АУДИОИСКУССТВА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ. ЗАПИСЬ ЗВУКА

Звукозапись — процесс сохранения воздушных колебаний в диапазоне 20—20 000 Гц (музыки, речи или иных звуков) на каком-либо носителе (грампластинки, магнитная лента, компакт-диск и т. д.) с помощью специальных приборов (микрофон, микшерный пульт, магнитофон и т. д.). Сохранённая в результате этого процесса на каком-либо носителе звуковая запись называется фонограммой.


В. Карп.

Технологии и оборудование аудиоискусства. Запись звука.


Под процессом записи звука понимают преобразование сигналов в пространственное изменение состояния или формы некоторого физического тела (носителя записи) с целью сохранения в нем информации для последующего ее извлечения (получения). Информацию, сохраняемую в носителе записи, называют записью. Носитель записи, содержащий информацию, полученную в процессе записи, называют фонограммой.

За столетие с небольшим, прошедшее с момента возникновения первых идей записи звука, были предложены десятки способов записи. Среди них: механический, фотографический, магнитный, лазерный и т.д.

Механическая звукозапись. Механическая звукозапись основана на вырезании (или выдавливании) в материале носителя записи канавки с помощью записывающего устройстварекордера. При воспроизведении по канавке движется игла воспроизводящего устройства — звукоснимателя.

В процессе развития механической записи были предложены два основных способа модуляции канавки: поперечный, при котором резец колеблется влево-вправо от нейтрального положения и канавка постоянной ширины приобретает извивы, и глубинный, при котором резец смещается вверх-вниз от нейтрального положения, вырезая канавку переменной глубины и ширины.

Все предварительные операции по записи и монтажу фонограммы сегодня ведут с помощью магнитной или цифровой записи. Окончательно смонтированную фонограмму переводят в механическую на станке механической записи.

При подаче на рекордер сигнала резец начинает колебаться и вырезать канавку сложной формы. Такую канавку называют модулированной.

После окончания записи на поверхность лакового диска наносят слой серебра, служащий токопроводом при электрохимическом процессе нанесения слоя никеля толщиной 0,3 — 0,4 мм.

Полученную копию (первый оригинал) осторожно отделяют от лакового диска. С первого оригинала снова электрохимическим (гальваническим) способом изготовляют несколько (до десяти) новых копий (вторых оригиналов). После отделения второго оригинала его прослушивают, как обычную грампластинку. Обнаруженные дефекты устраняют гравировкой, контролируя эту работу под микроскопом.

Со вторых оригиналов снимают третьи оригиналы толщиной примерно 0,25 мм, которые для уменьшения износа матрицы покрывают слоем хрома (правда качество фонограммы при этом ухудшается) и используют в качестве матриц при прессовании пластинок. Одной матрицей без существенного ухудшения качества прессуют до тысячи пластинок. Материалом пластинок служит винилит — сополимер винилхлорида с 15% винилацетата и небольшой добавкой размягчающих и окрашивающих веществ.

Как уже упоминалось выше, в процессе развития механической звукозаписи были предложены два способа модуляции канавки: поперечный и глубинный. Для двухканальной стереофонической записи используют комбинацию этих двух способов. Однако управлять движением резца в горизонтальном и вертикальном направлениях непосредственно сигналами левого и правого каналов нецелесообразно ввиду некоторого различия свойств записываемых фонограмм и трудности разделения сигналов в звукоснимателе. Поэтому оба направления смещения резца поворачивают на 45° и сигналы каждого канала записывают одновременным перемещением резца в горизонтальном и вертикальном направлениях. Тогда движение иглы, воспроизводящей сигнал одного канала, происходит по направлению слева сверху — вправо вниз (и в обратном направлении), другого канала – справа сверху — влево вниз (и в обратном направлении). Поскольку угол раскрытия стенок канавки равен 90°, на каждой стенке канавки записывают один сигнал: на внешней (ближе к краю пластинки) сигнал правого канала, на внутренней (обращенной к центру пластинки) сигнал левого канала.

Магнитная аналоговая запись. Магнитная звукозапись основана на свойстве ферромагнитных материалов намагничиваться под воздействием магнитного поля и сохранять остаточное намагничивание по выходе из этого поля. По мере надобности полученную фонограмму можно стереть переменным магнитным полем.

Поле магнитной головки намагничивает ленту и преобразует временные изменения сигнала в пространственные изменения остаточной намагниченности ленты. Полученная таким образом невидимая запись представляет собой совокупность большого числа магнитиков, имеющих различную длину и напряженность поля. Лента имеет тонкую гибкую основу из лавсана, полиэфирных смол, поливинилхлорида или из других полимерных материалов. Наиболее широко используется основа из полиэфирной смолы. Толщина стандартных лент составляет около 50 мкм. Основа ленты покрывается порошком из магнитного окисла, состоящим из мельчайших частичек игольчатой формы.

Существует три типа лент. Первый — g — окисел железа (Fe2O3). Второй — двуокись хрома (CrO2). Третий — металлический (Me). Независимо от типа окислы должны наноситься на материал основы при строго определенных условиях, позволяющих получить однородный слой толщиной около 4 мкм.

Как уже упоминалось, магнитный слой  изготавливается из магнитотвердого ферромагнитного материала. В любом ферромагнетике содержатся элементарные «магнитики» — домены. Даже атом с одним электроном, вращающимся с некоторой скоростью вокруг ядра, является элементарным магнитом, так как движущийся заряд электрона создает кольцевой ток, имеющий свое собственное магнитное поле. Отдельно взятые магнитные поля атомов очень слабы, но в домене все элементарные магнитные поля атомов складываются и образуют магнитное поле домена. Если ферромагнетик не намагничен, то магнитные поля отдельных доменов ориентированы хаотично по отношению друг к другу, и результирующее магнитное поле равно нулю. Если же этот ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, например, в виде сердечника в катушку индуктивности, то под воздействием этого поля магнитные поля доменов сориентируются в одном направлении. При этом к внешнему полю добавляются собственные поля доменов, и общее поле резко возрастает.

Ферромагнетики характеризуются коэффициентом относительной магнитной проницаемости, показывающим, во сколько раз возрастает магнитная индукция в веществе по сравнению с внешним пространством. Относительная магнитная проницаемость может доходить у ферромагнетиков до нескольких десятков тысяч. Во столько же раз возрастает и магнитное поле в сердечнике. Для изготовления сердечников магнитной головки используются магнитомягкие ферромагнетики. При снятии внешнего магнитного поля у таких материалов индукция исчезает. Магнитотвердые же ферромагнетики сохраняю некоторую намагниченность и после полного снятия внешнего магнитного поля.

При записи, в обмотку головки наряду со звуковым, подается высокочастотный сигнал, имеющий значительно больший уровень, чем звуковой. Высокочастотное магнитное поле, вызываемое этим сигналом, как бы раскачивает домены ферромагнетика, разрушая жесткие связи между ними и облегчая намагничивание ленты. Напряжение подмагничивания обеспечивает запись сигналов с использованием наиболее линейных участков основной кривой намагниченности. Так как напряжение подмагничивания успевает перемагнитить ленту несколько раз за время прохода мимо зазора головки, то эти колебания практически не остаются в записи.

Фотографическая звукозапись. Фотографическая запись основана на воздействии светового потока на светочувствительный слой носителя записи — киноленты.

Электрический сигнал от микрофона через усилитель записи поступает на модулятор света. А  промодулированный световой поток образует на светочувствительном слое негативной пленки узкий пишущий штрих переменной ширины или переменной интенсивности. После фотохимической обработки и копирования образуется позитивная фонограмма. При воспроизведении источник света (читающая лампа) с помощью оптической системы создает в плоскости позитивной фонограммы узкий читающий штрих. Промодулированный фонограммой световой поток попадает на фотоэлемент.

Различают фонограмму переменной ширины и переменной плотности. В первом случае ширина фонограммы меняется, а прозрачность остается постоянной, во втором — при неизменной ширине фонограммы меняется ее прозрачность. Преимущество способа переменной плотности — более широкая полоса частот, т.к. он менее критичен к точности установки пишущего штриха. Но при записи способом переменной плотности, требуется тщательный подбор режима проявления – при малейшем отступлении от него увеличиваются нелинейные искажения. Кроме того, отдача фонограммы переменной плотности меньше отдачи фонограммы переменной ширины. По указанным причинам в подавляющем большинстве случаев используют фонограмму переменной ширины.

В зависимости от конструкции модулятора света фонограмма получается односторонней, двусторонней (симметричной) и даже с несколькими одинаковыми дорожками.

Цифровая запись. Принцип, на котором базируется способ передачи звуковых сигналов в цифровой форме, состоит в том, что полное воспроизведение любого сигнала на стороне приема возможно и в том случае, когда передается не весь сигнал, а лишь периодически выделяемые из него отсчеты.

В отличие от аналогового, цифровой сигнал, искаженный помехами, можно восстановить (регенерировать) полностью. Для этого достаточно принять решение о наличии («единицы») или отсутствии («нуля») сигнала. Длительность цифрового сигнала при передаче выбирается строго определенной, и при приеме возможно полное устранение временных искажений.

Основные преимущества цифровой записи:

1.     Возможность получения сколь угодно большого динамического диапазона и сколь угодно малых искажений;

2.     Отсутствие детонации звука;

3.     Возможность многократного копирования фонограмм без ухудшения качества;

4.     Отсутствие модуляционных шумов;

5.     Отсутствие искажений при любых уровнях сигнала в пределах динамического и частотного диапазонов.

Цифровая система звукозаписи требует представления входного аналогового сигнала в цифровом виде, а выходного цифрового сигнала — в аналоговом. Для преобразований используют аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи.

Аналоговый сигнал источника подается на фильтр, ограничивающий его частотную полосу, затем из аналогового сигнала с помощью схемы выборки-хранения выделяются отсчеты, т.е. производится квантование сигнала во времени. Обработанный сигнал поступает на АЦП, который преобразует амплитуду каждого отсчета в закодированные числа. Они и представляют собой цифровые сигналы, дискретные во времени и по величине. Для защиты от возможных ошибок, а также для согласования с параметрами канала передачи цифровой сигнал, как правило, перекодируется путем введения контрольных символов. На приемной стороне с помощью ЦАП вырабатывается сигнал, амплитуда которого в каждый момент времени соответствует амплитуде отсчета на стороне передачи. Наконец сигнал подается на фильтр НЧ, который позволяет восстановить непрерывный во времени (аналоговый) сигнал. Для того чтобы осуществить дискретизацию аналогового сигнала, его частотная полоса должна быть ограничена фильтром НЧ.

Лазерная звукозапись на компакт-диск. Компакт-диск — это коммерческое название звукозаписи, разработанной совместно фирмами Philips и Sony в конце 70-х годов, причем фирма Philips разработала функциональные принципы и аппаратурные средства, а фирма Sony — способы преобразования сигналов и соответствующую микросхемотехнику.

Носителем первичной записи служит стеклянный полированный диск, на который нанесен слой чувствительного к действию света лака толщиной 0,12 -  0,15 мкм. Запись производят лазерным лучом. Растворитель удаляет лак с участков, подвергшихся действию света. На лаковом слое образуются углубления длиной несколько микрометров и глубиной примерно 0,12 мкм. Ширина углублений — примерно 0,5 мкм.

Процесс получения копий напоминает процесс изготовления грампластинок. На лаковую поверхность диска наносят химическим путем или напылением в вакууме слой серебра, затем электропроводящую поверхность покрывают слоем никеля. Многократным копированием получают матрицы, которыми прессуют компакт-диски из разжиженного поликарбоната. Диаметр компакт-дисков — 120 мм, толщина — 1,2 мм. На диск наносят отражающий слой алюминия толщиной порядка 0,01 мкм и для защиты от царапин и грязи покрывают его прозрачным лаковым слоем толщиной 5 — 10 мкм.

В проигрывателе отраженный от поверхности диска модулированный луч лазера попадает на фотодиод, который преобразует поток света в последовательный поток цифровых сигналов. В нем же содержатся и тактовые сигналы. Тактовые сигналы отделяются из потока данных, и кодированные сигналы канала преобразуются в информационные данные, контрольные, управляющие и индикаторные символы. Декодер управляющих и индикаторных символов вырабатывает сигналы для регулирования частоты оборотов двигателя привода диска, фокусировки луча лазера, слежения за положением пятна луча на дорожке записи и для поиска нужного фрагмента сигналограммы. В помехоустойчивом декодере с помощью контрольного бита обнаруживаются и исправляются ошибки потока данных. Затем после отделения демультиплексором, поток звукоданных подается на ЦАП, который восстанавливает исходные стереофонические сигналы левого и правого каналов.

Конструкция DVD (Digital Versatile Disk — Цифровой Универсальный Диск) имеет структуру, аналогичную структуре диска CD. Поликарбонатная подложка с канавками покрыта информационным слоем красителя, отражающим слоем и защитным слоем. При рассмотрении горизонтального среза становится заметной одна важная особенность: шаг дорожек составляет всего 0,8 мкм, тогда как у CD он вдвое длиннее (1,6 мкм). С этим и связана более высокая емкость DVD.

Информационный слой в наибольшей степени влияет на рабочие характеристики диска. Большая емкость диска потребовала меньшей длины волны лазерного луча. Если информационный слой обычного диска CD изготавливается с таким расчетом, чтобы максимум отражения приходился на диапазон длин волн от 770 до 800 нм, в DVD используется красный лазер, работающий на длине волны 630 — 635 нм.

Магнитная цифровая запись. Существует два формата цифровой записи на магнитную ленту: продольно-строчная запись («stationary head digital audio tape» , S-DAT), в которой используются неподвижные магнитные головки; и наклонно-строчная запись («rotary head digital audo tape», R-DAT), которая реализуется с помощью вращающихся магнитных головок.

Одно из главных достоинств техники записи вращающимися головками — возможность достижения большей плотности по сравнению с продольной многодорожечной записью и, следовательно, большую продолжительность записи (2 часа против 90 минут). Именно поэтому R-DAT магнитофоны получили большее распространение  в профессиональной аппаратуре.

Магнитооптическая запись. Магнитооптическая запись — запись на MD (MiniDisk), ведется с помощью магнитной головки и лазерного луча на специальный магнитооптический слой. Его изготавливают из тербия, феррита и кобальта, что позволяет производить необходимое перемагничивание при записи и перезаписи, затрачивая примерно втрое меньше энергии, чем требуется для других подобных систем. Последнее обстоятельство совместно со специальной системой магнитной головки делает возможной запись при аккумуляторном питании, а также предохраняет диск от нежелательного повышения температуры.

При взаимодействии лазерного излучения и намагниченного материала возникает магнитооптический эффект Керра, вследствие которого поляризация лазерного луча изменяется в зависимости от его попадания на «плюсовой» или «минусовой» участок магнитооптического слоя, оставленного магнитной головкой. Если просто провести магнитом по минидиску, то с магнитным слоем ничего не произойдет, поскольку его свойства меняются только при нагревании до температуры Кюри.

Температура Кюри — это температура, при которой исчезает намагниченность определенного материала. Для минидисков она составляет 180° Цельсия. Для записи  MD-рекордер фокусирует луч лазера на поверхности диска, нагревая на магнитном слое крошечную точку. Затем магнитная головка, похожая на головку дисковода компьютера, записывает «узор» из единиц и нулей цифрового сигнала на поверхности этого слоя. После того как точка остынет, информация фиксируется до тех пор, пока вы не начнете записывать снова.

Разработанная для формата MiniDisk система сжатия цифровой информации ATRAC (адаптивное трансформирующее кодирование звукового сигнала) позволяет на каждом минидиске «разместить» столько же аудиоинформации, сколько на CD (74 минуты стереоаудиозаписи), используя при этом только пятую часть той же информации. В противном случае каждый MD «вмещал» бы только 15 минут звуковой информации.

Работа системы ATRAC основана на так называемом маскирующем эффекте. Этот психоакустический феномен связан с неспособностью нашего слуха, различать громкие и тихие звуки на соседствующих частотах, а также с зависимостью слуховой чувствительности от частоты звука. Разговор на улице, тонущий в грохоте транспортного потока, — вот повседневный пример маскирующего эффекта. Цель ATRAC — свести к минимуму шум переквантования, неизбежный «побочный продукт» оцифровывания аналогового сигнала. Во время записи шум переквантовании «прячется» в записываемых частотах на звуково насыщенных участках. В течение некоторого периода времени ATRAC анализирует звуковой сигнал и определяет, какая его часть находится в наиболее воспринимаемом слухом диапазоне — среднечастотном. Эта часть записывается точнее всего, а менее важные – «низшие» и «высшие» частоты — регистрируются с меньшей точностью. Длительность этого периода зависит от того, быстро или медленно меняется характер звучания. Воспроизведение происходит в обратном порядке.

 

При перепечатке данной статьи или ее цитировании ссылка на первоисточник обязательна: Копирайт © 2010 Вячеслав Карп — Зеркало сцены.

Print Friendly

Коментарии (0)

› Комментов пока нет.

Добавить комментарий

Pingbacks (0)

› No pingbacks yet.