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“看到”声音:科学家用显微镜播放老唱片

导读: 如果我们可以清晰地拍下这些音轨的形态,然后使用图像处理的方法将照片上的信息提取出来,再用程序来模拟播放机的功能,这些图像就可以重新被转换成声音文件。

  如何倾听一张老唱片中的声音?你可能会说,只要找到一台留声机,把它播放出来就好了嘛。但实际情况却没有这么简单。现在,很多老唱片都面临着保存不善、折断破损的危机,如果这些记录载体损毁,其中的音频资料也将随之失传。

  而出手拯救这些老唱片的,则是两位在LHC(大型强子对撞机)工作的粒子物理学家。通过显微镜和计算机,他们让破损的老唱片也得以重获新生。

  无法播放的记录

  在照相机出现之前,艺术家们利用绘画和雕刻也可以较为精细地还原自己所看见的场景,而相比之下,记录和还原声音则要面临更多技术挑战。

  1860年,法国人斯科特(édouard-LéonScottdeMartinville)第一次成功地将声音用现代方法记录了下来。他根据人耳的构造设计出了一架声波记录仪,其三个主要结构分别对应耳道、耳膜和听小骨。声音是机械振动,声波传送到仪器中,然后连接在一个膜上面的鬃毛类部件(与听小骨对应)就可以把振动记录在涂有灯黑(炭黑)的纸张或者玻璃上。

  通过这样的方式,斯科特得到了下图中的声波曲线记录图。这种记录图中确实包含着声音的信息,但它却无法被还原播放。

  斯科特在纸上记录的声音,声波信息就在其中,但我们却无法听到

  在此之后,留声机的出现解决了还原声音记录的问题。爱迪生发明了圆筒式留声机,在蜡制成的圆筒中雕刻上深浅不一的“音轨”,播放时唱针在音轨的引导下运动,将振动信号还原。在那之后,蜡筒又被唱片所取代,越来越多的声音信息被记录在了其中。

  这些蜡筒和老唱片中记录着很多珍贵的音频资料,但即使有留声机的帮助,在很多时候我们依然无法自由地播放和倾听它们。这些老式的记录载体并不耐久,用唱针播放的过程不可避免地会带来磨损;一些蜡筒和唱片甚至已经折断,完全无法播放了。

  我们只能遗憾地与这些无法播放的声音资料告别了吗?不,其实还有别的解决方法。

  “看到”声音的物理学家

  参与解读老唱片工作的两位物理学家分别是卡尔?哈伯(CarlHaber)和维塔利?法捷耶夫(VitaliyFadeyev)。在大型强子对撞机实验中,对很多部件的精度要求是非常高的,例如有些探测器能够区分的位置精度达到人的头发丝粗细这样的量级。所以,他们经常需要在光学显微镜下,并且通过计算机算法控制特殊的机器来组装仪器。这样的机器可以在组装时达到微米量级的精度。

  在一次开车时,哈伯恰好从广播中听到了一段对著名鼓手米奇?哈特(MickeyHart)的采访。采访中哈特提到,有大量记录在唱片中的音频老资料现在并没有得到足够好的保护。灵光一闪,哈伯意识到他们在LHC所用到的技术也是帮助这些老旧的音频资料重获生机。

  这些记录声音的老文物可能已经断裂磨损无法播放,或者像斯科特留下的声波图那样,根本没有对应的播放器可用。但是声波振动的信息依然保留在那些音轨当中。如果我们可以清晰地拍下这些音轨的形态,然后使用图像处理的方法将照片上的信息提取出来,再用程序来模拟播放机的功能,这些图像就可以重新被转换成声音文件。

  左图:胶片是通过音轨的左右摆动来记录声音信息的;中图:唱针在胶片上移动,会左右振动,再经过处理就可以把声音还原;右图:胶片在显微镜下的照片(经过处理)

  而对于蜡筒这样通过不同深度刻痕记录声音的设备,也可以利用在科研领域广泛使用的共聚焦扫描显微镜得到刻痕的3D结构信息,进而还原声音数据。而这些设备和技术条件,正好都是两位物理学家所具备的。

  左图:蜡制圆筒实物,它通过雕刻不同深浅的音轨来实现声音记录。右图为蜡制圆筒的3D扫描

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