МЯУ!
МУР-Р-Р...

ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА:

МЕХАНИЧЕСКИЙ СПОСОБ

1. Звук и звукозапись
Как-то я задумался над вопросом: а что, собственно, появилось раньше – запись или воспроизведение звука? Ведь если звук не записан, то что воспроизводить? А если запись воспроизведена, то как она была сделана? Можно ли считать звуковой записью – именно записью! –  выступы, штырьки, лунки, прорези на дисках или цилиндрах различных древних музыкальных аппаратов (рис. 1) для проигрывания мелодий?

Звук – это продольные волны в упругой среде. Примерный диапазон звуковых колебаний, которые различает человеческое ухо, лежит в пределах (округляю) от 20 Гц до 20 кГц. Звуковая волна в воздухе (в дальнейшем – просто звук) представляет собой чередующиеся области давления (рис. 2).

Звук воздействует на мембрану уха (рис. 3), вызывая ее механические колебания (я не буду касаться вопроса особенностей восприятия звука человеческим ухом). Таким образом, механические колебания порождают звук, и, соответственно, звук создает механические колебания, чтобы его можно было услышать. Этот момент является важным в процессах записи и воспроизведения звука.

Звуковой записью я буду называть ту «картину» звуковой волны, которая возникает на носителе информации (или – шире – внутри него) в результате воздействия не самой звуковой волны (это, в принципе, возможно, но практического применения не нашло), а после преобразования ее снова в механические колебания и несет в себе полную (или почти полную) информацию об исходном сигнале. Звукозапись хранит в себе такие параметры звука как громкость, частота, тембр, динамический диапазон.
Итак, источник звука (голосовые связки, струна, диффузор) совершает механические колебания и создает звуковую волну в воздухе. Эта волна постепенно затухает и уже в скором времени невозможно восстановить первоначальный вид исходного сигнала, поскольку он просто исчез. Также исчезают волны от брошенного камня на спокойной поверхности воды. Для последующего восстановления или воспроизведения сигнал надо записать.

Когда-то давно я читал фантастический рассказ о том, что в изделиях древних гончаров (рис. 4), записаны звуки, которые имели место быть в процессе изготовления. Глина затвердевает, и в ней навечно «застывают» голоса людей и все окружающие звуки. Естественно, изобретатель, герой рассказа,  смог построить аппарат для  воспроизведения этих «звукозаписей» и заглянул, таким образом, в прошлые времена. Полагаю, автор рассказа совершенно прав в том, что звуковые волны действительно воздействуют на поверхность мягкой глины и оставляют на ней микроскопические следы в виде застывших волн. Думаю, что это, скорее всего, мгновенная картина звукового сигнала. А для записи и последующего воспроизведения сигнал надо «растянуть»  во времени так, чтобы каждый его отдельный фрагмент соответствовал определенному моменту времени.

2. Звук – это аналоговый процесс
Аналоговый – это такой процесс, который протекает непрерывно с течением времени. Следовательно, график аналогового процесса – гладкая кривая. Можно ли увидеть звук, и, тем более, представить его как гладкую кривую? Обратимся к школьной физике.

Опыт №1. Закоптить стекло. Взять камертон и к его лепестку прочно прикрепить иглу. Стукнуть молоточком по камертону и быстро провести иглой по закопченному стеклу – на стекле появится след, который при рассмотрении через увеличительное стекло будет выглядеть как волна (рис. 5).

Опыт №2. Подключить микрофон ко входу осциллографа. Поднести звучащий камертон к микрофону – на экране появится осциллограмма звуковых колебаний. В зависимости от частоты звука осциллограмма будет более или менее плавной кривой (рис. 6 – осциллограмма сильно сжата во времени).
Полагаю, что опыт №1 уже есть ни что иное, как самый примитивный механический способ записи звука. Волнообразная линия на закопченном стекле – это и есть записанный звук. Уже почти 100 лет известен способ восстановить по такой записи исходный сигнал, но об этом позже.
Источник звука излучает звуковую волну. Волна – это непрерывный (аналоговый) процесс, следовательно, звуковые колебания, которые воспринимает человеческий мозг через колебания слуховой мембраны уха – это тоже аналоговый процесс. Мы воспринимаем только аналоговый звуковой сигнал.

3. Механический способ записи-воспроизведения звука
Приведенный выше простой физический опыт №1 дает намек на то, каким образом можно записать звуковые колебания. Для этого нужно острой иглой, которая колеблется со звуковой частотой, вырезать или выдавить в более-менее твердой поверхности канавку, которая своей формой (глубиной и/или шириной) повторяла бы звуковую волну.

Первый универсальный аппарат для механической записи и воспроизведения звука был изобретен в 1877г Томасом Эдисоном (рис. 7). Звук воздействовал на мембрану, с которой была жестко связана стальная игла. Для усиления колебаний мембраны применялся рупор. Игла касалась поверхности цилиндра, покрытого оловянной фольгой. Цилиндр вращался вручную, игла одновременно смещалась, оставляя на поверхности цилиндра дорожку переменной глубины (рис. 8а).  Для воспроизведения нужно было вернуть рупор с иглой в первоначальное положение и снова вращать рукоятку. В рупоре возникал тихий, но отчетливый звук – происходило воспроизведение звуковой записи (рис. 9).

Цилиндры с записью было очень сложно тиражировать, поэтому многие сохранившиеся записи для фонографа существуют в единственном экземпляре. Плотность записи была очень низкой, следовательно, время записи было небольшим.

Дорожка, которую выдавливала (или вырезала) игла в поверхности оловянного цилиндра получила название «звуковой». Профиль «дна» или «бортиков» звуковой дорожки аналогичен той волнообразной кривой, которая получалась на закопченном стекле (см. опыт №1). Таким образом, впервые механически была сделана аналоговая запись звукового сигнала, и впервые аналоговый звуковой сигнал был воспроизведен.

В 1887г изобретатель Эмиль Берлинер стал использовать для записи не валики, а диски. В диске игла вырезала дорожку переменной ширины, которая также была волнообразной и повторяла профиль звуковой волны (рис. 8б). В дальнейшем Берлинер предложил диск с оригиналом записи использовать как матрицу для тиражирования граммофонных пластинок. Этот процесс технологически был во много раз гораздо проще, чем тиражирование звуковых цилиндров, поэтому грампластинки получили очень широкое распространение.
В итоге универсальный аппарат Эдисона был разделен на два: один – для записи, другой – для воспроизведения. Основным элементом звукозаписывающего устройства был рекордер, практически повторявший конструкцию фонографа. На рис. 10 показан рекордер Берлиннера, а на рис. 11 - граммофон, отличительным элементом которого является труба-рупор.

Впоследствии на смену граммофону пришел патефон – более компактное и совершенное устройство для воспроизведения звуковых записей с грампластинок (рис. 12). Рупор патефона имел форму резонатора и был спрятан внутри аппарата.
Патефон в рабочем состоянии - один из раритетов в моем музее.

4. Электронная эра в механической записи-воспроизведении звука
С изобретением электронных ламп в процесс записи-воспроизведения звука стала активно внедряться электроника. Трехэлектродная электронная лампа – триод (рис. 13) – может генерировать и усиливать электрические колебания.
Каким же образом можно преобразовать звуковые колебания в электрические, а электрические – в механические колебания иглы рекордера?

Рупор устройства записи был заменен микрофоном (рис. 14). Электродинамический микрофон имеет тонкую легкую мембрану и жестко связанную с ней проволочную катушку, которая находится внутри кольцевого постоянного магнита. Под действием звука мембрана колеблется, следовательно, в постоянном магнитном поле колеблется и катушка. В ней возникает слабый переменный индукционный ток (явление электромагнитной индукции) звуковой частоты. Это и есть звуковой сигнал, преобразованный в электрический. Далее этот сигнал поступал на ламповый усилитель, к выходу которого был подключен электромагнитный рекордер. Устройство такого рекордера аналогично электромагниту с подвижным якоре. На рис. 15 показан электромагнитный рекордер: 1 - постоянный магнит; 2 - центрирующая пружина; 3 - ферромагнитный якорь; 4 - резец; 5 - звуковая катушка. Создаваемое в нем переменное магнитное поле звуковой частоты вызывает механические колебания якоря с иглой. Игла, как и раньше, вырезает в поверхности диска звуковую дорожку.

В устройства воспроизведения – патефоны –  внедрили пьезоэлектрические звукосниматели (рис. 16: пьезоэлектрический элемент 4, поводок 3, иглодержатель 2, игла 1, вы­водные проводники 5), ламповые усилители, динамические громкоговорители (динамики) и электродвигатели. Таким образом, на смену патефонам пришли радиограммофоны, затем – электропроигрыватели. В журнале «Радио» №3 за 1968 год я обнаружил описание аппарата с пружинным патефонным двигателем и транзисторным усилителем звука.

Основа пьезоэлектрического звукоснимателя – пьезокристалл, при деформации которого на противоположных гранях возникает разность потенциалов. Если кристалл колеблется со звуковой частотой, то соответственно меняется разность потенциалов, т.е. возникает слабый электрический сигнал звуковой частоты. Остается его усилить.

Динамический громкоговоритель (рис. 17: а) в разрезе, б) общий вид) состоит из диффузора, жестко связанного с проволочной катушкой, которая находится внутри кольцевого постоянного магнита. При протекании по катушке переменного тока звуковой частоты возникает сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Эта сила (в физике – сила Ампера) заставляет колебаться катушку, а вместе с ней диффузор со звуковой частотой. Колебания диффузора создают звук, который мы слышим.

В дальнейшем полупроводниковые компоненты – транзисторы – вытеснили радиолампы, но ничего принципиально нового в процесс записи-воспроизведения звука внесено не было. Совершенствовалась механика, схемотехника записывающей и усилительной аппаратуры, механика устройств записи и воспроизведения, конструкция динамиков и звуковых колонок – все это для достижения максимальной естественности звучания (рис. 18).

Нелирическое отступление №1: СТЕРЕО
Было бы ошибкой пропустить один важный момент. Зачем человеку два уха? Варианты ответов: чтобы лучше слышать; на всякий случай, если одно «выйдет из строя»; для красоты и симметрии: одноухий человек выглядит не очень эстетично – вполне устраивают многих моих студентов. Такие ответы относятся к разряду «прикольных», но, одновременно, – глупых. Мало кто из современных молодых людей слышал о бинауральном эффекте, некоторые слышали о стереофонии, но все втыкают себе в уши два наушника и имеют аппаратуру, как минимум, с двумя колонками.
Подробно вопрос о стереофонии я планирую рассмотреть отдельно. Пока остановлюсь на некоторых общих моментах.
Человек является продуктом земной биологической эволюции. Не только он, но и все животные имеют по два уха. Почему и зачем? Как так получилось? Ответ прост: в процессе эволюции выживают те особи, которые оказываются наиболее приспособленными к условиям окружающей среды. Два уха позволяют нам воспринимать звуковую картину окружающего мира объемной (объем – STEREO), пространственной. Возможность определять направление на источник звука – это и есть бинауральный эффект (рис. 19). Звук достигает ушей, а они лишь преобразуют звуковую волну в механические колебания. Затем особые клетки вырабатывают электрические импульсы, которые поступают в мозг. Наш мозг анализирует полученную информацию (как именно – этого точно пока еще никто не знает!). В итоге мы воспринимаем слухом некую пространственную (объемную) звуковую картину.

Технически наиболее простым оказалось смоделировать объемное звучание с помощью двух источников (рис. 20) – колонок, громкоговорителей, наушников, головных телефонов и т.п. Но имелись (и сейчас используются)  более сложные стереосистемы: в кинотеатрах, например, применялись 6-и канальные стереосистемы. Я сам в 70-х годах прошлого века прослушивал магнитные записи с помощью отечественного магнитофона «Юпитер-квадро», соответствующего усилителя и 4-х звуковых колонок – квадрофонический звук. Отечественная промышленность выпускала (в советские времена) даже квадрофонические грампластинки и был выпущен соответствующий отечественный электропроигрыватель!!

Рис. 20.

Как оказалось, стереоэффект наиболее ощутим человеческим ухом на средних частотах. Это позволило создать звуковые системы с одним сабвуфером и двумя и более парными звуковыми колонками.

Нелирическое отступление №2: МАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ
В 1889г датский инженер Вольдемар Паульсен изобрел аппарат для магнитной записи звука на стальную проволоку. Назвал он его «телеграфоном». Качество записанного звука, проблемы с носителем – стальной проволокой – не позволили этому аппарату сразу получить широкое распространение. К началу 40-х годов ХХ в. совершенствование элементной базы, изобретение магнитной ленты, новые схемотехнические решения позволили внедрить магнитофон в цепочку записи звука на пластинку.
Основное внимание было сосредоточено именно на процессе записи звука. Появились специальные студийные многодорожечные магнитофоны, с помощью которых не только непосредственно выполнялалась, но и монтировалась звуковая запись. Я сам однажды видел в комиссионном магазине 38-дорожечный магнитофон! А дальше все происходило как раньше: рекордер a пластинка a проигрыватель.
Процесс магнитной записи звука более подробно планирую рассмотреть отдельно.

5. «Цифра» в звуке: НАЧАЛО
Борьба за качественный звук не прекращалась с тех пор, как стали воспроизводить записи. Попытки убрать помехи в процессе механической записи на диск, при изготовлении матрицы привели к значительному усложнению звукозаписывающей аппаратуры. Студии, в которых происходила механическая запись, цеха по тиражированию грампластинок по уровню стерильности немного уступали современным производствам компонентов микроэлектроники. Но виниловый диск – грампластинка – имеет звуковую дорожку, в которую всегда попадает пыль. Отсюда  «неубиваемые», чисто механические помехи при воспроизведении.
Поиски различных путей повышения качества натолкнули на мысль «оцифровать» звук, т.е. преобразовать аналоговый сигнал в цифровой. Упрощенно, цифровой сигнал представляет собой закодированный звуковой сигнал из набора двоичных цифр – нулей и единиц. Поскольку кодируется чистый, без помех исходный звуковой сигнал, то декодируется и воспроизводится тот же чистый сигнал. Помехи автоматически отсеиваются уже на этапе записи. Проблема заключается в том, что на грампластинку нельзя записать цифровой сигнал.
Студийные магнитофоны стали цифровыми. Аналоговый звуковой сигнал преобразовывался в цифровой с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя), затем в цифровом виде записывался на магнитную ленту. При воспроизведении сначала происходил процесс преобразования записанного цифрового сигнала с помощью ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь)в аналоговый, затем усиление и… воспроизведение? Нет. Дальше процесс повторялся: сигнал на рекордер a запись на диск a тиражирование a  воспроизведение с помощью проигрывателя.
В чем же дело? Почему цифровые магнитофоны не получили широкого распространения? Ведь при цифровой записи на магнитную ленту и последующем воспроизведении исключалась целая цепочка обработки исходного звукового сигнала, следовательно, исключались всевозможные помехи качеству. Цифровые магнитофоны были довольно сложны, следовательно – очень дороги. Запускать их в массовое производство было бессмысленно. Тем более, что в 80-е годы появилось множество качественных аналоговых магнитофонов, которые устраивали весьма искушенного потребителя и по качеству, и по цене.

Нелирическое отступление №3: «ЦИФРОВОЙ ПРОРЫВ»
Настоящий (так называемый) «прорыв» в качестве записи-воспроизведения звука произошел тогда, когда появилась реальная и недорогостоящая возможность исключить из этой (сигнал на рекордер a запись на диск a тиражирование a  воспроизведение с помощью проигрывателя) цепочки сам носитель записанного звука – виниловый диск, этот «сборщик» пыли и прочего мусора. На смену ему пришел CD – Compact Disk или лазерный диск. Появление дешевых полупроводниковых лазеров, дешевых CD, дешевых CD-рекордеров послужило основой прорыва цифровых технологий в записи-воспроизведении звука.
Но не все так просто и однозначно. Многие меломаны критически относятся к цифровой записи, считая, что цифровой звук недостаточно естественен, чист, прозрачен и т.д. и т.п., что он жесткий, металлический и еще Бог его знает какой… Короче – нехороший. Виниловое звучание, пусть с шорохами и потрескиваниями, более глубокое, прозрачное, и, в конце-то концов, более естественное!
Лично мне тоже больше по душе «виниловый» звук, ибо он воспроизводится с носителя, на котором записана аналоговая копия исходного звукового сигнала, который (напомню) и воспринимает наше ухо. Все остальное – от лукавого.
Но победило то, что более компактно, дёшево, ёмко и надёжно.
Я предполагаю вопрос о цифровой записи информации вообще и о цифровой записи звука в частности  в будущем рассмотреть отдельно.

ССЫЛКИ:

Громкость определяется амплитудой колебаний источника звука: чем больше амплитуда, тем больше громкость.

Частота звуковых колебаний (иногда говорят «высота») зависит от частоты колебаний источника звука: чем больше частота колебаний, тем выше звук. В простых цветомузыкальных устройствах, например,  весь частотный диапазон звуковых колебаний делится (условно) на три полосы: низкие, средние и высокие частоты.

Тембр определяется гармоническими составляющими колебаний источника. Дело в том, что колебания реального источника звука не описываются простым гармоническим уравнением (по закону SIN или COS). Они содержат в себе некий набор разных частот, который и определяет тембровую окраску звука.

Динамический диапазон – это соотношение между звуками наименьшей и наибольшей громкости, которые записаны на звуковом носителе. Этот параметр зависит от типа носителя, физических его свойств, качества записи и многих других факторов. Чем шире динамический диапазон, чем качественнее звук.

НАЗАД на страницу РАДИОзвук