Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
РАЗДЕЛ IV. ЗАПИСЬ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
ТЕМА 4.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЗВУКОЗАПИСИ.
Звукозапись — это процесс переноса звуковых сигналов с помощью специального устройства на движущееся тело. В процессе звукозаписи изменяется физическое состояние или форма поверхности материала. Эти изменения могут быть подобны форме звукового сигнала — такую запись называют аналоговой. Запись можно вести, применяя кодовые посылки — это кодовая запись. В принципе коды могут быть самыми различными, но нас в дальнейшем будут интересовать только те, что связаны с цифровой кодировкой звуковых сигналов и, соответственно, с цифровой записью звука. Материал, используемый при звукозаписи и сохраняющий интересующую нас информацию, называется носителем записи. След на носителе после записи звуковой информации в виде череды аналоговых или кодовых изменений физического состояния материала называют фонограммой, а место расположения фонограммы на носителе — дорожкой. Воспроизведение — процесс, обратный звукозаписи, его конечная цель — восстановление сигналов звуковой информации.
Известно достаточно много способов" и, соответственно, систем звукозаписи. Ниже мы упомянем только те, что нашли и находят применение в профессиональной звукозаписи, их можно разбить на следующие группы: фотографическая, механическая, магнитная, оптическая и магнитооптическая.
ТЕМА 4.2. ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗВУКОЗАПИСИ
Фотографическая запись применяется в производстве кинофильмов. Звуковой сигнал изв через усилитель У поступает на специальное устройство — модулятор света МС, где воздействует на световой луч, падающий на светочувствительную кинопленку (рис. 62). Запись звука ведется на звуковые дорожки, размещаемые у края пленки. Используется тот же химический процесс, что и при фотографировании изображений.
Для модуляции света использовались два способа. Первый связан с модуляцией светового луча по яркости, широкое применение этот способ нашел в первые годы звукового кинематографа. Фонограмма представлена изменениями плотности зачернения пленки вдоль дорожки. Такая запись известна как продольная фотографическая запись звука. Более широко, и, в принципе, до сих пор, применяется поперечная запись.
СЛСЛРис 62 Фотографическая запись звука У — усилитель, МС — модулятор света; СП — светочувствительная пленкаРис 62 Фотографическая запись звука У — усилитель, МС — модулятор света; СП — светочувствительная пленка
СЛ
СЛ
Рис 62 Фотографическая запись звука У — усилитель, МС — модулятор света; СП — светочувствительная пленка
Рис 62 Фотографическая запись звука У — усилитель, МС — модулятор света; СП — светочувствительная пленка
В этом случае модулятором является сканер, перемещающий световой пятно в направлении, ортогональном оси звуковой дорожки. Размах этих колебаний меняется пропорционально уровню записываемого сигнала. Плотность зачернения фонограммы меняется относительно слабо и нс является элементом, несущем информацию — она заключена в изменениях ширины зачернения дорожки.
Необходимость во вспомогательных фотохимических процессах — проявлении и закреплении негативной фонограммы, копировании и вновь проявлении и закреплении позитива. — известный и существенный недостаток фотографической записи звука.
Процесс воспроизведения звука с фотографической фонограммы поясняется рисунком 63. Свет от лампы фокусируется оптической системой ОО в узкий пучок и падает на звуковую дорожку кинопленки КП. В соответствии с шириной (или плотностью при продольной записи) освещенного участка фонограмм меняется прошедший световой поток. Модулированный таким образом свет попадает на фотоэлемент — фотодиод, через который протекает ток, пропорциональный мощности светового
Рис 63. Воспроизведение фонограммы кинофильма: ОО — оптическая система; КП — кинопленка; Ф — фотоприемник; У — усилитель; Гр — громкоговоритель
потока, а значит подобный сигналу на фотографической фонограмме. Этот сигнал затем усиливается усилителем У и может быть воспроизведен, например, громкоговорителем Гр.
Фотографическая система записи звука и воспроизведения удобна в кинопроизводстве для получения синхронных с изображением фонограмм. Этим область ее применения и ограничивается, причина — в невысоких качественных показателях системы записи и сложности обработки пленки.
ТЕМА 4.3. МЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗАПИСИ
И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗВУКА.
Механическая звукозапись — исторически первая попытка зафиксировать звук и затем воспроизвести его. Первоначально механическая запись велась на покрытых воском валиках, потом на дисках, но во всех случаях использовался один принцип. К некой диафрагме крепится резец. Под действием звуковых колебаний диафрагма перемещается — резец соответственно режет канавки с глубиной, изменения которой повторяют форму записанного сигнала. Позже перешли к системе записи-С поперечными перемещениями резца, размах которых пропорционален уровню звука. При воспроизведении игла звукоснимателя перемещается вдоль канавки, совершая колебания в соответствии с ее искривлениями или измене! тем глубины. Игла толкает диафрагму, которая повторяет движения при записи звука. Перемещения диафрагмы воспроизводят соответствующие изменения звукового давления, существовавшие в момент1 записи звука. Конечно, точность соответствия записываемого и воспроизводимого звука в описанной системе -не идеальна. Но сохранение определенного подобия очевидно.
Рассмотренная схема механической записи звука, в общем, оказалось на редкость консервативной от Эдисона до наших дней, хотя и претерпела многие технические усовершенствования, главная цель которых всегда заключалась в повышении степени подобия сигналов на входе и выходе. А для этого требовалось расширение частотного диапазона канала записи/воспроизведения, снижение шума и коэффициента нелинейных искажений.
Примером массового тиражирования фонограмм, выполненных на основе механической записи, являются всем известные и до последнего времени широко распространенные граммофонные пластинки. Процесс производства граммофонных пластинок довольно сложный.
34
Рис 64. Станок механической записи звука:
1 — планшайба; 2 — двигатель; 3 — механизм управления записывающим устройством —
4; 5 — записывающий диск
Станок механической записи звука (рис. 64 ) имеет массивную планшайбу, приводимую в движение двигателем. Последний связан также с механизмом перемещения записывающего устройства (рекордера) в радиальном направлении. Запись ведется на алюминиевом диске, покрытом специальном лаком. Этот диск крепится на поверхности планшайбы. К рекордеру, являющемуся преобразователем электрической энергии в механическую, подводится ток звуковой частоты. В современной практике производства Ерампластинок первичная запись, обычно, осу- ществлястся на магнитофоне. а уже потом магнитная фонограмма перезаписывается на станке описываемым здесь способом. Рекордер снабжен резцом, колеблющимся в плоскости, параллельной поверхности вращающегося диска. Постепенно, двигаясь от края диска к центру, рекордер своим резцом прорезает в лаковом покрытии диска спиральную извили-- стую канавку. Извилины этой канавки по форме повторяют форму записываемых звуковых колебаний и тем больше, чем больше размах этих колебаний. Выполненная так запись — исходная для матрицы, с которой затем прессованием изготавливают грампластинки.
Оригинал или мастер-дибк делают так: лаковую поверхность исходного диска поверх уже сделанной записи, используя определенные химические процессы, серебрят. Тонкий слой серебра необходим как хорошо проводящий электрод. Далее вдело вступают гальванические процессы.
На серебре наращивают слои металлов ( никеля, затем меди). Слой серебра точно повторяет сделанный при механической записи рисунок, гальванопластика сохраняет его. Теперь остается удалить слой лака — и металлическая копия первичной записи готова. Однако, эта копия является негативной — там, где на лаковом диске были углубления, на металлической поверхности получились выступы, и наоборот. Так получают первый оригинал, с помощью которого уже можно печатать пластинки. Однако эта негативная матрица — быстро изнашивается, поэтому процесс гальванического копирования продолжают, чтобы сохранить первый оригинал и обеспечить высокий тираж пластинок. Итак, с первого оригинала снимают несколько позитивных металлических копий (вторые оригиналы). Вторые оригиналы — исходные материалы для снятия третьих оригиналов (новых негативных копий), они то и поступают на заводы в качестве матриц для прессования пластинок. Ресурс каждой такой матрицы — около 1000 пластинок, материалы для их изготовления — особые синтетические смолы (например, винилит и др.).
Звук с граммофонной пластинки воспроизводится с помощью звукоснимателей — электромагнитных или пьезоэлектрических преобразователей механической энергии в электрическую.
Игла звукоснимателя при воспроизведении движется по канавке и, следуя ее извилинам, колеблется, повторяя смещения резца при записи. В результате на выходе звукоснимателя формируются переменные электрические колебания звуковых частот, их усиливают и подают на громкоговоритель. Время воспроизведения граммофонных пластинок зависит от их диаметра, скорости вращения и шага записи, т. е. от расстояния между соседними канавками — дорожками записи. В настоящее время применяется несколько стандартных скоростей вращения пластинок: 78, 45 и 33 об/мин. Соответственно и устройства воспроизведения граммофонных записей — проигрыватели имеют различные, переключающиеся скорости вращения диска. Большая длительность воспроизведения — малый шаг записи. При малой скорости вращения и соответственно малом шаге записи плотность «упаковки» канавок или дорожек возрастает, длительность записи/воспроизведения растет, причем пропорционально квадрагу уменьшения названных параметров. Надо сказать, что квадратичная зависимость информационной плотности записи от размеров минимального элемента характерна для всех поверхностных носителей. Современные долгоиграющие пластинки имеют очень высокие качественные показатели звучания.
ТЕМА4.4. МАГНИТНАЯ 3AI1ИСЬ ЗВУКА
Немногим более 60 лет назад на фирме BASF была создана первая магнитная лента и тем самым заложен фундамент современной магнитной записи. Сейчас трудно представить радиовещание, телевидение, студии фондовой записи звука, впрочем как и компьютерную технику, исследовательские лаборатории, быт современного человека без магнитной записи. Многие годы эта техника и используемые ею носители совершенствовались, но основной принцип сохранялся. Сейчас рядом с ленточными магнитофонами все чаще появляются дисковые накопители — о них мы поговорим в следующей главе. Но магнитофоны продолжают использоваться по сей день — и эта ситуация, вероятно, сохраниться в обозримом будущем.
.Принципы магнитной записи информации
В основе магнитной записи лежит явление намагничивания ферромагнитных материалов и их способность сохранять это состояние после прекращения действия поля, причем практически неограниченно долго. Запись выполняется с помощью специального устройства — записывающей магнитной головки, возбуждающей переменное магнитное поле. Относительно этой головки и в контакте с ней перемещается носитель с ферромагнитным рабочим слоем. На этом слое остается след остаточного намагничивания. След — это дорожка записи, остаточное намагничивание — сигналограмма, в устройствах записи звука — фонограмма. Считывание фонограммы — процесс, обратный рассмотренному. Магнитное поле носителя, перемещающегося относительно считывающей головки, возбуждает в ней индукционный электрический ток — фактически электрический сигнал звуковой частоты.
В этой главе речь пойдет только об аналоговой записи магнитных сигналограмм. Любые аналоговые преобразования, как уже отмечалось, опираются на принцип подобия. Это означает, что при любых преобразованиях сигнала во всех звеньях каналов записи/считывания сохраняется относительная форма сигнала.. Любое нарушение подобия ведет к нелинейным искажениям — фактору, как подчеркивалось в разделе II очень неприятному. Главное задача разработчиков магнитофонов, а затем и обслуживающего их технического персонала, заключается в обеспечении требования максимально возможного сохранения подобия в каналах записи и воспроизведения. Задача это не простая и, строго говоря, не имеющая точного решения. Отклонения были, есть и будут. Их не
избежать, но можно и, потому, необходимо снизить до минимально допустимого уровня. Это путь компромиссов, в которые буквально погружена вся магнитная запись.
Прежде чем перейти к описанию процессов магнитной звукозаписи и воспроизведения, необходимо вспомнить некоторые определения и явления, относящиеся к основам теории магнитного поля.
. О физике магнитной записи
Напряженность магнитного поля традиционно обозначается латинской буквой Н. Если в этом поле разместить магнитовосприимчивый материал, то он намагничивается, т. е. в нем возникает магнитная индукция. Величина намагниченности материала обозначается латинской буквой I, а магнитное поле, создаваемое им, оценивается по потоку магнитной индукции Ф. В действующей системе единиц измерений СИ за единицу магнитного потока принимается 1 вебер (Вб). Однако чаще пользуются производными этой единицы: нВб (нановебер) = 10"9 Вб и пВб (пиковебер) = 10 12 Вб. Поле магнитной индукции пропорционально полю мапштной напряженности. Коэффициент пропорциональности р, называемый магнитной проницаемостью, различен для разных веществ, поэтому при одной и той же напряженности магнитного поля его индукция в разных средах будет разной.
По магнитным свойствам все материалы физика делит на три группы: парамагнитные, диамагнитные и ферримагнитные. Парамагнитные материалы практически не восприимчивы к магнитному полю, их магнитная проницаемость близка к единице и почти не отличается от магнитной проницаемости вакуума. Парамагнетики реагируют на магнитное поле, но относительно слабо. Однако главное в том, что при снятии поля магнитная индукция в них исчезает, что делает парамагнетики попросту бесполезными для магнитной записи.
Магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы и магнитное поле буквально выталкивает их. Они применяются в магнитных головках, где эффективно содействуют формированию поля рассеяния. Без диэлектрической прокладки поле в рабочем зазоре почти не выходит наружу.
Ферримагнетики — вещества, в которых атомные носители магнетизма обладают собственным магнитным моментом, т. е. представляют собой малые магниты. Для таких материалов энергетически выгодной может оказаться дальняя упорядоченность, когда в достаточно большой (в сравнении с атомными расстояниями) области моменты атомных но-
сителей магнетизма выстраиваются в одном направлении, [ акая среда (ниже некоторой критической температуры, называемой точкой Кюри) распадается на домены — области, где магнитные моменты элементов ориентированы одинаково.
Собственные магнитные моменты доменов, при этом, могут быть ориентированы случайно и конечная намагниченность — оказаться нулевой. Однако внешнее магнитное поле, с напряженностью выше некоторой пороговой, способно выстроить магнитные моменты доменов преимущественно в одном направлении. В последней фразе есть некоторые оговорки, касающиеся существенно важных моментов. Если внешнее магнитное поле переключает магнитные моменты доменов разом в одном направлении — это хорошо, но для цифровой записи. А вот в средах, в которых ориентирующее действие магнитного поля сказывается «преимущественно», т. е. в определенных границах напряженность магнитного поля и поля магнитной индукции оказываются пропорциональными, обеспечивается подобие — как раз то, что надо для аналоговой записи. К сказанному следует добавить, что ферримагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают «памятью» и способны сохранять остаточную намагниченность достаточно долго — десяток и более лет практически без изменений! А это то, что нужно для записи и долговременного хранения. При этом магнитное состояние вещества обратимо: вновь воздействуя магнитным полем, его можно видоизменить любым нужным образом, т. е. переписать информацию.
Ферримагнетики — наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния веществ, поддающегося внешнему управлению. В магнитной записи применение нашел более узкий класс ферримагнетиков — ферромагнитные материалы (ферромагнетики). К ним относятся железо, кобальт, никель и сплавы этих элементов переходной (по таблице Менделеева) группы металлов.
Намагничивание ферромагнетиков, гистерезис
График зависимости намагниченности от величины напряженности внешнего магнитного поля позволяет наглядно представить интересное и сложное явление магнетизма, называемое гистерезисом. Это явление исключительно важно для понимания процессов магнитной записи, поэтому о нем следует поговорить подробнее. Намагниченность материала, как и напряженность магнитного поля, — векторные функции поля. Одинаково важно знать величину (модуль) вектора и его направление. График
на рис. 65 построен в предположении, что магнитный вектор сохраняет пространственную ориентацию, но меняет направление на 180°, что условно принимается за положительные и отрицательные направления Н. То же самое можно сказать и о положительных и об отрицательных значениях вектора магнитной индукции, а следовательно, намагниченности 1.
При возрастании напряженности поля от нулевого значения до некоторой величины + Нтах намагниченность тела возрастает от нуля до + Imax по кривой ОМ, называемой начальной кривой намагничивания. На этой кривой практически нет линейных участков, что говорит о непропорциональном изменении магнитной индукции. Причина — зависимость величины магнитной проницаемости ферромагнитного материала от напряженности внешнего магнитного поля.
При значениях напряженности, близких к Imax, рост намагниченности замедляется, а потом практически вовсе прекращается. Наступает момент так называемого магнитного насыщения (на графике ему соответствует точка М с координатами Нтах, Imax ). При уменьшении напряженности маг- нитного поля Н намагниченность также падает, но этот процесс идет медленнее, уже не по начальной кривой намагничивания, а по новой — MN. Важно обратить внимание, что при нулевом значении поля (Н = 0) намагниченность сохранит некое остаточное значение + Ir max. Именно это остаточное намагничивание и лежит в основе магнитной записи.
Рис 65. Зависимость намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля. Петля гистерезиса
Для того, чтобы устранить остаточную намагниченность, необходимо далее менять напряженность внешнего магнитного поля, наращивая его, но в сторону отрицательных величин. Тогда намагниченность станет все быстрее уменьшаться и достигнет нулевой отметки при отрицательном значении напряженности внешнего магнитного поля, равном некоторой величине Нс. Эта напряженность магнитного поля, преодолевающая остаточную намагниченность, называется коэрцитивной силой. Значения остаточной намагниченности и коэрцитивной силы являются параметрами, определяющими характерные свойства ферромагнитного материала.
Продолжим изменять внешнее магнитной поле и проследим при этом за изменениями магнитного состояния материала. При дальнейшем увеличении напряженности поля в сторону отрицательных значений намагниченность среды возрастает, но с полярностью противоположного знака, и достигает S — точки насыщения при - Ншах. Меняя напряжение внешнего магнитного поля от - Ншах до + Ншах, можно построить вторую ветвь кривой, известной как петля гистерезиса.
Рис 66. Петля гистерезиса (условно) а — магнитомягкого, б — магнитожесткого материаловРис 66. Петля гистерезиса (условно) а — магнитомягкого, б — магнитожесткого материаловРис 67. Частные циклы перемагничиванияРис 67. Частные циклы перемагничиванияИтак, при изменении напряженности внешнего магнитного поля намагниченность ферромаг-
Рис 66. Петля гистерезиса (условно) а — магнитомягкого, б — магнитожесткого материалов
Рис 66. Петля гистерезиса (условно) а — магнитомягкого, б — магнитожесткого материалов
Рис 67. Частные циклы перемагничивания
Рис 67. Частные циклы перемагничивания
нитной среды меняется по кривой MNPSTRM (рис. 65), носящей название предельной петли гистерезиса. По форме петли и судят о магнитных свойствах материала. Широкая петля гистерезиса указывает на магнитожесткий материал с большой коэрцитивной силой. Применяются они для изготовления постоянных магнитов и носителей магнитной записи. Напротив, магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса, спадающие участки кривой блики к вертикали. Это материалы с малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью. Намагниченность у них быстро растет при малых напряженностях поля. Такие материалы выгодно употреблять для изготовления сердечников трансформаторов, магнитных головок, т. е. таких устройств, которые должны служить хорошим проводником магнитного потока и легко перемагничиваться без больших затрат энергии (рис. 66).
Если действующее на материал магнитное поле не достигает величины, вызывающей намагничивание до насыщения, то изменения магнитного состояния происходит по кривым, лежащим внутри предельной петли гистерезиса, по так называемым частным петлям перемагничивания (рис. 67).
Схема аппарата магнитной записи и его отдельные узлы
Большинство современных магнитофонов — стереофонические и отличаются от монофонических конструктивно только тем, что имеют спаренные стереофонические головки записи и воспроизведения, а также по два усилителя записи и, соответственно, по два усилителя воспроизведения. Оба канала записи — воспроизведения стереофонического магнитофона идентичны. Поэтому далее ограничимся описанием монофонического варианта магнитофона (рис.68).
Современный магнитофон — сложное радиоэлектронное устройство, тем не менее сохраняющее генетическую связь с предшественниками, и распадается на те же узлы, что и первые его аналоги. Любой магнитофон начинается с лентопротяжного механизма. Его функции просты, но ответственны: равномерное перемещение магнитной ленты — носителя записи относительно магнитных головок, установленных, чаще всего — но это не правило -на его верхней панели. Назначение усилителей записи и воспроизведения очевидно, несколько ниже мы скажем, зачем нужен генератор тока высокой частоты стирания и подмагничивания. В современных магнитофонах в качестве носителя записи употребляется тонкая эластичная лента с основой из ацетата, поливинилхлорида или полиэфира. Поверх этой ленты наносится слой ферролака —- связую-
Рис 68 Аппарат магнитной записи: 1 — микрофон; 2 — усилитель; 3 — генератор тока высокой частоты; 4 — головка стирания; 5 — головка записи; 6 — головка воспроизведения, 7 — усилитель; 7 — громкоговоритель
щего вещества с мельчайшими частицами порошка окислов железа или железо-кобальтного феррита и различных добавок. По действующему стандарту для студийной профессиональной звукозаписи магнитная лента имеет ширину 6,25 мм (1/4 дюйма). Однако все более широко начинают применяться носители с иными параметрами. В бытовых кассетных магнитофонах используется более узкая лента — шириной 3,81 мм, а в профессиональных, предназначенных для многодорожечной записи магнитофонах, применяется лента более широкая: 1/2 , 1 и даже 2 дюйма.
Канал записи — именно по нему звуковые сигналы, например преобразованные с помощью микрофона в электрические колебания звуковых частот, поступают через усилитель к записывающему элементу — головке запи- > си. Это электромагнит, его катушка из медного провода (обмотка) намотана на кольцевой (тороидальный) сердечник (в последнее время его форма ближе к прямоугольной). Как выглядит сердечник без внешнего кожуха поясняет рис. 69. Сердечник собирается из двух половинок, их основа — магнитомягкие материалы: пермаллой, альфенол или специальные ферриты.
Монофоническая студийная запись ведется по всей ширине ленты. Поэтому высота сердечника головки должна соответствовать размеру ленты, т. е. 6,25 мм. Стереофонические магнитные головки — это две
Рис 69. Манитная головка: 1 — обмотка; 2 — сердечник из феррита; 3 — выводы обмотки; 4 — каркас; 5 — передний (рабочий) зазор; 6 — задний зазор
самостоятельные головки, механически соединенные в единой конструкции. Запись ведется одновременно на двух дорожках (верхней и нижней), каждая из которых имеет ширину 2,75 мм. Между ними остается пустой разделительный промежуток. Токи звуковой частоты, протекая по обмотке головки записи, создают в катушке переменное магнитное поле. Магнитные силовые линии замыкаются через сердечник головки, создавая в нем поток магнитной индукции. В сердечнике две половины, между ними при сборке с передней и задней сторон головки оставляют зазоры . Передний, так называемый рабочий зазор (шириной 10—20 мкм) заполняется немагнитным материалом, имеющим большое магнитное сопротивление (например, фольгой из бериллиевой бронзы). Благодаря этому образуется магнитное поле рассеяния, магнитные силовые линии выходят из сердечника наружу, замыкаются через рабочий слой, проходящей у рабочего зазора магнитной ленты, и намагничивают ее. С противоположной стороны сердечника головки записи размещен второй дополнительный зазор ( шириной около 150—300 мкм). Он нужен для того, чтобы при включении магнитофона на запись, ток мгновенно возрастающий в обмотке головки, не намагнитил бы ее сердечник. Форма магнитного потока головки записи поясняется рис.70.
Магнитная лента, пересекая магнитные силовые линии потока рассеяния головки, намагничивается. Ее намагниченность меняется по длине ленты от точки к точке, следуя изменениям звуковой частоты, подаваемой в обмотку головки записи. Допустим, что записанный таким образом
о <Х/ °—Ток записио <Х/ °—Ток записи
о <Х/ °—
Ток записи
о <Х/ °—
Ток записи
Рис 70. Магнитная головка: 1 — сердечник-магнитопровод (тонкие линии — магни- ное поле); 2 — обмотка; 3 — рабочий зазор; 4 — дополнительный звзор; 5 — попе рессеяния манитного потока, воздействующего на носитель записи
2М&^2М&^сигнал — это цепь постоянных магнитов, полюса которых замыкаются силовыми линиями, образующими магнитное поле в непосредственной близости от ленты (рис. 71). Напряженность поля зависит, как уже было сказано, от величины сила тока в обмотке головки записи в момент прохождения ленты, а длина намагниченных участков — от частоты этого тока f и скорости движения ленты. Связь между длиной волны записи, т.е. отрезком ленты на котором умещается полный цикл колебания намагниченности с частотой и скоростью движения ленты выражается формулой X = V/f. Например, при скорости движения ленты 381 мм/с и частоте записанного тона 1000 Гц длина волны записи будет: 1 = 381/1000 = 0,381 мм = 381 мкм.
2М&^
2М&^
Канал воспроизведения — та часть тракта магнитной звукозаписи, которая формирует считываемый звуковой сигнал. При воспроизведении лента перемещается с той же скоростью, что и при записи, она соприкасается со вторым электромагнитом — головкой воспроизведения. Эта головка, в принципе, подобна головке записи и внешне мало чем отличается от нее. Однако, рабочий зазор ее более узкий (не более двух микрон), дополнительного заднего зазора — не имеет. В стереофоническом варианте головка воспроизведения, подобно головке записи содержит две объединенные в одной конструкции головки, расположенные одна над другой. При воспроизведении магнитное поле, создаваемое
Рис 71. Магнитная фонограмма при двух различных Xi и X?
соответствующим участком ленты, намагничивает сердечник головки воспроизведения. Переменный магнитный поток ленты замыкается через сердечник головки, (рис. 72) и, воздействуя на обмотку, возбуждает в ней переменную э. д. с. электромагнитной индукции.
Сигналы, снимаемые магнитной головкой в виде наведенной э. д. с. очень малы (порядка единиц милливольта). Поэтому напряжение звукового сигнала с воспроизводящей головки по хорошо экранированному проводу подается на вход усилителя воспроизведения, где оно усиливается примерно в 1000 раз.
В студийных аппаратах усилитель воспроизведения работает на выходную линию, микшерный пульт или усилитель мощности внешнего контрольного устройства. По принятому у нас стандарту номинальный выходной уровень студийного магнитофона составляет + 6 дБи (1,55 В).
В магнитофонах, предназначенных для любительских целей, непосредственно на выходе усилителя воспроизведения подключается громкоговоритель. А для работы на внешнюю линию предусматривается дополнительное выходное гнездо с уровнем сигнала около 300 мВ. Головка воспроизведения в магнитофонах размещена за головкой записи по ходу ленты. Это позволяет контролировать запись и немедленно устранять возникшие дефекты.
Генератор тока высокой частоты — специальное устройство, обеспечивающее стирание уже сделанных записей и подмагничивание ленты.
Рис 72. Воспроизведение фонограммы с магнитной ленты
Возможность многократного использования носителя записи — самое ценимое преимущество магнитной звукозаписи. Магнитную фонограмму достаточно просто уничтожить размагничивающим полем, создаваемым стирающей головкой. Эта головка установлена до (по ходу ленты) головки записи. Ее конструкция подобна головкам записи и воспроизведения, но зазор здесь несколько больше (500 мкм). В обмотку стирающей головки подается ток высокой (ультразвуковой) частоты (обычно, более 80 кГц) от генератора, который включается одновременно с режимом записи магнитофона. Высокочастотное поле буквально встряхивает магнитный материал, разрушая любую созданную ранее в нем магнитную упорядоченность и тем готовит к новой записи. Генератор тока высокой частоты создает синусоидальные колебания не только для стирания записей, но и для так называемого подмагничивания ленты, устраняющего нелинейные искажения при записи.
Подробнее процессы, происходящие в носителе записи при стирании и записи, будут рассмотрены ниже. Сейчас же важно отметить, что только при одновременном воздействии на ленту магнитного поля, создаваемого током подмагничивания, и поля звуковой частоты намагниченность ленты оказывается пропорциональной магнитному полю записываемого сигнала. Это и есть условие подобия — оно то и необходимо для того, чтобы звуковые колебания записывались без нелинейных искажений.
Лентопротяжный механизм
Лентопротяжный механизм — был и остается самым важным узлом магнитофона, он решает, казалось бы простую, задачу равномерного перемещения магнитной ленты относительно магнитных головок. Но именно здесь конструкторам и технологам фирм, разрабатывающим магнитофоны, и приходится решать совсем не простые задачи, чтобы выполнить основные требования к механизму: постоянная скорость перемещения ленты, отсутствие вибраций и подергиваний, плавная и бесшумная работа механизма.
В стационарных аппаратах обычно употребляются механизмы с гремя двигателями (рис. 73). Лента перемещается роликом-насадкой на валу ведущего двигателя и прижатым к нему свободно вращающимся обрезиненным прижимным роликом. Зажатая между этими двумя вращающимися деталями лента движется с постоянной скоростью, зависящей только от количества оборотов ведущего двигателя и от диаметра насадки на его валу.
В современных магнитофонах размещение магнитных головок соответствует стандартизованному способу намотки ленты — рабочим слоем внутрь рулона. Об этом надо помнить потому, что старый стандарт намотки ленты отличался от современного — к вам могут попасть старые записи, намотанные на сердечник рабочим слоем наружу. Их перед воспроизведением необходимо перемотать — во избежание искажений зву-
Рис 73. Лентопротяжный механизм профессионального магнитофона (фирма Studer)
чания. И еще, о попутно и само по себе разумеющемся: ведущий двигатель должен обладать высоким постоянством числа оборотов и малой зависимостью скорости вращения от изменений параметров сети электропитания (напряжения и частоты). В магнитофонах старых конструкций (например, в отечественном аппарате типа МЭЗ-28 или венгерском STM-200) — они до сих пор работают в некоторых студиях — в качестве ведущего применялись гистерезисные синхронные двигатели, у которых число оборотов вала, хотя и не зависит от напряжения сети, но однозначно определяется ее частотой. Поэтому из-за нестабильности частоты сети электропитания число оборотов таких* двигателей, а следовательно и скорость движения магнитной ленты, могли меняться на 1—1,5 %. Это усложняло монтаж музыкальных фонограмм и вносило ошибки в хронометраж передач.
В современных магнитофонах применяются ведущие двигатели, работающие от специальных, стабилизированных кварцем генераторов, благодаря чему их скорость вращения поддерживается строго постоянной. Скорость движения ленты V (см/с) определяется диаметром ведущего ролика d (мм).и числом его оборотов п (об/мин). Она вычисляется по формуле:
V = irdn/600 см/с.
В настоящее время используется несколько стандартных скоростей движения магнитной ленты: 76,2; 38,1; 19,05; 9,53 и 4,76 см/с.
Последние две скорости применяются в репортерских магнитофонах и магнитофонах, предназначенных для любительских записей. Для профессиональной студийной записи в основном используется скорость 38,1 см/с. Два боковых двигателя лентопротяжных механизмов имеют мягкие механические характеристики, их вращающие моменты зависят от скорости вращения ( чем меньше оборотов в минуту делает ротор двигателя, тем большим становится вращающий момент). Правый двигатель обес- , печивает плавное подматывание ленты на сердечник или катушку, закрепляемые на его валу. Левый двигатель при записи и воспроизведении обычно работает, получая относительно небольшое напряжение. Он подтормаживает ленту; создаваемое этим легкое натяжение ленты гарантирует ее достаточно плотное прилегание к магнитным головкам. Этот же двигатель, когда на него включается полное напряжение, служит для обратной перемотки ленты после записи или воспроизведения.
Важную роль в работе лентопротяжного механизма играют тормозные устройства. Торможение двигателей используется для быстрой
остановки ленты, они же предотвращают образование петель при запусках и остановках. Торможение должно быть достаточно сильным и вместе с тем плавным, чтобы не допустить чрезмерного натяжения, приводящего к обрыву и растягиванию ленты. Управление лентопротяжным механизмом осуществляется с помощью клавиатуры, размещенной на панели управления.
Несколько слов следует сказать об особенностях конструкции любительских магнитофонов, предназначенных для бытового применения. Обычно в них используется схема с универсальной головкой и одним усилителем, которые с помощью соответствующей коммутации выполняют последовательно функции либо записи, либо воспроизведения (рис.74). Лентопротяжные механизмы в таких аппаратах, как правило, одномоторные. Подмотка и перемотка ленты осуществляется от общего двигателя с помощью механических передач. Лента движется с малыми скоростями (19,05; 9,53 или 4,76 см/с). Наматывается она либо на катушки, либо находится в закрытых кассетах. Любительские записи производятся не по всей ширине ленты, а по более узким дорожкам: двум или чаще четырем. Для этого сердечник магнитной головки должен быть меньше по высоте, а его рабочий зазор расположен так, чтобы записывать или воспроизводить только одну из дорожек. Стандартное расположение дорожек записи двух и четырехдорожечных фонограмм для катушечных и кассетных магнитофонов приведено на рисунках 75 и 76.
Рис 74. Бытовой магнитофон с универсальным усилителем:
1 — микрофон; 2 — универсальный усилитель; 3 — генератор высокой частоты;
4 — головка стирания; 5 — универсальная головка; 6 — громкоговоритель:
7 — переключатель
xмомйфосичсскм««^-kp-»"*»*»»* ст^юф«1еада«.xмомйфосичсскм««^-kp-»"*»*»»* ст^юф«1еада«.Двухдорожечми since* *ow^6*weaea (^хухдорежечсея saccc* стсИвфотмсасеОДвухдорожечми since* *ow^6*weaea (^хухдорежечсея saccc* стсИвфотмсасеО
xмомйфосичсскм
««^-kp-»"*»*»»* ст^юф«1еада«.
xмомйфосичсскм
««^-kp-»"*»*»»* ст^юф«1еада«.
Двухдорожечми since* *ow^6*weaea (^хухдорежечсея saccc* стсИвфотмсасеО
Двухдорожечми since* *ow^6*weaea (^хухдорежечсея saccc* стсИвфотмсасеО
Магнитные процессы в носителе записи при стирании
Уничтожение старых записей — достаточно ответственный момент, надо либо намагнитить ленту по всей длине так, чтобы ее намагниченность была близка к насыщению, либо полностью размагнитить ленту. В настоящее время применяется высокочастотное стирание, т. е. размагничивание ленты под воздействием магнитного поля высокой частоты. Головка стирания автоматически включается при установке режима «запись». Это поле наиболее интенсивно непосредственно перед рабочим зазором и постепенно убывает по обе стороны от него, сходя на нет. Ширина рабочего зазора около 500 мкм (рис. 77).
Стирающая головка перемагничивает ленту в максимумах практически до насыщения, затем, когда лента проходит через зону убывающей интенсивности поля, соответственно спадают поля намагничивания и постепенно лента размагничивается до нуля. Процесс размагничивания происходит по постепенно стягивающимся к началу координат частным петлям гистерезиса так, как это показано на рис. 78. Важно правильно выбрать частоту тока стирания. Этот выбор должен быть согласован со скоростью движения ленты. Практически частота тока стирания выбирается в интервале 70—80 кГц.
Маенитпов поле стиранияМаенитпов поле стиранияРис 77. Магнитное поле у зазора стирающей головкиРис 77. Магнитное поле у зазора стирающей головкиРис 78. Размагничивание полем высокой частотыРис 78. Размагничивание полем высокой частотыМагнитные процессы при записи
Маенитпов поле стирания
Маенитпов поле стирания
Рис 77. Магнитное поле у зазора стирающей головки
Рис 77. Магнитное поле у зазора стирающей головки
Рис 78. Размагничивание полем высокой частоты
Рис 78. Размагничивание полем высокой частоты
Магнитная лента движется, соприкасаясь с головкой записи и прилегая к ее рабочему зазору. Магнитные силовые линии, как уже сказано выше, выходят у рабочего зазора из сердечника и образуют поток рассеяния. На рис. 79 показано, как происходит намагничивание ленты, если в обмотке головки записи протекает только ток записи звуковой частоты. Под воздействием магнитного поля рассеяния с напряженностью Н( (на рисунке приведены три варианта напряженности), некий участок магнитной ленты приобретает некую намагниченность 1] и затем, когда он покидает поле рассеяния головки, намагниченность ленты снижается до остаточной величины 1гг Последующий участок ленты под действием изменившегося магнитного поля имеет уже иную величину остаточной намагниченности 1г2 и т. д. Из рисунка видно, что кривая намагничивания, а также переключения на остаточную намагниченность — все это процессы существенно нелинейные, а, значит, способные внести в сигнал искажения. Это хорошо видно, если построить график зависимости остаточной намагниченности ленты от напряженности действующего магнитного поля, показанный на рис. 80. Идеальной характеристикой была бы
прямая линия, любые отклонения от нее — причина искажений формы сигнала.
Чтобы спрямить характеристику зависимости остаточной намагниченности ленты от напряженности поля записи в обмотку головки вместе с током звуковой частоты подается ток высокой частоты — его называют током подмагничивания. Частота этого тока по меньшей мере раз в пять-десять должна превосходить наивысшую частоту записываемого звукового сигншга (к примеру, в отечественном магнитофоне МЭЗ-109А частота тока подмагничивания 210 кГц). Ток подмагничивания создает магнитное поле высокой частоты, которое воздействует на ленту вместе с полем звуковых частот. В паузе, когда звуковой сигнал отсутствует, поле подмагничивания действует подобно стирающему полю и, циклически перемагничивая ленту, осуществляет ее добавочное размагничивание. Поля подмагничивания и звука суммируются подобно показанному на рис. 81.
AwwUMWWWwwwr Яме му*»е*ё *k®mw
Рис 80. Остаточная намагниченность как функ-' ция магнитного поля
Соотношение размахов по
Рис 81 Суммирование полей подмагничивания звука.
пей условно, следует помнить, что поле подмагничивания превышает звуковое в
десяток раз
Рис 82. Остаточная на* магниченность как функция звукового поля с подмагничиваниемРис 82. Остаточная на* магниченность как функция звукового поля с подмагничиванием
Рис 82. Остаточная на* магниченность как функция звукового поля с подмагничиванием
Рис 82. Остаточная на* магниченность как функция звукового поля с подмагничиванием
При этом, намагничивание ленты становится пропорциональным средним значениям напряженности суммарного поля и практически совпадает с изменениями ноля звукового сигнала. На рис. 82 приведена функция зависимости остаточной намагниченности ленты от намагничивающего поля с высокочастотным подмагничиванием.
Даже беглое сравнение рис. 82 и рис. 80 подтверждает их принципиальное различие — большой прямолинейный участок на рис. 82 показывает, что условие подобия при записи с подмагничиванием высокочастотным полем соблюдается. Происходит, как бы, спрямление характеристики намагниченности носителя записи и, кроме того, возрастает ее крутизна. Это значит, что нелинейные искажения звукового сигнала
становятся весьма малыми, отдача ленты выше, а значит для намагничивания до необходимого уровня требуемый ток записи — меньше.
Следует отметить, что от правильного выбора величины тока подмагничивания зависят фактически все качественные показатели звукозаписи: динамический диапазон, частотная характеристика и коэффициент нелинейных искажений. Сложность в том, что у разных типов лент свой оптимальный режим подмагничивания. Поэтому магнитофон перед записью должен быть техниками настроен на определенный тип магнитной ленты.
. Предыскажения при записи и коррекция частотной характеристики при воспроизведении фонограммы
Частотная хаарактеристика — самая важная характеристика любой системы звуко передач и. Это замечание в полной мере можно относится и к магнитной звукозаписи. Главная задача очевидна — каналы записи и воспроизведения в совокупности должны обладать такой амплитудно-частотной характеристикой, которая обеспечила бы прослушивание произведенных записей без частотных искажений. По иному об этом можно сказать и так: соотношения амплитуд различных частотных составляющих звукового сигнала на выходе магнитофона должны быть такими же, что и на входе. Однако при магнитной звукозаписи и воспроизведении происходит завал (ослабление) низких и высоких частот
звукового диапазона. При этом в процессе записи происходит особенно заметный завал высоких звуковых частот. Этот завал, обусловленный потерями в головке записи и самой ленте, не одинаков по величине для лент разных типов. Завал сказывается тем сильнее, чем выше частота сигнала и меньше скорость движения ленты. Частотная характеристика процесса записи может быть представлена кривой, показанной на рис. 83, где приведена типичная зависимость остаточного магнитного потока ленты от частоты тока в головке записи, когда ток по амплитуде одинаков на всех частотах.
Процесс воспроизведения также зависит от частоты. Как известно из курса физики, э. д. с. электромагнитной индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока, взаимодействующего с витками катушки. Поэтому в обмотке воспроизводящей головки э. д. с. тем больше, чем быстрее меняется во времени магнитный поток ленты, т.е. чем выше частота записываемого сигнала. Допустим, что мы записываем на ленте сигналы разных звуковых частот с условием, что магнитный поток ленты на всех частотах одинаков, частотная характеристика процесса воспроизведения в этом случае — наклонная (6 дБ/октава) прямая, то есть э. д. с. возрастает в два раза при удвоении частоты звукового сигнала (рис.84а). Однако такая частотная характеристика возможна только теоретически и требует идеальную головку воспроизведения с исчезаюше малым рабочим зазором.
Рис 83. Частотная характеристика магнитной записи
SO 100IO1 2* 6 ю" f (Гц)
Рис 84. Частотная характеристика воспроизведения
В реальных условиях линейным подъем частотной характеристики воспроизведения остается до известного предела. Когда длина волны записи (а она, как уже было сказано, равна X=V/f) становится соизмеримой с шириной рабочего зазора воспроизводящей головки, появляются т. и. щелевые потери, резко понижающие э. д. с. на высоких звуковых частотах. Кривая на рис. 846 более реально отражает частотную характеристику воспроизведения. Суть этого явления поясняет рис. 85. Воздействие магнитного потока на обмотку головки воспроизведения тем больше, чем сильнее различаются величины магнитных потенциалов участка носителя записи у левого и правого краев рабочего зазора. Эта разница растет, пока в процессе увеличения частоты сигнала каждый элементарный магнит (его физические размеры соответствуют половине длины волны записи) не станет равным ширине рабочего зазора (имеется в виду действующая ширина рабочего зазора, превышающая геометрическую). При дальнейшем укорочении длины волны записи в зазоре уже размещается более одного элементарного магнита, при этом действие соседнего, противоположно направленного магнита, противодействовует первому и уменьшает магнитный поток. Когда полная длина волны записи станет равной ширине рабочего зазора, действие двух элементарных магнитов, силовые линии которых направлены навсгречу друг другу, взаимно компенсируются, и магнитный поток станет равным нулю. Сигнал с такой длиной волны не будет воспроизводиться.
Чем ниже скорость движения магничной ленты, тем короче длина волны записи, соответствующая какой-либо определенной частоте звукового
сигнала. Поэтому, чтобы уменьшить завал высших частот при воспроизведении на магнитофонах с малыми скоростями движения ленты, рабочий зазор воспроизводящей головки делают узким — шириной около 2 микрон. Частотная характеристика канала записи-воспроизведения определяется как перемножение рассмотренных выше: она представлена на рис. 86. Ее форма совершенно не удовлетворительна.
Эту характеристику необходимо исправить — линеаризовать, используя стандартные методы компенсации с помощью специально подобранных частотных характеристик усилителей магнитофона, причем эта компенсация может быть осуществлена в принципе в любом из усилителей — записи и воспроизведения. Однако, если присмотреться к ряду особенностей процесса звукозаписи и распределения звуковой энергии в спект-
рактеристики на волнах записи, соизмеримых по длине с рабочим зазоромрактеристики на волнах записи, соизмеримых по длине с рабочим зазоромРис 86. Частотная характеристика канала записи-воспроизведения без коррекцииРис 86. Частотная характеристика канала записи-воспроизведения без коррекциирах музыкальных инструментов и человеческого голоса, то можно заметить, что целесообразнее компенсировать потери на высших звуковых частотах в усилителе записи, выбирая его частотную характеристику такой, чтобы ток в обмотке головки записи начинал возрастать примерно с частоты 1000 Гц. Этот метод компенсации известен под названием «предыскажения».
рактеристики на волнах записи, соизмеримых по длине с рабочим зазором
рактеристики на волнах записи, соизмеримых по длине с рабочим зазором
Рис 86. Частотная характеристика канала записи-воспроизведения без коррекции
Рис 86. Частотная характеристика канала записи-воспроизведения без коррекции
При исполнении музыкального произведения звуковая энергия на высших частотах обладает меньшей интенсивностью, чем на средних, поэтому высокие звуковые крлебания поступают на запись с меньшими амплитудами. Подъем высших частот в усилителе записи улучшает в этом диапазоне перекрытие полезным сигналом шумов самой ленты (см. следующий параграф). Но во избежание нелинейных искажений подъем частотной характеристики записи на самых высших частотах звукового
Рис 87. Частотная коррекция в сквозном канале: 1 — подъем тока записи на высоких частотах (частотные предыскажения); 2 — частотная характеристика функции намагничивания ленты; 3 — потери на саморазмагничивание, 4 — характеристики э. д с. воспроизводящей головки; 5 — щелевые потери при воспроизведении: 6 — коррекция усилителя воспроизведения; 7 — частотная характеристика выходного сигнала
диапазона не должен превышать 8 -ь 10 дБ (т. е. уровень на этих частотах не должен быть больше уровня нижних и средних звуковых частот более чем в 2,5—3 раза). Этого недостаточно, чтобы скомпенсировать полностью потери на высших частотах, возникающие как при записи, так и при воспроизведении. Поэтому дополнительная коррекция по высшим звуковым частотам осуществляется уже в усилителе воспроизведения. В нем же корректируются (поднимаются) низкие частоты, воспроизводимые головкой хуже средних. Предыскажения, применяемые в усилителе записи, и коррекция в усилителе воспроизведения выпрямляют результирующую частотную характеристику сквозного канала записи — воспроизведения. Принцип введения частотных предыскажений и частотной коррекции в сквозной канал магнитофона поясняется рис.87.
Технические характеристики аналоговой магнитной звукозаписи.
Магнитофон, даже исправный, может стать источником искажений, резко снижающих ценность фонограммы. Эти искажения различны по субъективному восприятию и причины их возникновения также не одинаковы. Чаще всего на практике встречаются частотные искажения. Как известно, звуковой диапазон частот — это колебания с частотами 20 4-20000 Гц. Для неискаженной звукопередачи необходимо, чтобы колебания всех слышимых частот записывались на ленту и воспроизводились с нее по уровню одинаково. С этих позиций качество магнитофона оценивается его частотной характеристикой. В действительности эта характеристика не бывает
линейной во всем диапазоне звуковых частот, но если в интервале, принятом за рабочий диапазон (для профессиональных магнитофонов от 31,5 до 18000 Гц), выходное напряжение меняется незначительно и неравномерность частотной характеристики укладывается в принятое стан
дартом поле допусков, то практически частотные искажения мало заметны на слух и ими можно пренебречь.
В процессе эксплуатации магнитофонов частотные искажения чаще всего проявляются как ослабления (завал) высоких частот звукового диапазона при записи или воспроизведении. Причиной этих искажения может стать, например, неплотное прилегание рабочего слоя ленты к магнитной головке, вызванное засорением рабочего зазора гбловки пылью или порошком, отставшим от магнитной ленты. Надо помнить, что любые нарушения нормального контакта уменьшают отдачу на высоких частотах. Поэтому при работе с магнитофоном приходится особенно тщательно следить за хоро-
шим прилеганием ленты к головкам и время от времени аккуратно спиртом или деревянной палочкой очищать с их поверхности приставшую пыль. Следует также иметь в виду, что рабочие зазоры головок записи и воспроизведения должны быть строго параллельны друг другу и перпендикулярны направлению движения ленты. Взаимный перекос головок на относительно небольшой угол в несколько угловых минут, незаметный для глаза, может повлечь хорошо заметный на слух завал высших звуковых частот. Перекос зазора воспроизводящей головки снижает э. д. с. на высоких частотах, т. к. эго равносильно увеличению ширины рабочего зазора (рис. 88). Обычно положение головок тщательно регулируют и устанавливают в процессе профи
лактических измерений и настройки магнитофонов.
Причиной завала высоких звуковых частот при записи может стать и неправильный подбор ленты. Магнитофон следует настраивать на запись на ленте какого-то определенного пша. Переход на другой тип ленты гребует и соответствующей перестройки канал5 записи магнитофона. Иначе воз
можны частотные искажения рис 88. Перекос рабочего зазора звучания.магнитной головки
К нелинейным искажениям ведут любые нарушения пропорциональности или подобия между мгновенными значениями выходных напряжений и соответствующими мгновенными значениями уровня подводимого на запись сигнала. Эти искажения воспринимаются на слух как резкое, неприятное искажение тембра, сопровождаемое своеобразным скрежетом и хрипом. Если усилители исправны и режим подмагничивания, установленный при настройке магнитофона для определенного типа ленты выбран правильно, то причину нелинейных искажений нужно искать в чрезмерно больших уровнях сигналов, приходящих на вход магнитофона и вызывающих перегрузку ленты. Следует помнить, что лента — наиболее слабое звено в канале магнитной записи: при больших уровнях сигнала и, следовательно, больших напряженностях магнитного поля в головке; пропорциональность между полем записи и намагниченностью ленты нарушается, из-за того, что характеристика намагниченности ленты прямолинейна лишь до определенных пределов. Это значит, что лента может быть намагничена сигналом без искажения его формы лишь до определенной величины. Более сильное намагничивание влечет нелинейные искажения, превышающие норму и заметные на слух.
Коэффициент нелинейных искажений (точнее, коэффициент гармоник) сквозного канала записи-воспроизведения для студийных магнитофонов высокого класса качества не должен быть больше 1,5—2 % при максимальном уровне записи. Это требование и ограничивает допустимый уровень записи. Об уровне записи или о степени намагниченности ленты судят по величине магнитного потока, который создается сигна- лоЕраммой, записанной на ленте. В профессиональной записи используются дорожки разной ширины (стерео, моно, двухдорожечная, четырехдорожечная), поэтому возникает проблема унификации измерений. За меру уровня записи, поэтому, принимают удельную величину магнитного потока ленты т. е. величину потока, который бы создавался лентой будь она шириной в I метр. В соответствии с этим, за единицу измерения уровня записи принимается удельная величина магнитного потока, выраженная в нановеберах на метр ширины дорожки записи (нВб/м).
320 нВб/м — это международный стандарт номинального значения уровня записи на магнитной ленте, при скоростях движения ленты 38,1 и 19,05 см/с. Он и определяет максимально допустимый уровень монофонической записи, соответствущий установленной на измерителе уровня отметке 0 дБ. Для стереофонических записей стандартом предусматривается увеличение максимального уровня записи примерно на 4 дБ, т. е.
до 510 нВб/м. Этим предусматривается компенсация потерь качества из- за более узких дорожек записи. Для малых скоростей записи, в частности для компакт-кассетных магнитофонов, работающих на скорости ленты 4,76 см/с, стандартизован уровень в 250 нВб/м.
К специфическим искажениям, характерным только для систем звукозаписи относится детонация звука, причина которой скрыта в колебаниях скорости движения ленты. Если отклонения от нормальной скорости ленты происходят медленно, с частотой меньше одного герца, то звук, как говорят, «плывет». Быстрые периодические изменения скорости воспринимаются на слух как вибрация или дробление, особенно заметное на протяжных звуках. Еще более частые колебания скорости вызывают искажения тембра звучания, по характеру похожие на нелинейные искажения. Причины детонации обычно следует искать в биении ведущего вала или в других неисправностях лентопротяжного механизма.
Помехи при магнитной записи и воспроизведении могут резко ухудшить качество звучания.фонограммы. Чаще всего источниками шума являются усилители записи или воспроизведения. Если при включении магнитофона прослушивается сильный шум или трески, необходимо, в первую очередь, определить где возникает помеха, какой из усилителей является ее источником. Дтя этого надо включить аппарат на воспроизведение (можно без ленты) и, установив максимальную громкость, выяснить, возникает ли помеха в канале воспроизведения. Если усилитель воспроизведения работает нормально, а шум появляется при записи, то ремонта, как правило, требует усилитель записи. Шумы усилителей-не являются характерной особенностью магнитной системы звукозаписи. Однако следует помнить, что сигнал, поступающий с головки воспроизведения на усилитель, весьма мал по уровню (порядка единиц милливольта), поэтому шумы усилителя слышны и часто становятся одним из заметных дефектов звучания.
Магнитной системе записи звука свойственны и свои специфические ‘ шумы и помехи. Например, мешающий шум может возникнуть, как результат случайной намагниченности металлических деталей лентопротяжного механизма (направляющих роликов, сердечников головок, экранов, вала ведущего двигателя). Поэтому необходимо периодически и тщательно размагничивать соприкасающиеся с лентой детали лентопротяжного механизма, пользуясь для этого специальным устройствам — размагничивающим электромагнитом. Но основным источником шума при звукозаписи является сама магнитная лента. Шум ленты в основном вызывается
дискретной структурой рабочего слоя. Он заполнен микрокристаллами магнитного порошка. Шероховатость рабочего слоя, неравномерность его толщины и концентрации магнитного порошка приводят к увеличению шума ленты, который наиболее явственно проявляется в паузе и поэтому часто называется шумом паузы. Надо отметить, что лучшие производители магнитных лент уделяют много внимания сепарации частиц магнитного порошка по размерам, ориентации их при нанесении рабочего слоя. Все эти меры прежде всего направлены на снижение шума паузы.
Уровень шума сквозного канала магнитофона принято измерять по отношению к максимальному уровню записи. Для этого устанавливают чистую ленту на магнитофон и записывают измерительный синусоидальный сигнал с частотой 1000 Гц с максимально допустимым уровнем. Затем, не изменяя установку регуляторов усиления, выключают измерительный сигнал и продолжают процесс записи. Измеряя уровни сигналов, считанных с фонограммы, — измерительного и в паузе, можно судить о величине уровня собственного шума сквозного канала магнитофона. Выраженное в децибелах отношение величины уровня шума к уровню полезного сигнала (соответствующего максимальном допустимому при записи) для студийных магнитофонов по стандарту не должно быть хуже 60-64 дБ. Это означает, что напряжение шума по крайней мере в 1000 раз меньше напряжения максимального уровня полезного сигнала.
От шума паузы отличается другой вид помехи, т н. модуляционный шум. Он возникает только при наличии записываемого сигнала. Этот шум вызывают очень быстрые и хаотические изменения уровня намагниченности ленты при записи сигнала и их причина скрыта в неоднородности структуры рабочего слоя ленты или в непостоянном контакте ленты и головки записи, вызывающих амплитудную модуляцию сигнала. Это, т. н. структурные или контактные модуляционные шумы, они зависят, в основном от качества ленты и могут быть, в какой-то мере уменьшены правильным выбором силы тока подмагничивания.
Еще одна причина — продольные колебания движущейся ленты, что ведет к беспорядочным мгновенным уходам частоты записываемого сигнала (шумовая частотная модуляция). Модуляционный шум особенно заметен на протяжных звуках. Он, к примеру, прослушивается на звуках фортепиано и проявляется в виде характерного хруста и поскрипывания. Модуляционные шумы, вызванные продольными колебаниями ленты — их еще называю! эффектом струны, можно снизить, если между головками записи и воспроизведения, являющихся для ленты точками опоры,
Рис 89. Копирэффект"
установить вращающийся ролик, инерция которого сглаживает (демпфирует) колебания ленты.
Магнитной записи присущ еще один, неприятно воспринимаемый на слух, дефект, получивший название копирэффекта. Этот термин очень точно отражает сущность явления. При длительном хранении участки ленты, намотанной на сердечник или катушку, с высоким уровнем намагничивания, воздействуют на соприкасающиеся с ними витки. Скопированные таким контактным способом сигналы при воспроизведении прослушиваются как многократное эхо. Этот эффект поясняется рис. 89.
Копирэффект особенно заметен, когда с участками высокого уров- - ня намагничивания соседствуют те, где сигнал слаб, и, еще более, если он совмещен с паузой. Сигналы копирэффекта могут отставать от основного сигнала (запаздывающий копирэффект, воспринимаемый как эхо) или предшествовать ему (опережающий копирэффект). Опережающий копирэффект или опережающее эхо из-за своей неестественности наиболее неприятно воспринимается на слух.
К сожалению, радикальных мер борьбы с копирэффектом нет — это данность способа записи и хранения лент в рулонах. Однако в случаях,
когда ведется запись речевых литературно-драматических передач, изобилующих паузами и поэтому наиболее подверженных слышимому копирэффекту, следует обратить внимание на выбор ленты. Величина возможного копирэффекта обычно указывается предприятием-поставщиком в паспортах на ленту каждого полива. Совет, который можно в связи с этим дать понятен: берите ленту с минимальной величиной копирэффекта. Кроме того, в некоторых случаях, можно максимальный уровень записи несколько снизить (примерно на 3 дБ). Это не увеличит разницу между основным и скопированным сигналами, но сделает копирэффект малозаметным на слух, поскольку эти сигналы, весьма малые по абсолютной величине, будут замаскированы шумом ленты.
Измерительные ленты для проверки и настройка магнитофонов
Для настройки магнитофонов широко используются измерительные ленты, причем эта практика поддержана международными и отечественными стандартами. Стандартизация настройки магнитофонов необходима для того, чтобы иметь возможность обмениваться фонограммами, т. е. чтобы запись, сделанная на одном магнитофоне, могла быть воспроизведена на любом другим аппарате с теми же качественными показателями.
Магнитные измерительные ленты (ЛИМ) обычно выпускаются в расчете на определенный тип аппарата и режим — скорость ленты, монофонический или стереофонический вариант, катушечный или кассетный. Измерительные ленты содержат, как правило, 3 части. Первая — «У» предназначена для проверки и установки усиления канала воспроизведения. Вторая — «Ч» содержит сигналы проверки частотной характеристики канала воспроизведения и установки положения рабочих зазоров магнитных головок. Третья — «Д» позволяет проверить коэффициент детонации магнитофона.
Часть «У» измерительной ленты — это запись синусоидального сигнала с частотой 1000 Гц и максимально допустимым уровнем намагниченности, при котором нелинейные искажения не превышают нормированную стандартом величину. Для наиболее употребительных скоростей движения ленты: 38,1 и 19,05 см/с этот уровень для монофонических записей соответствует удельному остаточному магнитному потоку ленты 320 нВб/м, а для стеререофонических — 510 нВб/м. Поэтому для настройки монофонических магнитофонов следует пользоваться одной измерительной лентой, маркируемой как ЛИМ-1, а для стереофонических другой — ЛИМ-2.
Для бытовых кассетных магнитофонов эталонный уровень записи определяется для частоты 315 Гц и равен 250 нВб/м. Выпускаются специальные измерительные ленты для проверки бытовых магнитофонов.
Чтобы настроить магнитофон на запись, необходимо воспроизвести часть «У» измерительной ленты и регулятором усиления канала воспроизведения добиться такого уровня сигнала на выходе магнитофона, при котором указатель измерителя уровня (при времени интегрирования 5 мс) показывает 100 % (0 дБ). Затем надо установить на магнитофоне чистую ленту и подать на вход усилителя записи сигнал с частотой 1000 Гц, используя любой подходящий источник — им может быть, например, звуковой генератор или фонограмма, воспроизводимая другим магнитофоном. Записанный сигнал воспроизводят, не меняя установленное по измерительной ленте усиление канала воспроизведения, и регулято- ром уровня записи устанавливают уровень сигнала на выходе магнитофона уровень, соответствующий 100 % измерителя уровня. Естественно, что намагниченность записи окажется той же, что и эталонная на измерительной ленте.
В процессе студийной записи приходится постоянно сравнивать звучание программ, записываемой и записанной. В студийных условиях сделать это достаточно просто с помощью коммутации контрольных агрегатов и измерителей уровня на вход или на выход магнитофона, следует лишь проследить, чтобы абсолютные величины напряжения сигналов на входе и выходе магнитофона были одинаковы (например, 1,55 В). Регуляторы усиления магнитофонных усилителей являются лишь установочными, и при записи программы ими не пользуются. Необходимый выходной уровень поддерживается с помощью регуляторов уровня микшерного пульта так, чтобы пики уровня наблюдаемые по измерителю уровня на выходе магнитофона, по возможности не выходили за отметку «100%» шкалы измерителя уровня.
Часть «Ч» измерительной ленты содержит записи ряда сигналов отдельных частот от 31,5 до 18000 Гц с такими уровнями, чтобы частотная характеристика измерительной ленты, т.е. зависимость ее остаточного магнитного потока от частоты сигналов, соответствовала стандартной характеристике записи.
3737Форма этой частотной характеристики по принятому стандарту прямолинейна лишь в области низких и средних звуковых частот и плавно понижается на высших частотах диапазона (рис. 90), причем крутизна спада частотной характеристики различна для разных скоростей движе-
37
37
КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА
Частотные характеристики остаточного потока илтерителмых ^ лент (часто "Ч") для четырех скоростей
Рис 90. Частотная характеристика ЛИМ
ния ленты и тем больше, чем меньше скорость. В качестве опорной частоты, с которой по уровню сравниваются другие частоты, берется частота 1000 Гц (для кассетных измерительных лент со скоростью движения ленты 4,76 см/с в качестве опорной берется частота 315 Гц). Часть «Ч» измерительной ленты записывается с таким уровнем, чтобы на опорной частоте уровень намагниченности ленты был в 10 раз (на 20 дБ) меньше максимально допустимого установочного уровня записи, т.е. был бы равен 32 или 25 нВб/м, соответственно для профессиональной и кассетной аппаратуры.
Перед сигналами, служащими для проверки частотной характеристики канала воспроизведения, измерительная лента (часть»1!») содержит запись сигнала с частотой 12500 Гц, предназначенный для установки правильного положения рабочего зазора головки. Этот сигнал записан на магнитофоне, рабочий зазор записывающей головки которого заведомо перпендикулярен направлению движения ленты. На стереофонической измерительной ленте ЛИМ-2, кроме этого сигнала для той же цели на обоих дорожках записывается сигнал «белого» шума, который известен, как обладатель максимально широкой полосы частот звукового диапазона.
Как проверить частотную характеристику и насколько правильно выставлены рабочие зазоры головок проверяемого магнитофона? На магнитофоне устанавливают часть «Ч» измерительной ленты и воспроизводят ее. К выходу усилителя воспроизведения подключают электронный вольтметр. (С несколько меньшей точностью подобную проверку можро сделать и по измерителю уровня). Прежде всего проверяется положение рабочего зазора головки воспроизведения и производится установка головки «по азимуту».
Для этого, наблюдая за показаниями прибора на выходе магнитофона, с помощью специальных регулировочных винтов находят такое положение головки, при котором отдача на сигналах высоких звуковых частот становится максимальной. Это положение головки и является нормальным. Такой способ неприемлем для стереофонического магнитофона, способ установки головки из-за относительно малой точности. Причина в том, что на более узких дорожках записи четко выраженный максимум отдачи при изменении ориентации зазора отсутствует. В этом случае прибегают к воспроизведению записанных на измерительной ленте сигналов белого шума, а настройку головки производят по специальному прибору — гониометру.
Гониометр — это некое подобие осциллографа, на экране которого, при подаче на его вход двух сигналов, возникают фигуры, по форме которых можно судить о соотношениях фаз в левом и правом каналах. Причем, если в сигналах присутствуют колебания многих частот (что характерно для широкополосного белого шума), то только при точной установке рабочего зазора головки по вертикали, соблюдается син- фазность всех составляющих сигнала в обоих каналах, и фигура на экране гониометра приобретает вид близкий к вертикальной прямой линии. Установка головки производится при этом, как обычно, с помощью регулировочных винтов.
Далее проверяется частотная характеристика канала воспроизвс- * дения. Делается это следующим образом. Заметив показания прибора при воспроизведении сигнала опорной частоты (1000 Гц), наблюдают за изменениями выходного напряжения в зависимости от изменений частоты воспроизводимых сигналов. Частотную характеристику канала воспроизведения сличают нормальной в том случае, если выходное напряжение магнитофона при воспроизведении измерительной ленты существенно не изменяется (допускаются лишь небольшие отклонения выходного уровня в пределах 1 дБ на средних частотах и 3 дБ на
краях рабочего диапазона). Убедившись, что канал воспроизведения в норме, устанавливают чистую ленту и записывают подаваемые на вход магнитофона от звукового генератора сигналы, одинаковые по амплитуде, но разные по частоте. Тем же способом, что и при установке головки воспроизведения, регулируют положение рабочего зазора головки записи и проверяют по максимуму выходного напряжения магнитофона параллельность ее рабочего зазора рабочему зазору головки воспроизведения.
Далее проверяется частотная характеристика канала записи. Это делается сравнением выходных напряжений при записи измерительных сигналов с напряжениями, создаваемыми на выходе магнитофона при воспроизведении на нем измерительной ленты (части «Ч»). Отклонения этих двух характеристик друг от друга также не должны превышать 1,5 дБ на средних частотах и 3 дБ на крайних. Частотные характеристики каналов записи и воспроизведения изменяются в области высоких частот по мере износа головок, а канала записи — еще и в зависимости от типа применяемой ленты. Поэтому усилители обычно имеют выведенные под шлиц регуляторы коррекции по высоким частотам, которые используются при профилактических проверках и подстройке аппаратуры.
Часть «Д» измерительной ленты представляет собой запись сигнала с частотой 3150 Гц, произведенной на магнитофоне с заведомо малыми колебаниями скорости записи.
При воспроизведении такой записи на испытуемом магнитофоне измеряют с помощью специального прибора — детонометра выраженное в процентах отношение величины колебаний скорости воспроизведения к ее среднему значению. При этом современные детонометры снабжаются специальными фильтрами, которые приводят в соответствие показания прибора с восприятием на слух искажений, возникающих из-за колебаний скорости ленты (детонации).
Измерительные ленты изготавливаются с особой тщательностью на специально оборудованных для этого рабочих местах. При их записи используются наборы генераторов колебаний звуковых частот, прецизионные магнитофоны, комплект контрольных приборов. При записи измерительных сигналов их уровень поддерживается с высокой точностью вручную или автоматически. Для записи измерительных лент используются специально отобранные магнитные ленты, обладающие высокой равномерностью чувствительности по всей своей длине.
. Монтаж и хранение магнитных фонограмм
Монтаж занимает важное место в звукозаписи — собственно это процесс превращения полуфабриката в виде рабочих фонограмм в конечный продукт — скомпонованную программу. При монтаже исключают из выполненных записей неудачные варианты, делают заготовленные; заранее вставки, вводят различные звуковые эффекты и многое, многое другое. Большую часть истории звукозаписи основными средствами монтажа были ножницы и клей. Они и сейчас остаются рабочим инструментом монтажера по звуку на многих студиях России, — особенно старых, государственных. Сейчас доминируют электронные средства монтажа, но термин «склейка», который на слуху в любой монтажной аппаратной, возвращает к истокам монтажа. С них, пожалуй, стоит начать.
Имея достаточный навык, можно обычными ножницами вырезать из фонограммы фрагменты, абзацы, фразы, слова и даже отдельные звуки. Резать ленту удобно на паузах, место склейки определяют на слух. Если пауза короткая, то ее точное место на ленте находят, выключив двигатель магнитофона и вручную, придерживая пальцами правый и левый рулоны, медленно передвигают ленту по головке воспроизведения.
Сращивать ленту’следует специальной склеивающей лентой, а старые типы лент на ацетатной основе можно склеивать специальным клеем. Магнитную ленту сращивают так: концы ленты располагаются встык и стягиваются кусочком липкой склеивающей ленты, наложенной на место монтажа с той стороны, которая лишена рабочего слоя. Края склеивающей ленты аккуратно подрезаются по ширине магнитной ленты . Сращивание ленты встык (ещё один термин из прошлого, заимствованный современными системами), позволяет делать склейки в середине музыкального произведения без заметных на слух потерь сигнала или 'нарушений ритма.
При механическом монтаже важно помнить о «мелочах»: например ножницы, которыми производится монтаж, не должны, даже случайно, быть намагниченными, в противном случае место склейки внесе т в фонограмму неприятные глухие щелчки. Следует время от времени размагничивать ножницы размагничивающим электромагнитом.
К началу и концу отмонтированной фонограммы подклеивается специальная лента без магнитного слоя, так называемый ракорд, его назначение — дать возможность двигателю при запуске набрать необходимую скорость, он также предохраняет запись ог обрывов при зарядке. На начальном ракорде, имеющим длину около 2—2,5 м карандашом подписывается или
печатается на машинке название записи. Конечный ракорд должен быть короче — около 1 м. Цветовая разметка ракордов облегчает работу с фонограммами. По действующим стандартам применяется следующая цветовая разметка ракордов:
Скорость движения ленты, см/с 76,2 38,1 19,05 9,53
Стереофония 38,1 19,05
Цвет
белый
зелёный
жёлтый
синий
зелёно-белый (полосатый) жёлто-белый (полосатый)
Хранить чистую ленту и готовые фонограммы следует в специальных картонных коробках в вертикальном положении в помещениях с температурой не выше 12±3°С и относительной влажностью воздуха не более 50—60 %. Длительное воздействием на ленту температуры выше 20—30°С (например, хранение при воздействии прямых солнечных лучей), а также повышенной влажности резко уменьшают сроки хранения ленты. Очень важно также следить за тем. чтобы вблизи от записанных лент не находились источники сильных магнитных полей: трансформаторы, электродвигатели и др.
Те не менее, многолетний опыт хранения записей на магнитной ленте показывает, что и при самых оптимальных условиях хранения, лента от времени деформируется, высыхае т и качество записи ухудшается. Гарантированный срок хранения фонограмм, таким образом, ограничен, примерно, 15—20 годами. Поэтому, для создания архивов звукозаписей, фонограммы на магнитной ленте, путём перезаписи рекомендуется перевести в цифровую форму и хранить на новой основе ( например, на компакт-дисках).
Все, о чем сказано выше, относится к той части магнитной звукозаписи, которую можно назвать «катушечной» или «рулонной». Когда на смену катушке пришла кассета, возникли проблемы. Действительно, с ножницами к кассете не подойдешь, а если она нуждается в клее, ее проще и дешевле выбросить. Одного появления кассетной записи достаточно для постановки вопроса о поиске альтернативных методов мон-
тажа. Однако, действительные причины иные и глубже. Техника управления и автоматизации уже в 70-е годы вышла на уровни, когда решение задачи дистанционного управления магнитофонами — а это тоже самое, что и электронного монтажа, стало делом «техники». Не случайно развитие электронных систем монтажа видео и звука шло практически параллельно.
Собственно, идея электронного монтажа достаточно очевидна. Имеется группа воспроизводящих магнитофонов, на которых установлены ленты с первичными записями, Требуется заготовки с воспроизводящих перенести на записывающий аппарат, где в нужной последовательности по фрагментам будет собрана компонуемая программа. Минимальный состав электронной монтажной — три аппарата. Реализация рассмотренной схемы требует выполнения нескольких важных условий. Все магнитофоны в монтажной должны иметь органы, обеспечивающие дистанционное управление ими с единого пульта. Все современные аппараты отвечают этому требованию. Однако важно, чтобы язык команд или протокол управления воспринимался всеми аппаратами монтажной. А вот здесь единообразие, понятное теоретически, принято фирмами-производителями не было, что повлекло массу неприятностей. Впрочем, современная цифровая техника и здесь нашла универсальные решения. Известно, насколько долог и мучителен поиск нужных фрагментов записи, при этом должны быть обеспечены режимы достаточно точного выхода на отыскиваемый участок. За этим скрывается далеко не простая задача точного контроля перемещения ленты в магнитофоне, возможности быстрого — в режиме ускоренной перемотки выхода на заданные точки фонограмм. Этого мало, в определенных режимах управление всеми магнитофонами монтажной, перемещением лент, операциями «воспроизве- дение/запись» и многим другим должно быть согласовано или жестко синхронизовано. Здесь очень много аналогий — и не случайно с видеомонтажом.
Звукорежиссер, приступая к монтажу программы, должен удерживать в памяти и контролировать весь исходный материал. Это общее условие, ио при электронном монтаже оно особенно актуально. Формально, простой монтаж встык и здесь прост. Надо найти требуемый фрагмент и «склеить» его с уже смонтированной частью, переписав без пропусков на записывающий аппарат. После этого можно отправляться за следующим фрагментом. В действительности все нс гак просто. При такой работе вряд ли бы стоило связываться с электронным монтажом.
Главное в современных системах монтажа — это ее интеллектуальность. Основная идея в том, что после репетиций со звукорежиссером (можно использовать и термин «черновой монтаж»), система должна иметь детальное представление о размещении материала по используемым источникам, порядку их вывода в компонуемую программу, специальным эффектам и многому другому. Система должна знать все адреса затребованных материалов, команды их поиска в кратчайшее время. В принципе, можно отыскать требуемый фрагмент, ориентируясь на данные счётчика метража ленты, но такой поиск будет неточен, хотя в качестве первого, грубого уровня системы поиска вполне годится. Уже на первых этапах развития электронного монтажа стало ясно, что нужны специальные метки — указатели. Самое простое — расстановка меток звукорежиссером. Такая система меток аналоговая в сущности, поскольку ориентируется на положение границ фрагмента, но не несет информации о его размещении (адресе) на ленте. Следующий принципиальный этап связан с введением специальных временных кодов, которые вместе с паспортом «участка» информируют и о его «географии».
Современная техника позволяет теперь многое. Звукорежиссер может прослушать несколько фрагментов, соединить' их, ввести нужные эффекты, проделать многое другое. Главное в том, что он может затем предварительно услышать сделанное, оценить, принять или отвергнуть те или иные решения. Он может внести изменения в прослушанное и вновь проконтролировать — и, только достигнув уровня согласия со своим восприятием, он дает команду записать на монтируемый оригинал. Более того автоматизация на современном уровне позволяет звукорежиссеру шаг за шагом проделать всю работу, прослушать и исправить неудачные решения. Управляющий системой компьютер, при этом, фиксирует все утвержденные команды, сохраняет их в памяти и потом в автоматическом режиме, используя «лист монтажных решений», выполняет чистовой монтаж.
Электронный монтаж вызвал к жизни термин «многократная перезапись», за которым стоят серьезные проблемы. Чем сложнее монтаж, чем больше источников используется, чем многослойнее эффекты — тем больше перезаписей требуется. Каждая перезапись сигналограммы — это для аналоговой магнитной записи — заметные потери качества. Здесь и вступают в противоречия творческие планы звукорежиссера и требования к техническому качества записи. В аналоговой записи постепенно выявилось еще одно противоречие — система управления монтажом и другими
функциями быстро стала цифровой, а то чем управляют сохранило вес недостатки аналога. Эти противоречия удалось снять только в полностью цифровых системах, о которых речь пойдет ниже.
Многодорожечная запись
Ещё задолго" до появления первых многодорожечных магнитофонов в студиях применялся способ раздельной, поочередной записи отдельных голосов и групп музыкального ансамбля на обычных магнитофонах, с последующим их сведением, т. е. с наложением друг на друга при перезаписи (“запись с наложением”).
Этот способ использовался, в основном, Для получения различных звуковых эффектов при записи эстрадной музыки. Практически это делалось так: сначала записывался, например, аккомпанемент, который затем подавался на один из входов микшерного пульта для перезаписи и параллельно воспроизводился с малым уровнем громкости через установленный в студии громкоговоритель (или на головные телефоны). В студии у микрофона, включенного на другой вход микшерного пульта располагается солист, который исполнял свою партию под уже записанный аккомпанемент. В тракте микшерного пульта происходило смешивание сигналов аккоманемента и сольной партии, причем соотношения уровней между этими двумя компонентам звучания подбирались и регулировались звукорежиссером. С выхода пульта суммарный сигнал поступал на вход второго магнитофона, на котором и производится окончательная запись уже полного произведения.
Этот несложный метод записи давал возможность наивыгоднейшим образом расположить микрофоны для каждого исполнителя или группы исполнителей, не заботясь об их акустическом разделении и о том влиянии, которое они могли бы оказать на звучание других исполнителей. Наконец, метод записи с наложениями позволял получать разнообразные специальные звуковые эффекты с помощью особых трюковых приемов, например, запись дуэта, в котором партии обоих голосов исполняются одним и тем же певцом; запись какого либо музыкального инструмента в несвойственном ему регистре и т. д. Прием записи с наложениями можно было бы повторять несколько раз подряд и таким образом записать раздельно каждую оркестровую группу, требующую своей специфической окраски звучания.
Однако, запись с наложениями имеет существенный недостаток, ограничивающий область ее применения. Этот недостаток заключается в
том, что в технологический процесс производства готовой фонограммы включается перезапись, которая, как известно, при аналоговом методе перезаписи, вносит свои дополнительные искажения. Поэтому там, где требуется повышенное качество записи предпочитают пользоваться специальными многодорожечными магнитофонами. Эти магнитофоны имеют 4, 8, а некоторые 24, а иногда и 32 и даже 48 раздельных каналов записи и воспроизведения. Такой магнитофон позволяет записать звучание музыкального ансамбля по частям, каждой группы на отдельной дорожке записи. Затем, при воспроизведении сигналы со всех дорожек совмещаются в микшерном пульте и перезаписываются на обычный магнитофон с узкой лентой (6,25 мм), для получения окончательной, пригодной для прослушивания в домашних условиях, монофонической или двухдорожечной стереофонической фонограммы.
Первые простейшие профессиональные многодорожечные магнитофоны появились в начале 70-х годов. Это были аналоговые четырехдорожечные машины и предназначались они для работы на ленте 2 дюйма. Позже стали выпускаться, как уже упоминалось выше, восьми-, шестнадцати-, двадцати четырех- и даже сорока восьмидорожечные аппараты.
Однако, упрощенная схема многодорожечного-магнитофона может быть пояснена на примере самого простого четырехдорожечного аппарата (рис. 91).
Магнитные головки многодорожечных аналоговых магнитофонов состоят как бы из многих головок, конструктивно объединенных и расположенных друг над другом (рис. 92). Головки, входящие в эту систему, выполняют соответственно функции записи, воспроизведения и стирания каждой из записанных программ по отдельности. Дорожки записи на широкой ленте располагаются так, чтобы между ними оставались достаточной ширины промежутки чистой ленты, необходимые для того, чтобы исключить взаимное проникание сигналов из одного канала в другие. Для точного совпадения во времени звучания отдельных оркестровых партий, записываемых на различных дорожках, рабочие зазоры всех систем каждой из магнитных головок выполняются строго на одной вертикали друг над другом.
Извес тны два способа многодорожечной за! шеи: параллельный и последовательный. При параллельной записи все группы исполнителей записываются одновременно, каждая на дорожку своего канала.
Исполнители и микрофоны должны быть расположены в студии так, чтобы каждый микрофон, скоммутированный на вход одного из кана-
Рис 91 Блок-схема многодорожечного магнитофона
Рис 92 Блок магнитных головок 24-х дорожечного магнитофона.
лов микшерного пульта, воспринимал бы звуки в основном только от своей группы исполнителей.
Предназначенный для многоканальной записи микшерный пульт, разумеется, должен иметь число выходных каналов, соответствующее числу дорожек записи магнитофона. И не только в этом заключается отличие микшерного пульта, предназначенного для многоканальной записи от обычного. Во-первых, на выходе каждого канала такого пульта на запись должен быть установлен измеритель уровня. И во-вторых, схема пульта, предназначенного для многодорожечной записи должна содержать дополнителное смесительное устройство для возможности контрольного прослушивания всех каналов, подаваемых на запись на два контрольных громкоговорителя звукорежиссерской аппаратной, непосредственно в процессе записи.
Когда запись закончена, лента перематывается, магнитофон включается на воспроизведение и осуществляется микширование (сведение) сигналов всех каналов. Суммарный сигнал записывается на магнитную ленту обычного монофонического или стереофонического магнитофона.
Такой способ изготовления фонограмм дает возможность звукорежиссеру при микшировании и перезаписи регу;шровать уровень программ отдельных каналов, корректировать частотные характеристики, вводить в них, при необходимости, сигналы искусственной реверберации, а также применять различные другие эффекты. При этом все операции сведения и монтажа производятся в отсутствие исполнителей, и звукорежиссер в спокойной обстановке может более тщательно с помощью многочисленных проб найти оптимальный режим микширования и обработки сигналов для достижения наилучшего музыкального баланса и наиболее интересных окрасок звучания.
Трудность в достижении достаточно полного акустического разделения звуковых сигналов от разных источников в студии, без которого во многом теряется смысл записи на многодорожечном магнитофоне, делает более эффективным другой, последовательный способ многодорожечной записи, очень широко применяемый при записи, развлекательной, танцевальной и, поп-музыки.
При последовательной записи различные группы оркестра записываются поочередно в разное время, каждая на отдельную дорожку широкой магнитной ленты. Например, на первую дорожку записывается группа инструментов, исполняющих аккомпанирующую, ритмическую партию партитуры (контрабас, ударные инструменты, иногда гитара и т. п.). Далее
по второму каналу записывается другая группа инструментов, например скрипок.
При этом звукорежиссер подбирает для них оптимальный режим зву- копередачи, который в общем случае может и не совпадать с предыдущим режимом ни по количеству микрофонов и их расположению, ни по характеристикам направленности.
Чтобы звучание всех партий, записанных на разных дорожках магнитной ленты, совпало по времени и точно соблюдался ритмический рисунок произведения, дирижеру и исполнителям на установленный в студии громкоговоритель на малом уровне громкости подаегся сигнал записанной ранее ритмической партии, который для них является своего рода синхронизирующей. Но следует иметь в виду, что, если мы имеем дело с аналоговым вагнитофоном, то этот синхронизирующий сигнал должен поступать на громкоговоритель в студию не с головки воспроизведения первого канала, а с его головки записи. Действительно, если это будет не так, то исполнители каждый раз будут вступать позже, запаздывая по отношению к ритму первой партии на время прохождения ленты от головки записи до головки воспроизведения. Именно поэтому сигнал синхронизации считывается с соответствующей дорожки головками записи, которые, являясь универсальными, в случае, когда данные каналы не включены на запись, переключаются в режим воспроизведения и коммутируются на усилители прослушивания, установленные в канале синхронизации. (Естественно, эта особенность конструкции актуальна только для аналогового магнитофона).
Аналогично, под аккомпанемент уже записанных двух оркестровых партий, прослушиваемых в студии для задания ритма, записывается на третью дорожку новая группа инструментов (например, духовых) и т. д. Распределение голосов оркестра по группам зависит прежде всего от характера и инструментовки произведения, а также от акустических характеристик студии. Поэтому вопрос решается звукорежиссером по-разному для каждого конкретного случая. Дальнейшее мик- ; ширование и перезапись производятся так же, как и при способе параллельной записи.
Применение последовательной, поочередной записи отдельных групп инструментов оркестра или отдельных исполнителей дает возможность использовать многочисленные трюковые приемы, часто весьма эффектные, для некоторых произведений так называемой развлекательной музыки. Например, записав аккомпанемент на скорости 38,1 см/с, можно переключить магнитофон на скорость 19,05 см/с и партию фортепьяно
записать на второй дорожке с этой пониженной скоростью.. Естественно, что синхронизирующий сигнал будет в студии прослушиваться исполнителем также вдвое медленнее и на октаву ниже нормального звучания. Следуя этому неестественному ритму, пианист должен сыграть свою партию. При воспроизведении для сведения звуковых сигналов с обеих дорожек в один канал, магнитофон вновь переключают на скорость 38,1 см/с, в результате чего тональность записанной на второй дорожке пар тии фортепьяно транспонируется на октаву выше, и на фоне нормально записанного аккомпанемента зазвучит инструмент с высоким, несколько «стеклянным» тембром, резко отличным от нормального, свойственного фортепьяно тембра, но иногда придающим звучанию всей записи оригинальные и весьма эффектные краски.
Разумеется, четыре дорожки записи ни в коей мере не могут удовлетворить звукорежиссера, если он сталкивается со сложными партитурами современной музыки ( такими, как например, некоторые сочинения А. Шнитке). Что уж и говорить о современных эстрадных ансамблях, аранжировка которых часто специально предназначена для утрировано рельефного тембрового разделения голосов и соведшенно неестественного для живого исполнения музыкального баланса.
Для предоставления звукорежиссеру максимальной свободы при обработке звукового материала, профессиональные студии звукозаписи стали приобретать 8-, 16-, 24-дорожечные аналоговые магнитофоны фирм STUDER, TELEFUNKEN и некоторые другие. Для того периода развития студийной техники эти аппараты полностью удовлетворяли технологическим потребностям студий. Лучшие образцы из них были 24-дорожечные, запись велась на ленте шириной 2” и, несмотря на то,что каждая из дорожек записи имела ширину меньше двух миллиметров, качественные показатели записи (в том числе и шумы паузы) практически не отличались от самых качественных записей, сделанных на лучших студийных стереофонических магнитофонах. Сложность возникала лишь при сведении всех дорожек, на узкую ленту. Шумы всех дорожек при этом суммировались и в сведенной фонограмме их уровень становился неприемлемым. Приходилось, как обязательную меру при многодорожечной записи использовать приобретаемые отдельно компандерные системы шумоподавления типа Telcom или Dolby-SR.
Таким образом, многодорожечная запись, если к ней предъявлять жеские требования но техническому качеству звучания дело достаточно накладное.
Правда, малые, полупрофессиональные студии уже в то время стали оснащаться более дешевыми многодорожечными магнитофонами, выполняющими необходимые технологические операции, но уступающие лучшим образцам подобной техники по техническим параметрам. Например, стал популярен вполне приличный 16-дорожечный магнитофон G-16 известной фирмы FOSTEX , рассчитанный на работу с 1/2 — дюймовой лентой. Этот магнитофон оборудован весьма объёмной памятью и автолокатором ленты обеспечивающим быстрый поиск нужного места фонограммы в процессе записи и монтажа. В схеме магнитофона G-16 предусмотрена система шумоподавления Dolby С.
Но прошло время и магнитофоны стали цифровыми. Цифровые магнитофоны существенно повысили качество записи, дали возможность широко внедрить электронный монтаж фонограмм, т. е. компановать отдельные монтажные фрагменты в определённой последовательности, путём их перезаписи. Облегчились проблеммы с автоматизацией технологического процесса, стали широко использоваться для этого цифровые адресно — временные коды.
Цифровые многоканальные магнитофоны по способу записи погут быть отнесены к двум видам: либо это магнитофоны с неподвижными головками и продольной многодорожечной записью, либо с вращающимися головками и наклонно строчной записью.
Из многочисленных форматов для студийной, профессиональной цифровой записи с неподвижными головками конкурентоспособными оказались форматы семейства DASH ( от английского digital audio stationary heads — цифровая запись звука с неподвижными головками) и форматы семейства Prodigi ( от английского professional digital — професиональный цифровой).
Но разница между этими форматами заключается лишь в деталях, а эксплуатационные характеристики у этих модификаций многодорожечных магнитофонов практически одинаковы.
Значительно более разнообразен ассортимент многодорожечных магнитофонов с вращающимися головками. Их модификаций можно перечислить десятками.
Но сегодня, практически все фирмы производители многодорожечни- ков придерживаются одного из двух наиболее перспективных форматов.
Формат ADAT предложен фирмой Alesis. Он и расшифровывается как Alesis Digital Audio Таре. В нем для записи используются обычные кассеты для домашнего видео S-VHS с лентой шириной 1/2”.
В этом формате выпускают цифровые многодорожечные магнитофо-
ны несколько известных среди специалистов фирм. Это, естественно. Alesis, а, кроме того, Fostex, Studer, Panasonic и многие, многие другие.
Сравнительно низкая цена магнитофона, а также недорогой стандартный носитель стал залогом быстрого распространения магнитофонов ADAT во всем мире.
Причём, возможность синхронной работы нескольких многодоро- жечников позволила использовать ADAT в серьезных профессиональных аудиотрактах.
С форматом ADAT соперничает второй не менее известный специалистам формат — DIRS ( Digital Гарс Recording System). Его придерживаются фирмы Tascani и Sony. Магнитофоны формата DTRS рассчтаны на кассезы Video-8, с лентой шириной 8мм. Кстати, для магнитофонов формата DRTS фирма Quantegy выпускает и специально предназначенную для цифровой звукозаписи кассету под наименованием DA8, рассчитанную на 30, 60 и 113 минут длительности звучания.
Некоторые фирмы при комплектации многодорожечных систем используют модульный принцип. Они выпускают относительно недорогой базовый восьмидорожечный модуль. Потребитель сам решает, сколько ему нужно дорожек, и определяет, сколько потребуется модулей. Модули устанавливаются один на другой — так набирается система. Все конструктивы ориентированы на системы с большим числом каналов — до 128.
В настоящее время с цифровыми многодорожечными магнитофонами серьезно конкурируют многодорожечные устройства записи на жестких магнитных дисках и звуковые рабочие станции. Запись на дисковых носителях имеет преимущество по сравнению с записью на ленте, благодаря тому, что она является системой со свободным доступом, т. е. дает возможность пользователю мгновенно перепозицианировать устройство воспроизведения, не тратя время на перемотку ленточного носителя. Это разумеется, очень облегчает монтаж фонограмм. Подробнее об этой аппаратуре разговор пойдет ниже. И все же несмотря на это есть звукорежиссеры, предпочитающие ленточные аппараты.
Цифровая звукозапись и обработка сигнала
О применении в студиях звукозаписи цифровых магнитофонов упоминалось уже в предыдущих лекциях. Теперь вопросы цифровой звукозаписи будут рассмотрены более подробно.
Попытки использовать технику дискретных (импульсных) сигналов для обработки и передачи звука предпринимались многократно, но до
начала 80-х годов эти попытки не имели особого успеха. И только позже, когда в студиях появились первые цифровые аппараты стало ясно, что переход на цифровую технику открывает самые широкие возможности для совершенствования методов обработки сигналов и их записи. Этому способствовали несколько внутренних технологических революций в микроэлектронике, связанных с переходом на все более высокие уровни интеграции. В микроэлектронике это означает, почти буквально, что электронные устройства, ранее умещающиеся, разве что, в шкафу, уменьшились до карманного размера. Можно было бы многое рассказать о следствиях этого технологического перехода, потрясшего в последние годы компьютерную технику, видео и телевидение. Для нас же важно, что эти события не обошли и технику звукозаписи и обработки звука.
Аналого-цифровое преобразование.
Кодирование,'пожалуй, — единственный способ передачи информа- ции, обеспечивающий возможность ее затем принять и расшифровать. Информация не материальна, но доставка ее от одного клиента к другому требует вполне материальных средств, в том числе и носителя. Среди бесконечно многих способов кодирования любой информации цифровая выделяется своей примитивной однозначностью. Собственно, цифровой код содержит только два символа: ноль, свидетельствующий об отсутствии сведений, и единица, сообщающая, что они есть. Именно этот предельно упрощенный язык общения и революционизировал всю информационную среду человечества. Звукотехника здесь — не исключение.
Все начинается с аналого-цифрового преобразования. Цель этой операции в замене непрерывной и плавно меняющейся кривой (она может представлять уровни звукового давления акустической волны, напряжении на выходе усилителя звука: или намагниченности на ленте) на последовательность импульсов с постоянной тактовой частотой. В этой пос-, ледовательности отсутствие импульса или его отрицательный знак передаст «нет» (логический “0”), а присутствие шли положительное значение — «да» (логическую “1”).
Среди методов цифрового представления звуковых сигналов наиболее распространена импульсно-кодовая модуляция — И КМ (английкая аббревиатура РСМ). Процедура аналого-цифрового преобразования (АЦП) при И КМ состоит из трех операций: дискретизации, квантования и кодирования. При этом, квантование и кодирование, как правило, осуществляются одновременно общим функциональным блоком, но при ана-
лизе качественных показателей метода ИКМ удобно эти операции рассматривать раздельно.
Итак, для осуществления ИКМ, прежде всего, входной сигнал ограничивается по частоте и обрабатывается схемой “выборка-хранение” На этом этапе, через равные промежутки времени, с частотой, которую называют частотой дискретизации отсчетов или выборок, — определяют действующие уровни аналогового сигнала. Таким образом, непрерывный аналоговый сигнал преобразуют в поток импульсов, следующих с частотой дискретизации. При этом величина отдельного им-
Частота дискретизации Р= 44, 1 кГцЧастота дискретизации Р= 44, 1 кГцРис.93. Дискретизация звукового сигнала.Рис.93. Дискретизация звукового сигнала.пульса равна соответствующему значению отсчета аналогового сигнала, что поясняется рис 93.
Частота дискретизации Р= 44, 1 кГц
Частота дискретизации Р= 44, 1 кГц
Рис.93. Дискретизация звукового сигнала.
Рис.93. Дискретизация звукового сигнала.
Далеко не очевидно, что аналоговый процесс, принципиально неразрывный во времени и пространстве можно представить последовательностью импульсов. Эта проблема получила свое окончательное решение только в нашем веке — в целом в начале, в деталях потом.
Самый фундаментальный вывод заключается в том, что информация, передаваемая любыми носителями, если она ограничена во времени, пространстве и по уровневому диапазону модуляции носителя, может быть передана полностью дискретным и конечным набором информационных единиц со значениями «да» и «нет». Это — одна из последних формулировок теоремы Шеннона. Мы сошлемся еще на одну теорему, доказанную патриархом российской связи в 1926 г. В. Котельниковым из которой следует, что ограниченный по полосе частот сигнал может быть представлен дискретным набором сигналов определенной формы. Все сказанное показывает разные стороны одной многомерной медали. Его смысл в том, что все ограниченное или дискретно изначально или может быть представлено, причем точно, в дискретном виде. Эти строгие математические соображения и лежат в фундаменте цифровой техники.
Частота дискретизации звукового сигнала выбирается на основании теоремы отсчетов Котельникова. Для неискаженной передачи непрерывного сигнала, занимающего определенную полосу частот, необходимо, как
вытекает из этой теоремы, чтобы частота дискретизации была бы не менее, чем в два раза больше наивысшей частоты передаваемого сигнала. Таким образом звуковой сигнал с полосой частот до 20 кГц должен быть разбит минимум на 40 000 отсчетов в секунду.
В настоящее время в цифровой аппаратуре различного назначения находят применение различные частоты дискретизации сигнала. Прежде всего эго 32 кГц — ее применяют в основном в системах связи и вещания, где наивысшая частота сигнала 15 кГц. В лазерных проигрывателях компакт дисков и на некоторых бытовых цифровых магнитофонах (впрочем, иногда и профессиональных) наивысшая воспроизводимая частота может достигать 20 кГц, поэтому частота дискретизации должна превышать 40 кГц. Здесь принята частота 44,1 кГц. В студийной аппаратуре звукозаписи (стандарт AES/EBU) чаще всего применяется 48 кГц.
Таким образом, как вытекает из изложенного, наивысшая частота преобразуемого методом ИКМ в цифровой вид звукового сигнала ограничена частотой дискретизации преобразователя. Дело в том, что спектр дискретизованного сигнала обладает периодической структурой. Кроме низкочастотной части, отображающий сам звуковой сигнал, он имеет ещё и высокочастотные компоненты в виде боковых полос с центрами в точках кратных частоте дискретизации. ( Рис. 94). Если спектр звукового сигнала перед преобразованием не ограничить, то его высокочастотная часть может' наложиться на смежную боковую полосу. При этом в преобразованном сигнале возникнут неустранимые искажения, в виде паразитных высокочас-
аа
а
а
ббРис.94. Спектр дискретизованного сигнала, а/ — без ФНЧ; б/ — с ФНЧРис.94. Спектр дискретизованного сигнала, а/ — без ФНЧ; б/ — с ФНЧ
б
б
Рис.94. Спектр дискретизованного сигнала, а/ — без ФНЧ; б/ — с ФНЧ
Рис.94. Спектр дискретизованного сигнала, а/ — без ФНЧ; б/ — с ФНЧ
тотных состаатяющих. Звучание будет безнадежно испорчено.
Чтобы избежать этого явления входе преобразователя устанавливается фильтр низших частот (ФНЧ) с частотой среза равной половине частоты дискретизации — т. н. анти- элайсинг фильтр. Но характеристика этого фильтра должна иметь очень крутой срез, что выполнить достаточно сложно.
Из-за этого, а также, стремясь получить возможность расширить полосу передаваемого звукового сигнала, в современных преобразователях И КМ часто используют повышенную частоту дискретизации (передискретизацию), напр. 96 кГц и выше.
Следующим шагом преоб
разования сигнала в цифровой код является уровневое квантование (рис. 95).
Квантование по уровню также связано с ограничениями сигнала — теперь по динамическому диапазону. Здесь важным параметром является отношение сигнал/шум, которое и определяет число уровней квантования, позволяющих с максимальной точностью и без потерь передать информацию.
Квантование проходит следующим образом. Весь динамический интервал звукового сигнала разбивается на число разрешённых уровней (зон), пропорциональное 2"(где п — разрядность квантования). Каждой зоне присваивают (естественно по порядку) номер, выраженный в двоичных информационных единицах — битах. Уровень данного отсчета сравнивают с уровнями зон и присваивают ему номер той, в пределах которой он находится.
Этот номер в дальнейшем и представляет собой величину конкрет-
него отсчета (выборки) сигнала. Величина эта кодируется, т. е. выражаегся последовательностью единичных и нулевых импульсов, которое в двоичной системе счисления представляют номер уровней зоны отсчета. Группа цифр (импульсов в сигнале) называются кодовым (цифровым) словом, представляющим величину данного отсчета во всех дальнейших преобразованиях. "1
Международные соглашения, как по частотам дискретизации, так и по числу уровней квантования ориентируются на уровни, близкие к оптимальным и одновременно удобные с позиций реализации. Точность цифровой информации, в принципе, может быть сколь угодно высокой. Однако, практически, из-за ступенчатости процесса квантования, цифровым сигналам свойственно конечное разрешение, и преобразование «аналог-цифра» всегда сопровождается небольшими ошибками, вызывающими специфические искажения сигнала, наиболее заметные на малых уровнях. Эти искажения называются шумом квантования. Теоретически, при соблюдении определенных условий, цифровое преобразование слышимых изменений в сигнал, включая специфические шумы, вносить не должно. В действительности, шумы квантования — основной фактор, определяющий шумы цифровой системы. Необходимая 'точность (разрешающая способность) системы выбирается из следующих соображений: отношение сигнал/помсха должна быть по величине не хуже, чем в аналоговой записи при использовании систем шумоподавления (например, Dolby SR или Telcom), т. е. не хуже 90 дБ. Практически, отношение сигнал/помсха в цифровой аппаратуре определяется только ошибкой квантования и равно:
A=20-lg2n,
где А — отношение сигнал/помеха, п — число бит. Это соотношение можно переписать так:
А= n-20-]g2 = п-бдБ.
Последнее соотношение несет важную информацию: каждый бит. улучшает отношение сигнал/шум на 6дБ. Это полезно знать для оценки возможностей цифровых систем. Например, мы хотим, чтобы в нашей системе шумы не превышали 96 дБ, для этого теоретически необходимо иметь число разрядов квантования (число бит) 11 = 96/6 = 16 бит.
При этом, число зон квантования или разрешенных значений амплитуды звукового сигнала составит 2" = 65536. Или, другими словами, каждая измеряемая амплитуда может быть представлена с точностью до 1/65536 от ее максимально возможной величины. И тем не менее, на са
мых тихих местах исполнения, когда уровни сигнала малы, даже эти столь небольшие ошибки квантования воспринимаются тренированными слушателями в виде шума. Разумеется, шум квантования будет тем ниже, чем меньше шаг квантования, или, что то же самое, чем больше число разрядов квантования. Очевидно, также, что влияние шума сильно зависит от уровня преобразуемого аналогового сигнала. Если его амплитуда мала, то становятся слышимыми характерные искажения, обусловленные появлением высших гармоник из-за зубчатой формы шума квантования. Причём, на слух это воспринимается именно как искажения, а не как шум.
Ослабить влияние таких искажений можно — как ни парадоксально это звучит — с помощью добавления другого шума. Если подмешать во входной сигнал так называемый “белый шум” ( шум, амплитуда которого практически постоянна в широком диапазоне частот ), то корреляция (связь) между шумами квантования и амплитудой сигнала нарушается. При этом воспроизведённый сигнал уже не будет выглядеть искажённым. Добавление такого шумоподобного маскирующего сигнала т. н. dither'а является весьма важной частью процесса преобразования.
Выше мы не оговаривали специально, но подразумевалось, что разбиение на зоны уровневого квантования равномерное. Однако существуют и другие весьма эффективные способы квантования сигналов, с использованием принципа компандирования, при котором ступени (ширина
Рис. 96. Уровневое квантование: а — линейное; б — нелинейное.
зоны) квантования уменьшаются с уменьшением уровня сигнала и, за счет этого, увеличивается динамический диапазон отображаемых сигналов (рис. 96).
В принципе равномерное квантование относительно легко поддается описанию и нормированию. А вот техника компандирования (компрессия с последующим экспандированием)
требует точного определения и сопряжения нелинейности характеристик этих двух операций. Форма этих характеристик поясняется рис. 97.
Мнения специалистов относительно возможной формы разделились. В настоящее время для АЦП стандартизовано только равномерное (линейное) квантование. Число уровней квантования или разрядов кодового слова достаточно важны. Цифровая техника звукозаписи стартовала, опираясь на 16 разрядов, но выяснилось, что этого мало. Теперь работают системы, в которых применяется квантование на 20, 24, а в некоторых случаях, и на 32 уровня. Не от хорошей жизни идет процесс наращивания числа уровней квантования. Этого требуют условия идентичности звука при прямом прослушивании и воспроизведении после цифрового кодирования — декодирования. Однако за этим стоиг малоприятный фактор наращивания потока информации. Например, при дискретизации с частотой в 48 кГц и 16-битового уровневого кодирования, полный поток цифрового звука составит 48000 16= 768 кб/с. При передаче стереофонической пары этот поток удвоится и составит 1.536 Мб/с. Если считать, что для передачи по каналу связи (или какому-либо друго- ‘ му) одного бита потребуется один период несущей волны, то необходимая для передачи полоса частот в МГц по числовому выражению совпадет с потоком информации в Мб/с. Правда, современная техника позволяет передать около 0,5 бита на каждый период, но это проблемы не решает. Если аналоговый звук занимает полосу в 20 кГц, то цифровой поток того же звукового сигнала потребует около и более мегагерца полосы частот. Это плата за удовольствие оцифровки звука, с которой надо
и приходится считаться.
Бит — это цифровая единица информации, но в цифровой технике используется еще один термин — байт. Он означает кодовое слово длиной в 8 бит. Принято в терминологии обозначать бит буквой «б», а байт «Б».
Итак, процесс разрушения звука и его превращения в последовательность кодовых посылок завершен. Поток преобразованного, таким образом, звука представляет собой череду импульсов, в которой пропуск означает «нет», наличие «да». Группа импульсов этого потока, несущая информацию об одном уровне звукового сигнала или об уровне его отсчета, составляет кодовое слово. Длина кодового слова п — это просто число импульсов в группе, несущей информацию об уровне сигнала в точке конкретного отсчета.
В последнее время все более широкое распространение получают методы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразовния на основе использования сигма-дельта модуляции, когда квантование осуществляется всего одним разрядом, но с частотой в десятки и сотни раз более высокой, чем та которая используется в И КМ (до 2,8 Мгц ).
В процессе такого преобразования анализируются и выражаются в цифровом коде не амплитуды выборок аналогового сигнала, а направление их изменений. Если амплитуда возрастает, то на выходе преобразователя будет “1”, а если уменьшается — то “0”. Нулевой уровень кодируется чередующимися “нулями" и “единицами”.
Основная идея такого метода состоит в том, что спектр шума квантования, возникающего в процессе квантования с малым разрешением преобразуется так, что в полосе звуковых частот его уровень понижается, а в области высоких частот, за пределами слышимого звука — повышается.
Затем полученный цифровой поток обрабатывается прореживающим фильтром низших частот ( фильтр — дециматор ) с получением в результате последовательности отсчётов необходимой разрядности.
Цифровое кодирование.
Надо помнить, что в любом случае, после аналого-цифрового преобразования цифровой сигнал в устройстве, называемом кодером, подвергается специальной кодировке с целью его упорядочения в слова и предложения строго определенной длины, дополняется служебными символами, обозначающими начало слов и предложений, а также информацией о способе и объеме сокращений.
Прежде всего остается определить в пункте приема кодовой посылки начало кодового слова. Сама последовательность вполне безликих импуль-
сов создает проблему формирования сигналов границ. Конечно цифровая машина считать умеет и способна через нужное число импульсов определить, где кончилось одно и началось другое слово — благо все они одной длины! Но любой сбой, а от этого не застрахованы и машины, ведет к невозможности читать текст далее.,
Поэтому начало каждого цифрового слова обозначается т.н. “флагом” — служебной комбинацией, состоящей из группы символов, случайно повторить которую практически невозможно или, точнее, ее крайне редко можно встретить. С флага начинают читать и более крупное сочетание данных — цифровое предложение.. Длительность цифрового предложения зависит от характера текста. В видео она определяется длительностью телевизионного поля. В звуке, если это не сопровождение для кино и видео, возможные привязки по длительности предложения не столь очевидны. Однако они также определены, например это 1 миллисекунда, принятая для цифрового радиовещания и цифрового звукового сопровождения в телевидении. Помимо флага и кодовых комбинаций звуковых отсчетов цифровое предложение содержит ряд служебных символов. Все это проделывается, как это уже было сказано в кодерах, роль которых в цифровой технике чрезвычайно велика.
Цифровое сжатие информации, уплотнение, компрессия -это различные термины, определяющие одно и тоже. Конечная цель компрессии — вычеркивание всей избыточной информации. Теоретики предпочитают утверждать, что звуковой сигнал — случайный процесс. Однако практически всегда последующие уровни сигнала связаны с его предшествующими значениями. Такие сигналы называют коррелированными, а временной интервал, в котором можно проследить эти связи, называют временем корреляции. Корреляционные связи могут быть достаточно длительны. Определив харакгер корреляции, можно с определенной точностью предсказать, каким будет сигнал через некоторый промежуток времени. Это означает, что вовсе не обязательно передавать всю инфор- - мацию, а только ее выборочные значения и некоторые коэффициенты сжатия. Этим можно достигнуть существенной экономии по передаваемому потоку данных. В телевидении сжатие особенно актуально. Для звука его значение не столь велико из-за существенно меньших потоков информации и более коротких интервалов корреляции. Тем не менее и здесь сжатие полезно и используется.
Основная задача любой системы сжатия сводится к вычеркиванию, так называемой, постоянной составляющей и передаче разницы между
предшествующей и последующей посылками. Этот процесс можно распространить на скорость изменения информации, ускорение и т. п. Насколько глубоко можно проникнуть в высокие моменты сигнала и эффективно сжать его зависит от объема используемой оперативной памяти. Мы еще вернемся к роли памяти в цифровой обработке и, в частности, сжатия информации, но уже сейчас надо подчеркнуть, что это — решающий фактор.
В цифровых звуковых каналах вещания, записи часто прибегают к сжатию по динамическому диапазону — подобие аналоговой компрессии. Такая компрессия производится простым вычеркиванием части битов кодовых слов, которые считаются несущественными. Они, в принципе, восстанавливаются на приемном конце. Вся игра строится на различном «удельном весе» битов разных разрядов. Так, ошибки в битах младших разрядов, несущих информацию о малых уровнях звукового сигнала, менее заметны, чем ошибки в битах с информацией о громких звуках. Можно привести такой пример. Бит самого младшего разряда влияет на конечный результат не более, чем одна часть из 65000 нечетных символов (при 16-уровневом квантовании). Если можно говорить о заметности таких искажений, то лишь в случаях очень тонких и тихих пассажей. Для громкого звука или быстрых переходов подобные потери никакой роли не играют.
Сам процесс сокращения кодовых слов начинается со старших битов, но начальный всегда пропускается, поскольку несет знаковую информацию. Следующий, если он совпадает со старшим, вычеркивается. 1 о же делается и далее — вычеркиваются все последующие одинаковые значения. Ситуация, когда до 5 старших битов кодового слова одинаковы достаточно часто встречается, поэтому уже этот примитивный процесс достаточно эффективен. Процесс вычеркивания может быть продолжен. Однако действия устройства компрессии или кодера должны быть сообщены приемной стороне — декодеру. С этой целью в состав кодовых слов (предложений) вводят масштабные коэффициенты.
Еще одна сторона — защита информации. Цифровой поток одноликих импульсов может быть подвергнут поражению в любом месте. Выпадения сигналов в звукозаписи из-за дефектов носителя вещь весьма частая. В аналоговых системах с этим надо считаться, но и только! В цифровых системах можно активно противостоять ошибкам. Защита от ошибок это специфика цифровых систем и сводится она к введению в цифровой поток специальных символов защиты. Самая простая система —■
проверка кодового слова на четность. Есть более сложные системы защиты, связанные с введением специальных символов. Их положение в кодовом предложении, связанность со значением соседних элементов, являются весомой информацией о достоверности предложения. Если посылка признана ошибочной, кодовое слово или предложение заменяют, предшествующим или проводят интерполяцию по нескольким соседним элементам. Эта операция связана с уже упомянутой коррелированностью звукового сигнала.
Еще одна операция, связанная с кодированием, обеспечивающим его защиту от ошибок. Это перемежение или скремблирование. Любые каналы передачи вносят определенные искажения. Ошибки — зло неизбежное, но в цифровых системах бороться с ними можно.
Перемежение или скремблирование — это один из способов, если не избежать ошибку, то ее замаскировать. Самые неприятные, а при записи особенно, — групповые ошибки, когда выпадает достаточно длинный и связанный по времени кусок. По известному правилу на передающем и принимающем концах исходную информацию перемешивают так, что каждый бит звуковой информации занимает в предложении как бы случайное положение. Все соседние элементы после перемешивания никак не связаны с ним. Подобное перетряхивание потока преследует несколько целей. Одна превращает сигнал в шумоподобный, что делает спектр сигнала близким к равномерному. Другая позволяет разнести биты конкретного кодового слова по всему предложению случайным образом. Если групповая ошибка, возникшая, например, при записи из-за царапины, разрушает звук на определенном участке, то перемежение до записи превращает эту довольно неприятную ошибку в набор хаотически разбросанных коротких импульсов, ухудшающих, конечно, восприятие, но не так резко, как выпадение.
За регулировочными (флаговыми) идут, обычно, биты управления, а также дополнительной информации. Для разных систем и каналов эти группы битов различны, но они несут важную информацию о том как, где и что можно читать. В частности, стереофонический сигнал передается в одном цифровом потоке поблочно. В преамбулу, а также в кодовые слова информационного блока, могут вводиться символы обнаружения и защиты от ошибок. Наиболее простой способ обнаружения ошибки связан с проверкой на четность определенной группы кодовых символов. Применяются и более изощренные методы. Самая простая модель действий после обнаружения ошибки — замена пораженного участка
предшествующим. Это возможно именно потому, что близкое прошлое и будущее друг от друга отличаются мало. Такой подход оправдывает себя при трактовке очень широкого, почти неограниченно огромного объема событий, Возможны и более сложные подходы, связанные с анализом поведения сигнала в нескольких предшествующих выборках. Здесь еще точнее удается предвидеть вероятное значение сигнала. Надо сказать, что предсказание требует достаточно развитой операционной памяти. Чем больший объем информации хранится в такой памяти, тем точнее предсказание.
После преамбулы идут кодовые слова информационного блока. После канального кодирования, перемежения и других операций, в том числе связанных с вычеркиванием необязательной части информационного потока длина кодовых слов может и практически всегда отлична от той, которая формируется при цифро-аналоговым преобразовании. Тем не менее разбивка на кодовые слова остается. Выше прозвучали ссылки на конкретные системы передачи звукового предложения, однако в целом формирование кодовых слов и предложений в любой цифровой системе происходит по сходным правилам. Различия возможны, но они относятся к деталям.
Процесс обратного преобразования последовательности импульсов в аналоговый сигнал называется цифро-аналоговым преобразованием, а устройства для его осуществления — цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).
На выходе ЦАП получается ступенчатый аналоговый сигнал, величина ступенек которого равна численному значению соответствующих отсчётов. Чтобы из ступенчатого сигнала получить гладкую кривую, его необходимо пропустить через фильтр низших частот.
Цифровой звук — это надо помнить — дорогое удовольствие. Вместо полосы в 20 кГц аналогового сигнала для звуковой посылки цифрового звука требуется в пол сотни раз больше. Сжатие и другие ухищрения позволяют снизить потребную полосу в несколько раз, но это не возвращает в аналоговое русло. Так почему же цифровая техника упорно внедряется в практику? Естественно, что у нее есть определенные аргументы, свидетельствующие о полезности цифровых технологий, несмотря на их расточительность по полосам частот, энергопотреблению и другим факторам. Впрочем, совершенствование технологии цифровых микросхем практически уже сняло обвинение цифровой техники в излишествах по энергопотреблению и ряду других технико-экономических факторов.
Для любого аналогового сигнала помехи и искажения — беда. Цифровой сигнал — это последовательность импульсов. Их формируют изначально и потеря их формы из-за шумов или нелинейных искажений в каналах передачи практически не влияет на качество принятого сигнала. Импульс может быть искажён, но ятя системы важно принять простое решение: наличествует импульс или отсутствует. Болес того, приняв решение, что импульс поступил, любая цифровая система немедленно регенерирует или, попросту, восстанавливает этот импульс в его первоначальной форме. Унификация формы и упорядоченность передачи информации — важные преимущества цифровых систем. За этим уже говорилось, скрывается возможность обнаружения ошибок и восстановления потерянной информации.
Аналоговые системы чрезвычайно консервативны и в качестве главного условия нормального функционирования требуют сохранения формы сигнала во всех преобразованиях. Цифровые, напротив, от столь формальных вещей не зависят. Их суть в «да» или «нет». Строго говоря, переход к цифровым представлениям и последующее восстановление звука теоретически можно выполнить так, что сигнал на выходе будет неотличим от сигнала на входе. Но все это только теоретические посылки. В действительности различие есть и оно слышимо. Надо сказать, что в нашей стране, да и за рубежом, есть немало профессиональных звукорежиссеров, не приемлющих цифровой звук, как слишком жесткий. Впрочем, похожие претензии предъявляют и к транзисторным усилителям мощности. Нс случаен последний взрыв интереса к ламповой аппаратуре звуковых студий. Многие считают — и к этому следует отнестись серьезно — что ламповая аппаратура дает мягкий, более приятный звук.
Этим замечанием хотелось бы обратить внимание на вечную проблему соотношения нового и старого. Без сомнения, цифровые системы обработки звуковых сигналов перспективны и, вероятнее всего, будут доминировать в будущем, но и, казалось бы отработанные и отжившие системы, сохраняют ресурсы жизнеспособности, достаточные для их эффективного возврата.
Цифровая магнитная запись на ленточные носители
При переходе от традиционной аналоговой звукотехники к цифровому способу передачи сообщений и к записи звукового сигнала в цифровой форме требуются, естественно, совершенно новые подходы к разработке аппаратуры. Существуют цифровые магнитофоны разных конст-
АналоговыйвыходАналоговыйвыходАналоговыйвходАналоговыйвход££W ||W ||АЦПАЦП8.I8.I
Аналоговыйвыход
Аналоговыйвыход
Аналоговыйвход
Аналоговыйвход
£
£
W ||
W ||
АЦП
АЦП
8.
I
8.
I
^н
Помухо- Задачивое црованиеПомухо- Задачивое црованиеКорректор временного масштабеКорректор временного масштабеОбнаружениеОбнаружениеКцемм *-] управления АПМКцемм *-] управления АПМКод удобныйКод удобныйГоловка записиГоловка записиВыпадения сигнала ивАектеВыпадения сигнала ивАектемольное кованиемольное кованиех Канальное декодированиех Канальное декодированиеСинхроСинхроТолоакаТолоака'up'upРис.98. Структурная схема цифрового магнитофона.Рис.98. Структурная схема цифрового магнитофона.
Помухо- Задачивое црование
Помухо- Задачивое црование
Корректор временного масштабе
Корректор временного масштабе
Обнаружение
Обнаружение
Кцемм *-] управления АПМ
Кцемм *-] управления АПМ
Код удобный
Код удобный
Головка записи
Головка записи
Выпадения сигнала ивАекте
Выпадения сигнала ивАекте
мольное кование
мольное кование
х Канальное декодирование
х Канальное декодирование
Синхро
Синхро
Толоака
Толоака
'up
'up
Рис.98. Структурная схема цифрового магнитофона.
Рис.98. Структурная схема цифрового магнитофона.
рукций: с продольной многодорожечной записью с неподвижными головками, а также с наклонно-строчной записью, осуществляемой вращающимися головками. Однако есть принципы, остающимися общими для всех цифровых магнитофонов, в каком бы формате они не работали. Обобщенную схему, иллюстрирующую эти принципы, можно увидеть на структурной схеме, представленной на рис. 98.
На входе любого цифрового магнитофона даже последних выпусков имеется преобразователь аналогового сигнала в цифровую форму. Затем выполняется уже рассмотренная выше перекодировка с целью повышения помехоустойчивости, о чем говорилось выше. Затем выполняется канальное кодирование. Цель канального кодирования — приспособле-
ние информационного пот ока к конкретному каналу. С помощью канального кодирования, если это надо, информацию распараллеливают, разводя на несколько дорожек сигналограммы. Разумеется это связано с усложнением аппаратуры. Воспроизведение записанной в цифровом виде звуковой информации происходит в последовательности, обратной про
цессу записи.
Считанный головками воспроизведения кодированный сигнал подвергается канальному декодированию. Процесс восстановления цифровых сигналов сопровождается обнаружением ошибок и их корректировки.
Известны два основных фактора, которые затрудняют решение проблемы записи и воспроизведения цифровых сигналов — это выпадения сигнала (Drop outs) и колебания скорости магнитной ленты (детонация). При записи цифровых сигналов, которую отличает очень высокая плотность (достигающей 1000 бит/мм), выпадения сказываются куда заметнее, чем при аналоговой записи. Действительно, для записи одного бита требуется отрезок ленты около 1 микрона.
Поэтому даже микроскопические дефекты рабочей поверхности магнитных головок или магнитной ленты, а также мгновенные нарушения контакта между головками и лентой могут вызвать потерю многих бит. Надо сказать, что в процессе эксплуатации ленты число царапин и участков с осыпавшимся порошком, нарастает, что делает заботу о борьбе с выпадениями все более актуальными.
Упомянутое выше добавление избыточной информации и проверочных слов, с помощью которых ошибки обнаруживаются, и подвергаются коррекции, частично решает проблему. Однако такие потери, как выпадения, практически полностью не устранимы, но их влияние можно существенно снизить, используя цифровые методы. В случаях, когда кор
рекция невозможна, ошибки подавляются (маскируются), путем интерполяции отсчетов. Один из возможных процессов интерполяции поясняется рис. 99.
В цифровой магнитной записи, кроме того, используются специальные схемы — корректоры временных искажений (их еще называют корректорами временного масштаба). Основа корректора — блок оперативной памяти или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Хотелось бы сказать несколько слов об этом устройстве, хотя читатели вероятно давно наслышаны о нем.
В цифровой технике есть два устройства, роль которых надо признать ведущей. Это, во-первых, процессор — управляющее звено всей системой и оперативная память, функция которой не менее важна, т. к. она поставляет процессору необходимую для его работы информацию. В данный момент важно отметить одну принципиальную особенность ОЗУ любых систем — это возможность выборки любой находящейся в памяти информации в пределах одного такта работы машины. Именно на это и указывает слово «оперативная».
Считываемый сигнал проходит через ОЗУ корректора, которое выполняет функцию управляемой линии задержки. Объем ОЗУ достаточно велик, чтобы хранить звуковой сигнал в несколько миллисекунд и даже десятков миллисекунд. При обнаружении групповой ошибки, не поддающейся исправлению с помощью проверочных кодов, начинается процесс сравнения информационного блока пораженного участка с предшествующими и последующими блоками. На основании этого сравнения принимается решение о характере текущих изменений сигнала и вероятных значениях кодовых слов испорченной посылки. На основе этих данных процессор корректора вычеркивает пораженный участок, заменяя его на интерполированный.
Современные цифровые магнитофоны обладают высоким качеством и параметры их совершенно недостижимы для аналоговой аппаратуры. Однако, следует заметить, что схемы цифровых магнитофонов достаточно сложны и требуют применения самой совершенной электроники. В настоящее время наибольшее распространение в студиях звукозаписи получили кассетные цифровые магнитофоны в формате DAT (от английского digital audio tape).
Запись в них производится вращающимися головками на ленте шириной 3,81мм в кассете размером 73 х 54х 10,5 мм. Записывающие и воспроизводящие головки расположены на диске, вращающимся с боль-
Направление ленты
Х/ХоЛх Направление вращенияголовки
Основная дорожка
' < 6'22’59,5"
zx ЗО'аымит*'Угол наклона
(У^х о ^головки (кв в масштабе)
хУ^г 20 азимут-
Рис. 100. Формат DAT.
шой скоростью внутри цилиндрического барабана с пазом по всей его образующей.
Магнитная лента охватывает барабан по винтовой линии. Рабочие поверхности головок слегка выступают за пределы внешней цилиндрической поверхности барабана и входят в соприкосновение с лентой. При движении ленты и вращении диска головки прочерчивают на ленте наклонные линии — строчки. Поэтому такой способ записи называется наклонно — строчным. Так как вращение диска, на котором установлены головки, противоположно по направлению движению ленты, относительная скорость записи весьма велика. Это делает возможным записать частоты, лежащие в диапазоне совершенно недоступном для записи на обычных для аналоговых аудиомагнитофонов скоростях движения ленты. Расположение строчек на цифровой фонограмме формата DAT изображено на рис. 100.
Важным достоинством цифровых магнитофонов является стабильность ‘ их характеристик. У аналоговых магнитофонов по мере старения головок качественные показатели ухудшаются. Для поддержания параметров аналогового магнитофона в допустимых пределах приходится проводить его периодическую профилактику, регулировку и подстройку. А вот качественные параметры цифрового магнитофона весьма стабильны.
И наконец, нельзя не упомянуть об одном из серьезных недостатков аналоговой записи, отсутствие которого у цифровых аппаратов является их очень серьезным преимуществом, коротко уже упомянутым выше. Речь идет
о накоплении помех и искажений при перезаписи. Практически каждая перезапись ухудшает характеристики аналоговой фонограммы примерно на 3 дБ. Этот недостаток в цифровой записи исключен почти полностью, от числа последовательно сделанных копий качество звучания практически не зависит и сохраняется тем же, каким оно было в оригинале.
Улучшение качества звучания фонограмм — безусловно является основной целью создания цифровых магнитофонов.
Износ магнитной ленты и возникающие в процессе воспроизведения неравномерности ее контакта с головками сказываются и на аналоговых и на цифровых магнитофонах. Однако, в цифровой записи имеются широкие возможности коррекции в системах защиты от ошибок, что позволяет сохранять исходное качество звука. Зато надо при этом помнить, что в тех случаях, когда ошибки выходят за пределы доступной коррекции, качество сигнала ухудшается столь резко, что запись становится совершенно неприемлемой. То же самое относится и к малейшим превышением уровня сигнала над допустимыми пределами. Если при аналоговой записи случайные кратковременные перегрузки магнитной ленты, не превышающие 2—3 дБ, слушатель может и не заметить, то при записи цифровой, в этих случаях возникают настолько заметные искажения, что не заметить их невозможно. Именно из-за этого, звукорежиссеры на практике, при цифровых записях, вынуждены более тщательно контролировать и поддерживать уровень записи с большей точностью, предусматривая по измерителю уровня запас на случайные перегрузки (“headroom”).
Преимущество цифровой аппаратуры, в том числе магнитофонов, как ни странно, если обратить внимание на явное усложнение, сервисное обслуживанием аппаратуры оказывается заметно проще, а диагностику неисправностей современная техника измерений превращает в автоматическую процедуру. В цифровых магнитофонах очень мало узлов, которые требуют периодической регулировки. Вообще говоря, при нормальной эксплуатации магнитофона она может не потребоваться вовсе.
До сегодняшнего дня, к сожалению, единый стандарт на параметры стыков аппаратов разных производителей цифровой аппаратуры не согласован и в конструкциях магнитофонов разных фирм, предусматриваются разъемы для подключения внешних устройств с помощью интерфейсов, разных форматов: AES/EBU, SDIF, SPDIF и др. Это крайне неудобно, но с этим приходится считаться.
Выше мы не говорили о требованиях к магнитной ленте для цифровой
записи звука. Они существенно отличны от тех, что известны по аналоговой записи. Самое главное в том, что в цифровой записи не требуется, а даже просто не желательно, подобие. Нужны материалы, петля гистерезиса которых имеет участки, практически параллельные вертикальной оси. Такая форма кривой близка к характеристике переключателя. Именно это и надо в цифровой технике. Такую характеристику имеют металлы переходной группы и их сплавы. Именно, в частности и из-за этого, появились металлизированные магнитные ленты. Металлизация осуществляется несколькими способами. Это может быть осаждение металла на основу в специальных ваннах с использованием химических процессов. Разработан и широко используется в производстве лент процесс вакуумного напыления. И, наконец, применяется металлопорошковая лента, по своим рабочим характеристикам близкая к ленте, используемой в форматах видеозаписи Video-8 и Hi-8. Производство магнитного порошка для магнитного слоя цифровой ленты требует довольно сложной технологии. Нс вдаваясь в подробности химического состава порошка, заметим, что очень важным моментом является обработка порошка для придания ему антикоррозийных свойств. Сложность состоит в том, что частицы металла менее микронного размера, обладают высочайшей химической активностью и необходимо принять меры по защите его от коррозии. Поэтому каждая частица металлопорошка покрыта защитной пленкой. В остальном производство магнитных металлопорошковых лент близко к классическому процессу: основу поливают суспензией магнитных частиц и связующего материала.
Запись на дисковые носители информации.
Все носители информации можно разбить на два больших класса в зависимости от способа доступа к данным. Это во-первых — носители с последовательным или линейным доступом к данным. Английское их обозначение Sequential Access Media или Linear Access Media. В этих устройствах для того, чтобы перейти от одного участка данных к другому,,1 нужно перемотать все данные, лежащие между этими участками. Классический пример — лента на магнитофоне.
Второй класс — устройства с произвольным доступом к данным. На английсий язык это переводится — Random Access Media. Их ещё называют Non-Linear Access Media (носители с нелинейным доступом к данным). В этих носителях доступ к любому другому участку данных выполняется за счёт перепозицианирования читающего элемента по кратчайшему пути. Классическим примером устройства произвольного доступа
го доступа можно считать грампластинку.
Ещё совсем недавно вся технологическая цепочка звукозаписи и звукового вещания была основана целиком на использовании в качестве носителя записи магнитной ленты 6,3 мм.
Появившиеся в последние годы станции цифрового монтажа и обработки звука, и цифровые вещательные станции, являясь яркими представителями компьютерной технологии, подорвали монополизм традиционных технологических методов звукозаписи, подготовки материала для вещания и собственно процесса вещания. С момента внедрения компьютерной техники в звуковое производство, на смену ленточных носителей пришли — носители дисковые , т. н. носители с произвольным доступом к данным.
Диски, используемые в звуковой индустрии, можно разбить на три группы: магнитные, оптические и магнито-оптические.
По сравнению с лентой, дисковые носители предоставляют пользователю ряд полезных возможностей.
Как уже было сказано, ленточный носитель — это последовательно организованная память, в которой нужный фрагмент можно найти, перемотав всю запись. Дисковая память позволяет это сделать быстрее и изящнее. Информация на диске записывается (естественно, в цифровой форме), не непрерывно, а порциями (блоками) в виде концентрических дорожек, каждая из которых состоит, в свою очередь, из секторов (блоков). Каждая порция информации, хранящаяся на диске, однозначно адресуется номером дорожки и номером сектора в дорожке. Здесь для поиска нужного фрагмента перемотка не нужна, а, т. н. время доступа к нему состоит из времени перепозицианирования головки, перемещающейся в радиальном направлении над поверхностью вращающегося диска и ожидания того момента, когда необходимый участок вращающегося диска “подъедет” под головку. По сравнению с ленточными системами — поиск практически мгновенен.
На этом основаны системы нелинейного монтажа ( о них речь пойдет ниже). Компьютеризация систем обработки видео и звука во многом связана с возможностями нелинейных систем, в основе которых лежит дисковая память.
Жесткие магнитные диски
Это основные устройства памяти современных компьютеров. Важную роль они играют в цифовых рабочих звуковых станциях, а в последнее
время на их базе конструируют компактные аппараты специально для записи и монтажа звука. Жёский диск — это круглая металлическая пластина из немагнитного материала (аллюминия), с магнитным покрытием. Ее диаметр —3,5 дюйма. Миниатюрные магнитные головки стирания, записи и считывания размещены на каретке, перемещающей их в радиальном направлении. Для того, чтобы читать или записывать звук в реальном масштабе времени, скорость вращения диска должна быть очень велика. Для таких скоростей для нормальной работы необходима очень прецизионная механика. И проше всего выполнить это условие, если носитель информации и устройство для записи/чтендя представляют собой единое целое. Такая совмещённая конструкция и носит название накопитель на жёском магнитном диске ( Hard Disk — хард-диск). У него есть еще одно, сохранившееся со времен первого жёского диска название — винчестер. В основном, это внутренние устройства цифровых систем. Но часто используются и как внешние, когда требуется существенно расширить память. Сами дисковые модули конструируются так, чтобы можно было простым наращиванием увеличивать объем памяти. Сейчас, особенно с подключением внешних блоков, общий объем памяти может достигать гигабайт, десятков и сотен гигабайт*, терабайт. Если это соизмерять с объёмами программного времени, то речь идет о часах и даже сутках накопленных звуковых программ. (Для справки: 1 гигабайт это три часа монозвука).
Оптическая система звукозаписи
Фотографическая запись, о которой мы уже упоминали, когда* шла речь об аналоговой записи, строго говоря, — один из возможных вариантов оптической записи сигналограмм, выделяющаяся только специфическими особенностями носителя. Но с появлениям лазеров многие особенности электромагнитных волн видимого диапазона стали доступны для новых видов практического применения. Излучение лазера можно сфокусировать в пятно, размеры которого менее микрона. Причем при переходе от красной части спектра к синей доступная плотность записи возрастает на порядок. По теоретической плотности записи оптическая превосходит все до сих пор известное в сотни и тысячи раз. Причем речь идет о поверхностной записи. Особенность оптики в том, что она, в принципе, допускает объемную запись, где миллионное возрастание плотности — только начало. Это не экскурс в будущее. Уже разработаны и стандартизованы двухслойные оптические диски, предложены и вот-вот будут реализованы многослойные — к примеру на 10 слоев. Ведутся се-
рьезные эксперименты по голографической записи, где 100 слоев — только начальная перспектива. Таким образом, оптическая запись информации, в потенции, сулит накопление колоссальных информационных массивов, относительно компактно упакованных.
Естественно, звукозапись мимо столь интересных возможностей не прошла.
Всем в настоящее время хорошо знакомы изготовленные в заводских условиях, устойчивые к внешним воздействиям, удобные в обращении звуковые компакт-диски (CD). Если сравнивать компакт-диски с традиционной аналоговой грамзаписью, становятся заметным множество их преимуществ. При стандартизованных для CD параметрах аналого-цифрового преобра-зования звукового сигнала (44,1 кГц — частота дискретизации и 16-и разрядное квантование) это, прежде всего, — высокое качество звука. Поскольку считывание оптическое и без механических контактов, компакт-диски практически не изнашиваются. При малых размерах доступное время воспроизведения звуковых программ заметно превосходит всё возможное для механических систем. Не удивительно, что компакт-диски быстро завоевывают потребительский рынок, вытесняя с него обычные грампластинки.
Стартовав на рынке бытового воспроизведения звука, компакт диски постепенно стали осваивать и профессиональную звукозапись, потеснив на нём традиционную и привычную магнитофонную запись Сдерживающим началом было на первых порах то, что подобно грампластинкам, компакт-диски предлагали неизменяемую программу, тиражируемую с помощью пресса. Но затем, появление дисков с возможностью в начале однократной, а затем и многократной записи существенно изменили ситуацию. Широкие возможности автоматизации процессов воспроизведения цифровых компакт-дисков, благодаря использованию в них кодов управления и отображения информации, а также малому времени доступа к заданному фрагменту фонограммы, стали, если и дополнительными, но весьма весомыми аргументами профессионального применения лазерных дисков в звуковых студиях — фондовых записей, радиовещания и телевидения.
Прежде, чем продолжить тему полезно о лазере — приборе, когорый у всех на слуху, поговорить подробнее. С каждым годом его роль и значение все более возрастают. Термин «лазер» — это аббревиатура английской фразы Light Amplification Stimulated Emission of Radiations или по нашему «вынужденное излучение света с усилением». Что такое лазер, понять трудно,
даже имея специальную подготовку. Но есть хорошая аналогия, позволяющая специалистам по звуку представить, что может скрываться «за вынужденным излучением». Представьте большой, просто колоссальный симфонический оркестр в составе, превышающем численность живущих на Земле людей'более, чем в миллион миллиардов раз. При этом каждый исполнитель не считается с окружающими и играет, что захочет и как захочет. Какофония — слабое определение итога выступления подобного коллектива! Естественное световое излучение нагретых тел, — результат столь же несогласованной деятельности недисциплинированных источников. Дирижер превращает совокупность исполнителей в оркестр. Оптический резонатор лазера стимулирует или, по иному, заставляет шагать в ногу все оптические осцилляторы. В итоге лазер отличается от обычных источников света, как регулярная армия от толпы!
Обычно, лазер — источник монохромного излучения или, по иному, с одной длиной волны. Причём, это источник направленного излучения или, по оптической терминологии, точечный. Теория показывает, что излучение монохромного точечного источника можно сфокусировать в пятно, размер которого близок к дифракционному пределу — диаметр в половину длины волны, а это в оптическом диапазоне заметно менее микрона.
Отсюда и следуют уже упомянутые огромные плотности записи. Возможность фокусировки лазерного излучения имеет еще одно следствие, на которое мы в дальнейшем будем ссылаться. Мощность сфокусированного излучения лазера возрастает пропорционально отношению площадей зоны излучения и сфокусированного пятна. Поэтому не стоит удивляться температурам в миллионы градусов в фокальном пятне даже милливаттных лазеров.
Оптическая запись начинается (при записи) и завершается (при воспроизведении) с помощью луча миниатюрного полупроводникового ла- , зера (поэтому компакт-диски часто называют «лазерными» пластинками). В качестве носителя записи используется диск из специального прозрачного пластика стандартного диаметра 120 мм и толщиной 1.2 мм. Однако надо помнить, что сейчас предложены и вероятно скоро найдут применение диски иных стандартов.
При записи фонограмм на компакт-дисках применяются специальные методы цифрового кодирования, которые позволяют минимизировать ухудшения сигнала в случае повреждения носителя.
Упрошенная схема оптической системы записи представлена на рис. 101.
Рис. 101. Оптическая запись на компакт-диск;
1 — лазер; 2 — источник цифрового звукового сигнала; 3 — модулятор света; 4 -устройство сопряжения; 5 — привод оптической системы (линзы); 6 — зеркало; 7 — подвижная линза; 8 —- диск с рабочим слоем;
9 — привод диска; 10 — система автоматической регулировки
Луч лазера фокусируется с помощью специальной подвижной оптической системы в малое пятно на поверхности вращающегося диска. При кажущейся малой мощности излучения (порядка милливатт), сфокусированный луч в состоянии испарить легкоплавкий материал поверхности диска примерно за стотысячную долю секунды. Модулятор света преобразует непрерывное излучение в передаваемый с большой скоростью поток импульсов. На рисунке модулятор показан как внешнее по отношению к лазеру устройство. Строго говоря, в аппаратуре записи на компакт-диски практически используются полупроводниковые лазеры, в которых модулируемый сигналом ток, протекает через лазерный диод, это — пример внутренней модуляции. В процессе испарения материала носителя формируются микроминиатюрные кратеры — углубления овальной формы шириной 0,6 мкм и глубиной около 0,1 мкм. Для сравнения заметим, что диаметр человеческого волоса примерно 50 мкм. Эти углубления называют питами. Условно пит в цифровом коде соответствует логической единице, его отсутствие — нулю. Питы расположены по спи-
ради подобно звуковой дорожке на обычной грампластинке. Однако эта спираль начинается от внутреннего круга диска и раскручивается к краю, шаг между двумя соседними дорожками около 1,6 мкм. В целом на компакт-диске умещается 41250 дорожек.
Считывание информации с компакт-диска также производится с помощью лазера. Но мощность лазера, необходимая при считывании, может в быть в сотни раз ниже используемой при записи (нет необходимости испарять материал!)
Считывающий лазер проигрывателя компакт-дисков освещает фонограмму снизу (рис. 102) и его
Рис. 102. Упрощенная схема считывания информации с компакт-дис-Рис. 102. Упрощенная схема считывания информации с компакт-дис-луч отражается от нетронутой поверхности диска и рассеивается на углублениях (питах). Отраженный луч направляется на фотодиод, который воспринимает сигнал. В те моменты, когда луч рассеивается питом, сиг
Рис. 102. Упрощенная схема считывания информации с компакт-дис-
Рис. 102. Упрощенная схема считывания информации с компакт-дис-
нал пропадает. Полученная таким образом двоичная информация, снимаемая с выхода фотодиода, соответствующим образом обрабатывается
и преобразуется в звуковой сигнал. На поверхность компакт-диска наносится прозрачный слой, защищающий записанную информацию от возможных повреждений. Между считывающим устройством и диском нет
механического контакта — в этом важное преимущество оптических дисков, поскольку отсутствуют механические повреждения, характерные для магнитной записи из-за контакта между головкой и магнитным ма
териалом.
Оптические головки записи/считывания содержат лазер, подвижную линзу и систему слежения за дорожкой. При вращении диска расстояние между оптической головкой ц диском из-за вертикальньгх биений может меняться. Перемещения линзы необходимы, чтобы в любых условиях поддерживать точную фокусировку луча. Этими перемещениями управляет специальная система автофокусировки. Микронные размеры сфокусированного луча лазера и ширины дорожки ставят еще одну непрос-
чую задачу точного позиционирования светового пятна на дорожке. Это задача решается системой автоматического слежения за дорожкой. При изготовлении компакт-дисков их форматируют — наносят специальный спиральный профиль. Дорожка записи располагается между соседними витками этого профиля. Дополнительный луч освещает профиль, при этом отраженный сигнал изменяется по уровню при смещениях пятна в радиальном направлении. Изменения яркости следящего пятна и являются сигналом ошибки для системы слежения.
В процессах записи, считывания или поиска требуемого фрагмента фоно1рамм оптическая головка перемещается в радиальном направлении. Это обеспечивается серводвигателем. Положение внутренней дорожки, с которой начинается запись, отыскивается автоматически. При радиальном перемещении считывающего устройства ведется счет пройденных дорожек; при этом считывающее устройство можно быстро установить на любую из 41250 дорожек. Диаметр внутренней дорожки 50 мм, а внешней 116 мм. Таким образом, длина дорожки, приходящаяся на один оборот диска непрерывна меняется. Это обстоятельство необходимо учитывать. Чтобы сохранить постоянной линейную скорость перемещения светового пятна вдоль дорожки или, что тоже самое, продольную плотность записи надо менять частоту вращения диска, снижая ее примерно с 500 об/мин на внутренней дорожке до 200 об/мин на внешней. Частота вращения определяется специальной схемой управления по тактовым импульсам, появляющимся при пересечении следящим световым пятном форматирующего профиля. По этим импульсам определяется номер дорожки, с которой ведется считывание.
Следующая проблема — запись и воспроизведение стереофонической программы т.е. двух каналов левого и правого. На компакт-дисках применяется способ попеременной записи информации от двух каналов на одну дорожку.
В связи с тем, что плотность записи (количество знаков, несущих информацию, на единицу длины дорожки записи) в цифровых пластинках очень велика, даже самые незначительные дефекты рабочей поверхности диска или попавшие на нее пылинки могут привести к ошибкам считывания информации и к заметным искажениям воспроизведения. Поэтому для защиты от ошибок при записи компакт-дисков используется специальное корректирующее кодирование, дающее возможность обнаруживать и исправлять ошибки кода непосредственно в процессе воспроизведения. Даже крупные ошибки, вызванные, например, царапинами, повредивши-
ми до 2,5 мм дорожки на диске, с помощью такого кода автоматически восстанавливаются и не влияют на качество воспроизведения.
Звук на компакт дисках записывается в виде последовательности цифровых данных. Но раз можно записать цифровой звук, то можно записать и любые цифровые данные. С точки зрения компьютерной технологии любой компакт-диск представляет собой массив информации, который можно читать, но нельзя записывать. На компьютерном языке это обозначается сокращением ROM ( read only memory ) — память только для чтения. Поэтому для компьютера любой компакт-диск ( в том числе и звуковой) представляет собой CD-ROM, то есть память для чтения (но не для записи). Здесь мы видим один из примеров того, как звуковая технология пришла в компьютерную, а не наоборот.
Информа! щя на оптическом компакт-диске может быть представлена в различных форматах (CD-DA, CD-ROM, CD-I).
Для домашнего прошрывания, да и для радиовещания чаще всего исполь-зуются компакт-диски в формате CD-DA. Английское сокращение CD-DA (compact disk — digital audio), или по иному — CD-Audio, обозначает именно звуковой компакт-диск.
В этих случаях, для их воспроизведения используются CD-плейеры (проигрыватели компакт-дисков). Они могут быть профессиональные или бытовые, но все их отличие состоит только в надежности. Качественные характеристики звука при воспроизведении определяются, в основном, компакт-диском, а не плейером.
В компьютерной технологии также существуют свои устройства для использования компакт-дисков. Эти устройства носят название CD-ROM приводов и устанавливаются они непосредственно в системный блок персонального компьютера.
Как правило, CD-ROM привод имеет два режима работы. Во-первых, он может работать, как обычный CD-плейер, то есть проигрывать звуковой компакт-диск. Для этого на корпусе у привода имеется анало-' говый стереовыход на головные телефоны. Во-вторых, компьютер может считывать с компакт-диска цифровые данные. В этом режиме многие современные CD — ROM приводы поддерживают 2-х, 4-х, 16-и, а иногда даже и 52-х кратную скорость вращения диска, что позволяет' считывать данные во много раз быстрее.
Например, для копирования звукового компакт-диска, со стандартным звучанием 74 минуты, на жесткий магнитный диск тратят обычно около 5 минут времени.
При чтении ( но, не проигрывании) звукового компакт-диска с использованием CD-ROM привода, цифровой звук подаётся нат. н. звуковую карту компьютера, где, после цифро-аналогового преобразования поступает на выход в виде аналогового сигнала стандартного уровня. Такой путь сигнала позволяет выполнять функции обычного проигрывателя компакт-дисков.
После первичной оптической записи для тиражирования оригинала выполняется целый ряд технологических операций. Произволетаенный процесс изготовления партии компакт-дисков для потребителей достаточно сложен, требует специального оборудования и производится в заводских условиях.
Записываемые компакт-диски (CD-R)
Однако, наряду с промышленным способом массового изготовления компакт-дисков тиражированием, в настоящее время применяется и аппаратура одноразовой оптической записи на цифровую пластинку. Эта аппаратура, получившая название CD-Recordable (CDR) т. е. рекордер компакт-дисков использует для записи специальные записываемые диски CD-R (буква “R” в этом случае означает Recordable — записываемый), которые имеют внешний вид как и обычные компакт-диски, но отличаются тем, что имеют покрытие из специального легкоплавкого материала. Если на этот слой направить луч мощного лазера, то на нём выжигаются углубления идентичные тем питам, что нанесены на поверхности обычного компакт-диска. Метод записи основан на испарении материала и необратим в принципе. 1 1от ом, с помощью того же лазера, но на пониженной мощности, записанная информация может быть считана.
У пользователя появляется возможность выпускать штучные или мелкосерийные звуковые диски. Именно на компакт-дисках собираются музыкальные библиотеки, что довольно популярно в мире.
Системы CDR сегодня, незаменимы, когда речь идет о формировании архивов звуковых материалов: ведь в один компакт-диск вмещается до 80 минут записи, доступ к воспроизведению любого фрагмента практически мгновенный, а срок хранения фоншрамм, сделанных по этой технологии, по прогнозам специалистов, достигает 100 лет.
На компакт-диске могут быть записаны типовые шумы, но главное это различные музыкальные фрагменты, которые могут быть использованы для заставок телевидения и радиовещания, в рекламных роликах.
Современные рекордеры имеют небольшие размеры (как CD-ROM
привод), доступны по цене и, следовательно, получают все большее распространение.
Как правило, современные рекордеры поддерживают большое коли- чество форматов данных, в том числе и CD-Audio, т. е. могут записывать информацию в формате звукового компакт-диска. Такие диски могут затем быть воспроизведены па любом CD-плейере.
В некоторых случаях, прибегают к записям звуковой информации на дисках в форматах CD-ROM в виде компьютерных файлов. Правда воспроизвести такие записи можно только с компьютера. Широко распространенный в радиостудиях CD-плейер в этом случае бесполезен.
Но, например, для создания профессиональных архивов аудиоматериалов, Европейский радиовещательный Союз (EBU) стандартизовал специальный формат хранения аудиоматериалов — “BWF”, на базе компьютерных WAVE — файлов, имеющих преимущества по удобству хранения архива в специальных, имеющих большую память серверах, а также обладающих дополнительной защитой информации от возможных потерь, в процессе самого хранения.
А любители записей, не предъявляющие слишком жестких требований к качеству звучания, часто для создания домашних фонотек, а также для обмена звукозаписями по Интернету, используют компьютерный формат MP3 — сокращение от MPEG ЕауегЗ, в котором, благодаря сжатию (компрессии) данных, в обычного размера (120 мм) компакт-диск можно уместить десятки часов музыки.
Принцип сжатия данных основывается на т.н. адаптивном кодировании, позволяющим экономить место на диске за счёт простого вычёркивания из цифрового потока части наименее значимых, с точки зрения восприятия человеком деталей звучания. Так, например, учитываются такие особенности человеческого слуха , как эффект маскирования слабого сигнала одного диапазона частот более мощным сигналом соседнего диапазона, или воздействие предыдущего мощного сигнала, вызываю^ щего временное понижение чувствительности уха к сигналу текущему. Принимается во внимание также неспособность большинства людей различат сигналы, лежащие по мощности ниже определённого уровня, причём разного для разных частотных диапазонов.
Степень сжатия, и, соответственно объём дополнительного квантования по установленной схеме, позволяющий минимизировать потери качества, определяются не форматом, а самим пользователем в момент задания параметров кодирования.
Известно, что на проведённых тестах специально приглашенные опытные эксперты, специализирующиеся на субъективной оценке качества звучания, не смогли различить звучание оригинального трека на CD и закодированного в MP3 с коэффициентом сжатия 6:1.Однако, по мнению специалистов, сжатый таким образом сигнал последующей обработке в цифровых процессорах (эквалайзерах, подавителях шумов и других подобных устройствах.) не поддаётся.
Перезаписываемые компакт-диски ( CD-RW )
Оптические диски с возможностью стирания информации и многократной перезаписи CD-RW (Rewritable) получили в наше время самое широкое распространение.
Сразу же надо отметить одно частое недоразумение. Когда речь идет о таких дисках, переводчики часто воспроизводят их название, как диски с фазовыми переходами. Здесь нс имеется в виду фазовая модуляция, а речь идет о фазах агрегатного состояния вещества, более конкретно, о фазах «кристаллическое — аморфное». Для ряда веществ при комнатных температурах устойчивыми и энергетически выгодными могут оказаться два состояния — кристаллическое и стеклоподобное (аморфное). Переход между этими состояниями возможен при нагревании до определенной критической температуры. В оптическом отношении два названных агрегатных состояния обычно различаются по коэффициенту отражения.
Используемый для рабочего покрытия перезаписываемого диска слой первоначально находится в неизвестном состоянии. Выполняется процесс ст ирания, который состоит в определённом температурном воздействии на поверхность с помощью лазера. В результате поверхность переходит в кристаллическое состояние. После этого происходит процесс записи, который также выполняется с помощью лазера, в результате чего определённые участки поверхности переходят в аморфное состояние, кодируя тем самым записываемую информацию. Считывание выполняется по типу обычных компакт-дисков на пониженной мощности лазера. Луч лазера отражается по разному от точек поверхности находящихся в разном состоянии.
На рынке появилась целая гамма дисков и устройств для записи/ считывания информации по этой технологии. Но настоящим открытием стал предложенный впервые фирмой Panasonic привод, который может работать, как с дисками CD-ROM, так и с дисками CD-RW.
Диски DVD.
Диски DVD это ближайшие родственники и наследники общеизвестных компакт-дисков CD. Они имеют такие же размеры, строение, как и CD, в принципе так же записываются, изготавливаются и воспроизводятся. Основное различие между ними состоит в том, что посредством DVD можно записать значительно больше информации и воспроизводить её с существенно более высокой скоростью.
DVD представляет собой сокращение от Digital Versatile Disk, что в переводе с английского означает цифровой многопрофильный (многофункциональный) диск. По-русски это сокращение произносится “ди-ви-ди”.
Многопрофильными диски называют потому, что они могут быть использованы в различных сферах применения — быть носителями высококачественной записи кинофильмов со стереофоническим многоканальным звуком (кстати, этот вид наиболее массового применения DVD и был основной предпосылкой для их разработки), или быть носителями только звуковых записей — больших концертов, альбомов и т. д. с небывалыми до настоящего времени характеристиками звукопередачи, содержать компьютерные программы, базы и библиотеки данных, а также различные мультимедийные комбинации изображений, звуков и текстов.
Все диски для этих различных целей внешне очень похожи, имеют одни и те же диаметр, толщину, посадочное отверстие и во многих случаях могут воспроизводиться на одном и том же плейере (проигрывателе). Когда хотят подчеркнуть их различие или конкретное назначение, то диски с записью кинофильмов называют DVD-Video, с записью только звука — DVD-Audio и с записью компьютерных программ — DVD-ROM.
О дисках часто пишут и говорят без всяких добавлений к буквам DVD. В этом случае обычно имеют в виду цифровые видеодиски с записью кинофильмов, а их наименование неточно трактуют как Digital Video Disk — цифровой видеодиск.
Все перечисленные DVD — это нестираемые носители с уже имеющейся на них записью, изготовленные на предприяти — изготовителе. В этом отношении они подобны компакт-дискам CD.
Но кроме таких дисков, с уже имеющейся на них нестираемой записью, полученной на предприятии-изготовителе, в семейство DVD входят записываемые диски DVD-R и многократно перезаписываемые -DVDRW. Внешне они мало отличаются друг от друга, но на них запись и перезапись может производить сам пользователь, если, разумеется, его компьютер оснащён соответствующим записывающим устройством.
Несколько слов надо сказать об особенностях технологии изготовления дисков DVD
Первым и основным требованием при разработке этого вида носителей было простым и очевидным: не повышая стоимости изготовления диска увеличить его информационную емкость за счёт размещения как можно большего числа питов на такой же как у стандартных CD информационной поверхности. Эта задача была решена с помощью полупроводникового лазера с меньшей длиной волны. Лазер системы DVD имеет длину волны 650 нм или 635 нм ( в системе CD — 780 нм), что заметно уменьшает размер питов, а значит и увеличивает их количество на дорожке. К тому же и шаг дорожки при этом заметно уменьшается. Таким образом удалось получить огромную ёмкость информационного слоя диска равную 4,7 ГБ, что почти в 7 раз больше ёмкосги обычных компакт- дисков.
Но и это ещё не всё! Для дальнейшего увеличения дисковой ёмкости Были разработаны двухслойные и BBycTopoHnneDVD.
Элементарным способом удвоения ёмкости диска является использование двусторонних дисков, которые состоят из двук базовых дисков толщиной по 0,6 мм склееных друг с другом обратными сторонами. Это .позволило увеличить ёмкость DVD до 9,4ГБ. Для DVD была разработана также технология увеличения информационной ёмкости одной стороны диска, путём нанесения на его поверхность двух рабочих слоев одного над другим. При этом нижний, т. е. первый по ходу луча лазера информационный слой делается полупрозрачным, чтобы лазерный луч мог, пройдя через него, получить доступ ко второму (верхнему) слою.
Использование лазера с двойной фокусировкой даёт возможность считывать данные с каждого из этих слоёв, не переворачивая диска.
На таких двуслойных DVD можно разместить до 8,5 ГБ данных, а если ещё сделать их двусторонними, то получается компактное суперхранилище информации с емкостью в 17 ГБ!
Но тем не менее, хоть информационная ёмкость дисков DVD, велика, цифровое видео, если его предварительно не обработать, настолько объёмисто, что полнометражный фильм, преобразованный в цифровой вид, займёт 40 DVD дисков , каждый ёмкостью по 4,7 ГБ. Задача решается методом цифровой компрессии (сжатия) сигнала. Дело в том, что изображение имеет значительную избыточность, т. е., при его переводе в цифровой вид, часто встречаются и, причём в значительном количестве, одинаковые или похожие элементы, которые можно идентифицировать и удалить.
Почти 97% цифровых данных, которыми представляется видеоизображение, можно удалить без заметного ухудшения качества изображения. Для обеспечения высокого качества изображения , при размещении видеофильма на однослойном DVD ёмкостью 4,7 ГБ используется кодирование цифровых видеоданных с компрессией в формате MPEG-2. Этот формат разработан и стандартизован группой экспертов по движущимся изображениям (Moving Picture Expert Group) и распространяется на широкий круг ТВ систем, от соответствующих качеству VHS (Video Home System) до телевидения высокой чёткости (ТВЧ).
Технология DVD позволяет получить не только превосходное видеоизображение, но и звук исключительно высокого качества. В частности, для озвучивания кинофильмов, в DVD используется т. н. Surround Sound — многоканальный стереофонический звук с особой обработкой передаваемых сигналов и особым расположением канальных громкоговорителей. Этот способ звукопередачи характеризуется подчёркнуто сильным стерофоническим эффектом. Surround-Sound (Серроунд-звук) можно перевести с английского, как “окружающий”, “обволакивающий” слушателя звук
Первые системы , или форматы записи — воспроизведения серро- унд-звука разработал известный американский изобретатель Рэй Долби. Наибольшее распространение получили две созданные им ситемы — Dolby ProLogic и Dolby АС-3 (Audio Coding-З). Кроме них существуег несколько других многоканальных сэрроунд-систем: MPEG-2-Audio, DTS (Digital Theatre Sistem) и др.
Кстати, в системе Dolby ProLogic обрабатываются как аналоговые, так и цифровые сигналы. Она способна преобразовывать двухканальный аналоговый стереофонический звук, воспроизводимый, например, видеомагнитофоном формата VHS, в многоканальный сэрроунд-звук. Сердцем системы является ProLogic-декодер, в котором создаются необходимые для преобразования фазовые сдвиги между звуками отдельных каналов и изменения уровня различных участков звукового спектра. С другой стороны, система Dolby Pro Logic (АС-3 Downmix) может многоканальный цифровой сигнал преобразовать в двухканальный для воспроизведения через обычную пару стереофонических громкоговорителей.
Из всех перечисленных звуковых форматов в дисках DVD используются, в качестве основных два формата сэрроунд-звука: MPEG-2-Audio или Dolby АС-3 (Dolby Digital).
Обычно эти системы применяют как 6-канальные, называя их чаще
Рис. 103. Расположение громкоговорителей в цифровой 5.1-канальной системе сэрроунд — звука.
системами 5.1, имея в виду, установку для воспроизведения пяти основных и одного дополнительного громкоговорителя. На рис. 103 показано расположение громкоговорителей, применяемое в 5.1-канальных системах Dolby АС-3 и MPEG-2-Audio.
Громкоговорители L,C,R, LS и RS называются соответственно передним левым, центральным, передним правым, сэрроунд-левым и сэрро- уд-правым. Кроме этих пяти основных каналов системы, применяется дополнительный шестой “суббасканал”, или канал LFE (Low Frequency Extension), т. е. канал низкочастотных эффектов (т. н. 0.1 канал). Громкого- воритель этого канала, так называемый subwoofer, располагаемый обычно под центральным громкоговорителем или сбоку от слушателя, воспроизводит специально выделенные низкочастотные сигналы (“басы”) в диапазоне 16~80 Гц, создавая по ходу фильма естественное ощущение , например, раскатов грома, взрывов и т. п. Да и для прослушивания некоторых музыкальных произведений, звуковики считают утрированные басы иногда вполне уместными.
Используемые в DVD-системы, не реконструируют многоканальный цифровой звук из двухканального, а записывают и воспроизводят оригинальный звук каждого из каналов раздельно. Цифровой звук — все каналы — в этих системах записываются на одной дорожке с применением
компрессии данных (о принципе компрессии см. раздел с описанием звукового формата MP3). В процессе воспроизведения он обрабатывается декодером, вьщеляющим и формирующим из общего потока данных сигналы каждого канала для всех шести громкоговорителей.
Но наряду с многоканальными форматами MPEG-2 Audio и Dplby АС-3 в DVD применяется и двухканальный формат с линейной ИКМ. Этот двухканальный звук воспроизводится или непосредственно через обычные стереосистемы, или посредством ProLogic-декодера преобразуется в 5.1-канальный сэрроунд-звук, т. е. воспроизводится так же, как стереозвук с кассет HiFi — видеомагнитофону VHS. В линейной ИКМ компрессия не применяется.
Аналого-цифровое преобразование звука происходит с квантованием (разрешающей способностью по уровню) 16, 20 или 24 бита на отсчёт с частотой дискретизации 48 или 96 кГц. Такие характеристики обеспечивают очень высокое качество звука, но и обуславливают очень большие потоки аудиоинформации. Это последнее обстоятельство ограничивает возможность при линейной ИКМ реализовать все комбинации числа каналов, частоты дискретизации и разрешения. Поэтому этот формат не является при озвучивании видеофильмов в DVD-Video основным.
А вот для DVD-Audio, то есть для дисков, специально предназначенных для записи только звуковой информации, линейная ИКМ (LPCM) единственный установленный стандартом формат кодирования. При частоте дискретизации 96 кГц и разрядности 20, не говоря уже о 24-х битах на отсчёт, достигается супервысокое качество воспризведения 74-х минут стереофонической музыки, значительно превосходящее звук с CD.
Пожалуй единственный формат, способный составить конкуренцию DVD’Audio по качеству звука — это разработанный японской фирмой Sony, формат Super Audio CD (SACD), в основе которого лежит технология одноразрядного сигма-дельта кодирования с частотой дискретизации 2,8 МГц. Эта технология, называется и по-иному — Direct Stream Digital (DSD), что по-русски переводится как “прямой поток цифр”. Об этом способе кодирования уже упоминалось ранее в разделе 4.6.1.
Характеристики DSD — верх мечтаний звукорежиссера: динамический диапазон 120 дБ, плоская частотная характеристика в диапазоне до ЮОкГц , отсутствие потерь, характерных для ИКМ, благодаря исключению из схемы сигма-дельта преобразователя фильтров, и, в результате, полная верность звуковоспроизведения (full fidelity) на всех шести кана
лах многоканального сигнала. Разработчики стремились обеспечить как можно более полную интеграцию своего нового стандарта со стандартом CD. Надисках SACD совмещается два формата, для чего используется двухслойная структура (см. выше). DSD аудиоданные хранятся на слое высокой плотности, занимающим объём 4,7 ГБ.
Причем, здесь используется схема компрессии без потерь “Direct Stream Transfer”, разработанная фирмой Philips, и позволяющая хранить в формате DSD до 74 минут двухканального стереофонического звука и до 74 минут многоканального (до шести каналов) аудиоматериала одновременно.
Слой высокой плотности, эквивалентный слою DVD, отражает луч лазера с длиной волны 650 нм. При этом он прозрачен для луча лазера со стандартной для системы CD длиной волны 780 нм. Таким образом, проходя слой высокой плотности, лазер CD считывает данные, расположенные на внутреннем слое диска, на котором содержится CD-версия (ИКМ, 16 биг, 44,1 кГц) того же материала, что и в версии DSD на слое высокой плотности. Версия CD может быть записана на диске отдельно, или её можно получить из DSD данных путём понижения разрядности кода, с помощью специального преобразования (это легко сделать благодаря тому, что частота дискретизации DSD в точности 64-кратна используемой в CD). Таким образом достигается совместимость двух систем — старой и новой.
Магнитооптическая запись
Выше уже много говорилось о преимуществах оптической записи, но большинство из представителей этого ссмейсгва (кроме дисков CD-RW с фазовыми переходами), трудно использовать в работе, требующей оперативности, например, при подготовке программ радиовещания, из-за не реверсивности такой записи. Нужно и для оптических систем добиться того, что давно стало нормой для магнитной записи: многократно, стирать старую информацию и перезаписывать новую. Основной и первый успех на этом пути пришел в связи с магнитооптической записью. Магнитооптическая запись — термин устоявшийся, но не точный. В принципе речь идет о термомагнитной записи, и вся роль лазера при записи сводится к роли нагревательного инструмента.
Любой ферромагнитный материал имеет верхнюю температурную границу ( так назы-ваемую точку Кюри, выше которой ферромагнитные свойства материала полностью пропадают, но самое главное, что
кривая магнитной восприимчивости вблизи точки Кюри резко стремится вверх и возрастает, если не бесконечно, то во многие тысячи раз. На этом и строится расчет в магнитооптической записи. Магнитооптическая система записи проста — надо разогреть материал в некоторой точке до температуры, несколько превышающей точку Кюри, и воздействовать на материал магнитным полем, достаточно слабым, чтобы не оставить след на холодных участках. При этом, само магнитное поле может быть рассредоточенным, совсем не надо следить за размерами области его локализации. Как только температура разогретой области упадет ниже точки Кюри ферромагнитный материал зафиксирует магнитное поле — и только в зоне нагрева. Применяемые ныне магнитооптические материалы ориентированы на температуры Кюри, превышающие 100 градусов. Это не случайный выбор. Ниже возникает зона опасности повышения температуры при простом хранении записей до критической, когда возможным окажется разрушение записи. Более высокие температуры не годятся из-за естественного роста энергии, необходимой для разогрева. Поэтому в качестве материалов для рабочих слоев магнитооптических дисков используют сплавы с элементами группы редких земель.
Магнитооптические системы записи строятся достаточно примитивно. Сфокусированный луч лазера нагревает дисковый носитель, на который воздействует рассеянное магнитное поле, достаточно слабое, чтобы произвести запись на холодных участках. Однако его достаточно, чтобы в первые моменты остывания записать информацию на разогретых лазером учаегках. Важно, что речь идет именно о первых моментах, когда локализация теплового поля практически не отличается от размеров светового пятна.
Следует сказать несколько слов о некоторых особенностях считывания информации.
Оно может быть только оптическим из-за слишком малых разме-’ ров информационного элемента. И в этом случае тоже применяется луч лазера. Для считывания используют магнитооптический эффект Керра. Этот эффект заключается в том, что при взаимодействии луча лазера с намагниченным рабочим слоем диска, происходит поворот плоскости поляризации луча., причём, это поворот зависит от направления вектора намагниченности среды, через которую луч проходит. Изменения плоскости поляризации луча преобразуются специальным устройством в изменения его интенсивности. Эти изменения и являются информа-
ции, считанной с диска. Плотность записи на магнитооптические диски определяется размером сфокусированного светового пятна лазера. Это очень перспективный носитель с очень высокой плотностью записи, на котором достигается высочайшее качество записи звука. Поэтому, магнитооптические (МО) диски используются в профессиональной аппаратуре специально для записи оригиналов фонограмм, которые предназначаются для последующего тиражирования.. Ведущие фирмы (наир., Sony) предлагают, в частности, аппараты записи, работающие на магнитооптическом диске диаметром 133 мм (5,25 дюйма), ёмкость которого достигает ок. 1,3 ГБ. Другими словами, на нём можно записать с высочайшим качеством 80 минут стереофонического звука с 20-битным квантованием или 100 минут, с, соответствующим качеству CD, 16-битным
Магнитооптические диски способны выдержать более миллиона перезаписей.
Но более подробно с практической реализацией идеи магнитооптической запей можно познакомиться на примере одного из самых распространенных и популярных представителей этого семейства — мини-дисков.
Мини-диск
“Мини-диск “ (MD) — это один из последних форматов в эволюции дисковых носителей звуковой информации, разработанный фирмой Sony.
Мини-диски меньше обычных компакт-дисков по размерам (диаметр их всего 64 мм), но при этом, они не уступают компакт-дискам в качестве и продолжительности звучания записанной на них музыкальной программы.
Это достигается за счёт сжатия (уплотнения) данных, о стратегии которого речь пойдет ниже. Маленький размер MD обеспечивает быстрый доступ к данным в любой точке диска — меньше, чем за 1 секунду.
Формат мини-дисков предусматривает использование двух видов носителей: незаписываемые диски типа CD и записываемые, магнитооптические диски. Последние дают возможность производить на них повторные записи, стирая программы записанные ранее. Эта “реверсивность” записываемых мини-дисков делает их прямыми наследниками записей на магнитной ленте, незаменимыми при оперативной подготовке программ радиовещания и в других подобных случаях. Оба дисковых формата для защиты от механических повреждений помешены в картриджи. Общий вес такого пакета равен приблизительно 0,6 унций (ок. 18 г.).
Незаписываемый мини-диск очень похож на CD. Он записывается заранее обычным для CD оптическим методом, (с помощью лазера), тиражируется в заводских условиях прессованием и предназначается только для воспроизведения. Из-за того, что запись в этом формате производится со сжатием данных, записи на этих мини-дисках не совместимы с обычными CD.
Записываемый, или точнее говоря, перезаписываемый диск, в принципе, не является новшеством. Это магнито-оптический носитель, применявшийся уже и ранее в компьютерной технике (CD-МО). Но магнитооптическая среда для мини-диска была усовершенствована, устройство записи стадо намного проще, а сама запись требует меньшего потребления энергии.
Как уже упоминалось выше, существую! и другие методы записи на перезаписываемые (“реверсивные”) носители, но для мини-дисков выбран метод модуляции магнитного поля (MFM), как наиболее надежный и дающий возможность производить перезапись практически бесконечное количество (до 1 000 000) раз. Причем, каждый раз при новой записи, старые данные автоматически стираются.
Записываемый магнитооптический мини-диск формируется на подложке из поликарбоната, на котором между двумя слоями диэлектрика располагается магнитооптический (рабочий) слой. Поверх этой конструкции наносятся отражающий алюминиевый слой, защитный слой и смазка из кремния — органического соединения, по кот орой должна будет скользить магнитная головка. (Рис. 104)
Магнитооптический слой мини-диска это специальный сплав желе-
Смазочный материал
Защитный слой (10дм)
Отражающий слой (*1)
Слой диэлектрика (SIN) ►
МО слой (ТЬЕеСо) *
Слой диэлектрика (SIN) (0,2дм)
Рис. 104. Сечение мини-диска
за тербия и кобальта (FeTbCo), с очень низкой коэрцитивностью — приблизительно 80 Эрстед (6,4 kA/ш). Это важно для того, чтобы несмотря на то, что магнитная головка нс касается непосредственно рабочей среды, величина намагничивающего поля оказалась бы достаточной и не потребовалось бы его увеличения, которое неизбежно повлекло бы за собой большее выделение тепла и увеличение потребляемой мощности.
Как уже было сказано, для того, чтобы записать информацию на магнитооптический слой необходимо воздействовать на него не только магнитным полем головки записи, но и одновременно разшреть соответствующую точку носителя до температуры Кюри. Делается это с по- мощью луна лазера.
Для применяемого в минидисках в качестве носителя записи сплава FeTbCo температура, соответствующая точке Кюри примерно равна 185° С.
Более высокие температуры не годятся из-за естественного роста энергии, необходимой для разогрева. Обратите внимание на то, что случайное, ошибочное стирание данных на мини-диске практически невозможно, т.к. для этого требуется одновременное воздействие определенной (выше точки Кюри) температуры и магнитного поля.
Итак, для записи на мини-диск магнитная головка позиционируется поверх лазерного источника на одной с ним оси с противоположной стороны диска. ( Рис. 105).
у газер
ОбъективОбъективfttttfttttМагнитМагнит>80 Эрстед (6,3 k#JM)>80 Эрстед (6,3 k#JM)Разогрев до точки Кюри (>185-С)Разогрев до точки Кюри (>185-С)Рис. 105 . Запись на мини-диск.Рис. 105 . Запись на мини-диск.tДанныеtДанныеПерезаписываемый оптический дискПерезаписываемый оптический дискFeTbCoFeTbCo
Объектив
Объектив
ftttt
ftttt
Магнит
Магнит
>80 Эрстед (6,3 k#JM)
>80 Эрстед (6,3 k#JM)
Разогрев до точки Кюри (>185-С)
Разогрев до точки Кюри (>185-С)
Рис. 105 . Запись на мини-диск.
Рис. 105 . Запись на мини-диск.
t
Данные
t
Данные
Перезаписываемый оптический диск
Перезаписываемый оптический диск
FeTbCo
FeTbCo
Сфокусированный луч лазера нагревает локальную область дискового носителя, на которую воздействует рассеяное магнитное поле головки записи достаточно слабое, чтобы произвести запись на холодных участках. Однако его достаточно, чтобы при вращении диска, в первые моменты остывания разогретого участка записать на нем информацию в виде намагниченности определенной полярности "север” — N, или “ юг” — S.
Таким образом, разные полярности намагниченности предварительно нагретых пятен в магнитооптическом слое соответствуют цифровым логическим уровням “1” и “0”. Размер такого пятна с записью, а следовательно и плотность записи на магнитоэлектрические диски определяется размером сфокусированного светового пятна лазера и продолжительностью цикла реверсирования модулирующего магнитного поля головки записи. Для этого была разработана специальная головка, которая допускает быстрое перемагничивание (приблизи-тельно в течение 100 нс). Очевидно, что поверхностные слои диска не препятствуют мгновенному прогреванию рабочего слоя. Запись выполняется наложением новых записей на прежние с автоматическим уничтожением последних.
Как уже было сказано, существует два типа дисков и для каждого из них применяется своя система считывания.
Незаписываемый диск (MD-DA) подобен компакт-диску. Для его считывания используется тот же лазер, что и при записи, но на более низком энергетическом уровне.
Отраженный лазерный луч изменяется по интенсивности в зависимости от информации, записанной в виде питов (углублений) на поверхности диска. Процесс абсолютно аналогичен считыванию обыкновенных компакт-дисков.
Записываемый диск (MD-R) использует другую систему считывания, поскольку данные записаны не системой питов, а сохранены в виде изменяющейся от точки к точке полярности намагниченности магнитного слоя. В этом случае считывание информации также выполняется лазером.
Лазерный луч падает на дисковую поверхность, проходит через магнитный слой и затем отражается от отражающего слоя. Однако, проходя через магнитный слой, плоскость поляризации лазерного луча изменяется в зависимости от того, с какой полярностью этот слой в данной точке намагничен. Поворот вектора поляризации пучка света под влиянием магнитной среды, через которую он проходит называется, как уже было сказано, эффектом Керра.
На ФДНа ФД
На ФД
На ФД
Лазерный луч(линейно-поляризованный)
Вращениеплоскостиполяризации
Записываемый оптический диск
ttttmmttmumttttt
Рис106 Считывание записываемого диска MD-R.
На рис. 106 изображен принцип считывания информации с записыва- емого магнитооптического диска.
Итак, существует два вида считывания мини-дисков:
считывание незаписываемого диска типа CD, при котором выходной цифровой сигнал такой же, как в CD;
считывание записываемого диска типа МО, здесь выходной сигнал непрерывен, но с изменяющейся поляризацией.
Д1я считывания информации с дисков обоих типов используется один и тот же двухфункциональный лазер. Однако в оптическую головку системы добавляют (если сравнивать с CD) еще один элемент — поляризационный анализатор, т. н., призму Уолластона (Wollaston). Дело в том, что эффект Керра слаб. Поворот вектора поляризации, даже в самых благоприятных условиях, не превышает одного градуса. К тому же приёмники света не реагируют на поляризацию. Задача призмы Уолластона преобразовать угол поляризации в интенсивность света. Далее считанная информация поступает на блок датчиков и преобразуются в электрические ВЧ сигналы. Не вдаваясь в технические подробности, надо сказать, что такакя система расчитана на считывание информации, как с дисков незаписыва- емых (MD-DA), так и с записываемых (MD-R).
Записываемый мини-диск до записи не заполнен, т. е. не содержит никакой информации. Однако, если бы он не имел предварительной
разметки, было бы невозможно производить правильное позиционирование луча лазера, как при записи, так при считывании информации.
Поэтому, каждый MD-R, аналогично CD-R, имеет U-образную физическую канавку, или пред канавку адресов, которая штампуется на диске при его производстве. Предканавка располагается за спиральной дорожкой данных и имеет специальную конфигурацию, она не стирается и разумеется, на всех дисках совершенно одинаковая. Без неё было бы невозможно осуществить правильное позиционирование при считывании информации с диска. На основании считывания адресной информации, со специальных датчиков, после расшифровки сигнала, определяется точный адрес каждой позиции на диске.
На незаписываемом диске расположение дорожек аналогично компакт-дискам: зона, содержащая оглавление диска, программная зона и оконечная зона. Что касается записываемых дисков то у них, кроме начальной зоны, есть ещё зона, где пользователь записывает свои метки: начальные и конечные адреса музыкальных дорожек.
Таким образом мини-диск предоставляет возможность изменять номера дорожек, делить дорожку на части и т. д. Например, если пользователь хочет разделить одну дорожку на две, в программной зоне музыкальные данные остаются не тронутыми, но адреса и оглавление будут изменены.
Ключевой частью технологии мини-дисков является использование для кодирования и декодирования звукового сигнала методов’ специального адаптивного преобразования, которое, зависит от структуры входного сигнала, и основывается на некоторых известных закономерностях психоакустики. Эта система называется ATRAC и иеет цель сжать данные, уплотнить их, сохранив при этом естественность воспроизведения звука.
В стандарте обычной системы CD (16 бит, 44,1 кГц, два канала) поток данных составляет 1,4 Мбит/с. В процессе записи музыки на минидиск аналоговые сигналы также подвергаются дискретизации с частотой — 44,1 кГц и квантуются обычным АЦП, на выходе которого величина потока, как и для CD, тркже приблизительно равна 1,4 Мбит/с. Но для того, чтобы разместить такое количество данных на диске много меньшего размера, скорость передачи информации в битах должна быть уменьшена. Эту функцию и выполняет система сжатия ATRAC, сокращающая скорость передачи данных почти в четыре-пять раз, с 1,41 Мбит/с,
до, приблизительно, 292 Кбит/с. Это даёт возможность уменьшить диаметр диска с 120 мм (CD) до 64 мм (мини-диск), при одинаковой 74 минуты длительности звучания в обоих случаях.
Причём, еще раз подчёркиваем, это уменьшение потока данных не должно влиять на качество передаваемой музыки. Ведь совершенно очевидно, что абсолютно без потерь здесь не обойтись, Поэтому программное обеспечение системы должно быт таким, чтобы это ухудшение звучания было бы не заметно на слух даже для самых искушенных слушателей. Это возможно достичь, если хорошо изучить и воспользоваться некоторыми известными законами психоакустики.
Известно, например, что чувствительность человеческого слуха не одинакова на разных частотах звукового диапазона. Так, звук определенного уровня отчётливо воспринимается на одной частоте, и может оказаться вовсе неслышимым на другой частоте, даже с более высоким уровнем. (см. Курс лекций. Раздел 1. Тема 1.3).
Анализ музыкального сигнала, поступающего на вход записи, позволяет определить, какие части спектра лежат ниже этих порогов. Затем они могут быть удалены и скорость передачи информации в битах, таким образом, может бьггь уменьшена.
Причём, чувствительность нашего слухового аппарата (ухо — кора головного мозга) в некоторых, т. н. критических диапазонах частот, остаётся постоянной и не меняется.
Методом субъективной экспертизы определены 25 таких критических диапазонов. Но в ATRAC — системе, ради большей точности передачи, их используется ещё большее количество — около 52.
На рис. 107 заметен и другой очень важный психоакустический эффект — маскировка сигналов. Если два источника звука звучат одновременно, но с разными уровнями, то более грокий звук будет маскировать более тихий. Например, если во время беседы двух человек, в небе пролетает самолет, то на какое-то время беседу придется прекратить, из-за полной маскировки голосов значительно превосходящим по Еромкости шумом мотора.
Кроме того, наблюдается действие т. н. предмаскировки и постмаскировки.
Более громкий звук, появляющийся как раз перед более тихим (в пределах 3 миллисекунд ) или после него (в пределах 200 миллисекунд), маскирует этот тихий звук.
Анализируя некоторое количество входных выборок, на основе изве-
Рис.107.Психоакустический эффект маскировки сигналов.
стных из психоакустики закономерностей, можно определить какие из компонентов входного сигнала из-за маскировки окажутся неслышными и могут быть удалены с минимальной звуковой деградацией.
Соображения, изложенные выше, используются системой ATRAC для уменьшения скорости входного потока с 1,4 Мбит/с до 292 Кбит/с и выполняются в определенной последовательности.
На основе разложения сигнала в гармонический ряд Фурье, спектр входного сигнала анализируется для определения его частотных составляющих и их соответствующих уровней. Но анализ этот производится поблочно (в отдельных боках — сегментах сигнала). Как упоминалось ранее, число критических диапазонов частот определено экспериментально, но в ATRAC используется намного большее количество диапазонов. временные интервалы которых определяются адаптивно, в соответствии со структурой входного сигнала.
Длительность каждого блока, который будет проанализирован должна быть максимум — 11,6 мс ( или 512 выборок, при частоте дискре-
тизации 44,1 кГц). Причина, пи которой временной интервал блока вре- мени/частоты приходится каждый раз выбирать, объясняется также законами психоакустики. Дело в том, что при коротком, импульсном звуке мы можем заметить только достаточно большие скачки уровня. С другой стороны, при плавной музыке, когда уровень звука меняется медленно, слух способен зарегистрировать очень тонкие громкост- ные нюансы. Вот на основе оценки этих различий, в ATRAC системе и производится выбор, как количества блоков, так и их оптимальной длительности. Когда выбор блоков сделан и в каждом блоке проведен спектральный анализ, с учётом принципов психоакустики, производится собственно преобразование потока данных. При этом скорость передачи данных может быть уменьшена , т. к. ненужная, избыточная информация удаляется.
Наконец, распределение битов произведено. Каждый блок времени/ частоты проанализирован. Его уровень определен. Полученные по алгоритму ATRAC сжатые цифровые данные уже не являются непосредственно звуковыми данными. Они лишь описывают динамический диапазон данного сигнального блока в длинах слов с переменным числом бит от 0 до 15, а также относительный уровень сигнала, представленный коэффициентом масштабирования. Прошедшие кодер ATRAC цифровые данные, как и при кодировании CD, обрабатываются схемами помехозащитного и канального кодирования.
При воспроизведении мини-дисков выполняются , как и в системе CD,демодуляция и декодирование , после чего полученные данные (длины слов, масштабные множители данного спектра) поступают в декодер ATRAC, где производятся обратные вычисления, в результате которых происходит восстановление первоначальных данных.
Поскольку данные на входе и выходе MD устройства записи придерживаются стандарта 16 бит, 44,1 кГц они могут быть непосредственно в цифровой форме скопированы из MD устройства на CD-R и другие цифровые носители. Но MD стандарт включает в себя специальную систему, которая допускает только первое копирование, запрещая второе. Другими словами, нельзя сделать копию с копии. Это делается для защиты ваших записей от пиратского копирования.
Очевидным достоинством системы мини-дисков является повышенная устойчивость проигрывателей MD к вибрации и ударам. Это объясняется тем, что звуковые данные считываются с мини-диска намного быстрее (1,4 Мбит/с), чем это необходимо для ATRAC декодера (292 Кбит/с).
Потому считываемые данные, сначала вводятся в предварительный буфер (оперативное запоминающее устройство), откуда и поступают в АТ RAC-декодер.
Буферное ОЗУ, помещенная между звукоснимателем и декодером, сохраняет информацию 3 секунды звучания музыки в реальном масштабе времени. Когда оно запол-нено, звукосниматель приостанавливает считывание данных до тех пор, пока буфер не будет вновь заполнен. Если происходит сбой воспроизведения из за удара или тряски, звукосниматель имеет достаточно времени (до 3 с) для возврата на правильную дорожку воспроизведения. Когда происходит сбой звукоснимателя, система обнаруживает неправильный адрес и возвращает звукосниматель к правильной позиции. Иммунитет к значительным, толчкам, вибрациям и ударам в процессе воспроизведения информации, особенно ценен в случаях, когда проигрыватель MD эксплуатируется не в стационарных условиях.
Итак, MD формат обеспечивает произвольный доступ, долговечность, мобильность, удобство в эксплуатации, защиту от ударов и возможность многократной перезаписи. Аналоговые цифровые ленты уступают MD, как по долговечности, так и тем, что не имеют присущего дисковым носителям произвольного доступа. Этим и объясняется постепенное вытеснение привычных магнитофонов аппаратурой записи и воспроизведения мини-дисков, везде, где быстрота и оперативность формирования звуковых программ является определяющим условием успешной работы.
Звуковые рабочие станции
Первые звуковые рабочие станции появились в начале 80-х годов. Ныне — это. пожалуй, самый популярный вид звукового монтажного оборудования.
Рабочие станции изначально строились на базе персональных компьютеров и содержат мощный накопитель данных на жестких дисках. В последние годы появились и системы, работающие на магнитооптических дисках. Запись и обработка фонограмм, включая монтаж, с использованием вместо магнитофонов дискового пространства — принципиально важный момент, поскольку в чистом виде используется нелинейный монтаж.
Термин «нелинейный» не очень удачен. В действительности в процессах обработки данных и монтажа фонограмм с использованием дисков ничего нелинейного нет. Появился этот термин, скорее всего, как антитеза линейному монтажу, выполняемому на базе магнитофонов.
Ленточный носитель линеен по сути — и любой, проведший даже немного времени в линейной монтажной, знает как много времени и усилий уходит на поиск нужных фрагментов — иными словами на перемотку. Монтаж с применением дисков вместо магнитофонов потому и назван нелинейным, что он совсем не такой, как линейный. Его главное достоинство — почти мгновенный доступ к любому фрагменту.
Звуковые рабочие станции выпускаются с разными параметрами. Они могут быть рассчитаны на разные частоты дискретизации — 32; 44,1 или 48 кГц и соответственно с разной полосой частот, обычно, от 20—30 Гц до 15 или 20 кГц. Разной может оказаться и емкость диска. Она может составить 200 МБ, что соответствует по длительности фонограммы I часу, а может составить 2 ГБ или 10 часов звучания. Специально для работы в эфирных аппаратных выпускаются рабочие станции, в которых можно накопить программы общей длительностью в десятки часов и даже суток. Естественно, в зависимости от уровня процессора и заложенных в станцию функциях существенно меняется и стоимость аппарата.
Рабочие станции позволяют работать несколькими виртуальными дорожками. Виртуальными их называют потому, что на деле таких дорожек нет и они воспроизводятся на экране дисплея "только для удобства пользователя.
Более того, воспроизводятся привычные (по линейному монтажу) органы управления, иногда рабочей станции придают выносной пульт, во многом подобный пультам линейного монтажа.
Число виртуальных дорожек может быть 4,8,12,16,20,24 — т. е. соответственно ряду, кратному 4. Некоторые фирмы ориентируются на ряд с базовым числом 8, а именно, 8,16, 32,40, 48. Выпускаются и станции, позволяющие работать с 64 и даже 128 дорожками одновременно. Принцип кратности понятен, поскольку наращивание осуществляется простым расширением за счет установки типовых плат и дисков. Станции с базовым числом дорожек, конечно же, имеют наименьшую стоимость. Переход на более высокие уровни связан с удорожанием, однако, цена растет далеко не пропорционально числу кратности. Покупатель, ориентируясь на свои финансовые возможности и предполагаемую технологию использования выбирает нужный ему вариант.
При этом, практически, все производители гарантируют возможность в дальнейшем состав станции по просьбе покупателя наращивать.
Работа со станцией идет в режиме диалога «человек — машина». При этом основным средством общения является экран монитора. На нем,
помимо звуковых дорожек, воспроизводятся меню и органы управления, при этом только те, что необходимы для конкретных функций. Переключение на новые органы управления при переходе с одной функции на другую производится автоматически. Кроме того, в процессе монтажа можно использовать также мышь и выносной пульт. .
На экран можно вывести одну, произвольно выбранную, дорожку, группу дорожек в любой комбинации, все дорожки, если компьютер и его дисплей рассчитаны на такой режим. Но самое важное, что на дорожках воспроизводятся изображение фонограммы и все ее эволюции в процессе обработки.
Все современные звуковые рабочие станции обеспечивают очень полезный режим многослойной записи. Это эффективный помощник, когда, например, надо выполнить несколько версий какого-либо фрагмента и быстро выбрать наиболее удачное решения или скомпоновать новую версию из частей уже сделанных. В этом режиме система позволяет записать слой за слоем все версии на одну дорожку. Естественно, любой из слоев можно прослушать и буквально просмотреть, используя только одну клавишу, воспроизводимую на экране. Многослойный режим, в частности, избавляет оператора от перемещения между дорожками, изменения параметров реверберации, выставления запрета на запись на дорожке, где уже хранится скомпонованный материал, и многого другого. Впрочем, упомянутые перемещения и переносы фрагментов с дорожки на дорожку, также просты в исполнении. Это можно сделать с помощью мыши или клавиш позиционирования также, как при редактировании текста перетаскиваются слова, предложения, абзацы.
Поскольку все это всё это одновременно воспроизводится, точно отбуксировать фрагмент в нужное место, тем более ориентируясь по меткам, — не проблема. Практически полная свобода перемещений, исключает все трудности, присущие многодорожечной записи, монтажу и сведению фонограмм в линейном варианте.
Рабочие станции, естественно, обеспечивают все известные звуковые эффекты и не требуют внешних источников, что немаловажно.
Примеры функций, которые сравнительно легко выполняются рабочими станциями, но трудно выполнимы и даже невозможны в линейных системах — многочисленны, их простое перечисление займет слишком много места.
Сказанного доста гочно, чтобы судить о неограниченных возможностях звуковых рабочих станций. Но, в заключение, надо сказать подроб-
нее и еще об одной уникальной функции о редактировании звука. Эта мучительная для линейных систем проблема, с помощью нелинейного монтажа решается весьма изящно.
Поскольку фонограмма воспроизводится и на ней отчетливо видны, например, случайные импульсные выбросы — их можно попросту стереть. Так же просто вычистить слово и даже неудачную фразу, а если надо, заменить их другими. Часто, по разным причинам, в том числе и из-за подчисток, особенно, когда речь идет о записи под видео, необходимо замедлить или ускорить темп речи или музыки. Рабочие станции допускают, как правило, изменение темпа с сохранением тембра.
Самое удивительное, что все операции, рассмотренные выше, никак не отражаются на материале, хранящемся на дисках. Смонтированная программа, если и существует, то виртуально. В памяти компьютера хранится только лист монтажных решений — набор «утвержденных» команд. При воспроизведении или перезаписи на магнитофон компьютер, ориентируясь на команды листа монтажных решений вы берег необходимые фрагменты и выстроит их нужном порядке. В линейных системах, если монтаж выполнен, то внести в него правку уже невозможно — требуется перемонтаж и перезапись всего материала, что чревато, особенно для аналоговых систем потерей качества. Всего этого не надо делать в нелинейных системах. К смонтированной программе можно вернуться в любой момент, даже если она уже идет в эфир и внести все необходимые изменения. При этом можно сохранить исходный и новый монтажные листы. Это уникальная особенность, которую наиболее интенсивно используют в новостийных аппаратных.
Звуковая рабочая станция — достаточно компактный аппарат, заменяющий большие монтажные комплексы со всем окружающим оборудованием. Причем по стоимости они, как правило, заметно дешевле аналогичных по возможностям линейных монтажных аппаратных.
Учебное издание
Меерзон Борис ЯковлевичАКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫКурс лекций на I и II курсахзвукорежиссерского факультета
Часть 3
Учебное пособие
Компьютерная верстка Н. Ю. М атякинаХудожник Андей Луков
Учебное издание
Издательская лицензия № 02183 от 30.06.2000Сдано в набор 18.02.2002. Подписано в печать 25.04.2002.Формат 60 X 84 1/16. Гарнитура Times ЕТ.Объем 6,5 печ. л. Тираж 500 экз.
Отпечатано на ризографе в Издательском центреГуманитарного института телевидения и радиовещанияим. М. А Лиговчина (ГИТРа)
109180, Москва, Бродников пер., д. 3Телефакс; (095) 238 1975, 238 5549
ГУМАНИТАРНЫЙ ИНСТИТУТ ТЕЛЕВИДЕНИЯ И РАДИОВЕЩАНИЯимени М. А. ЛИТОВЧИНА
Б. Я. МЕЕРЗОН
АКУСТИЧЕСКИЕОСНОВЬ13ВУКОРЕ>КИССУРЬ1
Курс лекций на I и II курсахзвукорежиссерского факультета
Часть 3
Москва ГИТР 2 0 0 2Москва ГИТР 2 0 0 2ВОЗВРАТИТЕ КНИГУ НЕ ПОЗЖЕ обозначенного здесь срока
Москва ГИТР 2 0 0 2
Москва ГИТР 2 0 0 2
УДК 621.39:612.85
ББК 32.871
М 42
Рекомендовано к печати решением Ученого советаГуманитарного института телевиденияи радиовещания имени М. А. Литовчина (ГИТРа)
М 42 Меерзон Б. Я.
Акустические основы звукорежиссуры: Часть 3: Курс лекций на 1 и 2 курсах звукорежиссерскою факультета: Учебное пособие. — М.: Гуманитарный институт телевидения и радиовещания им. М. А. Литовчина, 2002.-102 с.
ISBN 5-94237-004-4 (ч. 3)
Курс лекций известного специалиста и педагога Б. Я. Меерзона - это первый шаг в постижении профессии звукорежиссера, закладывающий фундамент для дальнейшего, более углубленного практического освоения предмета. Звукорежиссер — профессия, требующая знаний из различных областей культуры и науки. Настоящие лекции посвящены вопросам акустики и звукотехники. Для щудснтов дневного и заочного отделений звукорежиссерского факультета.
2Ш^2Ш^УДК 621.39:612.85
2Ш^
2Ш^
ББК 32.871
Фотография для обложки — Д. Ромашов
ISBN 5-94237-004-4 (ч. 3)
© ГИТР, 2002
СОДЕРЖАНИЕ
Раздел IV. ЗАПИСЬ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ5
Тема 4.1. Основные сведения о звукозаписи
Тема 4.2. Фотографическая система звукозаписи5
Тема 4.3. Механическая система записи и воспроизведения звука .... 40
Тема 4.4. Магнитная запись звукак55