“看到”聲音----用顯微鏡播放珍貴老唱片

如何傾聽一張老唱片中的聲音？你可能會說，只要找到一臺留聲機(jī)，把它播放出來就好了嘛。但實際情況卻沒有這么簡單。現(xiàn)在，很多老唱片都面臨著保存不善、折斷破損的危機(jī)，如果這些記錄載體損毀，其中的音頻資料也將隨之失傳。

而出手拯救這些老唱片的，則是兩位在LHC（大型強(qiáng)子對撞機(jī)）工作的粒子物理學(xué)家。通過顯微鏡和計算機(jī)，他們讓破損的老唱片也得以重獲新生。

無法播放的記錄

在照相機(jī)出現(xiàn)之前，藝術(shù)家們利用繪畫和雕刻也可以較為精細(xì)地還原自己所看見的場景，而相比之下，記錄和還原聲音則要面臨更多技術(shù)挑戰(zhàn)。

1860年，法國人斯科特（édouard-Léon Scott de Martinville）*次成功地將聲音用現(xiàn)代方法記錄了下來。他根據(jù)人耳的構(gòu)造設(shè)計出了一架聲波記錄儀，其三個主要結(jié)構(gòu)分別對應(yīng)耳道、耳膜和聽小骨。聲音是機(jī)械振動，聲波傳送到儀器中，然后連接在一個膜上面的鬃毛類部件（與聽小骨對應(yīng)）就可以把振動記錄在涂有燈黑（炭黑）的紙張或者玻璃上。

通過這樣的方式，斯科特得到了下圖中的聲波曲線記錄圖。這種記錄圖中確實包含著聲音的信息，但它卻無法被還原播放。

斯科特在紙上記錄的聲音。聲波信息就在其中，但我們卻無法聽到

在此之后，留聲機(jī)的出現(xiàn)解決了還原聲音記錄的問題。愛迪生發(fā)明了圓筒式留聲機(jī)，在蠟制成的圓筒中雕刻上深淺不一的“音軌"，播放時唱針在音軌的引導(dǎo)下運動，將振動信號還原。在那之后，蠟筒又被唱片所取代，越來越多的聲音信息被記錄在了其中。

這些蠟筒和老唱片中記錄著很多珍貴的音頻資料，但即使有留聲機(jī)的幫助，在很多時候我們依然無法自由地播放和傾聽它們。這些老式的記錄載體并不耐久，用唱針播放的過程不可避免地會帶來磨損；一些蠟筒和唱片甚至已經(jīng)折斷，*無法播放了。

我們只能遺憾地與這些無法播放的聲音資料告別了嗎？不，其實還有別的解決方法。

“看到"聲音的物理學(xué)家

參與解讀老唱片工作的兩位物理學(xué)家分別是卡爾?哈伯（Carl Haber） 和維塔利?法捷耶夫（Vitaliy Fadeyev ）。在大型強(qiáng)子對撞機(jī)實驗中，對很多部件的精度要求是非常高的，例如有些探測器能夠區(qū)分的位置精度達(dá)到人的頭發(fā)絲粗細(xì)這樣的量級。所以，他們經(jīng)常需要在光學(xué)顯微鏡下，并且通過計算機(jī)算法控制特殊的機(jī)器來組裝儀器。這樣的機(jī)器可以在組裝時達(dá)到微米量級的精度。

在一次開車時，哈伯恰好從廣播中聽到了一段對鼓手米奇?哈特（Mickey Hart）的采訪。采訪中哈特提到，有大量記錄在唱片中的音頻老資料現(xiàn)在并沒有得到足夠好的保護(hù)。靈光一閃，哈伯意識到他們在LHC所用到的技術(shù)也是幫助這些老舊的音頻資料重獲生機(jī)。

這些記錄聲音的老文物可能已經(jīng)斷裂磨損無法播放，或者像斯科特留下的聲波圖那樣，根本沒有對應(yīng)的播放器可用。但是聲波振動的信息依然保留在那些音軌當(dāng)中。如果我們可以清晰地拍下這些音軌的形態(tài)，然后使用圖像處理的方法將照片上的信息提取出來，再用程序來模擬播放機(jī)的功能，這些圖像就可以重新被轉(zhuǎn)換成聲音文件。

左圖：膠片是通過音軌的左右擺動來記錄聲音信息的；中圖：唱針在膠片上移動，會左右振動，再經(jīng)過處理就可以把聲音還原；右圖：膠片在顯微鏡下的照片（經(jīng)過處理）

而對于蠟筒這樣通過不同深度刻痕記錄聲音的設(shè)備，也可以利用在科研領(lǐng)域廣泛使用的共聚焦掃描顯微鏡得到刻痕的3D結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)而還原聲音數(shù)據(jù)。而這些設(shè)備和技術(shù)條件，正好都是兩位物理學(xué)家所具備的。

左圖：蠟制圓筒實物，它通過雕刻不同深淺的音軌來實現(xiàn)聲音記錄。右圖為蠟制圓筒的3D掃描

這種光學(xué)的讀取方法并不會造成磨損，即使是破損的記錄材料（例如斷裂的膠片）也不會阻礙聲音還原，這對于音頻資料保護(hù)來說是非常好的消息。于是哈伯和法捷耶夫等人就成立了 IRENE 項目，致力于還原了早期的音頻記錄。

用來掃描膠片的儀器。膠片上面是光學(xué)顯微鏡的鏡頭，通過膠片的轉(zhuǎn)動可以把整個膠片的音軌信息都掃描出來。

那些老聲音，聽起來是什么樣？

至今，IRENE項目已經(jīng)有了不少成果，很多早期的聲音記錄，包括上面提到的那張記錄聲波的紙都已經(jīng)被他們還原出來。

起初，這樣還原出來的聲音是非常嘈雜的，甚至無法分辨錄音中的人在說什么內(nèi)容。而經(jīng)過掃描技術(shù)和算法的改進(jìn)，我們至少已經(jīng)可以分辨出錄音的內(nèi)容了?，F(xiàn)在，這項“只看不摸"的讀取技術(shù)，正在幫助很多圖書館的工作人員將一些珍貴的聲音記錄數(shù)字化。在科學(xué)家的努力之下，將來還會有更多昔日的聲音和故事重新在我們耳邊響起。