记录、磁带记录到数码光学记录等等 。
圆筒留声机时代
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最早的录音仪器是1857年法国科学家斯科特发明的声学振动计 。 它是利用声波产生的震动记录声波“图像”的仪器 。 声振动记录仪虽然不能显示声音本身 ， 但它使人类首次实现了声音信号的转换 ， 也为真正的录音设备留声机的发明吹响了号角 。
1877年 ， 美国发明家兼商人托马斯·爱迪生发明了人类历史上第一台留声机 。 这台“会说话的机器”轰动了世界 ， 正式开启了人类录音的历史 。 爱迪生在一个有螺旋槽的金属圆筒上轧了一片锡箔 。 一根短针的一端与箔片摩擦 ， 另一端与接收器相连 。 当曲柄摇动金属筒旋转时 ， 短针被起伏的声音振动 ， 在锡箔上刻有不同的凹槽 。 当短针沿凹槽反复振动时 ， 会发出原声 。
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这台机器被称为“19世纪的奇迹” ， 爱迪生因此而出名 。 然而 ， 新诞生的留声机录音时间短 ， 声音低沉 ， 声音模糊 。 爱迪生继续推动研究 ， 终于研制出第二代留声机 。 在第二代留声机的麦克风上 ， 爱迪生加了一个喇叭形的音管作为扬声器；然后他用蜡筒代替锡箔纸 ， 这样蜡筒就可以重复使用；同时 ， 表壳内还安装了一个驱动结构 ， 只要每一个绕组都收紧 ， 就可以自动录音和播放时间 。 圆筒留声机经过改进 ， 声音清晰逼真 ， 也开始进入商业应用阶段 。
然而 ， 早期的圆筒留声机录音流传很少 ， 主要原因是它一直未能解决临摹和临摹的技术难题 。 那时候 ， 如果你想录制一个乐队演奏的音乐 ， 即使你同时使用10个扩音器留声机 ， 乐队耐心地演奏同一首曲子20次 ， 也只能得到200个圆筒拷贝 。 由于制作成本高 ， 难以推广 。
唱片留声机时代
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1891年 ， 德国工程师伯利纳成功地开发出一种以镀金铜模为母盘 ， 虫胶为铸造复制原材料的唱片复制方法 ， 正式拉开了以留声机取代圆筒留声机的序幕 。 留声机仍由人工绕线供电 。 它也是基于针穿过唱片凹槽发出声音的原理 。 只是原来的气缸旋转被圆盘旋转所取代 。 唱片诞生之初 ， 由于其复制简单 ， 可以批量生产 ， 因此留声机得到了极大的推广 。
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然而 ， 由于技术上的限制 ， 录音的速度非常快 ， 达到78转每分钟 ， 这直接导致每边录音不到3分钟 。 因此 ， 整个20世纪早期的美国流行音乐都很短 。 78家唱片公司几十年来一直主导着唱片业 ， 直到第二次世界大战 ， 虫胶的主要来源地印度被封锁 。 当时唱片公司要求买家交上一定数量的旧唱片 ， 以换取新唱片 。 这一政策导致78r唱片上许多珍贵唱片的消失 。
1948年 ， 二战后 ， 哥伦比亚唱片公司的总工程师格德马克发明了一种全新的唱片 。 马克使用钻石作为触控笔和乙烯基塑料作为录音材料 ， 将录制速度降低到33.3rpm ， 并增加了凹槽密度 ， 这样一张12英寸的唱片可以在每一面播放20分钟以上的音乐 。 这就是人们常说的“紧凑记录” ， 也称为“长记录” 。 光碟的诞生极大地促进了流行音乐市场的繁荣 ， 使留声机的发展进入了一个新的辉煌时期 。
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在留声机普及的时代 ， 录音形式也发生了革命性的变化 。 20世纪20年代以前 ， 音乐是以纯“声学”或“机械”形式录制的 ， 这就迫使音乐家在录制音乐时痛苦地挤在录音室的扩音器里 ， 录制的音效很差 。 随着广播和无线电报技术的进步 ， 电声录音技术正在兴起 。 1924年 ， 贝尔实验室成功地进行了电声记录实验 ， 人类记录的历史开启了电气化时代 。 电声记录是将声波转换成电信号 ， 然后通过这些电信号记录下来 。
电声录音有两个优点：第一 ， 电声录音可以更真实地记录和还原声音 。 特别是1945年Decca公司宽带技术推广应用后 ， 录音频率上限达到14000Hz ， 接近人耳极限 ， 极大地提高了录制效果 ， 尤其是弦乐的音色更加细腻逼真；其次 ， 电声录音诞生了对传声器等扩声设备和传声器依靠电容对板厚的敏感响应来达到扩声效果 。 麦克风的出现可以让音乐家在更轻松的环境中自由演奏 。 可以说 ， 电声录音的出现是留声机发展的一次质的飞跃 。
磁带录音机时代
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其实早在20世纪初 ， 丹麦科学家鲍尔森便发现了磁化的钢丝可以储存声音信号 ， 但钢丝笨重不便 ， 影响了这种录音方式的普及 。 到了20世纪30年代 ， 德国科学家福劳耶玛将磁性铁粉涂在纸带和塑料带上 ， 这才有了现代磁带的雏形 。
磁带是一种载有磁层的带状材料 ， 通常是在塑料薄膜带基上涂覆一层颗粒状磁性材料或蒸发沉积上一层磁性氧化物而成 。 磁带录音的原理也是始于电声录音机理 ， 首先通过传感器把声音振动的能量转化为强弱跟随声音变化的电信号 ， 然后录音磁头按照强弱变化的电信号 ， 改变其线圈特性 ， 磁化磁带上的磁性物质 ， 并且根据电信号的不同 ， 磁化后的物质特性也不同 ， 从而记录了声音信号 。 二战期间 ， 德国广播电台已经开始大量运用磁带录音机 ， 但此时的磁带还仅用于记录和播放军事将领的讲话 。
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战后 ， 经过美国人改良 ， 磁带录音才开始和音乐接轨 。 磁带相对于唱片来说拥有很多优点：首先 ， 磁带的录音时间更加不受局限；其次 ， 磁带录音易于编辑 ， 不需要的片段可以很容易地被剪去 ， 这种后期编辑修改技术的发展对录音技术和演奏实践产生了极大的影响；最后 ， 磁带录音带来了同步录制多个轨道的可能 ， 即可以通过多组麦克风录制的声音可以分别被存储在不同的独立轨道中 ， 录音完成后再被混合起来 ， 而这种多轨录制方式最直接的产物就是立体声录音和多声道录音 。
然而 ， 磁带的寿命要比留声机唱片差许多 ， 一般的磁带在储存10年左右后 ， 其内部的磁信号便会明显弱化 ， 但上世纪二三十年代的唱片至今仍有存世 ， 且音质保持良好 ， 二者差距明显 。 单单的寿命优势并没有影响磁带撼动密纹唱片的录音统治地位 。
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1963年 ， 荷兰飞利浦公司研制出盒式磁带录音机 ， 由于盒式磁带具有轻便、耐用、互换性强等优点 ， 产品一上市 ， 便得到迅速的推广和发展 。 到了20世纪70年代 ， 盒式磁带已经作为一种廉价方便的音乐载体在全世界流行起来 。
磁带是一种具有磁性层的带状材料 ， 通常是在塑料薄膜磁带基片上涂一层颗粒状磁性材料或蒸发沉积一层磁性氧化物制成 。 磁带记录的原理也从电声记录的机理开始 。 首先 ， 通过传感器将声振动的能量转化为随声强变化的电信号 。 然后 ， 录音头根据电信号改变其线圈特性 ， 对磁带上的磁性材料进行磁化 ， 并根据不同的电信号 ， 磁化后的材料特性不同 ， 从而记录声音信号的编号 。
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第二次世界大战期间 ， 德国广播电台开始使用录音机 ， 但录音带只用于记录和播放军事将领的讲话 。 战后 ， 随着美国人的进步 ， 录音开始与音乐融为一体 。 与记录相比 ， 磁带有许多优点：首先 ， 磁带的记录时间更不受限制；其次 ， 磁带记录易于编辑 ， 不必要的片段可以很容易地被剪掉 。 这种后期编辑和修改技术的发展对录音技术和表演实践产生了巨大的影响；最后 ， 磁带录音带来了同时录制多个曲目的可能性 ， 即： ， 同时录制多个音轨可通过多组麦克风录制的声音可以存储在不同的独立音轨中 ， 然后在录制后进行混合 。
这种多声道录音方法最直接的产物是立体声录音和多声道录音 。 然而 ， 磁带的寿命比留声机唱片的寿命要差得多 。 磁带在存放10年左右后 ， 磁信号会明显减弱 。 但是 ， 上世纪二三十年代的唱片仍然存在 ， 音质依然很好 。 两者之间的差距是显而易见的 。 光是长寿的优势并不影响光盘刻录的主导地位 。
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1963年 ， 荷兰飞利浦公司研制出盒式磁带录音机 。 由于盒式磁带具有便携、耐用、互换性强等优点 ， 产品一上市就得到了迅速的推广和发展 。 到了20世纪70年代 ， 盒式磁带作为一种廉价、方便的音乐载体在全世界广受欢迎 。
光盘CD机时代
飞利浦光盘在1979年诞生之后 ， 在全世界第一个高密度光盘存储系统中展示了飞利浦光盘的普及 。 高密度光盘是一种不同于磁性载体的光存储介质 。 它通过盘中螺旋状的小坑圈记录信息 。
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CD的记录原理是：首先将外部声音信号压缩处理成脉冲信号 ， 控制激光束 ， 使激光束按照脉冲信号的规律发射 。 当光学系统被收集并投射到涂有光刻胶的原盘上后 ， 原盘在主轴电机的驱动下运动 ， 激光束在光盘的信息轨迹上形成一系列凹坑 。 这些坑的长度和间隔与控制脉冲相对应 ， 也就是说 ， 它们包含要记录的声音信息 。 在播放光盘信息时 ， 它是在激光头的照射下 ， 通过探测光盘凹坑的反射光束来提取信息 。
在CD刻录中引入数字技术 ， 可以有效地避免信号和噪声的干扰 ， 存储的音频信息干净、不失真 。 可以说 ， CD的出现引发了音乐产业的一场技术革命 。 它卓越的音质和耐磨性标志着数字音乐时代的开始 。
上世纪80年代 ， CD、MD、DVD等数字载体的不断升级 ， 不仅音质有了新的飞跃 ， 而且存储容量也越来越大 ， 但体积越来越小 。 例如 ， 诞生于1979年的第一张光盘直径为12厘米 ， 可以存储74分钟的高保真音频信号 ， 接近普通磁带的容量；上世纪90年代 ， 飞利浦公司开发并推出了容量为4.7GB的DVD ， 可存储近1000首流行歌曲 。 1986年 ， CD播放机的销量首次超过了录音机；1988年 ， CD-ROM的销量首次超过了磁带机 。 进入21世纪 ， 录音机终于淹没在科技创新的浪潮中 ， 被人们铭记在心 。
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数字信息云时代
然而 ， CD光盘已经繁荣了20多年 。 自2005年以来 ， CD媒体的音乐销量大幅下滑 。 这是由于20世纪末21世纪初互联网技术的迅猛发展 。 同时 ， 由于个人电脑性能的不断提高 ， 存储容量的不断增加 ， 以及各种录音软件和相关硬件设备的普及 ， 音乐制作机构开始向录音棚和个性化方向发展 。 许多音乐家、音乐学家和音乐爱好者可以随时在自己家或教室的钢琴房里录制高质量的唱片 ， 作为个人参考、相互交流、网上点播 ， 甚至可以送到唱片公司正式出版 。
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在当今的数字时代 ， 除了智能手机外 ， 最专业、最常见的录音设备就是一种叫做录音笔的数码录音机 。 它的形状像钢笔或者小盒子 ， 便于携带 。 同时 ， 它还具有激光笔和MP3相关功能 。 记录笔的主体是记忆 。 由于采用了flash存储器和超大规模集成电路核心系统 ， 整个产品小巧轻便 。 记录笔的记录原理是通过数模转换器对模拟信号进行采样编码 ， 将模拟信号转换成数字信号 ， 然后压缩存储 。 即使这种数字信号被多次复制 ， 其声音信息也不会被破坏 ， 并且可以保持不变 。
如今 ， 借助各种移动应用 ， 我们的手机和平板电脑可以随时随地录制他们的歌曲和对话 ， 并立即与朋友分享 。 录音技术不再只是一种专利设备 ， 而是多媒体技术的一部分 。 留声机、唱片、磁带、CD今天最先进的技术也许几年后就会被遗忘 。 在科技飞速发展的时代 ， 谁知道今天的声音明天会存往何处呢？
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