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大觉者电脑音乐教程『第五课』——从声音到数字

? 信息发布:网站管理员? 发布时间:2008-12-12 17:13:11 ?点击次数:1311


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相传,世界上第一台录音机是我国着名的发明家鲁班发明的。这台机器的主要构造是一个竹筒,只要对着竹筒大声说话,然后迅速封住筒盖,声音就被储存在竹筒里了……(读者愤怒地要把大觉者轰出去)……啊对不起,我讲错了。刚才我给鲁班发了个论坛短消息,鲁班说,录音机很普通,没什么了不起的,要发明,咱就发明无人驾驶的飞机,能在天上飞三天不掉下来……

呵呵好了好了,言归正传。

很早以前人们就向往着能把声音保留下来,我国自古就有“余音绕梁三日而不绝”的美好愿望,是的,在没有录音的技术之前,无论多么美妙的音乐,都是转瞬即逝的。这不能不说是一种遗憾。所以,当人们知道了声音是来自于振动后,就开始尝试着用机器记录下振动来记录声音。1857年,法国发明家斯科特(Scott)发明了一种“声波振记器”,这是最早的原始录音机,是留声机的雏形。

真正意义上的第一台录音机,可能大家都应该知道。那就是1877年爱迪生发明的的留声机。

当时,一家电子公司委托爱迪生帮助他们研究一种能够自动记录电报信息的装置,爱迪生在研究过程中,无意间发现了声音重现的现象,因此开始着力于声音记录方面的探索。这一年年底,在新泽西州的门罗公园,爱迪生创造了世界上第一台留声机。

留声机的的构造是这样的,它有一根固定在膜片上的刻针,刻针下面有一个能转动的圆筒,圆筒上铺有锡箔。对着膜片说话,膜片带动刻针上下振动,同时时转动圆筒的摇把,小针就在锡箔上刻出与膜片振动相一致的深浅不同的沟纹,声音就这样被记录了下来。相反的,让小针沿着刻好的沟纹滑动,带动膜片振动,膜片就发出与原来相同的声音。可以说,这就是最早的“刻录”了。哈。


?留声机的构造原理

当时爱迪生制造了这台机器后,对着机器朗读了《玛丽有只小羊》的歌词:“玛丽抱着羊羔,羊羔的毛象雪一样白”,这总共8秒钟的声音,就是世界录音史上的第一声。


?留声机的构造原理图:最早的留声机

1885年,美国发明家奇切斯特?贝尔和查尔斯?吞特利用涂蜡的镀锌圆盘来代替爱迪生留声机中的圆筒,先将音乐刻录在蜡层上,这样就可以从蜡层上大量复制唱片了。1887年,旅美德国人Emil?Berliner成功地研制成功了这种使用圆盘来刻录的唱片机,并获得了专利。于是留声机和唱片开始大量生产并在家庭中使用。


?经典的大喇叭留声机

现在我们仍可以在一些电影中看到这种留声机。甚至在旧货市场上还能找到电唱机。电唱机用电力代替手摇,唱片的刻纹也更加细密,但基本原理和留声机还是一样的。这种电唱机在我国一直被沿用到上个世纪80年代末才渐渐淘汰出市场。


?手摇唱机


?革命唱机哈哈哈

1888年,一位名叫史密斯的美国人提出了用磁体记录声音的设想。10年后,丹麦电话工程师波尔森将发明了一台永磁钢丝录音机。我们知道,钢丝很容易被磁铁磁化,磁化之后的钢丝也带了磁性。钢丝录音机就是根据这个原理发明的。

在钢丝录音机中,与振动膜片相连的不是尖针,而是一块小磁铁。当磁铁振动时,一根钢丝在磁铁前匀速通过,钢丝上不同的位置发生不同程度的磁化,这样声音就变成了强弱不同的磁信号记录下来。大家可不要小看这个发明,这个发明可以说是太伟大了。至今你电脑里的硬盘也依然是使用磁信号来记录信息。


?钢丝录音机

钢丝又笨又重,而且音质很不好。为了克服这一缺点,美国的奥奈尔制造了世界上最早的磁带——涂上一层磁粉的牛皮纸带,大大地提高了磁体录音机的录放音质量。1928年,德国人弗勒马用塑料带代替牛皮纸带,使磁带更加牢固可靠。1935年,德国通用电气公司研制出了世界上最早的磁带录音机,并投入市场。


?最早的磁带录音机

磁带这东西可以说一直到现在还没有消亡。至今盒式带还很畅销并被老百姓所接受。

以上所提到的,都是属于模拟录音,而现在我们讲电脑音乐,接触最多的,是数字录音。可能很多初学的朋友一直都对“模拟”和“数字”感到很不理解。如果你还不明白究竟“模拟”是一个什么概念,那么我们还是从最基础的话筒构造说起吧。

世界上第一个话筒,是贝尔发明的电话机的话筒。它是一个小盒子里装满了炭粒,两端都接着电线。我们知道炭粒是导电的。当对着话筒说话,炭粒振动,引起电流随着说话而忽强忽弱变化,这个强弱变化的电流经过放大后,在电话另一端的听筒上就使得听筒的振膜同样的振动,而再现出声音。这就是电话的原理。录音也是一样的,来自话筒忽强忽弱的电流经过放大,进入磁头中,磁头便发出忽强忽弱的磁力,将匀速通过磁头表面的磁带磁化,这样,磁带就记录下了声音。

当然我们现在不会再使用炭粒话筒了。但现在无论是动圈、电容还是驻极体话筒等等,同样也都是这一个功能,那就是把话筒内振膜的振动转化成强弱不同的电流出来。而这个电流信号,就是我们所说的“模拟”信号。它和振膜的振动是完全一致的。有很多人很难理解为什么这种信号为什么要叫做“模拟”呢,我们一般是指模仿另一个东西叫做“模拟”啊。其实,“模拟”是Analog的翻译名(英国人则写成Analogue),它不属于中国人的思维模式内的东西,以后我们可能还要碰到很多这样的概念和名称,你不能用中国文化里的东西去理解它。就像外国人很难理解什么叫“道”,什么叫“太极”等等。呵呵,你只能尽量去体会这种词汇。模拟在台湾则被译为“类比”。反正都是一个意思。

那么,数字信号究竟是什么概念呢?

首先我们要搞清楚数字信号是如何来记载信息的。数字设备记录信息只有两个数,1和0。其实这个一般人都知道,但可能初学的朋友不明白,究竟为什么会是1和0呢?其实,你可以这么理解。机器的语言只有两种,那就是开和关。一个芯片里有成千上亿的晶体管,它们是怎么运算的?其实很简单,它们只有两种模式——那就是开和关。举个例子,假设这么几个晶体管的状态如下:开关开关开开开关,就这么构成了10101110这个机器语言,当然这只是举个例子而已,实际的工作原理不止如此,但归根到底是这么个道理。这就是机器的语言。也就是数字信号。

在电脑中,最小的单位是B,全称Byte,叫做字节。一个字节有多大呢,它由8位2进制字符构成。象刚才的那个“开关开关开开开关”就构成了一个字节。一个字节可以记录一个英文字母。一个汉字则要用两个字节。1024个B就叫1KB。1024KB叫做1MB。1024MB呢,叫1GB。1024GB嘿嘿,叫1TB。现在好像已经有1TB一个的硬盘了。

那么,声音是如何由强弱不同的电流——模拟信号,变成只有0和1的数字信号的呢?

做这件事情的,就是ADC芯片。也就是Analog(模拟)to Digital(数字)Converter(转换器),简称模数转换器。下面,我们就来看看模拟信号究竟是如何变成数字的。

可能我这么讲大家比较清楚一些,这个东西很像屏幕上的画面,它全部是由点阵组成的一样。声音也是如此。数字录音的过程,是一个采样的过程。怎么个采样法呢?你一看下面这个图就知道了。


?取样点

此图是以正弦波形做了个例子。实际上就是每隔一定的时间取样一次。每次取样之间的的频率,就是我们常说的“采样率”。

如果我们波形上的把每个采样点连起来我们就会发现它是锯齿状的了。如下图。


?采样频率示意图

其实,实际中的采样点之间是非常密的。密到什么地步呢,就拿最普通的声卡来说,都要达到每秒钟取44100个采样点。这就是我们常说的44.1KHz的采样率。当然现在很多声卡都能达到192KHz的采样率了。

那为什么一定要采44100个点做标准呢?44200不行吗?哈,这里有个原因,因为在CD发明前人们用录像带来记录高音质的数字音频信号,用黑白来记录0与1。而当时的录像带格式是每秒30张,而一张图又可以分为490线,每一条线又可以储存三个取样讯号,因此每秒有30乘以490再乘以3=44100个取样点,这就是44.1kHz的由来。这个采样频率实际上已经足够使用了。现在的CD唱片都是使用这个采样率。


?模拟信号与数字信号

我们在上一节课里说过,人耳的听力极限是20KHz。也就是说,将一秒钟的音乐分割为20000等分以上时,人耳就听不出其质量上的差异了。所以44.1KHz的频率作为两倍的取样率标准,是完全具备很高的音质的。

我们看到第一个图中,采样点之间形成了锯齿状,这个类似阶梯的度量单位就是分辨率。也就是对声波的振幅进行切割。也就是说,取样频率是对声波水平进行的X轴切割,那么音质分辨率则是对Y轴的切割。如果切割的数量是以最大振幅切成2的n次方计算,那么这个n就是我们常说的比特数,英文简称bit。比如,8比特就是对音波的振幅做2的八次方,也就是256种强度的区别。那么16比特呢,当然就是2的16次方,也就是65536种强度区别。采样率与分辨率越大,则数字信号的质量就越细腻。比特位数越高,对于细致的强弱音变化表现则越好。

那么采样出来的数据记录在电脑里,到底是需要多少数据呢?我们下面来看看。

比如,一秒种的声音,我们每秒采44100个采样点,然后呢,因为用的是16比特,那么就要再乘以16。刚才说了,一个字节是8位数据,这样就要再除以8,而1KB等于1024字节,所以再除以1024。最后因为是双声道的,所以还要再乘以2。

哈,也就是44100×16÷8÷1024×2=172.26KB/sec。也就是说,一秒钟要使用172.26KB的数据。那么一分钟呢,呵呵再乘以60。也就是172.26(KB) ×60(秒)=10335.6(KB),就是10.09MB。

也就是说,一分钟44.1KHz,16BIT的标准声音文件,大小是10.09MB。

现在,你明白从声音到数字的全过程了了吧呵呵。


?从声音到数字

下面,就是完成这个采样过程运算的芯片,ADC。它决定着录音的运算精度。


?E-MU 1820M声卡上的ADC模数转换芯片

那么,电脑播放数字音乐的时候呢,哈,当然是正好相反了!这是声卡上的另一块芯片干的活了,这就是DAC,也就是数模转换芯片,把数字再转换为模拟信号。

在286、386电脑的时代,声音文件对于电脑来说只能用“可怕”两字来形容,因为那个时候一个上百M的硬盘就算很牛比了。那个时候电脑可不敢碰音频文件!所以那时候人们都是用硬盘录音机来录音的。而如今却是翻天覆地的变化了。现在的电脑动辄几百G的硬盘已经是很平常了。我知道的有的音乐人已经用到了超过1T以上的硬盘阵列。再加上日益强大的CPU和内存,昔日那些“巨大”的声音文件,如今在电脑里已经是小得可怜啦!

在这篇文章里,我们主要谈了录音的发展和数字录音的简单原理等基础知识。这些,都是初学电脑音乐的朋友必须应该知道的最基础的知识。这节课就到这里。下次接着聊。

(待续)


?本文摘自:http://www.midifan.com
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