有没有类似电容的“音容”？ - 知乎

不请自来。

这个想法很好，但是缺乏基本的科学与技术知识。我就写一些较基础的声音记录存储知识吧。

我们都知道，声音是一种波。它是因为人的声带、喇叭振膜、乐器、空气流动等，周期性、快速地压缩空气形成的纵波。如下图是小提琴的声波波形：

观察这个波形，你会发现，它是一个随着时间而不断产生幅值变化的函数。这个函数的横轴是时间，而纵轴是空气振动的幅值，或者可以认为是音源压缩空气的压力变化值。

这样的话，如果有一个容器，能够存储声音，我们就要做到：

1，存储振幅（压力）值；

2，存储时间。

3，存储的振幅和存储的时间是一一对应的。

很遗憾，到目前为止，直接存储时间的容器，人类还没有发明哈哈。如果有的话，我先存上二十年，等快死的时候再放出来用用……

所以，你构想的这个音容，其实无法真实存在，因为时间怎么存储呢？我们只能找到存储压力值的存储器件，比如我们可以用一个轻质弹簧，然后找一个振膜，来得到声音的振幅（就像麦克风里的振膜），然后把这个振膜和弹簧用杆连起来，就可以让弹簧随着声音振幅而压缩或者延伸了，从弹簧长度就可以得到振幅大小。但是，这没法存储时间啊，假设在振幅最大时，弹簧压缩了1毫米，在此时声音中断，即使你立即停住弹簧不让它返回也没用，它只是停在了压缩1毫米的位置而已，记录了当时的振幅，而并不能反映整个小夜曲的振幅变化。

其实，电容器也仅能存储你给它充电结束时的电荷量，也不可能存储电量随时间的变化规律。比如你给电容器连上50Hz的正弦交流电充电1秒钟，结束时，电容上就只有最后时刻的剩余电荷，怎么操作也不可能从电容上得到50个正弦波形。

从数学上讲，声波、交流电，这些是二维平面上的函数（甚至三维、多维的），周期形式就是 ![[公式]](assets/df2c722c4ab7b348b210e5be48dc7c34.svg) ，有至少两个变化量；而电量、振幅，只是一个一维的单变量 ![[公式]](assets/b8f9a10b90b706b82e449b3b78f25ba6.svg) ，要想用一个单变量存储一个函数，是不可能的。

插个分割线，继续。

    • *

那么，要存储随时间变化的振幅值，就需要把时间转换为其他形式，比如用空间来代表时间。你看上图的小提琴声波波形图，其实这个波形图本身就是一个声音的存储形式，它把连续的时间变化，转换成了线性的空间横坐标，如果画在纸上，就是用纸张上（横轴）的1厘米代表了1毫秒，用一张纸的宽度实现了10毫秒的时间记录。如果能够把一首歌任意时刻的振幅都记录在一张足够大的纸上，我们就能得到这首歌的声音函数图形，其实也就是存储了声音。再有一个还原设备的话，我们就能把声音还原出来了。

近两百年前，人类就明白了这一点，从而发明了留声机。最早的留声机，使用一个振膜来把声波转换成振动，振膜连接一根针，针顶在一个蜡盘上，在声音记录时，蜡盘匀速旋转，针就会随着振膜振动在蜡盘上刻下一根连续的螺旋线，螺旋线的左右凹槽反映了声波的振幅。就像下图这样：

其实，你把螺旋线拉直了，它就是一个声波的函数图形，和在纸上画的并没有本质区别。

放音时，其实就是录音反过来，匀速旋转蜡盘，唱针随着波形凹槽振动，带动放音的振膜振动，就会得到原来的声音了。

实用中，蜡盘会经过翻印，从而得到硬质塑料制的唱片，否则蜡盘不耐磨损，放不了几次，翻印后就可以成千上万次播放了。这种唱片，就是黑胶唱片。我们可以把它叫做你说的音容也不为过。

黑胶唱片已经有一百多年的历史了。早期，放唱机大部分连电都不用，因为发声的振膜，振动由唱针驱动，不需要电。盘片的匀速旋转，用手工摇动，这就是手摇电唱机。在今天的电影里，我们还能见到这种手摇唱机。而生活中，黑胶唱片已经被新的CD、数字存储等取代，但是因为怀旧的情怀，仍旧有生产，而老的经典黑胶，已经在收藏市场上涨到几百甚至上千一张。当然，现在的黑胶唱机，已经都是电驱动，还有放大器、均衡器、滤波器等电子器件，从而可以得到更好的音质。

而且，这种技术深刻影响了今天的CD、DVD，这两种光盘也是通过盘片中的螺旋线上的微小凹坑记录信息的，其实与黑胶唱片原理一样。只不过因为信息密度更高，凹坑更小，改用了激光来记录和读取。

分隔线二，继续。

    • *

我们回到题主原来构想的方案，用电容来存储声音。

从前面的讨论中，会发现，使用单个电容是没法存储声音的，因为我们无法存储振幅随时间的变化规律。那么怎么办呢？

一个办法是用其他方法存储电场。比如用静电。找一根丝线，或者纸条也行。用麦克风把声波振幅转换为电压，用一个静电放电器件，转印到丝线或者纸条上。转印静电时，匀速拉动丝线，录音结束后，在丝线或者纸条上就会得到各处不一样的静电，它的电场强度是随着时间而变化的。不要怀疑这样的技术的可行性，事实上激光打印机就是通过在纸张上转印静电场工作的。那么为啥实际上没有这样的声音存储技术呢？因为一是静电场不稳定，在潮湿环境下几分钟静电就跑光了，存不久；二是随便这么一录音，丝线或者纸带就是数米甚至数百米长，不好拿。你又不能把它们缠起来，因为一缠绕丝线间电场互相感应，就全白搭了。

所以人们发明了磁带。通过把声波转换为磁场，用磁头转印到磁带上的磁粉中。磁带为啥可以缠绕在一起？因为磁粉具有很强的矫顽力，即使贴在一起也不会有大的影响，除非用强磁场。

那么，单纯用电容怎么记录声音呢？也是有办法的。我们看声波波形，它是连续变化的。如果我们用1个电容，只记录1秒钟的声音，假设声波的频率是100Hz，它1秒钟振动100个周期，显然不能得到整个时间段的信息，只能得到1秒钟结束时的振幅大小。那么如果我们有1000个电容呢？我们可以把1秒钟分成1000份，1份1毫秒，然后这样干：在时刻0，记录振幅，存储在第一个电容；在时刻1，记录振幅，存储在第二个电容；时刻2存储在第三个电容，……最后，我们就得到了每个毫秒的振幅存储。

工程上，这叫做采样。如下图：

图上b是原始波形，a是我们采样得到的幅值（c不要管它）。显然，波形a和原始波形b并不一样，a是不连续的，b是连续的。但是，a的外形和b相差并不大（称作包络线），如果我们采样的次数足够多，就能够精确反映b的变化趋势。这就和每隔10分钟测一次温度，就能得到全天的温度变化趋势图一样。

根据采样原理，要得到频率为f的波形，采样频率至少要达到2f才行。也就是说，要记录到100Hz的声波，至少需要200Hz的采样频率，就是1秒采样200次，需200个电容记录。

人耳能听到的声音范围是20Hz~20kHz，一般语音频率范围为300Hz~3.4kHz，女高音可以到10kHz，乐器的泛音轻松可达15kHz以上。我们对音质要求低一点，按达到5kHz算（比电话座机的音质好一丁点），采样频率需达到10kHz，就是1秒1万次采样。如果要记录3分钟，我们需要3x60x10000=180万只电容！这已经不是我们能够轻松搞定的了……

那么就彻底搞不定了吗？No，No，工程师们总是有办法的。其实电容虽然多，但如果我们能把电容做得足够小，几百万只乃至几亿只电容都不是事。提到把电路元件做小，我们立刻就能想到微电子技术、集成电路。是的，这个也是可以用集成电路实现的。

集成电路技术中，电容其实并不容易做，因为集成电路的表面积太小，很难实现大面积的极板，而且容易漏电，所以实际上集成电路也没法实现非常多的电容。但是工程师们找到了EPROM技术，通过EPROM实现了和电容类似的电量存储。EPROM技术如下图：

EPROM中的浮栅、控制栅等都做在多晶硅基板上。通过一定的技术，可以把电子转移到浮栅中（叫做写入），而且写入后，可以保持浮栅的绝缘，从而使得电量可以接近永久地存储在浮栅中（近一百年），和电容的电量存储有点类似。然后通过一定的方法检测浮栅有没有电就可以了。因为体积过于微小，存不了多少电量，电路也无法做复杂，所以这个没法直接检测其中的电量多少，只能判断是否有电。于是，我们这个器件，就变成了数字电子技术，有电的时候我们可以认为是1，无电的时候可以认为是0。这样，成千上万个EPROM单元中，就可以存储二进制数字了：10001101010101100011110100101011011……

我们的音容机，就可以做成这样，首先用麦克风把声波转换成电压，然后进行模拟-数字转换，得到声波的数字信号，然后把这一连串的1和0存储到无数个EPROM单元中。需要放音时，把数字取出来，然后经过数字-模拟转换，变成电流驱动喇叭放音。

这种存储芯片，后来经过很多工程师的努力，性能越来越好，容量越来越高。

现在，用这种技术发展来的芯片，通称为flash存储芯片，体积可以做得像指甲盖一样大，容量达上百G，可以作为手机存储；也有些，做成USB口，叫做优盘；而采用这种技术的音容机器，我们叫它数字录音笔。

Original url: Access
Created at: 2019-12-19 11:42:00
Category: default
Tags: none

未标明原创文章均为采集，版权归作者所有，转载无需和我联系，请注明原出处，南摩阿彌陀佛，知识，不只知道，要得到

请先后发表评论
  • 最新评论
  • 总共0条评论