2014 年的現(xiàn)在,人們最常使用的保存聲音的方式,就是「聲音檔案」(Audio File)了,您在網(wǎng)絡(luò)上聽(tīng)到的所有聲音,包含 MUZIK ONLINE 上的每一首音樂(lè),YouTube 上影片的聲音部分,都是使用某種聲音文件格式來(lái)儲(chǔ)存的。所以,聲音檔案里面到底裝的是什么東西?為什么它可以儲(chǔ)存聲音?
今天的故事要從最后一個(gè)流程「保存聲音」說(shuō)起。2014 年的現(xiàn)在,人們最常使用的保存聲音的方式,就是「聲音檔案」(Audio File)了,您在網(wǎng)絡(luò)上聽(tīng)到的所有聲音,包含 MUZIK ONLINE 上的每一首音樂(lè),YouTube 上影片的聲音部分,都是使用某種聲音文件格式來(lái)儲(chǔ)存的。所以,聲音檔案里面到底裝的是什么東西?為什么它可以儲(chǔ)存聲音?
什么是「數(shù)字」?
首先我要來(lái)厘清一下名詞。這系列文章的標(biāo)題其實(shí)是三個(gè)字組成的:「數(shù)字」、「音樂(lè)」和「科技」,我想大家比較會(huì)有疑慮的是「數(shù)位」這個(gè)字,「數(shù)字」到底是什么意思?
「數(shù)位」這個(gè)字的簡(jiǎn)單的定義是:「用數(shù)字,來(lái)描述、處理、保存事情」。也就是說(shuō),這一系列的文章也會(huì)跟數(shù)字和數(shù)學(xué)很有關(guān)聯(lián)喔!
畫(huà)素
為了讓您更能想象聲音檔案的運(yùn)作方式,我想先介紹一下圖片檔案。
現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上最流行的圖片文件格式叫做 JPEG,您在 Facebook 上看到的每一張照片,都是使用這個(gè)方式儲(chǔ)存的。JPEG 檔案(以及其他大部份的圖片檔案)里面裝的是什么呢?它里面有很多「畫(huà)素」(pixel)。
您在計(jì)算機(jī)或手機(jī)屏幕上,看到的所有東西,都是由一個(gè)一個(gè)細(xì)小的小方格組成的,因?yàn)檫@些小方格太小了,平常您不會(huì)注意到它們的存在,所以我要把它們放大給您看清楚。
首先,您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的事情:在屏幕上你看起來(lái)像是全黑的文字,其實(shí)它的邊緣不是真正全黑的。
在這里您看到的每一個(gè)小方格,就是一個(gè)「畫(huà)素」?,F(xiàn)代計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存一張黑白圖片檔案的方式,就是測(cè)量每一個(gè)畫(huà)素的亮度,然后給它一個(gè)范圍是 0 到 255 的數(shù)字,0 表示最暗(也就是純黑),255 表示最亮(純白),中間的數(shù)值代表各種不同深淺的灰色。
所以,在黑白圖片檔案中,每一個(gè)畫(huà)素,就是一個(gè)范圍是 0 到 255 的數(shù)字(注 1),集合夠多的畫(huà)素,您就得到了一張圖片。
聲音檔案的「畫(huà)素」
在聲音檔案中,與「畫(huà)素」相對(duì)應(yīng)的東西叫做「取樣」(sample)。您可以想樣,一個(gè)「取樣」就是一小小小小小段聲音,跟「畫(huà)素」一樣,也是用一個(gè)數(shù)字來(lái)代表。不過(guò)您可能會(huì)想,我們要怎么用數(shù)字來(lái)形容聲音呢?就像在圖片檔案里,我們用一個(gè)數(shù)字來(lái)描述一小塊圖片的「亮度」;在聲音檔案里,我們用一個(gè)數(shù)字來(lái)描述一小段時(shí)間內(nèi)的「空氣密度」。
聲音檔案的運(yùn)作方式其實(shí)超乎想象地簡(jiǎn)單:您可能還記得在高中物理課的時(shí)候?qū)W到的,聲音是一種「疏密波」,也就是說(shuō)您大腦覺(jué)得的「聲音」,其實(shí)只是您的耳朵偵測(cè)到周遭空氣分子的密度變化,傳送訊號(hào)給大腦后產(chǎn)生的幻覺(jué)而已。
如上圖,當(dāng)左方的喇叭在震動(dòng)的時(shí)候,會(huì)造成周?chē)目諝夥肿釉谀承┑胤降拿芏缺容^高、有些地方比較低。然后您只要拿一個(gè)「空氣分子密度偵測(cè)器」(俗稱「麥克風(fēng)」),去測(cè)量當(dāng)下的空氣密度,當(dāng)空氣密度高的時(shí)候,給它一個(gè)大數(shù)字,而密度低的時(shí)候,給它一個(gè)小數(shù)字就可以了。
然后當(dāng)您不斷地、一直一直重復(fù)測(cè)量空氣密度之后,您就會(huì)得到??一大堆數(shù)字。沒(méi)錯(cuò),您每天聽(tīng)到的網(wǎng)絡(luò)上的聲音、下載的每一首 MP3 音樂(lè)檔案,就只是一大堆敘述空氣密度的數(shù)字而已,計(jì)算機(jī)可以讀取這些數(shù)字,然后再透過(guò)您的音響重現(xiàn)記錄好的空氣密度變化。
聲音檔案的分辨率
聲音檔案的質(zhì)量基本上由兩個(gè)因素決定:第一是我們用多大的數(shù)字范圍來(lái)敘述一個(gè)當(dāng)下的空氣密度,第二是我們每一秒鐘敘述空氣密度幾次。我們剛開(kāi)始說(shuō)了,一般的黑白圖片檔案,是用 0 到 255 的數(shù)字來(lái)表達(dá)一個(gè)畫(huà)素的亮度,也就是說(shuō),從全黑到全白,圖片檔案可以記錄 256 種不同深淺的灰色。
一般聲音檔案的分辨率比這高得多,從空氣最稀疏到最密集,我們是用范圍 0 到 65,535 的數(shù)字來(lái)表示,而在專(zhuān)業(yè)用途的聲音文件,數(shù)字的范圍更大(注 2)。
我們把每一秒鐘,聲音檔案記錄空氣密度的次數(shù),稱為「取樣頻率」(sample rate)?,F(xiàn)在最常被使用的取樣頻率是 44,100 Hz,也就是每秒鐘記錄空氣密度 44,100 次。
換句話說(shuō),在一般您每天使用的聲音檔案,每一秒鐘的聲音,就是 44,100 個(gè)、范圍是 0 到 65,535 的數(shù)字。那是非常非常多的數(shù)字耶,這也就是我們?yōu)槭裁唇兴笖?shù)字」音樂(lè)的原因了。
還有更多所以您現(xiàn)在知道了,您每天聽(tīng)的聲音檔案,里面裝的只是一大堆、敘述空氣密度的數(shù)字而已。那么,在人類(lèi)發(fā)明計(jì)算機(jī)來(lái)儲(chǔ)存一大堆數(shù)字之前,我們又是怎么儲(chǔ)存聲音的呢?
注 1:在彩色圖片中,每一個(gè)畫(huà)素則是用「三個(gè)」范圍是 0 到 255 的數(shù)字表示,分別代表紅色、綠色、藍(lán)色的亮度。
注 2:在專(zhuān)業(yè)錄音設(shè)備使用的檔案,敘述空氣密度的數(shù)字范圍通常是 0 到 16,777,215。
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