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欺騙耳朵的詐騙犯? 揭數碼音樂「失真」真相

2021.09.15
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今期熱話

新學年開始了,各位同學在回校的路上,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《S-file》就化身偵探,為同學揭露謊言背後的真相。



S探長:根據指控,你每日欺騙數以億計聽眾,使他們收聽失真的音樂,欺騙他們的耳朵,你認不認罪?(用力拍枱)

疑犯:
冤……冤枉呀,S探長,我無心欺騙樂迷的。(顫抖)

S探長:
無心?每個犯人都說自己無心的。(不屑)

疑犯:
是……是真的,我有苦衷,請讓我慢慢解釋……(抽泣)

(S探長把「數碼音樂」的口供整理成文字,它是否有罪就交由各位同學判斷。)

「逝去感情如何留得住,半點癡情遺留殊不易」(數碼的歌聲),那年她要離開家鄉,僅以一首歌向我道別,我為了留住心愛女生的歌聲,於是將歌聲數位化……

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,即將聲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。





很快,我發現這種方法會損失掉很多原來的細節,我注定再聽不到她真實的聲音……「卻想完美到,去違抗定數」(數碼的歌聲),於是我想到了「無損音質」……

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。

「走的終須走」(數碼的歌聲),曲終人散,最後她還是離開了我……

疑犯:S探長,我真的不是故意欺騙大家的,「失真」是數碼音樂的缺陷,我已盡力挽留原聲,但有時候就是「天氣不似預期」。

S探長:你的確有你的苦衷,但有些樂迷已經不能忍受「失真」的歌聲……

疑犯:我……我好像知道一個老傢伙,他在這方面比我做得更好。

S探長:真的嗎?快說快說!

疑犯:那我的案件……(S探長冷冷地瞪着他)我知道了,我會告訴你那位老傢伙是怎麼辦到的。

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。





S探長:就這樣?

疑犯:對……

S探長:那你還是繼續等候發落吧。(假裝起身離開)

疑犯:不不不,我還知道一個更老的傢伙,你一定會滿意的。

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。


●雪梨歌劇院外貌

S探長:你知道的挺多。

疑犯:嘻,過獎了,因為音樂是我的專業嘛。

S探長:那好吧,你解釋一下有關聲音的物理知識,我就放你走。

疑犯:當然沒問題!

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。



字詞解釋

‧縱波(longitudinal wave):即分子的振動方向與傳遞方向平行。
‧分貝(dB):聲音強弱的單位,一般鬧市中的分貝為70dB。

載自2021年9月15日《S-file STEM/理科》

文:盧家彥 圖:星島圖片庫、網上圖片
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