关注我们 - 数字罗塞塔计划 -
在数字音频技术广泛应用之前，人们使用各种模拟载体来记录和存储声音。这些模拟存储方式虽然已经被数字技术逐渐取代，但它们以其原始独特的方式捕捉并再现了时代的音符与旋律，在音频技术的发展史上占据了重要地位，而且不少档案部门至今仍然保管着一定数量的模拟音频载体（如黑胶唱片、电影胶片、钢丝录音机以及盒式录音带等），这也正说明了录音档案是历史记忆的重要组成部分。本文将对上述四种早期模拟声音存储方式的发声原理进行介绍，回顾曾经辉煌的声音记录技术。
物理刻痕中的音乐记忆
黑胶唱片，由聚氯乙烯（PVC）基材制成的一种模拟录音的圆盘，发声原理主要是基于物理刻痕的记录方式。它利用唱针与唱片上的物理刻痕相互作用，产生声音信号。
在录制过程中，声音信号通过一个特殊的切割装置，将声音的波动转化为机械运动，进而在唱片上刻划出相应的波形槽纹。这些深浅不一的刻纹，代表了声音信号的强弱变化。
播放时，唱针会沿着刻纹移动，刻纹的深浅变化使唱针产生相应的振动。振动通过唱针传递到唱头内的线圈，线圈在磁场中振动时会产生微小的交流电信号。这个信号随后被唱头放大器放大，最终驱动扬声器发声。唱片制作过程中，高音部分对应的刻痕细而浅，低音部分则粗而深，这种物理特性使得黑胶唱片在音质上具有独特的细腻度。
黑胶唱片的音质特点在于其纯物理发声机制，能够较好地保留声音的原始质感和动态范围。然而，由于唱针与沟槽的摩擦会产生一定的磨损，黑胶唱片的寿命相对有限。此外，唱针的质量、唱头的类型以及唱盘的稳定性等因素也会影响最终的音质表现。
#02.电影胶片：
光影之间的声音轨迹
传统的电影放映依赖于胶片作为载体，在无声电影向有声电影过渡的初期，电影放映现场用字幕表现对白，或者用留声机、人工伴音等方式为电影画面配上声音。直到20世纪30年代初至50年代出现的光学录音实现了电影画面与声音的同步存储和播放。因为胶片只对光线敏感，要把声音与画面同时刻到胶片上，就要将其都转换成光线。
电影胶片上的声轨记录方式，就是将声音信号转换为相应的光信号，通过胶片边缘的曝光变化来记录声音。
声音信号首先通过麦克风变成电信号：
声波作用于麦克风，使其内置的振膜随之振动，带动连接的移动线圈在磁场间隙内做相应振动，由于电磁感应，在磁场中来回移动的线圈感应产生电流。这一微弱的电流信号随后被送入放大器进行增强处理，增强后的电流用于调节一个光源（如白炽灯泡）的亮度，实现电信号到光信号的转换。
电流强度的变化直接导致灯泡亮度的变化：
电流增强时，灯泡亮度增加；电流减弱，则灯泡亮度降低。这样，声音的声级和频率变化转换成光信号强度的变化。
最后，再利用聚光镜将这些变化的光信号聚焦并投射到胶片上。
整个过程中，声音信号的强弱直接决定了投射到胶片上的光强，进而留下不同曝光程度的痕迹。
通常情况下，电影胶片的画面位于胶片中央位置，两侧开齿孔，而音轨位于画面和齿孔内侧的间隙位置，如下图所示：
但也有将音轨放在齿孔外侧的，比如索尼数字音效技术SDDS（Sony Dynamic Digital Sound）就采用数字+模拟组合的方式，模拟音轨位于传统位置，而SDDS数字音轨则位于胶片两侧边缘。
还原声音过程也类似，放映机的光源会照亮胶片，并通过光敏元件检测声轨上的光强变化，将光强变化转换为电信号，进而还原为声音。
电影胶片声轨的优点在于其能够与影像同步记录，为电影提供了声音与画面的完美结合。然而，由于光学记录的精度限制，其音质通常不如其他模拟存储方式。并且，胶片还存在老化和划伤等问题，声音质量也会因此受到影响。
#03.钢丝录音机：
磁场中的声音印记
钢丝录音机是一种利用磁场变化来记录声音的模拟存储方式，其发声原理是基于磁场的记录和重现。
首先，声音信号通过受话器被捕捉并转化为电信号，这些电信号随后驱动电磁铁产生不断变化的磁场，这一过程中，声音的高低、强弱变化直接对应着磁场强度的变化。接下来，一根细钢丝被紧密地置于电磁铁附近，并匀速地通过电磁铁区域，钢丝上便记录下了与原始声音信号相对应的、强度连续变化的磁场模式。
在回放时，将录有声音信息的钢丝再次以相同的速度通过电磁铁，此时钢丝上的磁场变化会重新诱导电磁铁产生相应的电信号；这些电信号再经过受话器或其他音频转换设备，就被还原成了最初录制的声音。简而言之，钢丝录音机通过电磁转换，在钢丝上“雕刻”下声音的磁记忆，并在需要时通过相同的方式将其“读取”出来。
钢丝录机的优点在于其耐用性和可重复使用性。然而，因其物理结构的限制，钢丝录音机容易受潮和受到机械损伤，从而影响音质和使用寿命。并且，由于磁性材料的特性，其还容易受到外界磁场的影响，且长时间使用后，磁性也会逐渐减弱从而影响音质。
#04.盒式录音带：
便携的声音记录者
钢丝录音机的发声原理或许已经让大家联想到常见的盒式磁带，事实上，它们的确都采用了磁性录音，磁带录音机正是对钢丝录音机的创新与发展，核心改进就是将原本的记录载体由钢丝替换成更为柔软、轻便、易于携带的塑料磁带。
盒式录音带，也被称为卡式录音带、盒式磁带或简称“磁带”，是一种广泛使用的模拟声音存储方式。盒式录音带结合了磁性记录与便携性的优点，是模拟声音存储技术中的佼佼者。磁带的表面涂有一层细小的氧化铁粉，当磁带通过磁头时，声音信号驱动磁头产生磁场变化，使磁带表面磁化，从而记录下声音。播放磁带时，磁头会读取磁带上的磁场变化，并将其转换回电信号，再经过解调和放大，驱动扬声器发出声音。
盒式录音带的便携性和可重复录制性使其一度成为个人音频记录的首选。然而，与所有磁性介质信息存储方式一样，它也受到磁带老化、磁性消失、磁粉脱落等问题的困扰。和钢丝录音机一样，长时间使用后，磁带的磁性也会逐渐减弱，导致音质下降。
#05.模拟信号VS数字信号
模拟信号录音技术依赖于物理媒介（如黑胶唱片的沟槽、电影胶片的光学变化、钢丝和磁带的磁性变化）来直接记录声音的波形。这种记录方式具有直观性和连续性，能够较为真实地反映声音的动态变化和细节。然而，模拟信号也存在一些固有的局限性，如易受环境因素影响（如温度、湿度、磨损、磁场等）导致音质下降，以及信号在复制和传输过程中可能产生的失真与噪声累积。
随着科技的进步，数字信号录音技术应运而生，并逐渐取代了模拟信号录音的主导地位。数字信号录音的核心在于将连续的模拟声音波形转换为离散的数字信号序列，通常包括采样、量化和编码三个步骤。采样是将连续的时间信号转换为离散的时间序列；量化是将每个采样点的模拟幅度值转换为最接近的数字值；编码则是将这些数字值以二进制形式表示并存储起来。
模拟信号和数字信号最简单的区别就是前者是连续的波形，后者是离散的二进制数值。模拟信号的优势主要在于高分辨率与理论上的无限精度，能更真实地反映物理量，并且在特定条件下，能实现高保真度。而数字信号的优势在于抗干扰能力强，传输和存储过程中信号质量稳定，并且便于和计算机系统结合，满足数字时代信息传输和存储的需求。
#06.结 语
尽管随着科技的进步和数字技术的飞速发展，数字音频技术以其高效率、便捷性、适应性以及稳定性方面的巨大优势，成为当代音频存储与传输的主流技术，但同时也存在由于采样率和量化位数带来的限制，一定程度上导致声音信息的细微损失或失真的问题。模拟音频则以其不受采样率和量化位数限制的特性，理论上能够实现声音无限接近原始信号。这种逼真、温暖、原始的声音自然度，或许正是模拟音频仍在音乐领域经久不衰、受发烧友喜爱的原因吧。
数字罗塞塔计划公众号致力于作为中立的第三方客观公正地表达自己对于档案信息化领域的看法和观点。真理越辩越明，我们也衷心欢迎越来越多的人投身到档案数字资源管理和保存这一领域的研究中来并发表真知灼见，共同为人类文明的传承而努力奋斗！
关注我们 - 数字罗塞塔计划 -
热门跟贴