數碼音樂「失真」欺騙耳朵？解構數碼音質、黑膠唱片、現場演奏原理｜STEM教室

更新時間：17:00 2024-07-03
發佈時間：17:00 2024-07-03

各位同學日常回校的路上，聽着哪一首歌呢？無論是香港、歐美、日本或是韓國，任何一個地方的音樂作品，今日我們只需一部手機，便能一「聽」無遺。但原來我們在串流平台收聽的數碼音樂都是「不誠實」的，它並沒有將原來的錄音如實地送到我們耳朵。今日STEM教室就化身偵探，為同學揭露謊言背後的真相。

留住聲音的秘訣

聲音是縱波（longitudinal wave），以波（wave）的形式傳遞能量。要留住聲音，可以通過微觀的方法，繪製出一段聲波中各個分子的相對位置，畫成一幅可視的波形圖像。而以數碼方式留住聲音的秘訣，在於如何畫出這些波形，於是便有了「取樣」的概念。

取樣頻率與取樣容量

試想像你在進行一個聽力考試，老師播放一段二人對話，你要記錄當中的內容，但你每一分鐘才做一次筆記，每次只抄下說話的是男聲還是女聲，最後交出一份粗疏的記錄。老師勃然大怒，要你再做一份更詳細的報告，這時候你有兩件事可以做得更好，來完善這份筆記。第一，加密抄寫的頻率，如改為每半分鐘做一次記錄；第二，記錄更加仔細的內容，如除了男聲、女聲外，還有兩人說話的語氣、內容等等。當你做筆記的次數愈密集（取樣頻率Hz），寫的內容愈仔細（取樣容量Bit，即將波分成多少級來取樣），你便會得到一份還原度愈高的對話報告，而這個過程便是唱片公司把聲音換成電腦檔案的秘訣。這一方面，電腦確實比人手抄寫可靠得多。各位同學在各大串流平台收聽的高品質（HQ）音樂，每首歌佔5-10MB，取樣率以16Bit（即2的16次方，65536級）/44.1kHz（即每秒抄寫44100次）為主。一般來說，數值愈高，還原度愈高，但要注意不同檔案格式，例如 MP3、AAC、Opus等等，有不同的取樣方法，亦會影響音樂的品質。

甚麼是「無損音質」?

我從來沒有放棄追求百分百還原音訊的可能，於是不斷嘗試，企圖使數碼化的樂章呈現出現場演奏的質感，而「無損音質」便是力求保存更多音樂細節的取樣方式。

「有損音質」的取樣方式通常為了使檔案壓縮得更小，方便傳輸數據，而放棄了原聲的一部分音訊，可以想像成把一本小說抄成大綱或概要，必然刪去好些細節，例如常用的MP3就無法保存15kHz以上的聲音。相對而言，「無損音質」便是保留所有音訊的前提下取樣。現時「無損音質」的常用格式有Flac、Wav和Ape，主要分別在於壓縮演算法和檔案大小。要注意的是，只要是「取樣」，便不可能完全還原母音帶，因此「無損音質」實際上亦未能重現錄音現場的效果。

人耳的敏感度

只要經過轉換便會有所遺失，時間可以被無限切分，即使是電腦抄錄也終會面臨上限，因此經過轉換的音檔，或多或少會損失一部分的資訊。幸好，人類擁有適時「糊塗」的能力，人耳可以感受到的振動頻率約是 20-20000赫茲，由低音到高音，約可切分成8-24個頻率帶，人耳對聲音的敏感度因人而異，普通成年人約可分辨25音分（cent，音程的單位，一個八度是1200音分）的音高差，數碼音訊基本上可以滿足大部分人的需要。

黑膠唱片高度還原？

唱片機的原理

1877年，愛迪生發明了第一部留聲機，經過不斷演變，成為現今的黑膠唱片機。唱片機的原理是將聲波變換成金屬針的震動，金屬針在黑膠碟（現今多以聚氯乙烯PVC為材質）上畫出坑紋。當金屬針再次沿坑紋軌迹行進時，便會再現同樣的震動，然後轉變成電流，播出音樂。

類比式 VS 數位化

唱片機與數位音樂採用完全不同的方法保留聲音，前者採用的「類比式」，基本上是一種「對等」的抄寫方法。各位同學可以想像成被老師罰抄時，一隻手執着兩支筆同時抄寫，抄出來的字迹近乎一模一樣；相反，數位化音樂把一段聲音分解再轉換，在「取樣」的過程中難免有所損失。兩種抄寫方法的分別，便是黑膠唱片的音樂有較高還原度的原因。

現場演奏：反射與折射

現場演奏是人類享受最完美音樂的途徑，上面講述了很多有關數碼科技如何保存音樂的知識，其實反璞歸真，去聽一次現場演奏更能感受音樂之美。但是只有一段「完美的音訊」是不足夠的，音樂如何進入我們的耳朵，亦是整個享受過程的重要一環。因此，要談談聲波的反射與折射。

反射：餘音繞梁

對於現場演奏的音樂廳來說，環境就如耳機一樣重要。聲音在牆壁與天花板上反射形成的「殘響」（reverberation）是音響學的重要指標。「殘響」就是回音，專指音樂經反射（reflection）後，能量衰減再回到聽眾耳朵，形成一種餘音繞梁的美感享受。同時，經反射的聲音從不同角度回到聽眾的耳朵，樂音包圍聽眾，讓他們猶如浸淫在旋律的海洋一樣。著名的雪梨歌劇院便設有多塊反射板，讓音樂準確地傳播到觀眾的位置。

折射：嚴管室溫

除了反射，音樂廳還必須時刻留意室內氣溫變化。聲音在不同介質的傳播速率是不一樣的，而氣溫會改變空氣的密度，從而改變音樂的傳播速率。聲音由一個介質進入另一個介質，便會出現折射（refraction）的現象，從而改變音樂的表現，特別對於管樂器的影響更大。許多音樂廳為了穩定音質，會嚴格監控室內溫度，甚至設有特別的空調系統。

補充資料：聲波的基本原理

在物理上，聲音和光綫都是以波（wave）的形式傳遞能量。「光」屬於橫波（transverse wave），而「聲音」屬於縱波（longitudinal wave），當物體振動，便會產生聲音，然後通過空氣分子的振動傳到我們的耳朵。而我們日常聽到的赫茲（Hz），是頻率（frequency）的單位，即分子每秒振動多少次的意思，基本上頻率愈高，發出的聲音愈尖銳。聲音必須通過介質傳播，不管是氣體、固體還是液體都可以，例如空氣、耳機和水分；聲波的傳播速率會隨不同介質改變，而在固體中最快。試想像一輛擠滿了人的列車，遠方一個大胖子推了前面的瘦子一下，瘦子因此撞到前面的女士，女士又撞向前面的老伯，這一瞬間，胖子與女士都遠離了瘦子，稱為「疏部」；女士撞向老伯，兩人距離最近，稱為「密部」，如此類推，胖子的力便藉此傳到你身上。