05 电子声 Electronic Sound（第2页）

因为扬声器对电能的利用效率比较低，大部分进入扬声器的电能都转换成了热能，只有大约1%的能量可以被听到。因此，放大是至关重要的。如今，有了晶体管，放大变成了一件很简单的事情，主要挑战变成了确保每个频率被放大到一个适当的程度。考虑到听觉系统的非线性属性，如果要保持输出声音音高不变，就必须对不同的频率进行不同程度的放大。谨慎地选择放大倍数非常重要。除了会对听力产生有害影响，扬声器也很容易被损坏，尤其是人为制造的声音，因为这种声音可能会在一个极短的时间内快速变大。此外，如果麦克风发送到扬声器的声音又反过来被麦克风接收到了，就会建立一个正反馈回路，导致一种我们非常熟悉的呼啸音产生。

扬声器是音乐生产链中最不高保真（hi-fi）的环节。虽然原理简单，但它们的设计会面临许多实际的挑战。扬声器必须保证当信号降至零时，音圈能精确地回到它的起始位置，而且在任何情况下都不会发生振**，但是又必须处在可以自由移动的状态。锥体必须在振动时保持其形状不变，必须非常轻，但又足够坚硬，以免在重力作用下下垂。与此同时，它必须大到在低频时也能移动大量空气（足够强大的声波才能被听到），但又小到足以在高频时每秒来回移动超过10000次。此外，其外壳不能与任何频率产生共振。

实际上，分组使用扬声器要容易得多。这些扬声器通常都会组成一个单元，包括一个频率在2000赫兹以上的小型高音喇叭，一个较大的中频扬声器（50～5000赫兹）和一个低音扬声器（30～800赫兹）。对于那些喜欢低音的人，可能还会加一个低音炮（20～200赫兹）。

低音炮通常是有源扬声器，也就意味着它们有自己的放大器（因此需要配供一个电源）。其他大多数的扬声器都是无源的，由外在的信号进行驱动，这些信号常常通过高保真（或其他）系统中的放大器进行了增强。

一个没有外壳的扬声器几乎是无声的，原因很简单，扬声器前方产生的高压脉冲会悄无声息地溜到后方，填充刚刚在那里形成的低压区。因此，可以把扬声器放在一个密闭的盒子里。然而，如果盒子很小，当隔膜向外运动时，盒子里的空气很难被压缩。还有一种解决办法是将隔膜放在一个称为挡板的环的中心。挡板必须足够大，这样当压力脉冲跑到隔膜后面的时候，那里的低压区就已经消失了（换句话说，声波走的距离比最长波波长的14要长）。

亥姆霍兹谐振可以用来扩展扬声器在低频声方面的表现性能。在安装扬声器的盒子前面开一个孔，腔体就会与低频声音产生共振。如果盒子的共振频率低于扬声器的共振频率，当扬声器的膜片向初始位置移动（反射回波）时就会产生压力脉冲，脉冲在盒子中运动直到出现在盒子开口处，在那里它将与一个隔膜前方刚刚产生的新脉冲处于同相位。这两个同相脉冲会相互加强。这适用于一切脉冲，只要这些脉冲产生的声波频率在膜片和盒子的共振频率之间。

这样做的缺点是有时可以听到从端口吹来的气流，另一个缺点是声音不会那么清脆，因为每个信号后面都有一个短的衰减共振“尾巴”。此外，形成频率低于该端口频率的声波的脉冲会被来自膜片的后续波抵消。超过这两个共振频率的声波既不被增强也不被减弱。

我们的大脑非常善于填补声音的空白，我们可以利用这一点来改善基频非常有限的扬声器。在自然界中，一组200赫兹、300赫兹、400赫兹和500赫兹的音调几乎总是基频为100赫兹的谐波（泛音）。因为大脑的听觉中枢（见图16）“知道”这一点，所以它会自信地断定100赫兹确实存在。但是，如果一组音调来自一个小型扬声器，那么很可能实际上不会有100赫兹的音调。这种效应被称为缺失的基频，这也是为什么在埃皮达鲁斯剧院（见第1章）听那些缺失低频的音乐却不会觉得奇怪，因为观众的听觉中心自动补足了这些频率。这也解释了为什么尽管早期电话的低频传输信号并不好，

但是仍然有相对足够的清晰度。

高性能麦克风、扩音器和扬声器使唱片业发生了革命性的变化，而且由于唱片本身不需要更改，这种变革可以快速进行。紧接着，社会也发生了变化，一时间，几乎所有人都能接触到音乐，并选择自己喜欢的音乐。

声音研究专家乔纳森·斯特恩（JonathanSterne）称，这种新的声音媒体“对经验和存在的基础提出了质疑”。此外，这种声音媒体对表演者同样产生了深远的影响，正如音乐历史学家罗伯特·菲利普（RobertPhilip）所指出的，许多人对他们在录制表演中听到的错误数量感到震惊。音乐学家马克·卡茨（MarkKatz）认为，这些表演者陷入了一个“反馈循环”，他们试图呈现出越来越多的“完美”表演，但当他们听到录音结果时，却一次又一次地失望。于是，表演变得不那么个性化，失去了自发性，开始更加标准化。听录音的体验也带来了另一种反馈，例如，小提琴颤音最初是一种留声机效果，但很快就被表演者模仿。

接下来的一次声音革命是1933年立体声留声机的发明。它是通过在凹槽的两侧分别录制互成90°以及与铅直面成45°的两个信道来实现的。立体声唱片的引入，意味着原则上可以再现整个原始表演的三维声场。这就产生了扬声器理想放置位置的问题，这一问题一直吸引着音乐爱好者。同时，也引出了“保真度”（fidelity）的概念，因为人们现在追求的效果是再现一个原始的表演。20世纪70年代之前，许多流行音乐作品从未像现在这样演奏过，当时音乐的大部分内容都是在乐队离开后添加的，这种情况随着后期处理和混合技术的进步而有所改善。然而，对古典音乐来说，保真的录音仍然是关键。尽管数以百万计的业余爱好者和专业听众、录音机、表演者和演奏者对“保真度”有着数十年的兴趣，但我们仍然无法对“保真度”进行量化。

存储的声音

当扩音技术和扬声器的设计得到完善之后，人们主要担心的是记录的脆弱性。一种关于如何处理、收藏、清洁，以及经过训练后正确播放录音的文化因此形成了。自动换片器的出现让一部分人很高兴，不过另一些人则将其视为最令人扫兴的发明，还有人认为它是新兴的唱片破坏机。之所以会这样，一部分原因是自动换片器具有神秘感，另一部分原因是传统黑胶唱片，尤其是后来被称为专辑的密纹唱片（LP）质量极高，这让它们被尊崇的程度空前绝后，甚至至今仍有销售。

1964年，模拟盒式磁带作为一种强大又袖珍的唱片替代品被引入市场，并开始流行起来。尽管磁带很容易买到，但许多人宁愿买一张黑胶唱片，然后（非法地!）把它烧制到磁带上听，同时保持录音的原始精度。无线电广播也可以用这种方法录制，组合音响由无线电、盒式录音机和唱机组成，因为它录制盒式磁带时最方便，所以变得很受欢迎。

但是磁带有两大缺点，选择音乐时转带子（倒退或者前进）耗费时间，而且不可避免地发出高频嘶嘶声。杜比系统的许多变体在一定程度上减弱了嘶嘶声。这些系统都是在录制一个音轨时将高频信号增强，然后在回放时抑制整个音轨来生效。这是一种叫作压展（压缩和扩展的合成词）的技术。

立体声使人们对研究新的声音设备充满兴趣，并取得了很多新成果，磁带的制作也进一步发展。混音带就是磁带制作上的一个新成果，另一个新成果则是索尼随身听，它让音乐爱好者无论身在何处都能听音乐，不过，这有时会惹恼坐在旁边的人。

我们需要做的是完全抛弃模拟录音，也就是说，将声音以连续变化的形式存储（无论是物理的，如黑胶唱片，还是磁性的，如盒式磁带）。在数字系统中，信号被编码为一串数字，以这种形式存储、传输或复制不会降低信号，也不会产生背景噪声。

乍一看，为了捕捉复杂声波的复杂性（如图9所示），我们似乎必须测量和编码该声波的许多点的振幅。事实上，对声音的采样频率是希望保存的最高频率的两倍就可以了。因此，要编码一个包含最高频率为8千赫的信号，我们就必须以16千赫进行采样（这就是众所周知的奈奎斯特定理）。如果以较低的速率采样，编码的数据就会失真，这就是所谓的混叠效应。

1982年光盘（CD）的推出导致了从模拟到数字的大规模转变。在CD上，数字编码的信号存储成光盘闪亮金属涂层上（塑料基片中）的深色凹坑，通过激光扫描即可读取，因为光盘上光滑的区域可以反射激光，但凹坑无法反射激光。CD播放机将反射翻译为1，非反射翻译为0，1和0的字符串将音频信息编码成二进制数字序列。

当然，如今购买、存储和播放音乐都是极为普遍的行为，甚至无须使用物理媒介。音频文件可以简单地下载到电脑上，通过各种设备播放。计算机通常是MP3播放器的一部分（MP3原意是“动态影像专家组音频层III”）。

MP3音频文件的神奇之处在于它们携带的文件非常小，大约只有CD文件的十分之一，这意味着一分钟的MP3音乐可以压缩到兆字节。能够压缩到如此令人吃惊的程度，是依靠一种叫作霍夫曼编码的技术实现的。在这种技术中，出现概率高的符号用较短的方式进行编码。另一方面，该技术对那些一丢失就引起人们极大关注的频段（主要是语音频率）会进行更加充分的编码，而对那些不受人们关注的频段则轻描淡写。

由于MP3播放器在决定歌曲压缩过程中需要去掉哪些信息时，同时考虑了音乐和听者，斯特恩得出结论：

MP3包含了对交流、听或说、“心灵的耳朵”如何工作以及对音乐创作的实际与哲学层面的理解。每一个MP3的编码是由各种声音组成的一个世界，其中还有声音实践的整个历史。MP3编码器通过计算不断变化的录音内容与声音间的间隙，并据此构建声音间的时间对应关系来形成文件。MP3编码器工作得很好，因为它将想象中的倾听者定义为“非理想条件下的不完美的聆听者”，猜测这些听众不会一直将注意力集中于他们正在聆听的声音，而编码器的猜测经常是对的。

高效的音乐编码利用了这样一个事实，即经过数十亿年的发展，我们的听觉系统已经进化到会对与我们最相关的声音做出反应。再加上声音本身的局限性，我们对声音世界的直接接触被限制在一个频率范围内，而这个频率范围只是实际存在的声音的一小部分。那些听不见的领域将是第6章的主题。