黑膠唱片比 CD 好嗎？類比與數位錄音的差異——《好音樂的科學》

• 文／Heidi

你有過邊聽音樂邊跑步的經驗嗎？讓我們先來看一段動畫，再開始今天的主題！動畫裡的主角阿辰有個熱愛跑步的阿公，他想要挑戰路跑，於是向阿辰下戰帖，想看誰可以先跑完四圈操場。沒想到，原本落後的阿辰，戴上耳機後，竟然逆轉局勢，贏得了比賽。這究竟是什麼魔法？為什麼音樂能讓阿辰瞬間變成飛毛腿呢？

日常生活中的音樂與運動

2014 年，美國音樂潮牌 Sol Republic 調查 1,000 位民眾使用耳機的習慣，有 62% 的民眾表示「一整天沒有聽音樂，比一整天沒有社交活動」更糟，另外也有 40% 的民眾表示，如果沒有搭配音樂，他們想要運動、鍛鍊身體的欲望就會大幅降低。

在臺灣，如果你曾經踏進健身房或運動中心，想必聽過從喇叭傳出來的快節奏音樂，或是看過不少人戴著耳機跑步、舉重、騎飛輪。如果你在學校或熱鬧的商圈看過街舞表演，通常也都是選用節奏明快的流行歌。可是，為什麼音樂和運動有關呢？一邊運動，一邊聽音樂，真的對我們有幫助嗎？如果有，背後的科學原理又是什麼？

聲音如何穿越耳朵、抵達大腦？

想知道為什麼音樂和運動有關，就得先瞭解聲音如何穿越耳朵、抵達大腦。

從生理構造來看，我們的耳朵可分為三部分：外耳、中耳和內耳。外耳負責將接收到的聲波傳入中耳。中耳有「耳膜」和「聽小骨」，能夠增強聲波，將聲波轉換成內耳能夠解讀的訊號。內耳有「耳蝸」和「前庭系統」，分別掌管聽覺和平衡感。這兩個結構會在末端合體，成為「前庭耳蝸神經」，也就是 12 對腦神經中的第 8 對，可以將聲音訊號直接送進大腦。

擅長平衡、喜歡打節拍的前庭系統

說到平衡感，那就和運動有關了！前庭系統的功能就是穩定身體，讓我們走路時不易跌倒、運動時能保持平衡，眼睛追蹤移動物體時，也不至於暈頭轉向。這些都要歸功於前庭系統裡頭的「半規管」和「耳石」，前者感知旋轉，後者感知重力與加速度。

如果我們一邊跑步一邊聽音樂，讓節奏規律的低頻重拍經由前庭系統刺激大腦，就能讓大腦誤以為是雙腳落地的低頻聲響。如此一來，大腦就會透過前庭系統發送訊號給肌肉，幫助腳步保持規律。換句話說，如果音樂節奏與步伐速度相近，跑起來就能更輕鬆；反之，如果換成節奏較慢的音樂，前庭系統就會讓我們不自覺放慢腳步，導致運動效果不佳。

研究顯示，聽音樂運動「效果十分顯著」

早在 1911 年，美國統計學家艾爾斯（Leonard Ayres）就發現，如果賽道旁有樂隊演奏，自行車選手踩踏板的速度也會隨之加快。^[1] 2012 年，英國雪菲爾哈倫大學（Sheffield Hallam University）的研究進一步證明，相較於踩踏速度沒有和音樂節拍同步的選手來說，同步選手的耗氧量減少 7%，意思就是比較不容易疲累或缺氧。由此可見，音樂就像身體的節拍器，可以穩住運動節奏，減少體力耗損。^[2]

2017 年，印度幾所大學的醫學院教授共同研究音樂對青少年運動表現的影響。這些教授找來 50 位年齡介於 19 到 25 歲的學生，讓他們連續 10 個早晨在跑步機上運動，速度不限，累了就可以停下來。研究數據顯示，在沒有播放任何音樂時，男性的平均運動時間約為 26 分鐘，女性則是 18 分鐘；相較之下，當他們聆聽各自喜歡的音樂時，男性的平均運動時間可以達到 42 分鐘，女性則是 31 分鐘，前後有非常明顯的落差。^[3]

2020 年，美國桑福德大學（Samford University）的研究也顯示，只要在暖身時，聆聽喜歡的音樂，就可以提高臥推槓鈴的表現。雖然臥推速度幾乎沒有差異，如圖（a），可是臥推次數明顯增加。根據圖（b）的數據，如果聆聽不喜歡的音樂（NON-PREF），平均只能推 11.1 下，經過兩分鐘休息後，只能再推 8.0 下；但如果聆聽喜歡的音樂（PREF），平均可以推 13.5 下，經過兩分鐘休息後，也可以再推 9.4 下，可見聽音樂運動的效果確實非常顯著。^[4] 

註解

• 註 1：Ayres, L. P. (1911). The Influence of Music on Speed in the Six Day Bicycle Race. American Physical Education Review, 16:5, 321-324.
• 註 2：Bacon, C. J., Myers, T. R., & Karageorghis, C. I. (2012). Effect of music-movement synchrony on exercise oxygen consumption. The Journal of sports medicine and physical fitness, 52(4), 359–365.
• 註 3：Thakare, A. E., Mehrotra, R., & Singh, A. (2017). Effect of music tempo on exercise performance and heart rate among young adults. International journal of physiology, pathophysiology and pharmacology, 9(2), 35–39.
• 註 4：Ballmann, C. G., Cook, G. D., Hester, Z. T., Kopec, T. J., Williams, T. D., & Rogers, R. R. (2020). Effects of Preferred and Non-Preferred Warm-Up Music on Resistance Exercise Performance. Journal of functional morphology and kinesiology, 6(1), 3. 

參考資料

1. Sound Over Pounds: Survey Finds Two Out Of Three People Cut Their Workout Short Or Ditch It Completely Without Headphones
2. 認識耳朵 – 歡迎光臨林口長庚耳鼻喉部
3. Let’s Get Physical: The Psychology of Effective Workout Music

• 文／陳彥諺

我們的生活中充滿了音樂。走在大街上，路邊潮流服飾店家放著節奏明快的流行樂，轉個彎，進入咖啡廳，裏頭播放著的是變化豐富的爵士樂，再戴上耳機，接續手機中上次播放的樂曲，忍不住就跟著旋律搖頭哼唱。

你喜歡音樂嗎？高三的阿辰很喜歡。作為一個喜愛音樂的青少年，他並不滿足於單純的欣賞而已，為了進一步靠近音樂，他還加入搖滾樂社，擔任貝斯手，並且，當談到音樂的相關現象，阿辰總能侃侃說出背後的原理從何而來。

阿辰不僅僅是熱愛音樂的高中生，他的另一個重要身份是——《音樂關鍵字》的男主角。

做音樂的關鍵——理性

《音樂關鍵字》是由客家電視台花費長達三年的時間製作而成，一共八集，每集皆為 10 到 20 分鐘左右，是結合 3D 動畫及原創音樂的科普動畫。

篇幅雖短，但兼具理性與感性，作為自然科學與人文藝術的對話與結合，《音樂關鍵字》內容一點都不馬虎。除了透過角色之間的有趣互動，傳達有歡笑、有淚水、有世代溝通等橋段的溫暖故事外，更藉由故事為引子，每集說明 2 至 3 個音樂相關的科學知識。

許多人談到「音樂」，便認為那是「感性的產物」，言下之意是，音樂似乎是由抽象的情感所主宰，不過如果要能掌握聲音、有效率的做出自己想要的音樂，背後牽涉的其實是理性的科學原理——理性，是建立認知的基礎。

試想，當我們心中有著豐沛情感，想藉由音樂表達出來，該怎麼做呢？首先必須正確了解聲音本身的性質，包含了響度、頻譜、直達聲音、殘響、泛音、共振等聲學知識，也須掌握人體的前庭系統、酬賞系統等生理層面的認知後，才能正確地欣賞、理解且運用，讓音樂順利成為表達情感的媒介。若不能正確掌握音樂知識，便容易發生「怎麼好像怪怪的？」卻說不出所以然，也無從改善的窘況。

科學知識不複雜，《音樂關鍵字》用故事解答

音樂的科學知識聽起來很複雜嗎？一點也不。在《音樂關鍵字》的動畫裡，生硬的聲學知識、艱深的人體系統概念等，透過專業物理教師、音樂顧問提供的知識概念，再經劇組人員以生活事件及場景串連，音樂的科學知識便能在短短十分鐘內，讓人看著影片就已輕鬆掌握。

比如，EP06〈你好，我叫江東平〉中，藉由青少年阿辰與患有自閉症的江東平，兩人攜手協作共創一曲的故事，讓大眾看見自閉症學童的狀況，以及「音樂」可以如何有效治療，協助自閉症患者逐漸融入常人生活。

江東平是高功能自閉症，智商其實和一般人無異，不過由於大腦內的聽覺區附近、額葉、邊緣系統的結構或功能異常，導致自閉症患者出現了社交溝通及語言使用的障礙。腦科學研究進一步指出，在音樂治療的過程，可增強聽覺區附近、額葉、邊緣系統三者的連結，因而增強社交能力、共享式注意力、語言能力等。

青春總是充滿騷動與不安，也因此許多青年朋友們很著迷於重金屬音樂，不過，要如何發出如同野獸般的嘶吼聲同時不傷及喉嚨呢？為什麼當主唱用吼音唱歌，就會聽不清楚歌詞呢？EP03〈吼〉這一集中，從發聲原理切入，給了觀眾十分詳盡的解答。

由於人類有真聲帶與假聲帶，假聲帶位於真聲帶之上。當肺部空氣受到擠壓，從氣管上衝，通過聲帶之間的夾縫造成振動，便會發出聲音。振動真聲帶所發出的聲音，因為振動頻率固定，有清晰的音高，不過吼音特別會用到假聲帶，而假聲帶的振動往往不規律，發出的聲音不具清晰的音高，在音階與聲調不明顯的情況下，就難以聽懂吼音所唱出的歌詞了。

《音樂關鍵字》的開篇 EP01〈尋聲〉則是一個在具有科學教育性同時，格外感人的故事。

阿辰喜歡捕捉聲音，自己存錢買了一套錄音設備錄製動物的聲音。某次，在他潛入森林，偶然遇到了一座廢墟，裡頭的鬼魂央求阿辰在陽光出來前，替他們錄製作品。

由於鬼魂不能移駕到專業錄音室，阿辰只能以簡易設備錄音，他注意到了「場域」的限制。由於聲波在遇到障礙物時會反射，當聲波在封閉且無吸音物品的空間裡，便會快速地從四面八方反彈，當反射的時間間隔少於 0.1 秒，就會產生混合餘音，造成「殘響」。不過，阿辰利用他的音樂知識解決問題，順利替鬼魂們錄音，也是在錄音同時，阿辰才發現自己已經遺忘許久的秘密。

最終章 EP08〈搖滾夢想〉，阿辰與高中社團夥伴們站上了搖滾舞台，他們用充滿破壞性與雜質的音樂榮獲第一名，而出生醫生世家的阿棋是他們的重要音樂夥伴。

不打算考醫學系的阿棋，家裡的人並不了解他喜愛的搖滾樂，卻願意支持他走一條不同的路，因為阿棋就像是搖滾樂中不能沒有的「雜質」，特殊而豐富的雜質，會使得搖滾樂聽起來格外有渲染力。一個乾淨清楚的樂音，在頻譜軟體上看來是一系列頻率成整數比的泛音，但搖滾樂中為了追求聽覺的刺激，會以特殊演奏技法、效果器等，讓相鄰泛音之間出現雜質，以表現音樂張力。

各大平台皆可收看《音樂關鍵字》

《音樂關鍵字》除了科學知識內容豐富扎實外，3D 動畫也別具風格，視覺也是享受，此外，節目中選用的音樂類型多元，貼合現代人的閱聽喜好，更由專業音樂人譜曲、填詞、配唱，內容好看又好聽。

目前《音樂關鍵字》已上架到客家電視台、Youtube 頻道囉，只要搜尋節目名稱，即可找到收看連結！

• 音樂關鍵字- 客家電視台
• 《音樂關鍵字》
• 暢歌實驗所 Hakka Music Lab

此外，精心製作的節目原曲，也可上 StreetVoice 或 節目官網 收聽喔！

埃米爾．貝利納（Emil Berliner），1851 年 5 月 20 日至 1929 年 8 月 3 日。

如果你是一位古典音樂發燒友，那麼一定聽過德意志唱片公司的鼎鼎大名。這家公司成立於 1898 年，是世界上最早的古典音樂廠商，它的創始人正是唱盤留聲機的發明者——埃米爾．貝利納。貝利納是出色的發明家兼企業家，是當之無愧的「唱片之父」。到目前為止，世界最知名的幾大唱片商標幾乎都與他有關聯。

愛迪生是個具有商業頭腦的發明家，他很在意一項發明的商業前景，因此根本不會花精力去推廣那個音質不太好、用幾次就壞的留聲機。這和他大力推廣照明系統形成了鮮明的對比。

不過，在研究錄音和揚聲裝置的過程中，愛迪生不斷改進揚聲器的語音品質，並將很多的專利授權給了做電話的貝爾。雖然貝爾對留聲機比較感興趣，也改進過愛迪生發明的留聲機，但效果也不是十分理想。

延伸閱讀：愛迪生誕辰｜科學史上的今天：2/11

要製造出一種實用的、大家真正願意購買的留聲機，就需要搞清楚聲音中到底包含了哪些資訊，然後將它們不失真地記錄下來；同時，還需要把記錄下來的聲音資訊大量複製，賣給大眾。

早在十七世紀，伽利略就發現聲音和振動相關，這種機械振動在空氣中以波的形式傳播，傳入我們的耳朵，就是聲音。振動的頻率越高，我們聽到的聲音就越高，人們甚至可以通過調整琴弦振動的頻率，發出不同的音高。但是人們並不知道為什麼每個語音聽起來都不一樣，為什麼 a 聽起來是 a，不會是 o。到了十九世紀初，法國數學家和流體力學家傅立葉（Jean Baptiste Joseph Fourier）發明了傅立葉轉換，它可以將任何波動信號變成很多單一頻率的波動信號（正弦波）的組合。

延伸閱讀：無所不能的傅立葉轉換：傅立葉誕辰｜科學史上的今天：3/21

這其實揭示了各種複雜聲音的本質，就是各種單一頻率聲音的組合。a 的聲音和 o 的聲音裡面都包含了很多相同頻率的波動信號，但是它們的組合方式不同。a 在某個頻率上音量特別大，而在另外一些頻率音量特別小；相反的，o 在另外一些頻率上音量比較大，因此它們聽起來並不相同。

要想清晰完整記錄聲音的資訊，記錄聲音振動的儀器就需要足夠精確地把不同頻率聲音的變化都記錄下來。同樣的，要想讓揚聲器播放的聲音十分逼真，就需要它振動的頻率範圍和人發音的頻率範圍一致。愛迪生其實僅解決了第二個問題，但是沒能很好地解決第一個問題，即他不能準確地把這種頻率的聲音都記錄下來。

解決第一個問題的，是美籍德裔發明家貝利納（Emile Berliner）。一八七○年，十九歲的貝利納為了躲避普法戰爭，隨著父母全家移民到了美國。貝利納剛到美國時做的是收入最低的工作，包括洗碗和送報。但是出於對發明的興趣，他很快就在電話和留聲設備研發方面嶄露頭角。他改進了電話話筒，並因此獲得專利。這個專利被貝爾買走，隨後他也就順理成章成為貝爾電話公司的一名工程師。

一八八六年，貝利納開始研究留聲機。他把一個圓盤均勻塗上石蠟，然後用一根針在石蠟上記錄聲音的振動。由於圓盤的旋轉比圓筒要穩定許多，而且堅硬的細針在石蠟上劃過時，可以準確記錄下各種頻率聲音振動時的細節，因此從一開始，貝利納研製的留聲機的聲音品質就比愛迪生的好很多。更重要的是，圓盤很容易生產，這種留聲機記錄聲音的材料成本要比愛迪生的低得多。

愛迪生是一個在發明權方面從不讓步的人。他和貝利納打了一場曠日持久的官司，最終獲勝。然而，他的那種圓筒式留聲機雖然後來也改進了聲音品質，但實在不便於普及，很快就在市場上消失了。

在和愛迪生打官司期間，貝利納在柏林開辦了一家唱片公司，這就是著名的「德意志留聲機公司」（Deutsche Gramophone）。直到今天這家公司的黃色商標，依然被音樂發燒友視為唱片高品質的象徵。

貝利納還發明了一種大量複製唱片的方法。他在圓形鋅片上塗上石蠟，在錄音時，聲音振動控制的錄音針就會劃去鋅片上的石蠟，然後將鋅片用酸腐蝕，被劃掉石蠟的部分就會被腐蝕出聲道。這樣就得到了唱片的母盤，之後就能大量地複製唱片了，唱片的成本低到工薪階層的家庭完全能夠支付得起。

進入二十世紀，馬可尼在無線電報上的成功讓一些發明家開始嘗試使用無線電傳輸語音和音樂信號。人們將聲音的頻率和振幅載入到固定頻率的無線電波上，並隨著無線電波一同被發送到遠方。在接收端，接收機再將聲音信號從無線電波中分離出來。

一九○六年十二月，美國發明家和企業家費森登（Reginald Fessenden）開始了無線電廣播業務，播放音樂和一些音訊節目。但是由於沒有很好的接收機，這種廣播失真嚴重，而且一台接收機只能接收很低頻率的信號，因此也無法普及。

人們在進行無線電廣播時認識到，在資訊傳輸中存在一個必須解決的大問題，那就是信號的失真和被干擾。雖然在進行有線傳輸或者無線電報發送時，資訊失真的問題也普遍存在，但是大家對它的認識只局限於信號「足夠好」或者「不太好」。如果是前一種情況，大家就認為此時能夠進行通信；如果是後一種情況，大家就認為此時通信中斷了。

但是到了無線電廣播時，人們發現，儘管收到的語音能夠辨識，但是和說話人的語音聽起來完全不同。至於干擾，有線通信是不容易被干擾的，因為每個設備之間都有自己專用的線路；但是無線通訊則不同，電磁波在經過大氣時，會被自然界本身的電磁波干擾，接收到的信號中混有大量雜訊，有時雜訊甚至比信號還強，以至無法準確辨識信號。

那時還沒有關於資訊失真和雜訊的理論，我們今天常說的失真率、信噪比，都是在資訊理論出來之後才被普遍接受的概念。當時的工程師只能靠摸索來消除失真和雜訊的影響，但是效果並不理想。

這種情況在兩個發明出現之後才得到有效的改善：一是一九○七年美國科學家德福里斯特（Lee de Forest）發明了電子三極管；二是一九一七年法國發明家萊維（Lucien Lévy）提出了超外差式接收原理。之後，馬可尼及時將業務轉移到無線電廣播上來，他在英美等國迅速建立起無線電臺，並在全世界銷售收音機。

一九二○年六月，英國馬可尼公司利用廣播轉播了音樂會的盛況。同年，美國西屋電氣公司的廣播站利用廣播報導了總統選舉的情況。

留聲機和無線電廣播的出現大幅度豐富了人們的生活，大眾可以藉由它們欣賞高水準的音樂和文藝節目，同時，人們獲取資訊的方式也從閱讀報刊書籍逐漸變為聽廣播。當然，人類也從此開始記錄文字以外的資訊。

今天，我們能夠聽到邱吉爾在二戰時的精彩演說，以及馬丁．路德在半個世紀前呼籲人權平等的聲音。那些聲音所傳達給人們的資訊，不僅包括演說的內容，還有他們豐富的情感，這是在留聲機出現前人們完全無法想像的。

當然，對人類來說，更豐富的資訊是在圖片中。

——本文摘自《資訊大歷史：人類如何消除對未知的不確定》，2022 年 6 月，漫遊者文化，未經同意請勿轉載。