章魚(yú)喵.時(shí)見(jiàn)疏星 發(fā)表于 昨天12:33
如何傾聽(tīng)一張老唱片中的聲音？你可能會(huì )說(shuō)，只要找到一臺留聲機，把它播放出來(lái)就好了嘛。但實(shí)際情況卻沒(méi)有這么簡(jiǎn)單?，F在，很多老唱片都面臨著(zhù)保存不善、折斷破損的危機，如果這些記錄載體損毀，其中的音頻資料也將隨之失傳。
而出手拯救這些老唱片的，則是兩位在LHC（大型強子對撞機）工作的粒子物理學(xué)家。通過(guò)顯微鏡和計算機，他們讓破損的老唱片也得以重獲新生。
無(wú)法播放的記錄
在照相機出現之前，藝術(shù)家們利用繪畫(huà)和雕刻也可以較為精細地還原自己所看見(jiàn)的場(chǎng)景，而相比之下，記錄和還原聲音則要面臨更多技術(shù)挑戰。
1860年，法國人斯科特（édouard-Léon Scott de Martinville）第一次成功地將聲音用現代方法記錄了下來(lái)。他根據人耳的構造設計出了一架聲波記錄儀，其三個(gè)主要結構分別對應耳道、耳膜和聽(tīng)小骨。聲音是機械振動(dòng)，聲波傳送到儀器中，然后連接在一個(gè)膜上面的鬃毛類(lèi)部件（與聽(tīng)小骨對應）就可以把振動(dòng)記錄在涂有燈黑（炭黑）的紙張或者玻璃上。
通過(guò)這樣的方式，斯科特得到了下圖中的聲波曲線(xiàn)記錄圖。這種記錄圖中確實(shí)包含著(zhù)聲音的信息，但它卻無(wú)法被還原播放。
斯科特在紙上記錄的聲音。聲波信息就在其中，但我們卻無(wú)法聽(tīng)到
在此之后，留聲機的出現解決了還原聲音記錄的問(wèn)題。愛(ài)迪生發(fā)明了圓筒式留聲機，在蠟制成的圓筒中雕刻上深淺不一的“音軌”，播放時(shí)唱針在音軌的引導下運動(dòng)，將振動(dòng)信號還原。在那之后，蠟筒又被唱片所取代，越來(lái)越多的聲音信息被記錄在了其中。
這些蠟筒和老唱片中記錄著(zhù)很多珍貴的音頻資料，但即使有留聲機的幫助，在很多時(shí)候我們依然無(wú)法自由地播放和傾聽(tīng)它們。這些老式的記錄載體并不耐久，用唱針播放的過(guò)程不可避免地會(huì )帶來(lái)磨損；一些蠟筒和唱片甚至已經(jīng)折斷，完全無(wú)法播放了。
我們只能遺憾地與這些無(wú)法播放的聲音資料告別了嗎？不，其實(shí)還有別的解決方法。
“看到”聲音的物理學(xué)家
參與解讀老唱片工作的兩位物理學(xué)家分別是卡爾·哈伯（Carl Haber） 和維塔利·法捷耶夫（Vitaliy Fadeyev ）。在大型強子對撞機實(shí)驗中，對很多部件的精度要求是非常高的，例如有些探測器能夠區分的位置精度達到人的頭發(fā)絲粗細這樣的量級。所以，他們經(jīng)常需要在光學(xué)顯微鏡下，并且通過(guò)計算機算法控制特殊的機器來(lái)組裝儀器。這樣的機器可以在組裝時(shí)達到微米量級的精度。
在一次開(kāi)車(chē)時(shí)，哈伯恰好從廣播中聽(tīng)到了一段對著(zhù)名鼓手米奇·哈特（Mickey Hart）的采訪(fǎng)。采訪(fǎng)中哈特提到，有大量記錄在唱片中的音頻老資料現在并沒(méi)有得到足夠好的保護。靈光一閃，哈伯意識到他們在LHC所用到的技術(shù)也是幫助這些老舊的音頻資料重獲生機。
這些記錄聲音的老文物可能已經(jīng)斷裂磨損無(wú)法播放，或者像斯科特留下的聲波圖那樣，根本沒(méi)有對應的播放器可用。但是聲波振動(dòng)的信息依然保留在那些音軌當中。如果我們可以清晰地拍下這些音軌的形態(tài)，然后使用圖像處理的方法將照片上的信息提取出來(lái)，再用程序來(lái)模擬播放機的功能，這些圖像就可以重新被轉換成聲音文件。
左圖：膠片是通過(guò)音軌的左右擺動(dòng)來(lái)記錄聲音信息的；中圖：唱針在膠片上移動(dòng)，會(huì )左右振動(dòng)，再經(jīng)過(guò)處理就可以把聲音還原；右圖：膠片在顯微鏡下的照片（經(jīng)過(guò)處理）
而對于蠟筒這樣通過(guò)不同深度刻痕記錄聲音的設備，也可以利用在科研領(lǐng)域廣泛使用的共聚焦掃描顯微鏡得到刻痕的3D結構信息，進(jìn)而還原聲音數據。而這些設備和技術(shù)條件，正好都是兩位物理學(xué)家所具備的。
左圖：蠟制圓筒實(shí)物，它通過(guò)雕刻不同深淺的音軌來(lái)實(shí)現聲音記錄。圖片來(lái)源：維基百科。右圖為蠟制圓筒的3D掃描
這種光學(xué)的讀取方法并不會(huì )造成磨損，即使是破損的記錄材料（例如斷裂的膠片）也不會(huì )阻礙聲音還原，這對于音頻資料保護來(lái)說(shuō)是非常好的消息。于是哈伯和法捷耶夫等人就成立了
IRENE 項目，致力于還原了早期的音頻記錄。
用來(lái)掃描膠片的儀器。膠片上面是光學(xué)顯微鏡的鏡頭，通過(guò)膠片的轉動(dòng)可以把整個(gè)膠片的音軌信息都掃描出來(lái)。來(lái)自IRENE項目網(wǎng)站
那些老聲音，聽(tīng)起來(lái)是什么樣？
至今，IRENE項目已經(jīng)有了不少成果，很多早期的聲音記錄，包括上面提到的那張記錄聲波的紙都已經(jīng)被他們破解。下面，就讓我們來(lái)聽(tīng)聽(tīng)這些在新技術(shù)幫助下重獲生機的聲音吧。
這是斯科特留下的聲音記錄中的一段，記錄的是一首名為“月光下”（Au Clair de la Lune）的法語(yǔ)歌曲。這也是人類(lèi)歷史上第一段可以被清晰解讀的人聲記錄：
這是愛(ài)迪生曾經(jīng)發(fā)明過(guò)的一種會(huì )講話(huà)的娃娃。這段音頻來(lái)自一個(gè)實(shí)驗品，娃娃的聲音記錄在金屬環(huán)上。這些娃娃的聲音聽(tīng)起來(lái)并不怎么悅耳，哈伯在一次講座中提到，當時(shí)有人花了一個(gè)月的工資給孩子買(mǎi)下這個(gè)娃娃，結果卻把小孩嚇哭了。
下面這段音頻來(lái)自著(zhù)名科學(xué)家和發(fā)明家貝爾，它于1885 年錄制在蠟質(zhì)圓盤(pán)上。這張圓盤(pán)已經(jīng)破損了，但是這并不妨礙光學(xué)顯微鏡先掃描并且通過(guò)計算機算法還原聲音，只需使用算法將掃描圖像對齊接起來(lái)就可以讀取數據了（更多閱讀：
“現代通訊之父”貝爾的聲音百年后再現人世）。
起初，這樣還原出來(lái)的聲音是非常嘈雜的，甚至無(wú)法分辨錄音中的人在說(shuō)什么內容。而經(jīng)過(guò)掃描技術(shù)和算法的改進(jìn)，我們至少已經(jīng)可以分辨出錄音的內容了?，F在，這項“只看不摸”的讀取技術(shù)，正在幫助很多圖書(shū)館的工作人員將一些珍貴的聲音記錄數字化。在科學(xué)家的努力之下，將來(lái)還會(huì )有更多昔日的聲音和故事重新在我們耳邊響起。（編輯：窗敲雨）
參考資料：
http://irene.lbl.gov/
http://www.nps.gov/edis/learn/photosmultimedia/talking-doll-record-hear-the-recording.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Phonautograph
