6.1. История звукозаписи

Поиски способов сохранения живых звуков музыки и речи и по­следующего их воспроизведения и передачи велись длительное время, однако только в конце XIX века удалось получить реальные результаты в этом направлении, которые привели к созданию раз­личных систем звукозаписи. Под процессом звукозаписи понимает­ся «перевод воздушных колебаний среды (воспринимаемых как звук) в изменение свойств какой-то другой среды (физического тела — носителя записи) с целью сохранения в ней информации для ее последующего извлечения» [14-23]. Основное промышлен­ное применение за прошедший период нашли три вида звукозапи­си: механическая, магнитная, оптическая [20, 22, 23].

Механическая звукозапись. 30 апреля 1877 года Шарль Кро (Charles Cros) послал во Французскую Академию наук документы на изобретение под названием «фонограф». Суть изобретения за­ключалась в том, что на поверхности вращающегося стеклянного диска, покрытого сажей, игла, прикрепленная к мембране, могла записывать звуковые колебания. С этого диска оптическим путем можно было получить копию на свето­чувствительной хромовой пластинке. Вращая эту металлическую пластинку и прослеживая изображение звука иг­лой, соединенной с мембраной, можно было вновь получить звук. Пока эта заявка находилась на рассмотрении в Академии наук, в октябре 1877 года Т. Эдисон (Т. Edison) в США продемон­стрировал аппарат «фонограф» (заявка была зарегистрирована 19 февраля 1878 года), пригодный для записи и вос­произведения звука [20, 33, 34]. Прин­цип действия первого фонографа заключался в следующем (рис. 6.1.2): металлический валик вращался вручную с помощью рукоятки, с каждым оборотом перемещаясь по продольной оси за счет винтовой нарезки на ведущем валу. На валик накладывалась оловянная фольга, к которой прикасалась игла, связанная с мем­браной, нагруженной на металлический рупор. Когда мембрана начинала колебаться под действием звуковой волны, игла вдавли­валась в олово, в соответствии с воспринимаемым звуком созда­вая канавку переменной глубины. Такой способ получил название «глубинной записи». Эдисон продолжал усовершенствовать свой аппарат и в дальнейшем выпустил модели, в которых носителями записи стали восковые валики, позволявшие использовать их многократно, если сошлифовывать каждую предыдущую запись. Привод из ручного стал механическим, а затем электрическим. Но Эдисону так и не удалось преодолеть главного недостатка фо­нографа, каковым являлось отсутствие способа тиражирования фонограмм. В практически неизменном виде фонограф просуще­ствовал несколько десятков лет. Как аппарат для записи музыкаль­ных произведений он перестал выпускаться в конце первого деся­тилетия XX века, но еще практически пятнадцать лет применялся в качестве диктофона, а валики к нему выпускались вплоть до 1929 года.

Новый этап в развитии механической записи начался в 1887 году, когда Эмиль Берлинер (Е. Berliner) предложил использовать попе­речные колебания иглы для записи звука на плоский диск. Рабо­тая над своей идеей, Э. Берлинер сначала построил и опробовал прибор Шарля Кро, применив взамен хромовой пластинку из цин­ка. Опыт оказался удачным, на разработанное устройство, впос­ледствии названное «граммофоном», был получен патент 26 сен­тября 1887 года. Совершенствуя свое изобретение, Э. Берлинер разработал метод получения пластинок способом химического травления: на поверхности цинковой пластинки, покрытой тонким слоем воска, записывающая игла процарапывала канавку, которая затем протравливалась соляной кислотой. Полученная таким спо­собом пластинка позволяла получать звук большей громкости и лучшего качества. Такие пластинки Э. Берлинер продемонстри­ровал в 1888 году, и этот год можно считать началом эры грамза­писи. Через пять лет был разработан способ гальванического ти­ражирования с позитива цинкового диска, а также технология прессования грампластинок из эбонита при помощи стальной пе­чатной матрицы. В скором времени эбонит был заменен компози­ционной массой на основе шеллака, пластинки стали качественней и дешевле, хотя главным их недостатком была малая механиче­ская прочность. Шеллачные пластинки выпускались до середины XX века.

Первоначально диск приходилось вращать вручную, и это было главным препятствием широкому распространению граммофонов. С изобретением специального двигателя начался массовый выпуск граммофонов по всему миру. Сразу две фирмы в США стали ра­ботать в области звукозаписи — это JVC и CBS. В первые годы XX века появились европейские фирмы грамзаписи: «Граммофон» в Германии, «Пате» во Франции и др., открывшие свои филиалы в других странах. Портативный граммофон стал называться в Рос­сии патефоном. Фирма «Пате» первой начала выпуск грампласти­нок в России в 1907 году с матриц, ввозимых из-за границы. Про­изводство собственных пластинок началось в России в 1910 году на Апрелевском заводе под Москвой.

Шеллачные грампластинки непрерывно совершенствовались. Скорость вращения, вначале установленная меходу 68 и 88 об/мин, утвердилась на 78,26 об/мин. Диаметр пластинок со 175 мм уве­личился до 250 и 300 мм. С 1903 года начался выпуск двусторон­них грампластинок, разработанных фирмой «Одеон».

Следующий этап в развитии механической записи связан с за­меной механоакустического способа записи с помощью рупора электроакустическим с использованием микрофона. Этот этап на­чался в конце двадцатых годов, в России — с 1929 года. Электри­ческая запись с использованием микрофонов, усилителей низкой частоты и специальных рекордеров, преобразующих электрический сигнал в механические колебания резца, резко улучшила качество грампластинок за счет уменьшения нелинейных искажений и рас­ширения частотного диапазона со 150-4000 Гц до 50-10000 Гц. Этот же период характеризовался появлением новых видов аппа­ратуры для воспроизведения (электродинамических громкоговори­телей, усилителей и др.).

В 1948 году крупнейшая фирма грампластинок «Columbia Records» разработала новую систему записи «долгоиграющих» пластинок, для чего был создан специальный полимерный матери­ал винилит. Долгоиграющие виниловые пластинки за счет ис­пользования уплотненной записи с микроканавками и снижения скорости проигрывания до 33 7₃ об/мин позволяли записывать про­изведения, длительность которых достигала 30 минут для одной стороны пластинки при одновременном расширении частотного ди­апазона до 16000 Гц. Кроме того, пластинка стала небьющейся. Одновременно фирма RCA разработала грампластинки диаметром 175 мм с большим центральным отверстием и скоростью враще­ния 45 об/мин для проигрывания на автоматах. В России долгоиг­рающие пластинки стали выпускаться с 1950 года. В том же году в мире появились долгоиграющие пластинки с переменным шагом записи, позволившие увеличить длительность записи еще на 30%. Производство таких пластинок в России началось в 1956 году.

Попытки создания стереофонической записи были сделаны еще в 1910 году, при этом пытались один сигнал записывать глубинным способом, другой — поперечным в двух параллельных канавках. В 1958 году был окончательно принят способ записи стереоплас­тинок, при котором сигналы обоих каналов записывались раздель­но на стенки канавки, ориентированные под углом 45° к поверхно­сти пластинки (впервые он был предложен А. Блюмлейном в 30-е годы). Такой способ оказался совместимым с монофоническим. Массовый выпуск стереофонических пластинок начался на рубеже шестидесятых годов. В последующие годы были разработаны еще более сложные системы записи, например четырехканальные (квадрофонические) и др.

Общий принцип механической записи заключался в том, что на металлическом диске, покрытом слоем пластика, вырезалась спи­ральная канавка с помощью специального электромеханического преобразователя — рекордера с резцом из твердого материала (рис. 6.1.3). Рекордер (рис. 6.1.4) колебался в плоскости, парал­лельной диску (колебания его модулировались переменным элек-

трическим током, подводимым к его обмотке), и вырезал извилистую спиральную канавку, форма которой определялась параметрами подводимого звукового сигнала [14]. При записи моносигнала обе стороны дорожки были одинаковы, при записи сте­реосигнала резец совершал как боковые, так и глубинные колебания и на разные стороны дорожки записывалась разная информация для правого и левого сигнала (рис. 6.1.5). С этого диска затем оировались копии, с которых прессовались пластинки [9, 14, 22, 33, 34]. При воспроизведении игла звукоснимателя (адаптера) двигалась по канавке, повторяя смещение резца при записи. Механические смещения иглы трансформировались в звукоснимателе в электрический ток, ко­торый затем усиливался и воспроизводился. Качественное вос­произведение механических записей во многом зависело от мас­сы и упругости подвижной системы звукоснимателя, которая включала в себя иглу, элементы передачи механических колеба­ний и преобразующее устройство. В качестве звукоснимателей начиная с 1930-х годов применялись электромагнитные адаптеры, в них сначала использовались сапфировые иглы, затем для про­игрывания долгоиграющих пластинок начали выпускаться специ­альные корундовые иглы. Позднее получили распространение электродинамические и пьезоэлектрические звукосниматели; в по­следних в качестве материала для пьезокристалла использовалась сегнетова соль, потом на смену ей пришла пьезокерамика [22]. В 1970-е годы механическая запись постепенно уступила место оптической звукозаписи, хотя сохранился огромный парк винило­вых грампластинок и большое количество любителей старых ана­логовых записей на них [9, 23].

Магнитная звукозапись. В 1898 году Вальдемар Паульсен (V. Poulsen) получил первый патент на устройство магнитной запи­си звука, используя стальную проволоку как носитель. Лента появи­лась только в 1930-е годы, причем в качестве основы использова­лась бумага, только позднее она была заменена полимерной пленкой [18]. Больших успехов в совершенствовании технологии магнитной записи добились немецкие специалисты в 1940-е годы. Уже в 1935 году были организованы первые публичные демонст­рации фирмами BASF/AEG нового прибора «Magnetophone» на Берлинском радио. В 1936 году с его помощью были сделаны записи живого концерта. Качество магнитофонов улучшилось с изобретением фирмой AEG системы высокочастотного подмагничивания. Разработанные в Германии магнитофоны были выве­зены в Америку и использовались в радиовещании до 1948 года.

В 1948-м году был продемонстрирован на выставке первый аме­риканский магнитофон Model 200, созданный фирмой Атрех, ис­пользующий ацетатную пленку, покрытую гамма-окисью железа. В этом же году появилась другая модель магнитофона «Long play record» (конструктор П. Гольдмарк). В период перехода с лампо­вой на транзисторную схемотехнику в конце 1950-х фирма Атрех создала первый магнитофон для записи стереозвука. В начале 1960-х появились магнитофоны для многодорожечной записи (4, 8, 16 треков), в них начала применяться система шумоподав­ления фирмы Dolby, SMPTE-time коды и др. В 70-е годы XX века техника создания многоканальных аналоговых магнитофонов до­стигла очень высокого уровня, они выпускались такими фирмами как Studer, Sony, Otary, Ampex, Mitsubishi и др. Большое количество радиодомов и телецентров в России были оснащены студийными многоканальными магнитофонами фирмы Studer и др., а также отечественными магнитофонами марки МЭЗ и др., обеспечиваю­щими высокое качество записи.

Первые попытки записи цифрового звука были предприняты для магнитофонов в 70-е годы [18, 19]. В результате работ, вы­полненных в технической лаборатории японской радиовещатель­ной компании NHK, в 1967 году был создан первый цифровой магнитофон, в котором сигнал преобразовывался в цифровую форму с частотой дискретизации 31,5 кГц и 12-разрядным нели­нейным квантованием. Сигнал записывался на видеомагнитофон с двумя вращающимися головками на ленту шириной 2,54 мм. В нем удалось обеспечить очень высокие для того времени па­раметры — диапазон частот 10Гц — 15кГци динамический ди­апазон 75 дБ. После этого работы по совершенствованию циф­ровых магнитофонов начались на многих фирмах, в основном на базе видеомагнитофонов как с неподвижными, так и с вращаю­щимися головками. В 1977 году фирма Sony выпустила ИКМ- адаптер, приставку к видеомагнитофону, которая позволяла запи­сывать на него цифровой звук. В 1983 году была стандартизована система цифровой магнитной записи для массового производ­ства, получившая название DAT (Digital Audio Таре — цифровая звуковая лента). В 1985 году был принят стандарт для записи по системе R-DAT с вращающимися головками, обеспечивающей па­раметры: 2-22000 Гц, «сигнал/шум» — 98 дБ, К. Н. И. — 0,005% и др. Кассета с размерами 75х54х 10,5 мм, записанная по та­кой системе, обеспечила звучание двух часов музыки с очень вы­соким качеством (см. раздел 6.3.4). Дальнейшее развитие этой техники происходит в настоящее время в связи с переходом на новые носители информации — например, развивается многодо­рожечная запись на жесткие магнитные диски с объемом допу­стимой информации десятки гигабайт (Гб).

Оптическая звукозапись. Первые попытки использования для записи звука оптических (точнее, фотографических) методов были предприняты еще в 1930-е годы. Эти попытки положили на­чало развитию звукового кино. Принцип работы таких систем со­стоял в следующем: с помощью микрофона звуковые колебания преобразовывались в электрический сигнал, этот сигнал усили­вался до нужной величины и поступал на специальное устрой­ство — оптический модулятор, который модулировал полученным сигналом световой луч, падающий на светочувствительную плен­ку. Вначале модулируемым параметром светового луча была его яркость, впоследствии модуляция стала осуществляться путем перемещения луча перпендикулярно оси звуковой дорожки (попе­речная запись), которая размещалась у края кинопленки. После экспозиции пленка проявлялась и закреплялась обычным фото­химическим способом. С полученного оригинала, который пред­ставлял собой негатив, делались позитивные копии. Эти копии также проявлялись и закреплялись.

Процесс воспроизведения звука с полученной таким путем до­рожки показан на рис. 6.1.6. С помощью оптической системы ОС свет лампы Л фокусируется на звуковую дорожку кинопленки КП. Пропорционально изменениям ширины звуковой дорожки меняет­ся и интенсивность проходящего через нее светового потока. Этот поток попадает на фотодиод, который преобразует его в электрический сигнал. Изменения величины сигнала фотодио­да соответствуют изменениям интенсивности светового потока. Полученный сигнал затем усиливается до нужной величины и воспроизводится акустическими системами. Такая технология за­писи звука нашла применение только в кинопроизводстве, посколь­ку возможности ее массового использования ограничиваются сложностью обработки пленки и невысокими качественными пока­зателями записанного звукового сигнала.

Первые работы по оптической записи звуковой информации на дисковый носитель начались в 1961 году в Стэнфордском универси­тете Т. Стокманом (Т. Stockman).

Здесь также запись звукового сигнала осуществлялась вна­чале фотографическими мето­дами (в виде светлых точек и черточек на темном фоне) и воспроизводилась путем про­свечивания диска лучом ртутной лампы. В дальнейшем были опробованы и другие способы записи и считывания звуковой информации на диск. Работы в этом направлении проводили многие фирмы, но наиболее удачную технологию оптической зву­козаписи разработали и в 1972 году продемонстрировали специ­алисты фирмы Philips. Звуковой сигнал здесь записывался в виде спиральной дорожки из последовательности углублений различ­ной длины, расположенной на отражающей поверхности диска, покрытой тонким слоем алюминия. Диск изготавливался из про­зрачной пластмассы, и считывание информации осуществлялось сфокусированным лучом полупроводникового лазера сквозь всю его толщину (подробнее об этом см. в разделе 6.3.4). Междуна­родный стандарт IEC (МЭК — Международный Электротехнический Комитет) на систему «компакт-диск» был принят 6 октября 1982 года, и с этого момента началось массовое производство как самих компакт-дисков, так и аппаратуры для их воспроизведения.

В 1992 году на потребительском рынке появился новый носи­тель — магнитооптический мини-диск, который позволил не только воспроизводить звуковые программы той же продолжительности, что и программы на компакт-диске (74 минуты), но и записывать их. Диаметр мини-диска (64 мм) почти вдвое меньше диаметра компакт- диска (120 мм), и запись на него такого большого объема музыкаль­ного материала стала возможной только благодаря использованию алгоритма компрессии данных по стандарту ATRAC [19].

В конце 90-х годов XX века были разработаны две новые тех­нологии цифровой лазерной звукозаписи — DVD (Digital Versatile Disc — цифровой многопрофильный (легко изменяющийся) диск) в модификации DVD-Audio и SACD (Super Audio CD — звуковой компакт-диск со сверхвысоким качеством звучания) (см. раздел 6.3.4).

В настоящее время происходит дальнейшее развитие техноло­гий записи звука, в том числе в направлении увеличения емкос­ти носителей информации. В 2000 году фирма Sony объявила о создании компакт-дисков повышенной плотности формата DDCD, позволяющего вдвое увеличить количество информации, записы­ваемой на диск (до 1,3 Гб). Фирма TDK предложила свой формат многоуровневой записи Multi-Level Recording, позволяющий увели­чить объем информации на диске в три раза (до 2 Гб). Огромным шагом вперед является разработанная фирмой C3D технология трехмерного флюоресцентного дискового носителя, в котором за­пись осуществляется не только по площади, но и по глубине на нескольких слоях. Фирма объявила о готовности продемонстриро­вать 100-слойный диск емкостью в 1 терабайт. Ведутся интенсив­ные научные работы по использованию твердотельных объемных накопителей, уже демонстрировались опыты по голографическим способам объемной записи информации в кристалл ниобата лития. Кристалл объемом 1 см³ может содержать до 1 терабайта инфор­мации [19]. Таким образом, возможности развития этого направле­ния техники представляются почти безграничными.