声音编码基础

声音是一种压缩波，对它的任何描述都必须是对它的编码。您可以对其进行编码，以便您可以使用以正确方式振荡的装置重新创建声音，以正确的模式再次压缩空气，但您不能像将光波从纳米尺度放大一样“打印出来”到一个可见的作为代表。

让我们举一个简单的例子：440 Hz 的曲调通常被认为是 A ₄，也就是音乐会音高 a或 A440。

它可以以各种方式编码。最古老的方法可能是将其编码为小提琴记谱法的音符，然后任何人都可以使用适当调音的乐器进行复制。实际结果取决于所使用的乐器和演奏者的技能。因此，每个乐器可能会根据乐器的物理设置不同地解码此编码音符。每个乐器都会自动创建适当的泛音。

在 Midi 中，它被编码为Note 69并且任何可以解码 midi 文件的机器都可以使用此指令，与要使用的乐器配对，以创建为其设置的 A ₄。在 Midi 中，Note 69 的单纯指令确实会削减技巧，但它的声音和感觉来自乐器设置——其中包含有关演奏该音符时要创建的泛音的信息。

对于物理学家来说，纯粹的声音被编码为只是一个概念440 Hz和一些幅度来平衡它的响度。有了这些指令，他就可以设置一个设备，让这些设备产生 440 Hz 的音调。为了产生乐器的声音和感觉，物理学家的编码需要包含与这个声音一起摆动的所有泛音。

录音的历史

让我们看一下录音的第一种方式：1857 年的留声机使用一张纸或一块变黑的玻璃，然后用薄膜移动针。当板被移动时，针会留下一条写好的路径。编码是通过两个因素完成的：手写笔的设置（主要是手臂有多长）和板的移动速度。更改任一更改了编码。更长的手臂会记录更大的振幅（可以记录更微弱的声音），而更快的运动会改变记录的时间尺度，从而可以查看较短的实例并更好地比较它们。

这些振动模式记录可用于测量和比较声音，但不能用于重现声音，因为纸上的线条或烟灰中的划痕是使读数针保持边界的好方法。直到 2000 年，才使用扫描仪和数字处理来重新创建这些录制的声音。

1877 年 Edison Laps 用留声机找到了重现声音的解决方案，留声机使用一块厚锡纸记录膜的运动模式。同样，然后通过臂设置和锡箔包覆圆柱体移动（或旋转）的速度完成编码。直到 1880 年代，它才发展成蜡缸，更容易刻字和复制。卡尔奥尔夫使用了一台这样的机器。

第一台留声机于 1889 年问世，主要将记录介质的形状从圆柱体更改为众所周知的黑胶唱片形状，但由硬塑料和虫胶制成。1901 年左右，一张 12 英寸的留声机磁盘只能容纳 4 分钟的曲目，充分说明了将复杂的声音模式编码到磁盘上的问题。与此同时，一个 Edison Amberol Cylinder 能保持 4 分 30 秒，但会以 160 rpm 的速度旋转。不久之后，赛璐珞将成为当时的记录介质，而磁盘成为事实上的“标准”，因为它更易于存储。

终于在 1925 年，开发了一个真正的标准来记录大约 $78^{+0.26}_{-0.08}$rpm，这导致 60 或 50 Hz 电源电压区域之间只有 0.34 rpm 的差异（尽管它们需要不同的编码器环），从而使两种机器类型之间的记录可以互换。所有这些录音都是自然编码的：录音工具中薄膜的振动将以 1:1 的比例传输到振动手写笔，然后手写笔进行编码，这样机器就可以非常准确地再现录音中“听到”的内容.

当乙烯基在二战结束时作为记录介质出现时，读取针类型发生了变化：代替直接搅动膜的针，蓝宝石针可以搅动电子拾音器转动会激活扬声器。但是，尽管记录技术不断进步，但 12 英寸磁盘的磁道长度在 78 rpm 时仍被限制在 4 分钟左右。在 1950 年代，通过应用 LP 技术将赛道收紧，达到 17 分钟，在其使用的最后几年中，它只会达到更多。

LP 于 1948 年问世，我们称之为经典黑胶唱片。在推出时，它可以在一侧塞满 23 分钟，仅使用 33.5 rpm 作为记录速度和更薄、更紧密的盘绕槽，从而使 12 英寸磁盘的信息密度增加了 5.75 倍。4年后7寸45转“单曲”问世。在 10 年内，33.5 和 45 rpm 编码变体几乎完全取代了 78 rpm 市场。

乙烯基塑料

正如模拟录音的历史所显示的那样，对声音信号进行编码在理论上相当容易，但在实践中却很难。典型的 20 分钟12 英寸LP 黑胶唱片是一片长 427 米、盘绕 667 圈的树林。这意味着单个凹槽的宽度在 0.04 到 0.08 毫米之间 - 之间有同样薄的壁。这意味着，要获得打印的留声机唱片，您必须精确打印到 40 微米才能获得空音轨。但是，我们还需要在上面添加信号。真正的问题来了：

空轨道有大约 22 µm 的偏差，针通常根本不会拾取。有时会产生噼啪声的灰尘位于同一区域 (1-100 µm)。实际的声音信号被编码为具有小至 75 纳米的特征。这比 Grove 的几何形状低 3 个数量级，同样远低于当今任何打印机（包括 SLS）所能达到的水平，因为 50 µm 通常被认为是 2019 年的下限。

为了显示有多少微小的缺陷会破坏音质，请看这张黑胶唱片的快速铸造。底片的分辨率和随后的铸件记录足以识别音乐，但树脂铸件确实包含如此多的气泡，以至于副本的噪音水平非常高。

奖励：与柱面不同，磁盘上的信号编码从开始到结束都在变化！乙烯基以恒定速率旋转，但从中心开始的半径发生变化，导致树林任何部分的速度不同，如下所示$|v|=|\omega \vec r \sin(\theta)|$，其中 omega 是每秒 rad 的速度，theta 是簧片的角度，因此在这种情况下，正弦项变为 1 并消失。编码时必须考虑这个因素，因此如果记录不是通过将信号刻录到旋转磁盘上而自然创建的，则记录的音高不会改变。

其他编码

隆隆声带

然而，创建一个基于与另一个身体交互产生声音的结构是很容易的。公路音带在汽车轮胎上下颠簸时产生声音，将汽车和轮胎变成共振体，同时街道“敲打”它。对于像汽车这样的大型打击乐器，我们说的是厘米级。

柱塞式气缸

一种非常简单的方法是返回编码并检查音符符号，但将音符长度限制为一个单位。以这种方式编码音乐会在圆柱体上产生钉子或脊，然后可用于启动一种机制来解码音乐并像音乐盒一样产生声音。在这种八音盒中，对精度的要求比黑胶唱片低约 3 到 5 个数量级：我们说的是十分之一毫米到厘米的尺度。

这样的八音盒或发声器可以轻松打印，并且几乎是盘绕在圆柱体上的隆隆声带。样本的长度由圆柱体的分辨率、播放速度和直径决定，而复杂度由圆柱体的行数决定：噪音制造者几乎是一个 1 音符的高速音乐盒。通常，一圈可以存储大约 25 到 30 秒。典型的例子是Für Elise的第一部分，或大理石机（在第二个 30 和 35 之间，编码轮旋转五分之一）。一些桶形风琴也使用了peg方法，就像在这里看到的一样. 通过一些技巧，一个圆柱体可用于编码多个部分，一旦旋转完成并根据额外的编码器使机器的某些部分静音，例如这个由 3 部分组成的Für Elise八音盒。

孔板（-条）

另一种不同的方法是将音乐编码为连续条带中的孔，并使用空气作为解码方法。如果空气随后进入管道，我们就有了一个街头风琴。通常，人们会使用纸条作为编码信息，但它也可以被打印出来，特别是如果使用一种使用相互铰接的板而不是像本例中那样卷起的纸的设置。通过这种隐藏额外长度的方法，即使使用如此“糟糕”的编码，音乐长度的上限也很容易从几秒钟上升到几分钟。

我认为这几乎是可行的。在这个答案中，我假设您想要生成一种“隆隆声”样式的对象，该对象将再现人类语音的录音。我假设您不关心音质，您只希望单词易于理解。

要考虑的主要事项是打印机的分辨率、要打印的对象的大小和采样率。这些因素共同决定了声音的长度，以及您需要沿着声音移动以再现声音的速度。

让我们从采样率开始。CD 的采样率为每秒 44100 次采样 (Hz)，但这可能有点过分。电话使用 8000 的较低采样率，这里表示语音在 2500 Hz 的采样率下仍然可以理解。让我们按照这个速度。

现在让我们考虑打印机的分辨率。典型的喷嘴尺寸为 0.2 毫米，这可能会将分辨率限制在该尺寸附近，尽管您可能会做得更好一些，我想这个社区中的人们将能够提供帮助。我猜你想水平打印对象，所以你处理的是 xy 分辨率而不是 z 分辨率。（请注意，树脂 3d 打印机具有更好的分辨率，因此尽管它们的打印量较小，但它们可能是此任务的理想选择。）让我们首先假设 0.2 毫米是我们的分辨率，因为这应该很容易用任何打印机实现。

这意味着声音文件中的每个样本占用大约 0.2 毫米。假设我们有 1 秒的语音——例如，足够说“你好！”——在 2500 Hz。这意味着我们有 2500 个样本。2500 * 0.2mm = 500mm，所以你的隆隆带大约有 1/2 米长。这不太可能适合您的打印床，但您可以将其分部分打印并将它们粘在一起 - 您可能可以同时打印它们。您甚至可以将其卷成螺旋状，使其更像黑胶唱片。

然后你所要做的就是拿一个像吉他拨片这样的刚性物体以合适的速度沿着条带滑动，这样大约需要 1 秒钟。然后您应该会听到播放的声音。将谐振器连接到拨片或条带应增加音量。

提高分辨率将减少条带的长度，或允许您在相同长度的条带上播放更长的声音，或增加采样率。例如，如果您可以获得 0.1 毫米的分辨率，那么您可以使用相同的 0.5 米长的隆隆声带播放 2 秒的声音。

原则上，创建对象并不难，但我不知道有什么软件可以开箱即用。您只需要使表面高度与波形相对应即可。如果我这样做，我可能会编写一个 Python 脚本将波形文件转换为数字列表，然后将它们粘贴到 OpenSCAD 的多边形函数中，然后我将挤压以制作对象。但其他人可能知道更简单的方法。

这是一种利用 3D 打印机相对 (!!) 高精度层功能的替代方案：制作石蜡条并使用光学传感器重现声音。

这样做是为了在胶片条（卷轴）中的图像帧旁边对电影的配乐进行编码。基本上，给定位置处的印刷厚度会调制光通量，从而调制出光电探测器的信号强度。

请注意，与电影卷轴一样，您将需要大量空间来录制大量音频。