研究与科普 篇二：模拟时代的黑胶与磁带

英国著名音箱品牌 Linn 联合 Jony Ive 推出了一款限量黑胶唱机。第一眼看到它的时候是真的想要，简约的方方圆圆、每个结构优秀的质感完全符合我「简单精致」的审美，就是这 43 万元的售价让我却步。虽然买不起，但这台精美的仪器勾起了我对音乐载体的兴趣。

人类欣赏音乐的历史

自动演奏钢琴

在人类历史的很长一段时间中，欣赏音乐并不是一件容易的事情。 在 1870 年代（清朝光绪年间）之前，音乐是无法被工业化复制生产的，人们要欣赏音乐只能去演出现场。直到了 19 世纪末，自动演奏钢琴在欧洲起源。这种通过钢琴纸卷上的孔来引导钢琴自动演奏的技术，使钢琴乐曲可以被方便地复制生产出来。

这是两张来自科幻电视剧《西部世界》片头的截图，所展示的就是打孔的纸卷引导琴键被按下，从而实现钢琴的自动演奏

自动演奏钢琴在 1920 年代的欧洲广为流行，但是它只能用来欣赏钢琴乐曲。本质上来讲，钢琴纸卷记录的是乐谱（一种能够被钢琴识别的乐谱），并不是被演奏出来的音乐。

圆筒留声机

人类历史上对于声音的记录和回放起源于爱迪生在 1877 年发明的留声机，但是用于存储声音的圆筒生产成本高，不易于运输并且存储的信息量很少，音乐并没有通过这样的形式广泛传播开来。

爱迪生圆筒留声机和圆筒唱片

圆盘留声机

圆筒留声机问世的 11 年后（1888 年），一种在扁平圆盘上录音的技术被德裔美国发明家爱米尔·贝利纳发明，相较于圆筒，圆盘唱片和圆盘留声机的生产成本低、易于存放，得益于体积的优势圆盘的存储效能也高于圆筒。所以圆盘唱片逐步取代了圆筒唱片。

贝利纳圆盘留声机

在接下来的几十年时间里，圆盘唱片经历了多次技术和材料的改良才逐步成为我们今天的黑胶唱片。在这期间主要有 3 种规格的唱片：

1. 以虫胶（由紫胶虫分泌的一种角质）为材质，每分钟转速 78 转的粗纹唱片。这种唱片有 10 英寸和 12 英寸两种规格，单面录音时间约为 3 分钟和 5 分钟，所以录制的单曲时长一般都在 3~5 分钟之间。这种习惯延续至今，现代的流行乐曲时长也是如此。因此这种唱片也被称为标准时长唱片（Standard Play），即 SP 唱片。

2. 1948 年推出的以 PVC 为材质，每分钟转速 33⅓ 转的密纹唱片。这种唱片也有 10 英寸和 12 英寸两种规格。早期的密纹唱片为单声道，1957 年双声道立体声密纹唱片上市，12 英寸成为了标准规格。密纹唱片的声槽密度可达每厘米 120 条，比粗纹唱片的每厘米 30-50 条高出了许多，这意味着录制时间的大幅提升（单面录音 22-26 分钟）。这种唱片也被称为 LP（Long Play）唱片。

3. 1949 年推出的同样以 PVC 为材质，但是每分钟转速为 45 转的密文唱片。这种唱片音质更好但是录制时间较短，被用来记录单曲和迷你专辑，被称为 EP（Extended Play）唱片。

其中的 LP 和 EP 两种密纹唱片就是如今我们常见的黑胶唱片。

我们现在能买到的黑胶唱片的规格就是在 75 年前确定下来的

磁带

磁带也叫卡式录音带。从 1970 年代初到 1990 年代末，磁带一直是录制流行音乐的两大载体之一。它的竞争对手从早期的黑胶唱片变成了后来的 CD。

磁带技术源于 1898 年发明的磁性录音机，它将音频以磁性存储在细钢丝之上。49 年的开国大典上「中华人民共和国中央人民政府成立了！」的声音就是用钢丝录音机记录下来的。

如今在网络上能买到开国大典上使用的同款钢丝录音机

但是钢丝在价格和运输方面都不具优势，磁性录音机并未普及。随后人们发明了在塑料带上覆盖一层可磁化材料的磁带来取代钢丝。终于在 1962 年，飞利浦公司发明了紧凑型磁带，磁带成为我们今天熟知的样子。

左图：在淘宝上能轻松买到的磁带，右图：小时候曾拥有过的 Sony 随身听

作为一个 80 后，对磁带的感觉就不像对黑胶那么陌生。磁带的普及率很高，因为它真的很小。一盘手掌大小的磁带的单面录音时间可以达到 30~60 分钟，这是远高于黑胶唱片的存储效能。同时再配上一个比磁带稍大一些的播放器，音乐就被装进了口袋里。“随身听」是黑胶完全不具备的能力，所以磁带逐渐取代黑胶，成为风靡一时的音乐载体。

数字音乐兴起

至此，采用模拟信号录播音乐的技术发展就告一段落了。接下来的 CD 开启了数字音乐时代，随后还出现了 MD（Sony 研发的 MiniDisc）、MP3 这些实体的音乐载体。再之后流媒体盛行，只要连接了网络，我们可以在各种设备上欣赏音乐。

模拟音乐复苏

虽然欣赏流媒体音乐十分方便，但是近几年的模拟音乐有明显复苏的态势，在黑胶市场表现得尤为明显。

模拟音乐到底有什么魅力？

什么是模拟信号

在现实生活环境中，基本所有的变化在时间维度上都是连续的。例如太阳随着时间推移升起和落下，植物随生长时间变长慢慢长高。太阳的位置、植物的高度随着时间做连续变化，在一段连续的时间间隔内，它们可以有无限多个不同的取值。这种在时域上连续的变化的物理量表示的信息就是模拟信号。模拟信号在图形上最大的特征就是它是连续的：时间连续，幅值连续。

连续记录随时间不断变化的植物高度的信息，就是一个模拟信号

与模拟信号相对的就是数字信号。上面提到连续记录随时间变化的植物的高度，如何做到连续记录，这是一件很困难的事情。一个比较实际的做法是每天上午 8 点用尺子测量一下高度并记录下来。

每天测量植物高度并记录下来

通过这样的记录方式下来的信息，并不是连续。表现在图形上就是：时间离散，幅值离散。再把这些取样的值量化（用于记录数字信号的值是有限的，例如：1、2、3、4、5…100，如果某一天测得的植物高度是 10.1，那就只能被记录为 10。）、编码就形成了数字信号。

可见模拟信号的优势是具有趋近于无穷大的分辨率。与数字信号相比，模拟信号信息密度高，且不存在量化误差，它可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述。所以在理想情况下使用模拟信号可以还原最真实的声音。

黑胶唱片是如何使用模拟信号记录和回放音乐的呢？

我们知道声音是由物体的振动所引起的，在我们的日常生活环境中，物体的振动激励它周围空气分子的振动，使周围的空气分子产生疏密变化，形成疏密相间的声波。当声波传递到我们的耳朵，振动被感知到，我们便听见了声音。

同样，这种振动也可以被麦克风识别到并转换为模拟电信号。

模拟电信号经过放大以后驱动唱片刻纹刀在碟片上雕刻出纹槽，声音便以这种物理雕刻的方式被记录在了母碟上。

母碟刻好后就可以拿去制作用于批量压制黑胶唱片的金属母版（母版上纹槽和母碟刚好相反，是一种镜像的关系），之后再通过母版把「声音的纹槽」压制在 PVC 胶碟上，至此一张黑胶唱片就制作完成了。如果对制作过程感兴趣，可以看看这个视频。

所以我们平时印象中黑胶碟上一圈一圈的纹理在放大之后是可以看到清晰的波形的。至于下图中一条槽内左右两边的纹理为什么不一样，大家可以简单搜一下黑胶唱片实现双声道立体声的原理。

当消费者拿到黑胶唱片后的回放音乐的原理就反过来了，唱片机的唱针在声槽中划过，弯曲的声槽引起唱针摆动，这种摆动被转换为模拟电信号，模拟电信号再经过放大驱动音箱工作，于是音乐就被回放出来了。

在这整个制作和播放的过程中，连续的声音被转换为模拟信号，模拟信号以雕刻声槽的形式被记录在唱片上，声槽引起唱针摆动生成模拟信号，模拟信号再驱动音箱发出声音。在工艺和环境完美的情况下，我们就可以欣赏到 100% 的原声。

模拟信号应用在磁带中

磁带录制和回放音乐主要靠的是电磁感应以及磁介质的磁化现象。

先说一下磁头。磁头里面主要就是一个电磁感应线圈，线圈围绕着一个有极细（几微米）缝隙的铁芯。

B 站 UP 主“八零波波”拆解磁头的视频

麦克风采集到的模拟电信号经放大后输入到磁头，电磁感应线圈生成磁场，因为铁芯具有高磁导率，所以在缝隙处会产生了一个随信号变化的磁场。

磁带是两层结构，通常是在塑料薄膜上覆盖一层磁性颗粒。

可以把这些细小的磁性颗粒想象成遍布磁带表面的「小磁铁”，在没有记录信息的磁带上这些「小磁铁」的方向是随机分布的。

当录音的时候磁带沿着磁头滑过，磁头产生的变化磁场会磁化磁带上的颗粒，被磁化的颗粒便将信息记录了下来。

磁带回放使用的磁头也可以是录音磁头，回放时磁头的线圈不接收信号。磁带上被磁化的磁性颗粒会产生磁场，滑动的磁带会让磁头感应到变化的磁场，磁头中的线圈根据磁场的变化生成电流，生成的模拟电信号再经过放大驱动音箱工作放出声音。

其实磁带原理与黑胶唱片类似，不过记录模拟信号的载体从声槽的纹理变成了磁带上磁性颗粒的不同状态。

「真实」的声音

数字音乐只要做到足够的采样率和采样深度，是可以突破人类的听力极限的。也就是说数字音乐也可以做到和模拟音乐一样的听感。

人们喜欢模拟音乐，一方面可能就是因为单纯的对模拟信号的信仰，生活中曾听到过这样的话：「数字的不就是假的么」。另外一方面也可能是因为黑胶、磁带作为音乐的载体，是一种能触碰到的真实的存在。在如今日新月异的环境中，这种「真实」的声音可以让人平缓下来，好好感受身边真实的世界。

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