物理

“看到”声音:用显微镜播放老唱片

唱片 声音 显微镜 老唱片

章鱼喵.时见疏星 发表于  2015-06-23 12:33

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-Léon Scott de Martinville)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(Carl Haber) 和维塔利•法捷耶夫(Vitaliy Fadeyev )。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(Mickey Hart)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。图片来源:维基百科。右图为蜡制圆筒的3D扫描

这种光学的读取方法并不会造成磨损,即使是破损的记录材料(例如断裂的胶片)也不会阻碍声音还原,这对于音频资料保护来说是非常好的消息。于是哈伯和法捷耶夫等人就成立了 IRENE 项目,致力于还原了早期的音频记录。

用来扫描胶片的仪器。胶片上面是光学显微镜的镜头,通过胶片的转动可以把整个胶片的音轨信息都扫描出来。来自IRENE项目网站

那些老声音,听起来是什么样?

至今,IRENE项目已经有了不少成果,很多早期的声音记录,包括上面提到的那张记录声波的纸都已经被他们破解。下面,就让我们来听听这些在新技术帮助下重获生机的声音吧。

这是斯科特留下的声音记录中的一段,记录的是一首名为“月光下”(Au Clair de la Lune)的法语歌曲。这也是人类历史上第一段可以被清晰解读的人声记录:

这是爱迪生曾经发明过的一种会讲话的娃娃。这段音频来自一个实验品,娃娃的声音记录在金属环上。这些娃娃的声音听起来并不怎么悦耳,哈伯在一次讲座中提到,当时有人花了一个月的工资给孩子买下这个娃娃,结果却把小孩吓哭了。

下面这段音频来自著名科学家和发明家贝尔,它于1885 年录制在蜡质圆盘上。这张圆盘已经破损了,但是这并不妨碍光学显微镜先扫描并且通过计算机算法还原声音,只需使用算法将扫描图像对齐接起来就可以读取数据了(更多阅读:“现代通讯之父”贝尔的声音百年后再现人世)。

起初,这样还原出来的声音是非常嘈杂的,甚至无法分辨录音中的人在说什么内容。而经过扫描技术和算法的改进,我们至少已经可以分辨出录音的内容了。现在,这项“只看不摸”的读取技术,正在帮助很多图书馆的工作人员将一些珍贵的声音记录数字化。在科学家的努力之下,将来还会有更多昔日的声音和故事重新在我们耳边响起。(编辑:窗敲雨)

参考资料:

  1. http://irene.lbl.gov/
  2. http://www.nps.gov/edis/learn/photosmultimedia/talking-doll-record-hear-the-recording.htm
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Phonautograph

热门评论

  • 2015-06-23 13:04 游识猷 遗传学硕士,科学松鼠会成员

    听那个娃娃讲话的数秒中我脑子里出现了无数恐怖片片段。。。。。

    [29] 评论
  • 2015-06-23 15:17 章鱼喵.时见疏星 理论物理专业,西夏文爱好者
    引用@Cheshire52 的话:这项技术可以被用来恢复机械硬盘的数据吗?

    用光学的方法读取硬盘的数据,我觉得主要的困难来自这是个更小的尺度。技术是类似的,区别在于不是用光学显微镜而是使用磁头来纪录,然后这个处理起来比胶片要容易多了,因为只有二进制,磁极。

    另外断裂的是不能再修复了,因为断裂意味着断裂片段上彻底的损坏,磁场紊乱,估计会损坏很多很多文件,因为信息密度很大。

    再就是现在硬盘技术比较复杂,其实也并不仅仅是磁极决定信息。

    最后,这样完全就是多此一举……完全没有任何优势,直接用磁头读出来就行了……而且本来也是非接触式。

    [6] 评论
  • 2015-06-23 12:57 Cheshire52

    这项技术可以被用来恢复机械硬盘的数据吗?

    [6] 评论

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全部评论(37)
  • 1楼
    2015-06-23 12:57 Cheshire52

    这项技术可以被用来恢复机械硬盘的数据吗?

    [6] 评论
  • 2楼
    2015-06-23 12:59 侧卫007

    月光下那个是不是没有多少高频的部分?

    [2] 评论
  • 3楼
    2015-06-23 13:04 游识猷 遗传学硕士,科学松鼠会成员

    听那个娃娃讲话的数秒中我脑子里出现了无数恐怖片片段。。。。。

    [29] 评论
  • 4楼
    2015-06-23 14:09 Pinball

    我想起了《三体》中的智子,可以自由读取各种载体中的信息

    [0] 评论
  • 5楼
    2015-06-23 14:51 亡灵至尊
    引用@Cheshire52 的话:这项技术可以被用来恢复机械硬盘的数据吗?

    应该不会,显微镜是判断凹痕来恢复声音,但是显微镜看不出来硬盘盘片上的磁极

    [0] 评论
  • 6楼
    2015-06-23 14:56 窗敲雨 药学硕士
    引用@游识猷 的话:听那个娃娃讲话的数秒中我脑子里出现了无数恐怖片片段。。。。。

    看着也挺恐怖的_(:з」∠)_

    [0] 评论
  • 7楼
    2015-06-23 15:17 章鱼喵.时见疏星 理论物理专业,西夏文爱好者
    引用@Cheshire52 的话:这项技术可以被用来恢复机械硬盘的数据吗?

    用光学的方法读取硬盘的数据,我觉得主要的困难来自这是个更小的尺度。技术是类似的,区别在于不是用光学显微镜而是使用磁头来纪录,然后这个处理起来比胶片要容易多了,因为只有二进制,磁极。

    另外断裂的是不能再修复了,因为断裂意味着断裂片段上彻底的损坏,磁场紊乱,估计会损坏很多很多文件,因为信息密度很大。

    再就是现在硬盘技术比较复杂,其实也并不仅仅是磁极决定信息。

    最后,这样完全就是多此一举……完全没有任何优势,直接用磁头读出来就行了……而且本来也是非接触式。

    [6] 评论
  • 8楼
    2015-06-23 15:55 胖大叔_tschao

    我们在试图解读老唱片的时候,也曾经提出过类似的想法。只是由于没有得到有关方面的重视,结果无疾而终。

    [3] 评论
  • 9楼
    2015-06-23 16:01 Cheshire52
    引用@章鱼喵.时见疏星 的话:用光学的方法读取硬盘的数据,我觉得主要的困难来自这是个更小的尺度。技术是类似的,区别在于不是用光学显微镜而是使用磁头来纪录,然后这个处理起来比胶片要容易多了,因为只有二进制,磁极。另外断裂的是不能再修...

    谢谢!

    [1] 评论
  • 10楼
    2015-06-23 16:07 章鱼喵.时见疏星 理论物理专业,西夏文爱好者
    引用@胖大叔_tschao 的话:我们在试图解读老唱片的时候,也曾经提出过类似的想法。只是由于没有得到有关方面的重视,结果无疾而终。

    patpat~

    说起来我去听过 Carl 的讲座,他本来是要讲高能物理的,但是后来因为告诉他我们的 colloquium 是给所有物理系的人包括本科生听的,所以他就讲了他们做的这个。

    他后来亲自去美国国会图书馆谈合作,并且免费把仪器和使用说明送给一些图书馆,这样才做大了的。

    [0] 评论
  • 11楼
    2015-06-23 16:10 章鱼喵.时见疏星 理论物理专业,西夏文爱好者
    引用@胖大叔_tschao 的话:我们在试图解读老唱片的时候,也曾经提出过类似的想法。只是由于没有得到有关方面的重视,结果无疾而终。

    不过可能他们用的仪器一般的地方拿不到,需要精度很高的,在微米量级的精度,达到了胶片的 track 的粗细。

    不清楚物理之外的领域,但是似乎只有生物物理和高能物理这两个领域会有这样的仪器的。

    [0] 评论
  • 12楼
    2015-06-23 16:41 justicerwu
    引用@亡灵至尊 的话:应该不会,显微镜是判断凹痕来恢复声音,但是显微镜看不出来硬盘...

    原子力显微镜AFM中的磁力矩显微镜MFM

    [0] 评论
  • 13楼
    2015-06-23 19:46 麦角君

    感觉在数有多少人

    [0] 评论
  • 14楼
    2015-06-24 00:06 金色葡萄 眼科学博士

    看起来好有趣,我觉得用OCT扫一遍也可以

    [0] 评论
  • 15楼
    2015-06-24 01:22 xmcheng

    贝尔大叔是第一代移民吗?口音不对啊。或许老美的口音改了?

    [0] 评论
  • 16楼
    2015-06-24 03:22 胖大叔_tschao
    引用@章鱼喵.时见疏星 的话:不过可能他们用的仪器一般的地方拿不到,需要精度很高的,在微米量级的精度,达到了胶片的 track 的粗细。不清楚物理之外的领域,但是似乎只有生物物理和高能物理这两个领域会有这样的仪器的。

    也许吧......当时我们提出来的方案,是将老唱片泳镀上薄薄一层金属,然后上扫瞄电镜。如果想还原,金属也很容易洗掉。胶片对我们来说,太粗糙了些。关键其实不在于看不看得到,而在于降噪算法。

    [0] 评论
  • 17楼
    2015-06-24 06:16 章鱼喵.时见疏星 理论物理专业,西夏文爱好者
    引用@胖大叔_tschao 的话:也许吧......当时我们提出来的方案,是将老唱片泳镀上薄薄...

    图像处理的算法是现成的,Carl 在讲的时候说过这个。你们可以试试,扫描电镜做起来也不贵不过就是慢了些。现在扫描电镜可以做大块物体了么?多年不做实验都不知道现状了。

    [0] 评论
  • 18楼
    2015-06-24 08:26 yy2080

    干涉显微镜应该可以做,精度完全够。呃,扫描速度不会太快

    [0] 评论
  • 19楼
    2015-06-24 08:39 萝卜萝卜Carrot

    看开头我以为他们要用大型强子对撞机来轰唱片←_←

    来自 阿瑞斯星全球第一超级旗舰iBananas 6S及火星移通运营商
    [0] 评论
  • 20楼
    2015-06-24 08:55 Sam-3

    为何最后一个音频数数的声音如此欢快……

    [0] 评论
  • 21楼
    2015-06-24 09:35 Big.D 果壳实验室主任

    烧友们又有新玩意可烧了,显微镜黑胶啊,太高大上了!!!

    [0] 评论
  • 22楼
    2015-06-24 10:58 胖大叔_tschao
    引用@章鱼喵.时见疏星 的话:图像处理的算法是现成的,Carl 在讲的时候说过这个。你们可以试试,扫描电镜做起来也不贵不过就是慢了些。现在扫描电镜可以做大块物体了么?多年不做实验都不知道现状了。

    其实是我们错了。我们想的是声音资料失去了就失去了,不可重复。而且载体经历时代变迁和材料老化,已经开裂,而划痕也不可修复。以科技手段尽快保存下来时当务之急。而有关方面考虑的是载体本身是重要的文物,放在博物馆远远比重现那些遥远的、逝去的艺术家的演绎或者伟人的讲演要重要。反正他们对为什么这样的声音会称为艺术或者历史也不感兴趣。

    [0] 评论
  • 23楼
    2015-06-24 11:22 箱子中的薛定谔
    引用@Cheshire52 的话:这项技术可以被用来恢复机械硬盘的数据吗?

    硬盘应该可以的,磁带的话就实例了,空难调查里的录音磁带经常受损,太严重的话用机器就放不出来了,有专家就用显微镜吧信息读出来了

    [0] 评论
  • 24楼
    2015-06-24 12:20 章鱼喵.时见疏星 理论物理专业,西夏文爱好者
    引用@胖大叔_tschao 的话:其实是我们错了。我们想的是声音资料失去了就失去了,不可重复。而且载体经历时代变迁和材料老化,已经开裂,而划痕也不可修复。以科技手段尽快保存下来时当务之急。而有关方面考虑的是载体本身是重要的文物,放在博...

    嗯嗯,各方面都要努力。

    [0] 评论
  • 25楼
  • 26楼
    2015-06-24 18:14 路程888
    引用@章鱼喵.时见疏星 的话:用光学的方法读取硬盘的数据,我觉得主要的困难来自这是个更小的尺度。技术是类似的,区别在于不是用光学显微镜而是使用磁头来纪录,然后这个处理起来比胶片要容易多了,因为只有二进制,磁极。另外断裂的是不能再修...

    记得很久以前看数据恢复的文章说可以用光学方式恢复出被擦除的磁盘数据.

    [0] 评论
  • 27楼
    2015-06-24 20:25 Esdras

    在2009年的美剧《危机边缘》第二季里就出现过这种技术,用电子显微镜读取老唱片,甚至可以读取玻璃半融化时记录到的声波振动。

    [0] 评论
  • 28楼
    2015-06-24 20:45 老哞

    贝尔老爷爷听起来就像个老会计诶.............

    [0] 评论
  • 29楼
    2015-06-25 14:05 戴帽子的菜青虫
    引用@游识猷 的话:听那个娃娃讲话的数秒中我脑子里出现了无数恐怖片片段。。。。。

    吓死窝了

    [0] 评论
  • 30楼
    2015-06-25 17:26 farsight SGS消费品检测专家

    这篇文章里面忘记提了一件事,激光黑胶唱机在上个世纪就已经是个商品化的东西,用激光来读出黑胶唱片沟纹的信息。

    [1] 评论

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