從愛迪生發(fā)明留聲機(jī)開始，人類保存和傳播聲音的歷史已經(jīng)有 140 多年。

但在最近的 20 年里，一種音頻格式的誕生卻改變了人們的音樂體驗(yàn)。那就是 MP3 。

作為世界上應(yīng)用最為廣泛的音頻格式，MP3 的誕生第一次讓音樂成為一種人人可以觸及的大眾消費(fèi)品。

應(yīng)該有不少小伙伴擁有的第一個(gè)音樂播放器，就是 MP3 Player 吧，甚至在當(dāng)年，大家都默認(rèn) MP3 就是音樂的代名詞。

但同樣是數(shù)字音頻， MP3 只有標(biāo)準(zhǔn) CD 大小的十二分之一，而對于人耳來說，這兩者的區(qū)別，有，但要比圖片壓縮之類的要難以察覺的多了，所以它對音樂做了什么? 又丟掉了什么呢？

大家好我是差評君，今天跟大家聊聊你最常見到的音頻格式——MP3。

如果我們想減少一個(gè)文件的體積，最直接的方法就是壓縮。

通常我們理解的壓縮，都是重復(fù)壓縮。比如你去超市買 5 瓶可口可樂，小票上不會寫 5 次可樂，只用寫“ 可口可樂*5 ”就行了。這個(gè)過程就相當(dāng)于把文件里重復(fù)的部分用更短的字節(jié)編碼。文件本身不會丟失數(shù)據(jù)，解碼后也不會損耗任何信息，只是讓文件體積變小了。

這是一種無損壓損，實(shí)際上 MP3 的最后一步就是這么干的，它用一種叫Huffman Coding的算法來完成。但如果只用這種算法，MP3的體積并不會顯著縮小。

因?yàn)槁曇舯旧硎且环N極其混亂，信息熵非常高的數(shù)據(jù)。所以這種方式不可能讓它縮小到 CD 體積的 10 % 。

那既然無損壓縮這條路走不通了，干脆就丟掉一些信息好了。

那 MP3 到底丟了哪些聲音呢？

我們要想知道答案，最簡單的方式就是對比。

我們把同一段聲音的 MP3 和它的無損版本并列在兩條軌道上，把其中一軌反相，那如果它倆的聲音是一樣的，就會互相抵消，我們就應(yīng)該得到一個(gè)靜音效果。這也是降噪耳機(jī)的工作原理。

但因?yàn)?MP3 是有損壓縮，但只有這樣我們還說不出 MP3 和無損的區(qū)別。如果一段音樂就是在 MP3 和無損之間不斷切換的，你真的能區(qū)分的出來嗎？我相信你是聽不出來的。

這就是 MP3 算法的神奇之處，它的壓縮并不是簡單的丟掉聲音數(shù)據(jù)，而是在丟掉數(shù)據(jù)的同時(shí)，你卻察覺不到。

Brandenburg 和 Dieter Seitzer 的故事

70 年代末，有一個(gè)叫迪特·塞策（ Dieter Seitzer ）的德國教授突然冒出個(gè)超前的想法。他想讓大家可以坐在家里，用 ISDN 的電話線，打電話來點(diǎn)播音樂，就跟點(diǎn)唱機(jī)差不多。

ISDN 是當(dāng)時(shí)流行的數(shù)字線路，也叫“ 一線通 ”，你可以用它打電話、收發(fā)傳真之類的，但它的速率只有128kbps 。

所以當(dāng)?shù)咸匕堰@個(gè)想法申報(bào)專利的時(shí)候，專利局的工作人員告訴他這事兒沒戲。除非你能讓 ISDN 的網(wǎng)絡(luò)速率提高十二倍，那才夠傳輸 CD 的數(shù)據(jù)量。

迪特一聽，提網(wǎng)速這事兒估計(jì)自己干不了，但如果發(fā)明出一種只有 CD 1/12 大小 的音頻格式，不就可以搞這個(gè)“ 數(shù)字點(diǎn)唱機(jī) ”了嗎。于是他轉(zhuǎn)頭把這個(gè)發(fā)明工作交給了自己一個(gè)叫Karlheinz Brandenburg的學(xué)生。

Brandenburg 的碩士論文研究方向是一個(gè)叫 ATC 的語音壓縮算法，迪特也是看中了這點(diǎn)才找到他的。但 Brandenburg 接到這個(gè)任務(wù)的時(shí)候也很郁悶。

心想 tnnd 你一個(gè)教授都做不出來，我小小一博士生怎么做的出來，但導(dǎo)師交待的任務(wù)又不能不完成，所以他就打算用幾年的時(shí)間來證明這事兒不可能，然后論文一寫，把博士學(xué)位混到手算球！而就在他證明“ 不可能發(fā)明一個(gè)比 CD 小 12倍 的音頻文件 ”的過程中，他卻發(fā)現(xiàn)，哎，這事還真是有可能的。

讓 Brandenburg 覺得這事兒有戲的關(guān)鍵，是一個(gè)極其冷門的學(xué)科，叫心理聲學(xué)（ Psychoacoustics ）。

這是一門心理物理學(xué)的分支研究，最早源于人們對音樂和樂器的探索，后來成為了研究人的生理感官和客觀聲音世界之間關(guān)系的學(xué)科。聽起來很復(fù)雜，其實(shí)很好理解，比如人耳的聲音定位，聽力范圍這類研究，都屬于心理聲學(xué)的范疇。

在心理聲學(xué)里有一個(gè)非常經(jīng)典的研究，就是等響曲線。這個(gè)曲線告訴我們，人耳對于不同頻率的聲音，感知相差極大。人類的聽覺范圍在20-20000Hz之間，而在這個(gè)范圍里的不同頻率下，我們聽到的響度是不一樣的。

低頻的聲音需要更大的聲壓才能和中頻較小的聲壓，所形成的聲音大小聽起來相等。

就比如貝斯就需要更大的音量，才能跟吉他聲聽起來差不多大。這也是為什么貝斯這類低音樂器的音箱要比其他音箱的體積大得多。

而圖中的最低點(diǎn)出現(xiàn)在3000Hz左右，所以說明人對這個(gè)頻率的聲音最敏感，只需要比較小的聲壓就能聽到。比如我們聽到的大部分的警報(bào)聲，基頻都在 1000-3000Hz ，這樣人耳才能更容易捕捉這些聲音，從而避免危險(xiǎn)。

有意思的是，隨著年齡增大，我們對于聲音的接收范圍也在變小，大多數(shù)成年人聽不到頻率在 16000Hz 以上的聲音。

沿著這個(gè)方向，等響曲線的發(fā)現(xiàn)者又研究出了一個(gè)更加神奇的事情，讓我們意識到我們的感官和客觀到底差距有多么巨大。

這個(gè)東西，就是“ 掩蔽 ”（ Masking ）。

1958 年的某天下午，一個(gè)叫 Licklider 的心理學(xué)家去看牙醫(yī)，他跟醫(yī)生說，我不需要打麻藥。然后掏出了一副耳機(jī)，開始聽震耳欲聾的音樂。在巨大的音樂聲中，牙醫(yī)幫他搞定了三顆齲齒，而他就像被打了麻醉劑一樣，竟然沒有感覺到疼。

Licklider 把這項(xiàng)技術(shù)命名為 Audiac ，之后他帶著這玩意和牙醫(yī)一起巡診拔牙，還幫助了不少婦女緩解了分娩時(shí)的疼痛。

Audiac 用了一種強(qiáng)烈的聽覺刺激來抑制疼痛，這就是一種跨感官的掩蔽效果。

在聽覺系統(tǒng)中，一種聲音也會被另一種同時(shí)發(fā)出的聲音所掩蓋。比如在一個(gè)樂隊(duì)里，往往是吉他聲在 C 位，但如果突然有相似頻率的樂器加入，比如小號。那吉他的聲音就會被短暫的淹沒。這一過程叫作同頻掩蔽。

我們用一個(gè)動畫來舉例子，當(dāng)一個(gè)頻率從低到高的噪音經(jīng)過一個(gè)正弦音的時(shí)候，這個(gè)聲音會被噪音掩蓋。

再比如你上課的時(shí)候，想用一聲咳嗽來掩蓋自己放屁的聲音，那你最好要滿足三個(gè)條件，一是咳嗽聲的時(shí)長大于等于屁聲，二是咳嗽聲的響度要大于等于屁聲。三是要保證二者的頻率接近。這三個(gè)條件都滿足，才是一次出色的掩蔽。

那這和 MP3 有什么關(guān)系呢？MP3 的算法就是利用了人耳的這種特性，將歌曲中不同頻率里被淹沒的聲音瞬間，給丟掉了。這樣就可以在減少文件體積的條件下，最小程度的損失音質(zhì)。

時(shí)間掩蔽 temporal masking

但這還不夠。

當(dāng)我們聽到一個(gè)噪音戛然而止的之后，實(shí)際上會有一個(gè) 100-200ms 的逐漸減弱的掩蔽效果。在噪音完全停止后的這段時(shí)間里，比他更小的聲音會被掩蔽，我們是完全聽不見的，就像我們的耳朵需要 200ms 的時(shí)間回復(fù)知覺一樣。

不光如此，噪音還會掩蔽在它之前的聲音，雖然只有 50ms，但對于感官來說已經(jīng)是相當(dāng)長的一段時(shí)間了，這意味著我們的大腦需要 50ms 的緩沖才能報(bào)告到意識里。

而這個(gè)前后過程，就叫作時(shí)間掩蔽。

MP3 壓縮算法的核心，就是利用一個(gè)精心迭代了許多年的人體聽覺心理學(xué)模型，把音樂里的每一個(gè)瞬間對應(yīng)在 MP3 文件格式里的每一幀（ FRAME ），檢查這個(gè)幀內(nèi)，上述兩種掩蔽作用所發(fā)生的頻率和時(shí)間段，把那些被掩蓋的，我們聽不到的音頻信息統(tǒng)統(tǒng)丟掉。

這個(gè)過程并不單純是精確地，機(jī)械式地判斷，它的底色其實(shí)是感官上的把控。

在 MP3 算法測試初期，測試人員需要在海量的歌曲中找出 MP3 壓縮算法的問題。它們要在各種歌曲的 MP3 和無損版本之間對比，而且每聽一首歌他們都要評級，一共有四個(gè)等級，分別是：聽不出區(qū)別、有一點(diǎn)區(qū)別、有點(diǎn)難聽和非常難聽。特別是最后兩個(gè)選項(xiàng)，可以說是非常主觀的判斷了。

這意味著 MP3 算法的發(fā)明和改進(jìn)，實(shí)際上把人的主觀評判作為考量的目標(biāo)之一。我們不能說這種算法是完全主觀的，它也不是絕對客觀的，所以它的效果也不可能在所有歌曲中都是平均的。

說到這，就不得不提 MP3 發(fā)明過程中的一個(gè)小故事。在 MP3 壓縮算法測試的最后階段曾遇到過一個(gè)大難題，當(dāng)時(shí) Brandenburg 和他的同事們覺得自己的算法已經(jīng)非常牛逼了，幾乎在所有的雙盲測試中都很難聽出區(qū)別。

有天他無意中看到雜志上說大家喜歡用 Suzanne Vega 的歌曲 Tom's Diner 來測試自己的音箱，而他正好在弗勞恩霍夫?qū)嶒?yàn)室（ Fraunhofer ）看到了這張 CD ,于是他就把這首歌上傳到了電腦上。

這首歌非常簡單，是一個(gè)純?nèi)寺暎瑳]有伴奏的歌曲。但當(dāng)他通過 MP3 的壓縮算法處理這首歌之后，卻得到這樣一個(gè)效果。

在 MP3 較低的比特率下，Vega 的聲音變得沙啞，不自然。于是在之后的一年時(shí)間里，研發(fā)團(tuán)隊(duì)又對 MP3 算法做了幾千次的微小調(diào)整， Brandenburg 說自己至少聽了三千遍這首歌，可能比地球上任何人聽得次數(shù)都多。

最后他們成功壓縮了這首 Tom's Diner ，也通過這首歌，真正完善了 MP3 的壓縮算法。

許多年之后，Brandenburg 真的遇到了 Vega ，而且還現(xiàn)場聽她唱了那首Tom's Diner。盡管已經(jīng)聽了無數(shù)遍，但他說，這首歌依然很好聽。

Brandenburg 終于在 1989 年發(fā)表了他的論文。下一步就是將這項(xiàng)技術(shù)推向世界。也就是在 90 年代初，業(yè)界突然出現(xiàn)好幾種新興技術(shù)，它們正在尋找一種新的音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)來使用，這其中包括我們熟悉的“ CD-ROM ”和“ DVD ”。

于是他和他的團(tuán)隊(duì)向動態(tài)影像專家組（ MPEG ）提交了參賽作品，他們要和另外 13 個(gè)團(tuán)隊(duì)競爭新的音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。而最大的競爭對手來自一個(gè)名為 MUSICAM 的組織，這個(gè)組織的背后是飛利浦，當(dāng)時(shí)飛利浦手握 CD 光盤的專利，可以說是如日中天。

所以盡管他們團(tuán)隊(duì)的技術(shù)數(shù)據(jù)量更小，音質(zhì)也更強(qiáng)，但最后還是輸給了 MUSICAM 。

因?yàn)镸USICAM 的算法需要的處理能力更少。在當(dāng)時(shí)處理器普遍不太行的時(shí)代，確實(shí)更有優(yōu)勢。

因此在當(dāng)年，MP3 是一個(gè)妥妥的失敗品。連它的發(fā)明者也已經(jīng)開始著手研究新的音頻編碼。MP3 就這樣被扔進(jìn)了歷史的垃圾堆里。

直到 90 年代中期，兩種革命性技術(shù)的誕生，讓 MP3 這顆棄子重新活了過來，那就是萬維網(wǎng)和 Windows 95。

一個(gè)同樣來自德國的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種用于 MP3 的軟件播放器，并且發(fā)布在了 Windows 系統(tǒng)上。

當(dāng)時(shí)，1 GB 大小的硬盤剛剛開始普及，存儲空間非常珍貴，反而處理器有了巨大的提升。所以體積更小的 MP3 慢慢被大家接受，也意外的成為了新的音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。1995年7月14日是 MP3 的生日，Karlheinz Brandenburg 和他在弗勞恩霍夫研究所的同事們（ Fraunhofer ）決定把這個(gè)壓縮算法的文件擴(kuò)展名，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的全稱 MPEG-2 Audio Layer III ，命名為 .MP3。

到了 90 年代后期，“ MP3 ”取代“ SEX ”成為搜索引擎上查詢最多的詞。某次 Brandenburg 在香港出差時(shí)，看到櫥窗里擺著 30 種不同品牌的 MP3 播放器，他心想，“ 好吧，我們終于贏了。”

MP3 的誕生比我想象的要復(fù)雜的多，它是一個(gè)耗時(shí)多年，經(jīng)歷了無數(shù)迭代才得到的科研成果。這個(gè)成果可以說是重塑了人類音樂產(chǎn)業(yè)。也正是由 MP3 開始，音樂，成了一種人人可以觸及的大眾消費(fèi)品。

從黑膠、磁帶，再到 CD、MP3，每一次技術(shù)革新都在改變?nèi)藗兊囊魳敷w驗(yàn)，也在改變大家消費(fèi)音樂的方式。而 MP3 在這段歷史中格外的與眾不同。推崇它的人認(rèn)為，MP3 無比偉大，它讓大家都能便捷地享受音樂；而反對它的人，視它如猛獸，因?yàn)樗淌闪顺举囈陨娴陌鏅?quán)，以及唱片業(yè)曾經(jīng)的黃金時(shí)代。

今天，數(shù)字音樂留了下來，但 MP3 已經(jīng)走到了被時(shí)代淘汰的邊緣。我們再也不需要把音樂下載到播放器里，再用播放器來聽音樂，大家都是用手機(jī)在線聽歌，5G 通訊和幾百G內(nèi)存，讓音頻壓縮變得更沒必要，音樂平臺也漸漸轉(zhuǎn)向了FLAC等無損格式。

但我們都記住了那個(gè)聽 MP3 的時(shí)代，和那些陪伴過我們的音樂。

好了這就是今天的內(nèi)容，這期視頻跟平時(shí)有點(diǎn)不一樣，我們引用了重輕老師在小宇宙的播客，「 不在場 」節(jié)目的第二季第一集，感謝重輕老師的支持，也希望大家能去小宇宙收聽重輕老師的「 不在場 」節(jié)目。謝謝各位的觀看，如果你喜歡的話歡迎你一鍵三連，如果你有什么想說的，也歡迎你在評論區(qū)和彈幕里跟我們互動，最后最后拜托拜托關(guān)注一下我們，我們下次再見。

圖片、資料來源：

不在場 S2E1 MP3 -重輕

Equal-loudness contour

Karlheinz Brandenburg，Dieter Seitzer，Huffmancoding -Wikipedia

How MP3 Got Its Groove -Internet hall of fame

The History of MP3 Technology -ThoughtCo.

The Human Auditory System -ScienceDirect

The Music Industry Strikes Back | System Shock Ep 2 -Bloomberg Quicktake: Originals

How a Suzanne Vega Song Helped Create the MP3 - Great Big Story

Perceptual Coding: How Mp3 Compression Works -WaybackMachine

SOUND THAT KILLS PAIN - Will Stephenson

語音信號處理 -韓紀(jì)慶

聲學(xué)發(fā)展史之——心理聲學(xué)(Psychoacoustics) -知乎 子魚

MP3 走到了終點(diǎn)，為電話和廣播而生的技術(shù)，改變了整個(gè)音樂產(chǎn)業(yè) -好奇心日報(bào)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的MP3是如何骗过你耳朵的？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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