Text
                    
Б..Я. МЕЕРЗОН -
ЕШЮОСНОВЫ
Я^ЙКИССУРЫ
ИГ ЧАСТЬ III

ГУМАНИТАРНЫЙ ИНСТИТУТ ТЕЛЕВИДЕНИЯ И РАДИОВЕЩАНИЯ имени М. А. АИТОВЧИНА Б. Я. МЕЕРЗОН АКУСТИЧЕСКИЕОСНС^ Курс лекций на I и II курсах звукорежиссерского факультета Часть 3 Москва ТИТР 2002
УДК 621.39:612.85 ББК 32.871 М42 Рекомендовано к печати решением Ученого совета Гуманитарного института телевидения и радиовещания имени М. А. Литовчина (ГИТРа) М 42 Меерзон Б. Я. Акустические основы звукорежиссеры: Часть 3: Курс лекций на 1 и 2 курсах звукорежиссерского 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, закладыва- ющий фундамент для дальнейшего, более углубленного практическо- го освоения предмета. Звукорежиссер — профессия, требующая зна- ний из различных областей культуры и науки. Настоящие лекции по- священы вопросам акустики и звукотехники. Для студентов дневного и заочного отделений звукорежиссерского факультета. А..__ УДК 621.39:612.85 ЯЧ'йТ ББК 32.871 Фотография для обложки — Д. Ромашов ISBN 5-94237-004-4 (ч. 3) © ГИТР, 2002
СОДЕРЖАНИЕ Раздел IV. ЗАПИСЬ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ....................5 Тема 4.1. Основные сведения о звукозаписи............... Тема 4.2. Фотографическая система звукозаписи.........5 Тема 4.3. Механическая система записи и воспроизведения звука .... 40 Тема 4.4. Магнитная запись звука.к...................55
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 за- пись называют аналоговой. Запись можно вести, применяя кодовые по- сылки — это кодовая запись. В принципе коды могут быть самыми раз- личными, но нас в дальнейшем будут интересовать только те, что связа- ны с цифровой кодировкой звуковых сигналов и, соответственно, с циф- ровой записью звука. Материал, используемый при звукозаписи и сохра- няющий интересующую нас информацию, называется носителем запи- си. След на носителе после записи звуковой информации в виде череды аналоговых или кодовых изменений физического состояния материала называют фонограммой, а место расположения фонограммы на носите- ле — 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 приме- нение в профессиональной звукозаписи, их можно разбить на следую- щие группы: фотографическая, механическая, магнитная, оптическая и магнитооптическая. ТЕМА 4.2. ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗВУКОЗАПИСИ Фотографическая запись применяется в производстве кинофильмов. Звуковой сигнал Сзв через усилитель У поступает на специальное уст- ройство — модулятор света МС, где воздействует на световой луч, пада- ющий на светочувствительную кинопленку (рис. 62). Запись звука ведет- ся 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 спо- соб нашел в первые годы звукового кинематографа. Фонограмма пред- ставлена 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. 4 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗвУКОРЕЖИССУРЫ
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 измене- ниях ширины зачернения дорожки. Необходимость во вспомогательных фотохимических процессах — проявлении и закреплении негативной фонограммы, копировании и вновь проявлении и закреплении позитива. — известный и существенный не- достаток фотографической записи звука. Процесс воспроизведения звука с фотографической фонограммы поясняется рисунком 63. Свет от лампы фокусируется оптической систе- мой ОО в узкий пучок и падает на звуковую дорожку кинопленки КП. В соответствии с шириной (или плотностью при продольной записи) ос- вещенного участка фонограмм меняется прошедший световой поток. Мо- дулированный 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 КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 5
потока, а значит подобный сигналу на фотографической фонограмме. Этот сигнал затем усиливается усилителем У и может быть воспроизве- ден, например, громкоговорителем Гр. Фотографическая система записи звука и воспроизведения удобна в кинопроизводстве для получения синхронных с изображением фоног- рамм. Этим область ее применения и ограничивается, причина — в не- высоких качественных показателях системы записи и сложности обра- ботки пленки. ТЕМА 4.3. МЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗВУКА. Механическая звукозапись — исторически первая попытка зафиксиро- вать звук и затем воспроизвести его. Первоначально механическая запись велась на покрытых воском валиках, потом на дисках, но во всех случаях ис- пользовался один принцип. К некой диафрагме крепится резец. Под действи- ем звуковых колебаний диафрагма перемещается — резец соответственно режет канавки с глубиной, изменения которой повторяют форму записан- ного сигнала. Позже перешли к системе записи с поперечными перемеще- ниями резца, размах которых пропорционален уровню звука. При воспроиз- ведении игла звукоснимателя перемещается вдоль канавки, совершая коле- бания в соответствии с ее искривлениями или изменением глубины. Игла толкает диафрагму, которая повторяет движения при записи звука. Переме- щения диафрагмы воспроизводят соответствующие изменения звукового давления, существовавшие в момент записи звука. Конечно, точность соот- ветствия записываемого и воспроизводимого звука в описанной системе -не идеальна. Но сохранение определенного подобия очевидно. Рассмотренная схема механической записи звука, в общем, оказа- лось на редкость консервативной от Эдисона до наших дней, хотя и претерпела многие технические усовершенствования, главная цель кото- рых всегда заключалась в повышении степени подобия сигналов на вхо- де и выходе. А для этого требовалось расширение частотного диапазона канала записи/воспроизведения, снижение шума и коэффициента нели- нейных 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. 6 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
3 5 Станок механической записи звука (рис. 64 ) имеет массивную план- шайбу, приводимую в движение двигателем. Последний связан также с механизмом перемещения записывающего устройства (рекордера) в ра- диальном направлении. Запись ведется на алюминиевом диске, покры- том специальном лаком. Этот диск крепится на поверхности планшай- бы. К рекордеру, являющемуся преобразователем электрической энер- гии в механическую, подводится ток звуковой частоты. В современной практике производства грампластинок первичная запись, обычно, осу- ществляется на магнитофоне, а уже потом магнитная фонограмма пере- записывается на станке описываемым здесь способом. Рекордер снабжен резцом, колеблющимся в плоскости, параллельной поверхности враща- ющегося 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 запи- сываемых 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-диёк делают так: лаковую поверхность исход- ного диска поверх уже сделанной записи, используя определенные хи- мические процессы, серебрят. Тонкий слой серебра необходим как хоро- шо проводящий электрод. Далее вдело вступают гальванические процессы. КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 7
На серебре наращивают слои металлов ( никеля, затем меди). Слой се- ребра точно повторяет сделанный при механической записи рисунок, галь- ванопластика сохраняет его. Теперь остается удалить слой лака — и ме- таллическая копия первичной записи готова. Однако, эта копия является негативной — там, где на лаковом диске были углубления, на металли- ческой поверхности получились выступы, и наоборот. Так получают пер- вый оригинал, с помощью которого уже можно печатать пластинки. Од- нако эта негативная матрица — быстро изнашивается, поэтому процесс гальванического копирования продолжают, чтобы сохранить первый ори- гинал и обеспечить высокий тираж пластинок. Итак, с первого оригина- ла снимают несколько позитивных металлических копий (вторые ориги- налы). Вторые оригиналы — исходные материалы для снятия третьих ори- гиналов (новых негативных копий), они то и поступают на заводы в каче- стве матриц для прессования пластинок. Ресурс каждой такой матрицы — около 1000 пластинок, материалы для их изготовления — особые синтети- ческие смолы (например, винилит и др.). Звук с граммофонной пластинки воспроизводится с помощью звуко- снимателей — электромагнитных или пьезоэлектрических преобразова- телей 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 элек- трические колебания звуковых частот, их усиливают и подают на гром- коговоритель. Время воспроизведения граммофонных пластинок зави- сит 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 граммо- фонных записей — проигрыватели имеют различные, переключающиеся скорости вращения диска. Большая длительность воспроизведения — малый шаг записи. При малой скорости вращения и соответственно ма- лом шаге записи плотность «упаковки» канавок или дорожек возрастает, длительность записи/воспроизведения растет, причем пропорционально квадрату уменьшения названных параметров. Надо сказать, что квадра- тичная зависимость информационной плотности записи от размеров минимального элемента характерна для всех поверхностных носителей. Современные долгоиграющие пластинки имеют очень высокие качествен- ные показатели звучания. 8 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
ТЕМА 4.4. МАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ ЗВУКА Немногим более 60 лет назад на фирме BASF была создана первая магнитная лента и тем самым заложен фундамент современной магнит- ной записи. Сейчас трудно представить радиовещание, телевидение, сту- дии фондовой записи звука, впрочем как и компьютерную технику, ис- следовательские лаборатории, быт современного человека без магнитной записи. Многие годы эта техника и используемые ею носители совер- шенствовались, но основной принцип сохранялся. Сейчас рядом с лен- точными 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. 4.4.1 .Принципы магнитной записи информации В основе магнитной записи лежит явление намагничивания ферро- магнитных материалов и их способность сохранять это состояние после прекращения действия поля, причем практически неограниченно долго. Запись выполняется с помощью специального устройства — записываю- щей 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 остаточно- го намагничивания. След — это дорожка записи, остаточное намагничи- вание — сигналограмма, в устройствах записи звука — фонограмма. Счи- тывание фонограммы — процесс, обратный рассмотренному. Магнитное поле носителя, перемещающегося относительно считывающей головки, возбуждает в ней индукционный электрический ток — фактически элек- трический 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 преобра- зованиях сигнала во всех звеньях каналов заииси/считывания сохраняет- ся относительная форма сигнала.. Любое нарушение подобия ведет к нелинейным искажениям — фактору, как подчеркивалось в разделе II очень неприятному. Главное задача разработчиков магнитофонов, а за- тем и обслуживающего их технического персонала, заключается в обес- печении требования максимально возможного сохранения подобия в каналах записи и воспроизведения. Задача это не простая и, строго гово- ря, не имеющая точного решения. Отклонения были, есть и будут. Их не КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 9
избежать, но можно и, потому, необходимо снизить до минимально до- пустимого уровня. Это путь компромиссов, в которые буквально погру- жена 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. 4.4.2. О физике магнитной записи Напряженность магнитного поля традиционно обозначается ла- тинской буквой Н. Если в этом поле разместить магнитовосприимчи- вый материал, то он намагничивается, т. е. в нем возникает магнитная индукция. Величина намагниченности материала обозначается латин- ской буквой I, а магнитное поле, создаваемое им, оценивается по пото- ку 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 пропорцио- нально полю магнитной напряженности. Коэффициент пропорциональ- ности ц, 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 груп- пы: парамагнитные, диамагнитные и ферримагнитные. Парамагнитные материалы практически не восприимчивы к магнитному полю, их маг- нитная проницаемость близка к единице и почти не отличается от маг- нитной проницаемости вакуума. Парамагнетики реагируют на магнит- ное поле, но относительно слабо. Однако главное в том, что при снятии поля магнитная индукция в них исчезает, что делает парамагнетики по- просту бесполезными для магнитной записи. Магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы и магнит- ное поле буквально выталкивает их. Они применяются в магнитных голов- ках, где эффективно содействуют формированию поля рассеяния. Без диэ- лектрической прокладки поле в рабочем зазоре почти не выходит наружу. Ферримагнетики — вещества, в которых атомные носители магне- тизма 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- 10 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
сителей магнетизма выстраиваются в одном направлении. Такая 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 ну- левой. Однако внешнее магнитное поле, с напряженностью выше неко- торой пороговой, способно выстроить магнитные моменты доменов пре- имущественно в одном направлении. В последней фразе есть некоторые оговорки, касающиеся существенно важных моментов. Если внешнее магнитное поле переключает магнитные моменты доменов разом в од- ном направлении — это хорошо, но для цифровой записи. А вот в сре- дах, в которых ориентирующее действие магнитного поля сказывается «преимущественно», т. е. в определенных границах напряженность магнит- ного поля и поля магнитной индукции оказываются пропорциональны- ми, 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 остаточ- ную намагниченность достаточно долго — десяток и более лет практи- чески без изменений! А это то, что нужно для записи и долговременного хранения. При этом магнитное состояние вещества обратимо: вновь воз- действуя 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 — ферро- магнитные материалы (ферромагнетики). К ним относятся железо, ко- бальт, никель и сплавы этих элементов переходной (по таблице Менде- леева) группы металлов. 4.4.3 Намагничивание ферромагнетиков, гистерезис График зависимости намагниченности от величины напряженности внешнего магнитного поля позволяет наглядно представить интересное и сложное явление магнетизма, называемое гистерезисом. Это явление ис- ключительно важно для понимания процессов магнитной записи, поэто- му о нем следует поговорить подробнее. Намагниченность материала, как и напряженность магнитного поля, — векторные функции поля. Одина- ково важно знать величину (модуль) вектора и его направление. График KYPC АЕКНИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 11
на рис. 65 построен в предположении, что магнитный вектор сохраняет пространственную ориентацию, но меняет направление на 180°, что ус- ловно принимается за положительные и отрицательные направления Н. То же самое можно сказать и о положительных и об отрицательных значе- ниях вектора магнитной индукции, а следовательно, намагниченности I. При возрастании напряженности поля от нулевого значения до не- которой 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 не- пропорциональном изменении магнитной индукции. Причина — зависи- мость 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 точ- ка М с координатами Hmax, Imax ). При уменьшении напряженности маг- нитного поля Н намагниченность также падает, но этот процесс идет мед- леннее, уже не по начальной кривой намагничивания, а по новой — MN. Важно обратить внимание, что при нулевом значении поля (Н = 0) намаг- ниченность сохранит некое остаточное значение + Ir max. Именно это ос- таточное намагничивание и лежит в основе магнитной записи. Рис 65. Зависимость намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля. Петля гистерезиса 12 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Для того, чтобы устранить ос- таточную намагниченность, необ- ходимо далее менять напряжен- ность внешнего магнитного поля, наращивая его, но в сторону от- рицательных величин. Тогда на- магниченность станет все быстрее уменьшаться и достигнет нулевой отметки при отрицательном зна- чении напряженности внешнего магнитного поля, равном некото- рой величине Нс. Эта напряжен- ность магнитного поля, преодоле- вающая остаточную намагничен- ность, называется коэрцитивной силой. Значения остаточной на- магниченности и коэрцитивной силы являются параметрами, оп- ределяющими характерные свой- ства ферромагнитного материала. Продолжим изменять внеш- нее магнитной поле и проследим при этом за изменениями магнит- ного состояния материала. При дальнейшем увеличении напря- женности поля в сторону отрица- тельных значений намагничен- ность среды возрастает, но с по- лярностью противоположного знака, и достигает S — точки на- сыщения при - Нтах. Меняя на- пряжение внешнего магнитного поля от - Нтах до + Нтах, мож- но построить вторую ветвь кривой, известной как петля гистерезиса. Итак, при изменении напря- женности внешнего магнитного поля намагниченность ферромаг- Рис 66. Петля гистерезиса (условно) а — магнитомягкого, б — магнитожест- кого материалов Рис 67. Частные циклы перемагничива- ния КУРС ЛЕШИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 13
нитной среды меняется по кривой MNPSTRM (рис. 65), носящей назва- ние предельной петли гистерезиса. По форме петли и судят о магнитных свойствах материала. Широкая петля гистерезиса указывает на магнито- жесткий 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. Намагни- ченность у них быстро растет при малых напряженностях поля. Такие материалы выгодно употреблять для изготовления сердечников транс- форматоров, магнитных головок, т. е. таких устройств, которые должны слу- жить хорошим проводником магнитного потока и легко перемагничи- ваться без больших затрат энергии (рис. 66). Если действующее на материал магнитное поле не достигает величины, вызывающей намагничивание до насыщения, то изменения магнитного состо- яния происходит по кривым, лежащим внутри предельной петли гистерезиса, по так называемым частным петлям перемагничивания (рис. 67). 4.4.4 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 так- же по два усилителя записи и, соответственно, по два усилителя воспро- изведения. Оба канала записи — воспроизведения стереофонического магнитофона идентичны. Поэтому далее ограничимся описанием моно- фонического варианта магнитофона (рис.68). Современный магнитофон — сложное радиоэлектронное устрой- ство, тем не менее сохраняющее генетическую связь с предшественни- ками, и распадается на те же узлы, что и первые его аналоги. Любой маг- нитофон начинается с лентопротяжного механизма. Его функции про- сты, но ответственны: равномерное перемещение магнитной ленты — носителя записи относительно магнитных головок, установленных, чаще всего — но это не правило -на его верхней панели. Назначение усилите- лей записи и воспроизведения очевидно, несколько ниже мы скажем, за- чем нужен генератор тока высокой частоты стирания и подмагничива- ния. В современных магнитофонах в качестве носителя записи употребля- ется тонкая эластичная лента с основой из ацетата, поливинилхлорида или полиэфира. Поверх этой ленты наносится слой ферролака — связую- 14 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
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 стан- дарту 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 маг- нитофонах используется более узкая лента — шириной 3,81 мм, а в про- фессиональных, предназначенных для многодорожечной записи магни- тофонах, применяется лента более широкая: 1/2 , 1 и даже 2 дюйма. Канал записи — именно по нему звуковые сигналы, например преобра- зованные с помощью микрофона в электрические колебания звуковых час- тот, поступают через усилитель к записывающему элементу — головке запи- си. Эго 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 КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 15
s 1 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 конст- рукции. Запись ведется одновременно на двух дорожках (верхней и ниж- ней), 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, созда- вая 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) запол- няется немагнитным материалом, имеющим большое магнитное сопро- тивление (например, фольгой из бериллиевой бронзы). Благодаря этому образуется магнитное поле рассеяния, магнитные силовые линии выхо- дят из сердечника наружу, замыкаются через рабочий слой, проходящей у рабочего зазора магнитной ленты, и намагничивают ее. С противопо- ложной стороны сердечника головки записи размещен второй дополни- тельный 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 рас- сеяния головки, намагничивается. Ее намагниченность меняется по дли- не ленты от точки к точке, следуя изменениям звуковой частоты, подава- емой в обмотку головки записи. Допустим, что записанный таким образом 16 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
О О Ток имей Рис 70. Магнитная головка. 1 — сердечник-магнитопровод (тонкие линии — магни- ное поле); 2 — обмотка; 3 — рабочий зазор; 4 — дополнительный звзор; 5 — поле рессеяния манитного потока, воздействующего на носитель записи 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 коле- бания намагниченности с частотой и скоростью движения ленты вы- ражается формулой = V/f. Например, при скорости движения ленты 381 мм/с и частоте записанного тона 1000 Гц длина волны записи бу- дет: 1 = 381/1000 = 0,381 мм = 381 мкм. Канал воспроизведения — та часть тракта магнитной звукозаписи, которая формирует считываемый звуковой сигнал. При воспроизведе- нии лента перемещается с той же скоростью, что и при записи, она со- прикасается 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 стереофоничес- ком варианте головка воспроизведения, подобно головке записи содер- жит две объединенные в одной конструкции головки, расположенные одна над другой. При воспроизведении магнитное поле, создаваемое КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 17
Рис 71. Магнитная фонограмма при двух различных ki и к? соответствующим участком ленты, намагничивает сердечник головки воспроизведения. Переменный магнитный поток ленты замыкается че- рез 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 звуко- вого сигнала с воспроизводящей головки по хорошо экранированному проводу подается на вход усилителя воспроизведения, где оно усилива- ется примерно в 1000 раз. В студийных аппаратах усилитель воспроизведения работает на вы- ходную 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, непос- редственно на выходе усилителя воспроизведения подключается громко- говоритель. А для работы на внешнюю линию предусматривается допол- нительное 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, обеспе- чивающее стирание уже сделанных записей и подмагничивание ленты. 18 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Рис 72. Воспроизведение фонограммы с магнитной ленты Возможность многократного использования носителя записи — самое ценимое преимущество магнитной звукозаписи. Магнитную фонограмму достаточно просто уничтожить размагничивающим полем, создавае- мым стирающей головкой. Эта головка установлена до (по ходу лен- ты) головки записи. Ее конструкция подобна головкам записи и вос- произведения, но зазор здесь несколько больше (500 мкм). В обмотку стирающей головки подается ток высокой (ультразвуковой) частоты (обычно, более 80 кГц) от генератора, который включается одновре- менно с режимом записи магнитофона. Высокочастотное поле бук- вально 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 подмагни- чивания ленты, устраняющего нелинейные искажения при записи. Подробнее процессы, происходящие в носителе записи при стира- нии 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 на- магниченность 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. КУРС ЛЕК11ИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 19
4.4.5 Лентопротяжный механизм Лентопротяжный механизм — был и остается самым важным узлом магнитофона, он решает, казалось бы простую, задачу равномерного пе- ремещения магнитной ленты относительно магнитных головок. Но именно здесь конструкторам и технологам фирм, разрабатывающим магнитофо- ны, и приходится решать совсем не простые задачи, чтобы выполнить основные требования к механизму: постоянная скорость перемещения ленты, отсутствие вибраций и подергиваний, плавная и бесшумная рабо- та механизма. В стационарных аппаратах обычно употребляются механизмы с гре- мя двигателями (рис. 73). Лента перемещается роликом-насадкой на валу ведущего двигателя и прижатым к нему свободно вращающимся обрези- ненным прижимным роликом. Зажатая между этими двумя вращающи- мися деталями лента движется с постоянной скоростью, зависящей толь- ко от количества оборотов ведущего двигателя и от диаметра насадки на его валу. В современных магнитофонах размещение магнитных головок соот- ветствует стандартизованному способу намотки ленты — рабочим слоем внутрь рулона. Об этом надо помнить потому, что старый стандарт на- мотки ленты отличался от современного — к вам могут попасть старые записи, намотанные на сердечник рабочим слоем наружу. Их перед вос- произведением необходимо перемотать — во избежание искажений зву- Рис 73. Лентопротяжный механизм профессионального магнитофона (фирма Studer) 20 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
чания. И еще, о попутно и само по себе разумеющемся: ведущий двига- тель должен обладать высоким постоянством числа оборотов и малой зависимостью скорости вращения от изменений параметров сети элект- ропитания (напряжения и частоты). В магнитофонах старых конструк- ций (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 одно- значно определяется ее частотой. Поэтому из-за нестабильности частоты сети электропитания число оборотов таких4 двигателей, а следовательно и скорость движения магнитной ленты, могли меняться на 1—1,5 %. Это усложняло монтаж музыкальных фонограмм и вносило ошибки в хро- нометраж передач. В современных магнитофонах применяются ведущие двигатели, ра- ботающие от специальных, стабилизированных кварцем генераторов, благодаря чему их скорость вращения поддерживается cjporo постоян- ной. Скорость движения ленты V (см/с) определяется диаметром веду- щего ролика d (мм).и числом его оборотов п (об/мин). Она вычисляется по формуле: V = 7rdn/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 про- фессиональной студийной записи в основном используется скорость 38,1 см/с. Два боковых двигателя лентопротяжных механизмов имеют мягкие механические характеристики, их вращающие моменты зависят от ско- рости 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, зак- репляемые на его валу. Левый двигатель при записи и воспроизведении обычно работает, получая относительно небольшое напряжение. Он под- тормаживает ленту; создаваемое этим легкое натяжение ленты гаранти- рует 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 тор- мозные устройства. Торможение двигателей используется для быстрой КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 21
остановки ленты, они же предотвращают образование петель при запус- ках и остановках. Торможение должно быть достаточно сильным и вмес- те с тем плавным, чтобы не допустить чрезмерного натяжения, приводя- щего к обрыву и растягиванию ленты. Управление лентопротяжным ме- ханизмом осуществляется с помощью клавиатуры, размещенной на па- нели управления. Несколько слов следует сказать об особенностях конструкции люби- тельских магнитофонов, предназначенных для бытового применения. Обычно в них используется схема с универсальной головкой и одним усилителем, которые с помощью соответствующей коммутации выпол- няют 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 ка- тушки, либо находится в закрытых кассетах. Любительские записи про- изводятся 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 записы- вать или воспроизводить только одну из дорожек. Стандартное располо- жение дорожек записи двух и четырехдорожечных фонограмм для кату- шечных 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 22 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
< I - CMJWreeMMWO вШЩ ЛрДОвГО. /ЛПрПМЯИ Аямгимп ЛОят*. tri С bfafMtoi стороны Двухдорожачкая steact мприигнат (деухдоряжтея лмап стороо+оатаеея) ГЗЖ тж Магнитная голоана тоюфоничесмя ‘•'"•"•‘а Рис 75. Дорожки катушечных магнитофонов_________________ Н, К - соотеаяхтвто мчало в номц djopoxeu. — Наарммме дошкам» ленты. м£ стороны рабочего слоя Магнитная головка Магнитная головка Монофоническая Стереофоническая Рис 76. Дорожки кассетных магнитофонов i.2f 4.4.6 Магнитные процессы в носителе записи при стирании Уничтожение старых записей — достаточно ответственный момент, надо либо намагнитить ленту по всей длине так, чтобы ее намагничен- ность была близка к насыщению, либо полностью размагнитить ленту. В настоящее время применяется высокочастотное стирание, т. е. размаг- ничивание ленты под воздействием магнитного поля высокой частоты. Головка стирания автоматически включается при установке режима «за- пись». 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 практи- чески 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 выбира- ется в интервале 70—80 кГц. КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 23
Магнитно* лол* слхфмш* Рис 77. Магнитное поле у зазора стира- ющей головки Рис 78. Размагничивание полем высо- кой частоты 4.4.7 Магнитные проиессы при записи Магнитная лента движется, со- прикасаясь с головкой записи и прилегая к ее рабочему зазору. Маг- нитные силовые линии, как уже сказано выше, выходят у рабочего зазора из сердечника и образуют поток рассеяния. На рис. 79 показа- но, как происходит намагничивание ленты, если в обмотке головки за- писи протекает только ток записи звуковой частоты. Под воздействи- ем магнитного поля рассеяния с напряженностью Н1 (на рисунке приведены три варианта напряжен- ности), некий участок магнитной ленты приобретает некую намаг- ниченность lj и затем, когда он по- кидает поле рассеяния головки, на- магниченность ленты снижается до остаточной величины 1гг Последу- ющий участок ленты под действи- ем изменившегося магнитного поля имеет уже иную величину ос- таточной намагниченности 1г2 и т. д. Из рисунка видно, что кривая на- магничивания, а также переключе- ния на остаточную намагничен- ность — все это процессы суще- ственно нелинейные, а, значит, спо- собные внести в сигнал искажения. Это хорошо видно, если построить график зависимости остаточной намагниченности ленты от напря- женности действующего магнитно- го поля, показанный на рис. 80. Иде- альной характеристикой была бы 24 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
прямая линия, любые отклонения от нее — причина искажений фор- мы сигнала. Чтобы спрямить характеристи- ку зависимости остаточной намаг- ниченности ленты от напряженно- сти ноля 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 превосхо- дить наивысшую частоту записыва- емого звукового сигнала (к приме- ру, в отечественном магнитофоне МЭЗ-109А частота тока подмагни- чивания 210 кГц). Ток подмагничи- вания создает магнитное поле вы- сокой частоты, которое воздейству- ет на ленту вместе с полем звуковых частот. В паузе, когда звуковой сиг- нал отсутствует, поле подмагничи- вания действует подобно стирающе- му полю и, циклически перемагни- чивая ленту, осуществляет ее доба- вочное размагничивание. Поля под- магничивания и звука суммируют- ся подобно показанному на рис. 81. Рис 81 Суммирование полей подмагничивания звука. Соотношение размахов по- пей условно, следует помнить, что поле подмагничивания превышает звуковое в десяток раз КУРС ЛЕШИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 25
Рис 82. Остаточная на- магниченность как фун- кция звукового поля с подмагничиванием При этом, намагничивание ленты становится пропорциональным средним значениям напряжен- ности суммарного поля и практически совпадает с изменениями поля звукового сигнала. На рис. 82 приведена функция зависимости остаточной на- магниченности ленты от намагничивающего поля с высокочастотным подмагничиванием. Даже беглое сравнение рис. 82 и рис. 80 под- тверждает их принципиальное различие — боль- шой прямолинейный участок на рис. 82 показы- вает, что условие подобия при записи с подмаг- ничиванием высокочастотным полем соблюда- ется. Происходит, как бы, спрямление характе- ристики 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 намагничи- вания до необходимого уровня требуемый ток записи — меньше. Следует отметить, что от правильного выбора величины тока под- магничивания зависят фактически все качественные показатели звукоза- писи: динамический диапазон, частотная характеристика и коэффици- ент 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 магнит- ной ленты. 4.4.8. Предыскажения при записи и коррекция частотной характеристики при воспроизведении фонограммы Частотная хаарактеристика — самая важная характеристика любой системы звукопередачи. Это замечание в полной мере можно относится и к магнитной звукозаписи. Главная задача очевидна — каналы записи и воспроизведения в совокупности должны обладать такой амплитуд- но-частотной характеристикой, которая обеспечила бы прослушивание произведенных записей без частотных искажений. По иному об этом можно сказать и так: соотношения амплитуд различных частотных со- ставляющих звукового сигнала на выходе магнитофона должны быть такими же, что и на входе. Однако при магнитной звукозаписи и вос- произведении происходит завал (ослабление) низких и высоких частот 26 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
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 одина- ков на всех частотах. Процесс воспроизведения также зависит от частоты. Как известно из курса физики, э. д. с. электромагнитной индукции пропорциональна ско- рости изменения магнитного потока, взаимодействующего с витками ка- тушки. 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 лензы на всех частотах одинаков, частотная характеристика процесса воспроиз- ведения 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 рабо- чим зазором. Рис 83. Частотная характеристика магнитной записи КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 27
it 1 Су so 100 n} 2 os io* f (Гц) Рис 84. Частотная характеристика воспроизведения В реальных условиях линейным подъем частотной характеристики воспроизведения остается до известного предела. Когда длина волны за- писи (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 часто- тах. Кривая на рис. 84б более реально отражает частотную характеристику воспроизведения. Суть этого явления поясняет рис. 85. Воздействие маг- нитного потока на обмотку головки воспроизведения тем больше, чем сильнее различаются величины магнитных потенциалов участка носите- ля записи у левого и правого краев рабочего зазора. Эта разница растет, пока в процессе увеличения частоты сигнала каждый элементарный маг- нит (его физические размеры соответствуют половине длины волны за- писи) не станет равным ширине рабочего зазора (имеется в виду дей- ствующая ширина рабочего зазора, превышающая геометрическую). При дальнейшем укорочении длины волны записи в зазоре уже размещается более одного элементарного магнита, при этом действие соседнего, про- тивоположно 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 навстречу друг другу, взаимно ком- пенсируются, и магнитный поток станет равным нулю. Сигнал с такой длиной волны не будет воспроизводиться. Чем ниже скорость движения магнипной ленты, тем короче длина вол- ны записи, соответствующая какой-либо определенной частоте звукового 28 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
। ракгерисгики на волнах записи, со- измеримых по длине с рабочим за- зором Рис 86. Частотная характеристика канала записи-воспроизведения без коррекции сигнала. Поэтому, чтобы уменьшить завал высших частот при воспроиз- ведении на магнитофонах с малы- ми скоростями движения ленты, рабочий зазор воспроизводящей го- ловки делают узким — шириной око- ло 2 микрон. Частотная характерис- тика канала записи-воспроизведения определяется как перемножение рассмотренных выше: она пред- ставлена на рис. 86. Ее форма совер- шенно не удовлетворительна. Эту характеристику необходи- мо исправить — линеаризовать, используя стандартные методы компенсации с помощью специаль- но подобранных частотных харак- теристик усилителей магнитофо- на, причем эта компенсация мо- жет быть осуществлена в принци- пе в любом из усилителей — запи- си и воспроизведения. Однако, если присмотреться к ряду особеннос- тей процесса звукозаписи и распре- деления звуковой энергии в спект- рах музыкальных инструментов и человеческого голоса, то можно заме- тить, что целесообразнее компенсировать потери на высших звуковых частотах в усилителе записи, выбирая его частотную характеристику та- кой, чтобы ток в обмотке головки записи начинал возрастать примерно с частоты 1000 Гц. Этот метод компенсации известен под названием «пре- дыскажения». При исполнении музыкального произведения звуковая энергия на высших частотах обладает меньшей интенсивностью, чем на средних, поэтому высокие звуковые колебания поступают на запись с меньшими амплитудами. Подъем высших частот в усилителе записи улучшает в этом диапазоне перекрытие полезным сигналом шумов самой ленты (см. сле- дующий параграф). Но во избежание нелинейных искажений подъем частотной характеристики записи на самых высших частотах звукового КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 29
Рис 87. Частотная коррекция в сквозном канале: 1 — подъем тока записи на высоких частотах (частотные предыскажения); 2 — частотная характеристикиа функции намагничивания ленты; 3 — потери на саморазмагничивание, 4 — харак- теристики з.д. с. воспроизводящей головки; 5 — щелевые потери при воспроизве- дении: 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 полнос- тью потери на высших частотах, возникающие как при записи, так и при воспроизведении. Поэтому дополнительная коррекция по высшим звуко- вым частотам осуществляется уже в усилителе воспроизведения. В нем же корректируются (поднимаются) низкие частоты, воспроизводимые головкой хуже средних. Предыскажения, применяемые в усилителе запи- си, и коррекция в усилителе воспроизведения выпрямляют результиру- ющую частотную характеристику сквозного канала записи — воспроиз- ведения. Принцип введения частотных предыскажений и частотной кор- рекции в сквозной канал магнитофона поясняется рис.87. 4.4.9 Технические характеристики аналоговой магнитной звукозаписи. Магнитофон, даже исправный, может стать источником искажений, резко снижающих ценность фонограммы. Эти искажения различны по субъек- тивному 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 20000 Гц. Для неискаженной звукопередачи необходимо, чтобы колебания всех слыши- мых частот записывались на ленту и воспроизводились с нее по уровню одинаково. С этих позиций качество магнитофона оценивается его частот- ной характеристикой. В действительности эта характеристика не бывает 30 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
линейной во всем диапазоне звуковых частот, но если в интервале, при- нятом за рабочий диапазон (для профессиональных магнитофонов от 31,5 до 18000 Гц), выходное напряжение меняется незначительно и не- равномерность частотной характеристики укладывается в принятое стан- дартом поле допусков, то практически частотные искажения мало за- метны 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 голов- ке, вызванное засорением рабочего зазора головки пылью или порошком, отставшим от магнитной ленты. Надо помнить, что любые нарушения нор- мального 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 воспроиз- ведения 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. это равносильно увеличению ширины рабочего зазора (рис. 88). Обычно поло- жение головок тщательно регулируют и устанавливают в процессе профи- лактических измерений и на- стройки магнитофонов. Причиной завала высоких звуковых частот при записи может стать и неправильный подбор ленты. Магнитофон следует настраивать на запись на ленте какого-то определен- ного типа. Переход на другой тип ленты требует и соответ- ствующей перестройки канала записи магнитофона. Иначе воз- можны частотные искажения звучания. Рис 88. Перекос рабочего зазора магнитной головки КУРС ЛЕКПИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 31
К. нелинейным искажениям ведут любые нарушения пропорциональ- ности или подобия между мгновенными значениями выходных напря- жений и соответствующими мгновенными значениями уровня подводи- мого на запись сигнала. Эти искажения воспринимаются на слух как резкое, неприятное искажение тембра, сопровождаемое своеобразным скрежетом и хрипом. Если усилители исправны и режим подмагничива- ния, установленный при настройке магнитофона для определенного типа ленты выбран правильно, то причину нелинейных искажений нужно ис- кать в чрезмерно больших уровнях сигналов, приходящих на вход магнито- фона и вызывающих перэдрузку ленты. Следует помнить, что лента — наи- более слабое звено в канале магнитной записи; при больших уровнях сиг- нала и, следовательно, больших напряженностях магнитного поля в го- ловке; пропорциональность между полем записи и намагниченностью ленты нарушается, из-за того, что характеристика намагниченности лен- ты 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 нелиней- ные искажения, превышающие норму и заметные на слух. Коэффициент нелинейных искажений (точнее, коэффициент гармо- ник) сквозного канала записи-воспроизведения для студийных магнито- фонов высокого класса качества не должен быть больше 1,5—2 % при максимальном уровне записи. Это гребование и ограничивает допусти- мый уровень записи. Об уровне записи или о степени намагниченности ленты судят по величине магнитного потока, который создается сигна- лограммой, записанной налейте. В профессиональной записи использу- ются дорожки разной ширины (стерео, моно, двухдорожечная, четырехдо- рожечная), поэтому возникает проблема унификации измерений. За меру уровня записи, поэтому, принимают удельную величину магнитного по- тока 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 моно- фонической записи, соответствущий установленной на измерителе уров- ня отметке 0 дБ. Для стереофонических записей стандартом предусмат- ривается увеличение максимального уровня записи примерно на 4 дБ, т. е. 32 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
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 зву- козаписи относится детонация звука, причина которой скрыта в колеба- ниях скорости движения ленты. Если отклонения от нормальной скорос- ти ленты происходят медленно, с частотой меньше одного герца, то звук, как говорят, «плывет». Быстрые периодические изменения скорости вос- принимаются на слух как вибрация или дробление, особенно заметное на протяжных звуках. Еще более частые колебания скорости вызывают иска- жения 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 ухуд- шить 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. Для этого надо включить аппарат на воспроиз- ведение (можно без ленты) и, установив максимальную громкость, выяс- нить, 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 воспроиз- ведения на усилитель, весьма мал по уровню (порядка единиц милли- вольта), 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 ре- зультат случайной намагниченности металлических деталей лентопротяж- ного механизма (направляющих роликов, сердечников головок, экранов, вала ведущего двигателя). Поэтому необходимо периодически и тщатель- но размагничивать соприкасающиеся с лентой детали лентопротяжного механизма, пользуясь для этого специальным устройствам — размагничи- вающим электромагнитом. Но основным источником шума при звукоза- писи является сама магнитная лента. Шум ленты в основном вызывается КУРС ЛЕШИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 33
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 производите- ли магнитных лент уделяют много внимания сепарации частиц магнитно- го 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 синусоидаль- ный сигнал с частотой 1000 Гц с максимально допустимым уровнем. Затем, не изменяя установку регуляторов усиления, выключают измери- тельный сигнал и продолжают процесс записи. Измеряя уровни сигна- лов, считанных с фонограммы, — измерительного и в паузе, можно су- дить о величине уровня собственного шума сквозного канала магнито- фона. Выраженное в децибелах отношение величины уровня шума к уров- ню 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 намаг- ниченности ленты при записи сигнала и их причина скрыта в неодно- родности 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 сиг- нала (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 называют эффектом струны, можно снизить, если между голов- ками записи и воспроизведения, являющихся для ленты точками опоры, 34 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
tyaam основного сигнала Онаражашцмж •5136 •5936 6236 I 9 7 6 5 035 ЗалагЗывающм ЭХО •5036 •5636 I -6135 11 ♦ i 2 Витки Рис 89. Копирэффект’ установить вращающийся ролик, инерция которого сглаживает (демп- фирует) 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 на- магничивания, воздействуют на соприкасающиеся с ними витки. Ско- пированные 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 совмешен с паузой. Сигналы копирэффекта могут отставать от основ- ного сигнала (запаздывающий копирэффект, воспринимаемый как эхо) или предшествовать ему (опережающий копирэффект). Опережающий копирэффект или опережающее эхо из-за своей неестественности наибо- лее неприятно воспринимается на слух. К сожалению, радикальных мер борьбы с копирэффектом нет — это данность способа записи и хранения лент в рулонах. Однако в случаях, КУРС ЛЕШИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 35
когда ведется запись речевых литературно-драматических передач, изо- билующих паузами и поэтому наиболее подверженных слышимому ко- пирэффекту, следует обратить внимание на выбор ленты. Величина воз- можного 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 копирэф- фекта. 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 абсо- лютной величине, будут замаскированы шумом ленты. 4.4.10 Измерительные ленты для проверки и настройка магнитофонов Для настройки магнитофонов широко используются измерительные ленты, причем эта практика поддержана международными и отечествен- ными стандартами. Стандартизация настройки магнитофонов необходи- ма для того, чтобы иметь возможность обмениваться фонограммами, т. е. чтобы запись, сделанная на одном магнитофоне, могла быть воспроизве- дена на любом другим аппарате с теми же качественными показателями. Магнитные измерительные ленты (ЛИМ) обычно выпускаются в рас- чете на определенный тип аппарата и режим — скорость ленты, монофо- нический или стереофонический вариант, катушечный или кассетный. Измерительные ленты содержат, как правило, 3 части. Первая — «У» пред- назначена для проверки и установки усиления канала воспроизведения. Вторая — «Ч» содержит сигналы проверки частотной характеристики канала воспроизведения и установки положения рабочих зазоров маг- нитных головок. Третья — «Д» позволяет проверить коэффициент дето- нации магнитофона. Часть «У» измерительной ленты — это запись синусоидального сиг- нала с частотой 1000 Гц и максимально допустимым уровнем намагни- ченности, при котором нелинейные искажения не превышают нормиро- ванную 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 на- стройки монофонических магнитофонов следует пользоваться одной из- мерительной лентой, маркируемой как ЛИМ-1, а для стереофонических другой — ЛИМ-2. 36 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Для бытовых кассетных магнитофонов эталонный уровень записи определяется для частоты 315 Гц и равен 250 нВб/м. Выпускаются спе- циальные измерительные ленты для проверки бытовых магнитофонов. Чтобы настроить магнитофон на запись, необходимо воспроизвести часть «У» измерительной ленты и регулятором усиления канала вос- произведения добиться такого уровня сигнала на выходе магнитофона, при котором указатель измерителя уровня (при времени интегрирова- ния 5 мс) показывает 100 % (0 дБ). Затем надо установить на магнитофо- не чистую ленту и подать на вход усилителя записи сигнал с частотой 1000 Гц, используя любой подходящий источник — им может быть, напри- мер, звуковой генератор или фонограмма, воспроизводимая другим маг- нитофоном. Записанный сигнал воспроизводят, не меняя установленное по измерительной ленте усиление канала воспроизведения, и регулято- ром уровня записи устанавливают уровень сигнала на выходе магнито- фона уровень, соответствующий 100 % измерителя уровня. Естественно, что намагниченность записи окажется той же, что и эталонная на изме- рительной ленте. В процессе студийной записи приходится постоянно сравнивать зву- чание программ, записываемой и записанной. В студийных условиях сделать это достаточно просто с помощью коммутации контрольных аг- регатов и измерителей уровня на вход или на выход магнитофона, следу- ет лиип» проследить, чтобы абсолютные величины напряжения сигналов на входе и выходе магнитофона были одинаковы (например, 1,55 В). Регуляторы усиления магнитофонных усилителей являются лишь уста- новочными, и при записи программы ими не пользуются. Необходимый выходной уровень поддерживается с помощью регуляторов уровня мик- шерного 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 от- дельных 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. Форма этой частотной характеристики по принятому стандарту пря- молинейна 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- КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 37
Частотные характеристики остаточного потока измерительных М лент (часть "Ч”) дм четырех скоростей Рис 90. Частотная характеристика ЛИМ ния ленты и тем больше, чем меньше скорость. В качестве опорной час- тоты, с которой по уровню сравниваются другие частоты, берется час- тота 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 ра- вен 32 или 25 нВб/м, соответственно для профессиональной и кассетной аппаратуры. Перед сигналами, служащими для проверки частотной характерис- тики канала воспроизведения, измерительная лента (часть»Ч») содер- жит запись сигнала с частотой 12500 Гц, предназначенный для установ- ки правильного положения рабочего зазора головки. Этот сигнал запи- сан на магнитофоне, рабочий зазор записывающей головки которого заведомо перпендикулярен направлению движения ленты. На стерео- фонической измерительной ленте ЛИМ-2, кроме этого сигнала для той же цели на обоих дорожках записывается сигнал «белого» шума, кото- рый известен, как обладатель максимально широкой полосы частот зву- кового диапазона. 38 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Как проверить частотную характеристику и насколько правильно выставлены рабочие зазоры головок проверяемого магнитофона? На маг- нитофоне устанавливают часть «Ч» измерительной ленты и воспроизво- дят ее. К выходу усилителя воспроизведения подключают электронный вольтметр. (С несколько меньшей точностью подобную проверку можцо сделать и по измерителю уровня). Прежде всего проверяется положение рабочего зазора головки воспроизведения и производится установка го- ловки «по азимуту». Для этого, наблюдая за показаниями прибора на выходе магнито- фона, с помощью специальных регулировочных винтов находят такое положение головки, при котором отдача на сигналах высоких звуко- вых частот становится максимальной. Это положение головки и явля- ется 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 от- сутствует. В этом случае прибегают к воспроизведению записанных на измерительной ленте сигналов белого шума, а настройку головки про- изводят по специальному прибору — гониометру. Гониометр — это некое подобие осциллографа, на экране которого, при подаче на его вход двух сигналов, возникают фигуры, по форме ко- торых 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 точ- ной установке рабочего зазора головки по вертикали, соблюдается син- фазность всех составляющих сигнала в обоих каналах, и фигура на эк- ране гониометра приобретает вид близкий к вертикальной прямой линии. Установка головки производится при этом, как обычно, с помо- щью регулировочных винтов. Далее проверяется частотная характеристика канала воспроизве- ‘ 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 кана- ла воспроизведения считают нормальной в том случае, если выходное напряжение магнитофона при воспроизведении измерительной ленты существенно не изменяется (допускаются лишь небольшие отклоне- ния выходного уровня в пределах 1 дБ на средних частотах и 3 дБ на КУРС ЛЕШИЙ НА 1 И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 39
краях рабочего диапазона). Убедившись, что канал воспроизведения в норме, устанавливают чистую ленту и записывают подаваемые на вход магнитофона от звукового генератора сигналы, одинаковые по ампли- туде, но разные по частоте. Тем же способом, что и при установке головки воспроизведения, регулируют положение рабочего зазора го- ловки записи и проверяют по максимуму выходного напряжения маг- нитофона параллельность ее рабочего зазора рабочему зазору головки воспроизведения. Далее проверяется частотная характеристика канала записи. Это делается сравнением выходных напряжений при записи измеритель- ных сигналов с напряжениями, создаваемыми на выходе магнитофона при воспроизведении на нем измерительной ленты (части «Ч»). Откло- нения этих двух характеристик друг от друга также не должны превы- шать 1,5 дБ на средних частотах и 3 дБ на крайних. Частотные характе- ристики каналов записи и воспроизведения изменяются в области вы- соких частот по мере износа головок, а канала записи — еще и в зависи- мости 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 снабжают- ся специальными фильтрами, которые приводят в соответствие показа- ния прибора с восприятием на слух искажений, возникающих из-за ко- лебаний 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, прецизи- онные магнитофоны, комплект контрольных приборов. При записи из- мерительных сигналов их уровень поддерживается с высокой точностью вручную или автоматически. Для записи измерительных лент использу- ются специально отобранные магнитные ленты, обладающие высокой равномерностью чувствительности по всей своей длине. 40 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
4.4.11. Монтаж и хранение магнитных фонограмм Монтаж занимает важное место в звукозаписи — собственно это про- цесс превращения полуфабриката в виде рабочих фонограмм в конеч- ный 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 мон- тажа были ножницы и клей. Они и сейчас остаются рабочим инструмен- том 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 зву- ки. 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 ле- вый рулоны, медленно передвигают ленту по головке воспроизведения. Сращивать ленту следует специальной склеивающей лентой, а ста- рые типы лент на ацетатной основе можно склеивать специальным кле- ем. 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 скле- ивающей ленты аккуратно подрезаются по ширине магнитной ленты . Сращивание ленты встык (ещё один термин из прошлого, заимствован- ный 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 внесет в фо- нограмму неприятные глухие щелчки. Следует время от времени размаг- ничивать ножницы размагничивающим электромагнитом. К началу и концу отмонтированной фонограммы подклеивается спе- циальная лента без магнитного слоя, так называемый ракорд, его назначе- ние — дать возможность двигателю при запуске набрать необходимую ско- рость, он также предохраняет запись ог обрывов при зарядке. На начальном ракорде, имеющим длину около 2^ 2,5 м карандашом подписывается или КУРС АЕК11ИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 41
печатается на машинке название записи. Конечный ракорд должен быть короче — около 1 м. Цветовая разметка ракордов облегчает работу с фо- нограммами. По действующим стандартам применяется следующая цве- товая разметка ракордов: Скорость движения Цвет ленты, см/с 76,2 38,1 19,05 9,53 белый зелёный жёлтый синий Стереофония 38,1 19,05 зелёно-белый (полосатый) жёлто-белый (полосатый) Хранить чистую ленту и готовые фонограммы следует в специальных картонных коробках в вертикальном положении в помещениях с темпе- ратурой 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 находи- лись источники сильных магнитных полей: трансформаторы, электродви- гатели и др. Те не менее, многолетний опыт хранения записей на магнитной ленте показывает, что и при самых оптимальных условиях хранения, лента от времени деформируется, высыхает и качество записи ухудшается. Гаран- тированный срок хранения фонограмм, таким образом, ограничен, при- мерно, 15—20 годами. Поэтому, для создания архивов звукозаписей, фо- нограммы на магнитной ленте, путём перезаписи рекомендуется пере- вести в цифровую форму и хранить на новой основе ( например, на ком- пакт-дисках). Все, о чем сказано выше, относится к той части магнитной звукоза- писи, 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 дос- таточно для постановки вопроса о поиске альтернативных методов мон- 42 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
тажа. Однако, действительные причины иные и глубже. Техника управ- ления и автоматизации уже в 70-е годы вышла на уровни, когда реше- ние задачи дистанционного управления магнитофонами — а это тоже самое, чао и электронного монтажа, стало делом «техники». Не случай- но развитие электронных систем монтажа видео и звука шло практи- чески параллельно. Собственно, идея электронного монтажа достаточно очевидна. Име- ется 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 рассмотрен- ной схемы требует выполнения нескольких важных условий. Все магни- тофоны в монтажной должны иметь органы, обеспечивающие дистанци- онное управление ими с единого пульта. Все современные аппараты от- вечают этому требованию. Однако важно, чтобы язык команд или прото- кол управления воспринимался всеми аппаратами монтажной. А вот здесь единообразие, понятное теоретически, принято фирмами-производите- лями не было, что повлекло массу неприятностей. Впрочем, современ- ная 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 бы- строго — в режиме ускоренной перемотки выхода на заданные лючки фонограмм. Этого мало, в определенных режимах управление всеми маг- нитофонами монтажной, перемещением лент, операциями «воспроизве- дение/запись» и многим другим должно быть согласовано или жестко синхронизовано. Здесь очень много аналогий — и не случайно с видео- монтажом. Звукорежиссер, приступая к монтажу программы, должен удержи- вать в памяти и контролировать весь исходный материал. Это общее условие, но при электронном монтаже оно особенно актуально. Фор- мально, 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 не так просто. При такой работе вряд ли бы стоило связываться с электронным монтажом. КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 43
Главное в современных системах монтажа — это ее интеллектуаль- ность. 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 ис- точникам, порядку их вывода в компонуемую программу, специальным эффектам и многому другому. Система должна знать все адреса затребо- ванных материалов, команды их поиска в кратчайшее время. В принци- пе, можно отыскать требуемый фрагмент, ориентируясь на данные счёт- чика метража ленты, но такой поиск будет неточен, хотя в качестве пер- вого, грубого уровня системы поиска вполне годится. Уже на первых этапах развития электронного монтажа стало ясно, что нужны специаль- ные метки — указатели. Самое простое — расстановка меток звукорежис- сером. Такая система меток аналоговая в сущности, поскольку ориенти- руется на положение границ фрагмента, но не несет информации о его размещении (адресе) на ленте. Следующий принципиальный этап свя- зан с введением специальных временных кодов, которые вместе с пас- портом «участка» информируют и о его «географии». Современная техника позволяет теперь многое. Звукорежиссер мо- жет прослушать несколько фрагментов, соединил/ 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 сво- им восприятием, он дает команду записать на монтируемый оригинал. Более того автоматизация на современном уровне позволяет звукорежис- серу шаг за шагом проделать всю работу, прослушать и исправить не- удачные решения. Управляющий системой компьютер, при этом, фик- сирует все утвержденные команды, сохраняет их в памяти и потом в автоматическом режиме, используя «лист монтажных решений», выпол- няет чистовой монтаж. Электронный монтаж вызвал к жизни термин «многократная переза- пись», за которым стоят серьезные проблемы. Чем сложнее монтаж, чем больше источников используется, чем многослойнее эффекты — тем боль- ше перезаписей требуется. Каждая перезапись сигналограммы — это для аналоговой магнитной записи — заметные потери качества. Здесь и всту- пают в противоречия творческие планы звукорежиссера и требования к техническому качества записи. В аналоговой записи постепенно выяви- лось еще одно противоречие — система управления монтажом и другими 44 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
функциями быстро стала цифровой, а то чем управляют сохранило все недостатки аналога. Эти противоречия удалось снять только в полнос- тью цифровых системах, о которых речь пойдет ниже. 4.5. Многодорожечная запись Ещё задолго до появления первых многодорожечных магнитофонов в студиях применялся способ раздельной, поочередной записи отдель- ных голосов и групп музыкального ансамбля на обычных магнитофонах, с последующим их сведением, т. е. с наложением друг на друга при переза- писи (“запись с наложением”). Этот способ использовался, в основном, Для получения различных зву- ковых эффектов при записи эстрадной музыки. Практически это делалось так: сначала записывался, например, аккомпанемент, который затем пода- вался на один из входов микшерного пульта для перезаписи и параллель- но воспроизводился с малым уровнем громкости через установленный в студии громкоговоритель (или на головные телефоны). В студии у микро- фона, включенного на другой вход микшерного пульта располагается со- лист, который исполнял свою партию под уже записанный аккомпане- мент. В тракте микшерного пульта происходило смешивание сигналов аккоманемента и сольной партии, причем соотношения уровней между этими двумя компонентам звучания подбирались и регулировались зву- корежиссером. С выхода пульта суммарный сигнал поступал на вход вто- рого 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 влия- нии, которое они могли бы оказать на звучание других исполнителей. Наконец, метод записи с наложениями позволял получать разнообраз- ные специальные звуковые эффекты с помощью особых трюковых при- емов, например, запись дуэта, в котором партии обоих голосов исполня- ются одним и тем же певцом; запись какого либо музыкального инстру- мента в несвойственном ему регистре и т. д. Прием записи с наложения- ми можно было бы повторять несколько раз подряд и таким образом записать раздельно каждую оркестровую группу, требующую своей спе- цифической окраски звучания. Однако, запись с наложениями имеет существенный недостаток, ог- раничивающий область ее применения. Этот недостаток заключается в КУРС ЛЕКЦИЙ НА 1 И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 45
гом, 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 спе- циальными 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 му- зыкального ансамбля по частям, каждой группы на отдельной дорожке записи. Затем, при воспроизведении сигналы со всех дорожек совмеща- ются 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 двухдоро- жечной стереофонической фонограммы. Первые простейшие профессиональные многодорожечные магнито- фоны появились в начале 70-х годов. Это были аналоговые четырехдоро- жечные машины и предназначались они для работы на ленте 2 дюйма. Позже стали выпускаться, как уже упоминалось выше, восьми-, шест- надцати-, двадцати четырех- и даже сорока восьмидорожечные аппараты. Однако, упрощенная схема многодорожечного * магнитофона может быть пояснена на примере самого простого четырехдорожечного аппара- та (рис. 91). Магнитные головки многодорожечных аналоговых магнитофонов состоят как бы из многих головок, конструктивно объединенных и рас- положенных друг над другом (рис. 92). Головки, входящие в эту систему, выполняют соответственно функции записи, воспроизведения и стира- ния каждой из записанных программ по отдельности. Дорожки записи на широкой ленте располагаются так, чтобы между ними оставались до- статочной ширины промежутки чистой ленты, необходимые для того, чтобы исключить взаимное проникание сигналов из одного канала в другие. Для точного совпадения во времени звучания отдельных оркест- ровых партий, записываемых на различных дорожках, рабочие зазоры всех систем каждой из магнитных головок выполняются строго на одной вертикали друг над другом. Известны два способа многодорожечной записи: параллельный и пос- ледовательный. При параллельной записи все группы исполнителей запи- сываются одновременно, каждая на дорожку своего канала. Исполнители и микрофоны должны быть расположены в студии так, чтобы каждый микрофон, скоммутированный на вход одного из кана- 46 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Рис 91 Блок-схема многодорожечного магнитофона Рис 92 Блок магнитных головок 24-х дорожечного магнитофона. КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУ КО РЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 47
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 от- личие микшерного пульта, предназначенного для многоканальной за- писи от обычного. Во-первых, на выходе каждого канала такого пульта на запись должен быть установлен измеритель уровня. И во-вторых, схе- ма пульта, предназначенного для многодорожечной записи должна со- держать дополнителное смесительное устройство для возможности кон- трольного прослушивания всех каналов, подаваемых на запись на два контрольных громкоговорителя звукорежиссерской аппаратной, непос- редственно в процессе записи. Когда запись закончена, лента перематывается, магнитофон включа- ется на воспроизведение и осуществляется микширование (сведение) сиг- налов всех каналов. Суммарный сигнал записывается на магнитную ленту обычного монофонического или стереофонического магнитофона. Такой способ изготовления фонограмм дает возможность звукоре- жиссеру при микшировании и перезаписи регулировать уровень программ отдельных каналов, корректировать частотные характеристики, вводить в них, при необходимости, сигналы искусственной реверберации, а так- же применять различные другие эффекты. При этом все операции сведе- ния и монтажа производятся в отсутствие исполнителей, и звукорежис- сер в спокойной обстановке может более тщательно с помощью много- численных проб найти оптимальный режим микширования и обработки сигналов для достижения наилучщего музыкального баланса и наиболее интересных окрасок звучания. Трудность в достижении достаточно полного акустического разделе- ния звуковых сигналов от разных источников в студии, без которого во многом теряется смысл записи на многодорожечном магнитофоне, дела- ет более эффективным другой, последовательный способ многодорожеч- ной записи, очень широко применяемый при записи, развлекательной, танцевальной и, поп-музыки. При последовательной записи различные группы оркестра записыва- ются 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 48 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
по второму каналу записывается другая группа инструментов, напри- мер скрипок. При этом звукорежиссер подбирает для них оптимальный режим зву- копередачи, который в общем случае может и не совпадать с предыду- щим режимом ни по количеству микрофонов и их расположению, ни по характеристикам направленности. Чтобы звучание всех партий, записанных на разных дорожках магнит- ной ленты, совпало по времени и точно соблюдался ритмический рисунок произведения, дирижеру и исполнителям на установленный в студии гром- коговоритель на малом уровне громкости подаегся сигнал записанной ра- нее ритмической партии, который для них является своего рода синхрони- зирующей. 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 исполните- ли 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 универ- сальными, в случае, когда данные каналы не включены на запись, пере- ключаются в режим воспроизведения и коммутируются на усилители про- слушивания, установленные в канале синхронизации. (Естественно, эта осо- бенность конструкции актуальна только для аналогового магнитофона). Аналогично, под аккомпанемент уже записанных двух оркестро- вых партий, прослушиваемых в студии для задания ритма, записыва- ется на третью дорожку новая группа инструментов (например, духо- вых) и т. д. Распределение голосов оркестра по группам зависит прежде всего от характера и инструментовки произведения, а также от акус- тических характеристик студии. Поэтому вопрос решается звукорежис- сером по-разному для каждого конкретного случая. Дальнейшее мик- ширование и перезапись производятся так же, как и при способе па- раллельной записи. Применение последовательной, поочередной записи отдельных групп инструментов оркестра или отдельных исполнителей дает возможность использовать многочисленные'трюковые приемы, часто весьма эффект- ные, для некоторых произведений так называемой развлекательной му- зыки. Например, записав аккомпанемент на скорости 38,1 см/с, можно переключить магнитофон на скорость 19,05 см/с и партию фортепьяно КУРС ЛЕ кии И НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 49
записать на второй дорожке с этой пониженной скоростью.. Естествен- но, что синхронизирующий сигнал будет в студии прослушиваться ис- полнителем также вдвое медленнее и на октаву ниже нормального зву- чания. 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 ско- рость 38,1 см/с, в результате чего тональность записанной на второй дорожке партии фортепьяно транспонируется на октаву выше, и на фоне нормально записанного аккомпанемента зазвучит инструмент с высо- ким, несколько «стеклянным» тембром, резко отличным от нормаль- ного, свойственного фортепьяно тембра, но иногда придающим звуча- нию всей записи оригинальные и весьма эффектные краски. Разумеется, четыре дорожки записи ни в коей мере не могут удов- летворить звукорежиссера, если он сталкивается со сложными партиту- рами современной музыки ( такими, как например, некоторые сочине- ния А. Шнитке). Что уж и говорить о современных эстрадных ансамблях, аранжировка которых часто специально предназначена для утрировано рельефного тембрового разделения голосов и совершенно неестествен- ного для живого исполнения музыкальною баланса. Для предоставления звукорежиссеру максимальной свободы при об- работке звукового материала, профессиональные студии звукозаписи стали приобретать 8-, 16-, 24-дорожечные аналоговые магнитофоны фирм STUDER, TELEFUNKEN и некоторые другие. Для того периода разви- тия студийной техники эти аппараты полностью удовлетворяли техноло- гическим потребностям студий. Лучшие образцы из них были 24-доро- жечные, запись велась на ленте шириной 2” и, несмотря на то,что каж- дая из дорожек записи имела ширину меньше двух миллиметров, каче- ственные показатели записи (в том числе и шумы паузы) практически не отличались от самых качественных записей, сделанных на лучших студий- ных стереофонических магнитофонах. Сложность возникала лишь при сведении всех дорожек, на узкую ленту. Шумы всех дорожек при этом сум- мировались и в сведенной фонограмме их уровень становился неприем- лемым. Приходилось, как обязательную меру при многодорожечной за- писи использовать приобретаемые отдельно компандерные системы шу- моподавления типа Telcom или Dolby-SR. Таким образом, многодорожечная запись, если к ней предъявлять жеские требования ио техническому качеству звучания дело достаточно накладное. 50 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Правда, малые, полупрофессиональные студии уже в то время стали оснащаться более дешевыми многодорожечными магнитофонами, вы- полняющими необходимые технологические операции, но уступающие лучшим образцам подобной техники по техническим параметрам. На- пример, стал популярен вполне приличный 16-дорожечный магнитофон G-16 известной фирмы FOSTEX , рассчитанный на работу с 1/2 — дюй- мовой 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 маг- нитофоны существенно повысили качество записи, дали возможность широко внедрить электронный монтаж фонограмм, т. е. компановать от- дельные монтажные фрагменты в определённой последовательности, путём их перезаписи. Облегчились проблеммы с автоматизацией технологичес- кого процесса, стали широко использоваться для этого цифровые адрес- но — 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 вращающи- мися головками и наклонно строчной записью. Из многочисленных форматов для студийной, профессиональной циф- ровой 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 разнипа между этими форматами заключается лишь в деталях, а эксплуатационные характеристики у этих модификаций многодорожеч- ных 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- КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА
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 стандар- тный 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 специа- листам формат — DTRS ( Digital Таре Recording System). Его придержи- ваются фирмы Tascam и Sony. Магнитофоны формата DTRS рассчтаны на кассеты Video-8, с лентой шириной 8мм. Кстати, для магнитофонов формата DRTS фирма Quantegy выпускает и специально предназначен- ную для цифровой звукозаписи кассету под наименованием DA8, рас- считанную на 30, 60 и 113 минут длительности звучания. Некоторые фирмы при комплектации многодорожечных систем ис- пользуют модульный принцип. Они выпускают относительно недорогой базовый восьмидорожечный модуль. Потребитель сам решает, сколько ему нужно дорожек, и определяет, сколько потребуется модулей. Модули уста- навливаются один на другой — так набирается система. Все конструкти- вы ориентированы на системы с большим числом каналов — до 128. В настоящее время с цифровыми многодорожечными магнитофона- ми серьезно конкурируют многодорожечные устройства записи на жест- ких магнитных дисках и звуковые рабочие станции. Запись на дисковых носителях имеет преимущество по сравнению с записью на ленте, благо- даря 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 ап- паратуре разговор пойдет ниже. И все же несмотря на это есть звукоре- жиссеры, предпочитающие ленточные аппараты. 4.6. Цифровая звукозапись и обработка сигнала О применении в студиях звукозаписи цифровых магнитофонов упо- миналось уже в предыдущих лекциях. Теперь вопросы цифровой звуко- записи будут рассмотрены более подробно. Попытки использовать технику дискретных (импульсных) сигналов для обработки и передачи звука предпринимались многократно, но до 52 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
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, умень- шились 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. 4.6.1 Аналого-цифровое преобразование. Кодирование/пожалуй, — единственный способ передачи информа- ции, обеспечивающий возможность её 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 бес- конечно 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 информацион- ную среду человечества. Звукотехника здесь — не исключение. Все начинается с аналого-цифрового преобразования. Цель этой опе- рации в замене непрерывной и плавно меняющейся кривой (она может представлять уровни звукового давления акустической волны, напряже- нии на выходе усилителя звука: или намагниченности на ленте) на пос- ледовательность импульсов с постоянной тактовой частотой. В этой пос-, ледователыюсти отсутствие импульса или его отрицательный знак пе- редает «нет» (логический “0”), а присутствие или положительное значе- ние — «да» (логическую “1”). Среди методов цифрового представления звуковых сигналов наибо- лее распространена импульсно-кодовая модуляция — ИКМ (английкая аббревиатура РСМ). Процедура аналого-цифрового преобразования (АЦП) при ИКМ состоит из трех операций: дискретизации, квантования и ко- дирования. При этом, квантование и кодирование, как правило, осуще- ствляются одновременно общим функциональным блоком, но при ана- КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 53
лизе качественных показателей мето- да ИКМ удобно эти операции рассмат- ривать раздельно. Итак, для осуществления ИКМ, прежде всего, входной сигнал ограни- чивается по частоте и обрабатывается схемой “выборка-хранение” На этом этапе, через равные промежутки вре- мени, с частотой, которую называют частотой дискретизации отсчетов или выборок, — определяют действующие уровни аналогового сигнала. Таким об- разом, непрерывный аналоговый сиг- нал преобразуют в поток импульсов, следующих с частотой дискретизации. При этом величина отдельного им- toстом дискрепюмцци f~ 7 кГц Рис.93. Дискретизация звукового сигнала. пульса равна соответствующему значению отсчета аналогового сигнала, что поясняется рис 93. Далеко не очевидно, что аналоговый процесс, принципиально не- разрывный во времени и пространстве можно представить последова- тельностью импульсов. Эта проблема получила свое окончательное ре- шение 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, про- странстве 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 формулиро- вок теоремы Шеннона. Мы сошлемся еще на одну теорему, доказанную патриархом российской связи в 1926 г. В. Котельниковым из которой сле- дует, что ограниченный по полосе частот сигнал может быть представлен дискретным набором сигналов определенной формы. Все сказанное пока- зывает разные стороны одной многомерной медали. Его смысл в том, что все ограниченное или дискретно изначально или может быть представле- но, причем точно, в дискретном виде. Эти строгие математические сообра- жения и лежат в фундаменте цифровой техники. Частота дискретизации звукового сигнала выбирается на основании теоремы отсчетов Котельникова. Для неискаженной передачи непрерыв- ного сигнала, занимающего определенную полосу частот, необходимо, как 54 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
вытекает из этой теоремы, чтобы частота дискретизации была бы не ме- нее, 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 это 32 кГц — ее применяют в основном в системах связи и веща- ния, где наивысшая частота сигнала 15 кГц. В лазерных проигрывателях компакт дисков и на некоторых бытовых цифровых магнитофонах (впро- чем, иногда и профессиональных) наивысшая воспроизводимая частота может достигать 20 кГц, поэтому частота дискретизации должна превы- шать 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 пре- образуемого методом И КМ в цифровой вид звукового сигнала ограничена частотой дискретизации преобразователя. Дело в том, что спектр дискре- тизованного сигнала обладает периодической структурой. Кроме низкоча- стотной части, отображающий сам звуковой сигнал, он имеет ещё и высо- кочастотные компонента в виде боковых полос с центрами в точках крат- ных частоте дискретизации. ( Рис. 94). Если спектр звукового сигнала перед преобразованием не ограничить, то его высокочастотная часть может на- ложи гься на смежную боковую полосу. При этом в преобразованном сиг- нале возникнут неустранимые искажения, в виде паразитных высокочас- Рис.94. Спектр дискретизованного сигнала, а/ — без ФНЧ; б/ — с ФНЧ КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 55
тотных составляющих. Звучание будет безнадежно испорчено. Чтобы избежать этого яв- ления входе преобразователя устанавливается фильтр низ- ших частот (ФНЧ) с частотой среза равной половине часто- ты дискретизации — т. н. анти- элайсинг фильтр. Но характери- стика этого фильтра должна иметь очень крутой срез, что выполнить достаточно сложно. Из-за этого, а также, стре- мясь получить возможность расширил, полосу передавае- мого звукового сигнала, в со- временных преобразователях ИКМ часто используют повы- шенную частоту дискретиза- ции (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 квантова- ния, позволяющих с максимальной точностью и без потерь передать ин- формацию. Квантование проходит следующим образом. Весь динамический ин- тервал звукового сигнала разбивается на число разрешённых уровней (зон), пропорциональное 2п (где п — разрядность квантования). Каждой зоне присваивают (естественно по порядку) номер, выраженный в двоичных информационных единицах — битах. Уровень данного отсчета сравнива- ют с уровнями зон и присваивают ему номер той, в пределах которой он находится. Этот номер в дальнейшем и представляет собой величину конкрет- 56 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
ного отсчета (выборки) сигнала. Величина эта кодируется, т. е. выражается 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 преоб- разованиях. Международные соглашения, как по частотам дискретизации, так и по числу уровней квантования ориентируются на уровни, близкие к оп- тимальным и одновременно удобные с позиций реализации. Точность цифровой информации, в принципе, может быть сколь угодно высокой. Однако, практически, из-за ступенчатости процесса квантования, циф- ровым сигналам свойственно конечное разрешение, и преобразование «аналог-цифра» всегда сопровождается небольшими ошибками, вызыва- ющими специфические искажения сигнала, наиболее заметные на ма- лых уровнях. Эти искажения называются шумом квантования. Теорети- чески, при соблюдении определенных условий, цифровое преобразова- ние слышимых изменений в сигнал, включая специфические шумы, вно- сить не должно. В действительности, шумы квантования — основной фактор, определяющий шумы цифровой системы. Необходимая точность (разрешающая способность) системы выбирается из следующих сообра- жений: отношение сигнал/помеха должна быть по величине не хуже, чем в аналоговой записи при использовании систем шумоподавления (на- пример, Dolby SR или Telcom), т. е. не хуже 90 дБ. Практически, отношение сигнал/помеха в цифровой аппаратуре определяется только ошибкой квантования и равно: A=201g2n, где А — отношение сигнал/помеха, п — число бит. Это соотношение можно переписать так: А= n-20-lg2 = 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) п=^96/6= 16 бит. При этом, число зон квантования или разрешенных значений амп- литуды звукового сигнала составит 2П = 65536. Или, другими словами, каж- дая измеряемая амплитуда может быть представлена с точностью до 1/65536 от ее максимально возможной величины. И тем не менее, на са- КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 57
мых тихих местах исполнения, когда уровни сигнала малы, даже эти столь небольшие ошибки квантования воспринимаются тренированными слу- шателями 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 зави- сит от уровня преобразуемого аналогового сигнала. Если его амплитуда мала, то становятся слышимыми характерные искажения, обусловлен- ные появлением высших гармоник из-за зубчатой формы шума кванто- вания. Причём, на слух это воспринимается именно как искажения, а не как шум. Ослабить влияние таких искажении можно — как ни парадоксально это звучит — с помощью добавления другого шума. Если подмешать во входной сигнал так называемый “белый шум” ( шум, амплитуда которо- го практически постоянна в широком диапазоне частот ), то корреля- ция (связь) между шумами квантования и амплитудой сигнала наруша- ется. При этом воспроизведённый сигнал уже не будет выглядеть иска- жённым. Добавление такого шумоподобного маскирующего сигнала т. н. dither'a является весьма важной частью процесса преобразования. Выше мы не оговаривали специально, но подразумевалось, что разби- ение на зоны уровневого квантования равномерное. Однако существуют и другие весьма эффективные способы квантования сигналов, с исполь- зованием принципа компандирования, при котором ступени (ширина Рис. 96. Уровневое квантование: а — линейное; б — нелинейное. 58 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
зоны) квантования умень- шаются с уменьшением уровня сигнала и, за счет этого, увеличивается дина- мический диапазон отобра- жаемых сигналов (рис. 96). В принципе равномер- ное квантование относи- тельно легко поддается опи- санию и нормированию. А вот техника компандирова- ния (компрессия с последу- ющим экспандированием) требует точного определения и сопряжения нелинейности характерис- тик этих двух операций. Форма этих характеристик поясняется рис. 97. Мнения специалистов относительно возможной формы разделились. В настоящее время для АЦП стандартизовано только равномерное (ли- нейное) квантование. Число уровней квантования или разрядов кодово- го слова достаточно важны. Цифровая техника звукозаписи стартовала, опираясь на 16 разрядов, но выяснилось, что этого мало. Теперь рабо- тают системы, в которых применяется квантование на 20, 24, а в неко- торых случаях, и на 32 уровня. Не от хорошей жизни идег процесс нара- щивания числа уровней квантования. Этого требуют условия идентич- ности звука при прямом прослушивании и воспроизведении после циф- рового кодирования — декодирования. Однако за этим стоит малопри- ятный фактор наращивания потока информации. Например, при диск- ретизации с частотой в 48 кГц и 16-битового уровневого кодирования, полный поток цифрового звука составит 48000-16 = 768 кб/с. При переда- че 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 потребуегся один период несущей волны, то необходи- мая для передачи полоса частот в МГц по числовому выражению совпа- дет с потоком информации в Мб/с. Правда, современная техника позво- ляет 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 по- лосы частот. Это плата за удовольствие оцифровки звука, с которой надо и приходится считаться. КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 59
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 последователь- ность кодовых посылок завершен. Поток преобразованного, таким обра- зом, звука представляет собой череду импульсов, в которой пропуск оз- начает «нет», наличие «да». Группа импульсов этого потока, несущая информацию об одном уровне звукового сигнала или об уровне его от- счета, составляет кодовое слово. Длина кодового слова п — это просто число импульсов в группе, несушей информацию об уровне сигнала в точке конкретного отсчета. В последнее время все более широкое распространение получают методы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразовния на ос- нове использования сигма-дельта модуляции, когда квантование осуще- ствляется 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 направле- ние их изменений. Если амплитуда возрастает, то на выходе преобразо- вателя будет “1”, а если уменьшается — то “0”. Нулевой уровень кодиру- ется чередующимися “нулями” и “единицами”. Основная идея такого метода состоит в том, что спектр шума кванто- вания, возникающего в процессе квантования с малым разрешением пре- образуется 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 резуль- тате последовательности отсчётов необходимой разрядности. 4.6.2 Цифровое кодирование. Надо помнить, что в любом случае, после аналого-цифрового преоб- разования цифровой сигнал в устройстве, называемом кодером, подвер- гается специальной кодировке с целью его упорядочения в слова и пред- ложения строго определенной длины, дополняется служебными симво- лами, 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- 60 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
сов создает проблему формирования сигналов границ. Конечно цифро- вая 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. “фла- гом” — служебной комбинацией, состоящей из группы символов, слу- чайно повторить которую практически невозможно или, точнее, ее край- не 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 дли- тельностью 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 милли- секунда, принятая для цифрового радиовещания и цифрового звукового сопровождения в телевидении. Помимо флага и кодовых комбинаций звуковых отсчетов цифровое предложение содержит ряд служебных сим- волов. Все это проделывается, как это уже было сказано в кодерах, роль которых в цифровой технике чрезвычайно велика. Цифровое сжатие информации, уплотнение, компрессия -это раз- личные термины, определяющие одно и тоже. Конечная цель компрес- сии — вычеркивание всей избыточной информации. Теоретики предпо- читают утверждать, что звуковой сигнал — случайный процесс. Однако практически всегда последующие уровни сигнала связаны с его предше- ствующими значениями. Такие сигналы называют коррелированными, а временной интервал, в котором можно проследить эти связи, называют временем корреляции. Корреляционные связи могут быть достаточно длительны. Определив характер корреляции, можно с определенной точ- ностью 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 передавае- мому 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 КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 61
предшествующей и последующей посылками. Этот процесс можно рас- пространить на скорость изменения информации, ускорение и т. п. На- сколько глубоко можно проникнуть в высокие моменты сигнала и эф- фективно сжать его зависит от объема используемой оперативной памя- ти. Мы еще вернемся к роли памяти в цифровой обработке и, в частности, сжатия информации, но уже сейчас надо подчеркнуть, что это — решаю- щий фактор. В цифровых звуковых каналах вещания, записи часто прибегают к сжатию по динамическому диапазону — подобие аналоговой компрес- сии. Такая компрессия производится простым вычеркиванием части би- тов кодовых слов, которые считаются несущественными. Они, в принци- пе, восстанавливаются па приемном конце. Вся игра строится на различ- ном «удельном весе» битов разных разрядов. Так, ошибки в битах млад- ших разрядов, несущих информацию о малых уровнях звукового сигна- ла, менее заметны, чем ошибки в битах с информацией о громких зву- ках. Можно привести такой пример. Бит самого младшего разряда влия- ет на конечный результат не более, чем одна часть из 65000 нечетных символов (при 16-уровнсвом квантовании). Если можно говорить о за- метности 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 би- тов, но начальный всегда пропускается, поскольку несет знаковую ин- формацию. Следующий, если он совпадает со старшим, вычеркивается. То же делается и далее — вычеркиваются все последующие одинаковые значения. Ситуация, когда до 5 старших битов кодового слова одинако- вы достаточно часто встречается, поэтому уже этот примитивный про- цесс достаточно эффективен. Процесс вычеркивания может быть про- должен. 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 одноли- ких импульсов может быть подвергнут поражению в любом месте. Выпа- дения сигналов в звукозаписи из-за дефектов носителя вещь весьма час- тая. В аналоговых системах с этим надо считаться, но и только! В цифро- вых системах можно активно противостоять ошибкам. Защита от оши- бок это специфика цифровых систем и сводится она к введению в циф- ровой поток специальных символов защиты. Самая простая система — 62 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
проверка кодового слова на четность. Есть более сложные системы защи- ты, связанные с введением специальных символов. Их положение в кодо- вом предложении, связанность со значением соседних элементов, явля- ются весомой информацией о достоверности предложения. Если посылка признана ошибочной, кодовое слово или предложение заменяют.пред- шествующим или проводят интерполяцию по нескольким соседним эле- ментам. 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 ка- налы передачи вносят определенные искажения. Ошибки — зло неиз- бежное, 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 случай- ное 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 сиг- нала близким к равномерному. Другая позволяет разнести биты конкрет- ного 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 пре- вращает эту довольно неприятную ошибку в набор хаотически разбро- санных 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 переда- ется в одном цифровом потоке поблочно. В преамбулу, а также в кодо- вые слова информационного блока, могут вводиться символы обнаруже- ния и защиты от ошибок. Наиболее простой способ обнаружения ошиб- ки связан с проверкой на четность определенной группы кодовых сим- волов. Применяются и более изощренные методы. Самая простая модель действий после обнаружения ошибки — замена пораженного участка КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 63
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 пред- сказание. После преамбулы идут кодовые слова информационного блока. Пос- ле канального кодирования, перемежения и других операций, в том чис- ле 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 преобразова- телями (ЦАП). На выходе ЦАП получается ступенчатый аналоговый сигнал, вели- чина 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 по- зволяют 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, свидетель- ствующие о полезности цифровых технологий, несмотря на их расточи- тельность по полосам частот, энергопотреблению и другим факторам. Впро- чем, совершенствование технологии цифровых микросхем практически уже сняло обвинение цифровой техники в излишествах по энергопотреблению и ряду других технико-экономических факторов. 64 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Для любого аналогового сигнала помехи и искажения — беда. Циф- ровой сигнал — это последовательность импульсов. Их формируют изна- чально 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 для системы важно принять простое решение: наличествует импульс или отсутствует. Болес того, приняв ре- шение, что импульс поступил, любая цифровая система немедленно ре- генерирует или, попросту, восстанавливает этот импульс в его первона- чальной форме. Унификация формы и упорядоченность передачи инфор- мации — важные преимущества цифровых систем. За этим уже говорилось, скрывается возможность обнаружения ошибок и восстановления поте- рянной информации. Аналоговые системы чрезвычайно консервативны и в качестве глав- ного 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 по- сылки. 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 усили- телям мощности. Не случаен последний взрыв интереса к ламповой ап- паратуре 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 про- блему соогношения 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 эф- фективного возврата. 4.6.3. Цифровая магнитная запись на ленточные носители При переходе от традиционной аналоговой звукотехники к цифрово- му способу передачи сообщений и к записи звукового сигнала в цифро- вой форме требуются, естественно, совершенно новые подходы к разра- ботке аппаратуры. Существуют цифровые магнитофоны разных конст- KYPC ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 65
Рис.98. Структурная схема цифрового магнитофона. рукций: с продольной многодорожечной записью с неподвижными го- ловками, а также с наклонно-строчной записью, осуществляемой враща- ющимися 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 повыше- ния помехоустойчивости, о чем говорилось выше. Затем выполняется канальное кодирование. Цель канального кодирования — приспособле- 66 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
ние информационного потока к конкретному каналу. С помощью каналь- ного кодирования, если это надо, информацию распараллеливают, раз- водя 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 под- вергается канальному декодированию. Процесс восстановления цифро- вых с и гналов сопровождается обнаружением ошибок и их корректировки. Известны два основных фактора, которые затрудняют решение про- блемы записи и воспроизведения цифровых сигналов — это выпадения сигнала (Drop outs) и колебания скорости магнитной ленты (детонация). При записи цифровых сигналов, которую отличает очень высокая плот- ность (достигающей 1000 бит/мм), выпадения сказываются куда заметнее, чем при аналоговой записи. Действительно, для записи одного бита требу- ется отрезок ленты около 1 микрона. Поэтому даже микроскопические дефекты рабочей поверхности маг- нитных 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 учас- тков с осыпавшимся порошком, нарастает, что делает заботу о борьбе с выпадениями все более актуальными. Упомянутое выше добавление избыточной информации и прове- рочных слов, с помо- щью которых ошибки обнаруживаются, и под- вергаются коррекции, частично решает про- блему. Однако такие по- тери, как выпадения, практически полностью не устранимы, но их влияние можно суще- ственно снизить, ис- пользуя цифровые мето- ды. В случаях, когда кор- KYPC ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 67
рекция невозможна, ошибки подавляются (маскируются), путем интер- поляции отсчетов. Один из возможных процессов интерполяции поясняет- ся рис. 99. В цифровой магнитной записи, кроме того, используются специаль- ные схемы — корректоры временных искажений (их еще называют кор- ректорами временного масштаба). Основа корректора — блок оператив- ной памяти или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Хотелось бы сказать несколько слов об этом устройстве, хотя читате- ли вероятно давно наслышаны о нем. В цифровой технике есть два устройства, роль которых надо при- знать 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 дан- ный 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 вы- полняет функцию управляемой линии задержки. Объем ОЗУ достаточно велик, чтобы хранить звуковой сигнал в несколько миллисекунд и даже десятков миллисекунд. При обнаружении групповой ошибки, не подда- ющейся исправлению с помощью проверочных кодов, начинается про- цесс сравнения информационного блока пораженного участка с предше- ствующими и последующими блоками. На основании этого сравнения принимается решение о характере текущих изменений сигнала и вероят- ных значениях кодовых слов испорченной посылки. На основе этих дан- ных 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 доста- точно сложны и требуют применения самой совершенной электрони- ки. В настоящее время наибольшее распространение в студиях звукоза- писи получили кассетные цифровые магнитофоны в формате DAT (от английского digital audio tape). Запись в них производится вращающимися головками на ленте ши- риной 3,81мм в кассете размером 73 х 54 х 10,5 мм. Записывающие и вос- производящие головки расположены на диске, вращающимся с боль- 68 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Направлены ленты 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 цилинд- рической 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. Гак как вращение диска, на котором установлены головки, противоположно по направлению движению ленты, относитель- ная скорость записи весьма велика. Это делает возможным записать час- тоты, лежащие в диапазоне совершенно недоступном для записи на обыч- ных для аналоговых аудиомагнитофонов скоростях движения ленты. Рас- положение 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 ана- логового магнитофона в допустимых пределах приходится проводить его периодическую профилактику, регулировку и подстройку. А вот качествен- ные 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 упомянугым выше. Речь идет КУРС ЛЕ кии й НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 69
о накоплении помех и искажений при перезаписи. Практически каждая пе- резапись ухудшает характеристики аналоговой фонограммы примерно на 3 дБ. Этот недостаток в цифровой записи исключен почти полностью, от чис- ла последовательно сделанных копий качество звучания практически не зависит и сохраняется тем же, каким оно было в оригинале. Улучшение качества звучания фонограмм — безусловно является ос- новной целью создания цифровых магнитофонов. Износ магнитной ленты и возникающие в процессе воспроизведе- ния неравномерности ее контакта с головками сказываются и на ана- логовых и на цифровых магнитофонах. Однако, в цифровой записи име- ются 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 стано- вится 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 искаже- ния, что не заметить их невозможно. Именно из-за этого, звукорежиссе- ры на практике, при цифровых записях, вынуждены более тщательно кон- тролировать и поддерживать уровень записи с большей точностью, пре- дусматривая 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 автома- тическую процедуру. В цифровых магнитофонах очень мало узлов, кото- рые требуют периодической регулировки. Вообще говоря, при нормаль- ной эксплуатации магнитофона она может не потребоваться вовсе. До сегодняшнего дня, к сожалению, единый стандарт на параметры стыков аппаратов разных производителей цифровой аппаратуры не со- гласован и в конструкциях магнитофонов разных фирм, предусматрива- ются разъемы для подключения внешних устройств с помощью интер- фейсов, разных форматов: AES/EBU, SDIF, SPDIF и др. Это крайне неудоб- но, но с этим приходится считаться. Выше мы не говорили о требованиях к магнитной ленте для цифровой 70 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
записи звука. Они существенно отличны от тех, что известны по аналого- вой записи. Самое главное в том, что в цифровой записи не требуется, а даже просто не желательно, подобие. Нужны материалы, петля гистерези- са 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 пере- ходной группы и их сплавы. Именно, в частности и из-за этого, появились металлизированные магнитные ленты. Металлизация осуществляется не- сколькими способами. Это может быть осаждение металла на основу в специальных ваннах с использованием химических процессов. Разработан и широко используется в производстве лент процесс вакуумного напыле- ния. И, наконец, применяется металлопорошковая лента, по своим рабо- чим характеристикам близкая к ленте, используемой в форматах видеоза- писи 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 антикоррозий- ных свойств. Сложность состоит в том, что частицы металла менее мик- ронного размера, обладают высочайшей химической активностью и необ- ходимо 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. 4.6.4. 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 ус- тройствах для того, чтобы перейти от одного участка данных к другому,1 нужно перемотать все данные, лежащие между этими участками. Клас- сический пример — лента на магнитофоне. Второй класс — устройства с произвольным доступом к данным. На английсий язык это переводится — Random Access Media. Их ещё назы- вают Non-Linear Access Media (носители с нелинейным доступом к дан- ным). В этих носителях доступ к любому другому участку данных выпол- няется за счёт перепозицианирования читающего элемента по кратчай- шему пути. Классическим примером устройства произвольного доступа КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 71
го доступа можно считать грампластинку. Ещё совсем недавно вся технологическая цепочка звукозаписи и зву- кового вещания была основана целиком на использовании в качестве носителя записи магнитной ленты 6,3 мм. Появившиеся в последние годы станции цифрового монтажа и обра- ботки звука, и цифровые вещательные станции, являясь яркими пред- ставителями компьютерной технологии, подорвали монополизм тради- ционных технологических методов звукозаписи, подготовки материала для вещания и собственно процесса вещания. С момента внедрения ком- пьютерной техники в звуковое производство, на смену ленточных носи- телей пришли — носители дисковые , т. н. носители с произвольным дос- тупом к данным. Диски, используемые в звуковой индустрии, можно разбить на три группы: магнитные, оптические и магнито-оптические. По сравнению с лентой, дисковые носители предоставляют пользо- вателю ряд полезных возможностей. Как уже было сказано, ленточный носитель — это последовательно организованная память, в которой нужный фрагмент можно найти, пе- ремотав 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 (бло- ков). 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, перемещаю- щейся в радиальном направлении над поверхностью вращающегося дис- ка 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 пой- дет ниже). Компьютеризация систем обработки видео и звука во многом связана с возможностями нелинейных систем, в основе которых лежит дисковая память. 4.6.5. Жесткие магнитные диски Это основные устройства памяти современных компьютеров. Важ- ную роль они играют в цифовых рабочих звуковых станциях, а в последнее 72 МЕЕРЗОН Б. Я- АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
время на их базе конструируют компактные аппараты специально для записи и монтажа звука. Жёский диск — это круглая металлическая плас- тина из немагнитного материала (аллюминия), с магнитным покрытием. Ее диаметр — 3,5 дюйма. Миниатюрные магнитные головки стирания, за- писи и считывания размещены на каретке, перемещающей их в радиаль- ном 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 прецизи- онная 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 ещё одно, сохранившееся со времен первого жёского диска название — винчестер. В основном, эго внутренние устройства цифровых систем. Но часто исполь- зуются и как внешние, когда требуется существенно расширить память. Сами дисковые модули конструируются так, чтобы можно было простым наращиванием увеличивать объем памяти. Сейчас, особенно с подключе- нием внешних блоков, общий объем памяти может достигать гигабайт, десятков и соген гигабайт, терабайт. Если это соизмерять с объёмами про- граммного времени, то речь идет о часах и даже сутках накопленных зву- ковых программ. (Для справки: I гигабайт это три часа монозвука). 4.6.6. Оптическая система звукозаписи Фотографическая запись, о которой мы уже упоминали, когда'шла речь об аналоговой записи, строго говоря, — один из возможных вариан- тов оптической записи сигналограмм, выделяющаяся только специфи- ческими особенностями носителя. Но с появлениям лазеров многие осо- бенности 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 плот- ности — только начало. Это не экскурс в будущее. Уже разработаны и стандартизованы двухслойные оптические диски, предчожены и вот-вот будут реализованы многослойные — к примеру на 10 слоев. Ведутся се- KYPC ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 73
рьезные эксперименты по голографической записи, где 100 слоев — только начальная перспектива. Таким образом, оптическая запись информации, в потенции, сулит накопление колоссальных информационных масси- вов, 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 тради- ционной аналоговой грамзаписью, становятся заметным множество их преимуществ. При стандартизованных для CD параметрах аналого-циф- рового преобра-зования звукового сигнала (44,1 кГц — частота дискре- тизации 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, вытес- няя 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 Сдерживаю- щим 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 воспроизве- дения цифровых компакт-дисков, благодаря использованию в них кодов управления и отображения информации, а также малому времени досту- па к заданному фрагменту фонограммы, стали, если и дополнительны- ми, но весьма весомыми аргументами профессионального применения лазерных дисков в звуковых студиях — фондовых записей, радиовеща- ния 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 «вы- нужденное излучение света с усилением». Что такое лазер, понять трудно, 74 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
даже имея специальную подготовку. Но есть хорошая аналогия, позволя- ющая специалистам по звуку представить, что может скрываться «за вы- нужденным 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 подобно- го коллектива! Естественное световое излучение нагретых тел, — резуль- тат столь же несогласованной деятельности недисциплинированных ис- точников. 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 вблны. Причём, это источник направленного излуче- ния или, по оптической терминологии, точечный. Теория показывает, что излучение монохромного точечного источника можно сфокуси- ровать в пятно, размер которого близок к дифракционному пределу — диаметр в половину длины волны, а это в оптическом диапазоне замет- но менее микрона. Отсюда и следуют уже упомянутые огромные плотности записи. Воз- можность фокусировки лазерного излучения имеет еще одно следствие, на которое мы в дальнейшем будем ссылаться. Мощность сфокусирован- ного излучения лазера возрастает пропорционально отношению площа- дей зоны излучения и сфокусированного пятна. Поэтому не стоит удив- ляться температурам в миллионы градусов в фокальном пятне даже мил- ливаттных лазеров. Оптическая запись начинается (при записи) и завершается (при вос- произведении) с помощью луча миниатюрного полупроводникового ла- зера (поэтому компакт-диски часто называют «лазерными» пластинка- ми). 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 специаль- ные методы цифрового кодирования, которые позволяют минимизиро- вать ухудшения сигнала в случае повреждения носителя. Упрошенная схема оптической системы записи представлена на рис. 101. КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 75
Рис. 101. Оптическая запись на компакт-диск: 1 — лазер; 2 — источник цифрового звукового сигнала; 3 — модулятор света; 4 -устрой- ство сопряжения; 5 — привод оптической системы (линзы); 6 — зеркало; 7 — подвиж- ная линза; 8 — диск с рабочим слоем; 9 — привод диска; 10 — система автоматической регулировки Луч лазера фокусируется с помощью специальной подвижной опти- ческой системы в малое пятно на поверхности вращающегося диска. При кажущейся малой мощности излучения (порядка милливатт), сфокуси- рованный луч в состоянии испарить легкоплавкий материал поверхнос- ти диска примерно за стотысячную долю секунды. Модулятор света пре- образует непрерывное излучение в передаваемый с большой скоростью поток импульсов. На рисунке модулятор показан как внешнее по отно- шению к лазеру устройство. Строго говоря, в аппаратуре записи на ком- пакт-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 оваль- ной формы шириной 0,6 мкм и глубиной около 0,1 мкм. Для сравнения заметим, что диаметр человеческого волоса примерно 50 мкм. Эти углуб- ления называют питами. Условно пит в цифровом коде соответствует логической единице, его отсутствие — нулю. Питы расположены по спи- 76 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
рали подобно звуковой дорожке на обычной грампластинке. Одна- ко эта спираль начинается от внутреннего круга диска и раскру- чивается к краю, шаг между дву- мя соседними дорожками около 1,6 мкм. В целом на компакт-дис- ке умещается 41250 дорожек. Считывание информации с компакт-диска также производит- ся с помощью лазера. Но мощ- ность лазера, необходимая при считывании, может в быть в сот- ни раз ниже используемой при записи (нет необходимости испа- рять материал!) Считывающий лазер проигры- вателя компакт-дисков освещает фонограмму снизу (рис. 102) и его Рис. 102. Упрощенная схема считы- вания информации с компакт-дис- луч отражается от нетронутой поверхности диска и рассеивается на уг- лублениях (питах). Отраженный луч направляется на фотодиод, который воспринимает сигнал. В те моменты, когда луч рассеивается питом, сиг- нал пропадает. Полученная таким образом двоичная информация, сни- маемая с выхода фотодиода, соответствующим образом обрабатывается и преобразуется в звуковой сигнал. На поверхность компакт-диска нано- сится прозрачный слой, защищающий записанную информацию от воз- можных повреждений. Между считывающим устройством и диском нет механического контакта — в этом важное преимущество оптических дис- ков, 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 вертикальных биений может меняться. Перемещения линзы необходимы, чтобы в любых условиях поддерживать точную фокусировку луча. Этими перемещениями управ- ляет специальная система автофокусировки. Микронные размеры сфо- кусированного луча лазера и ширины дорожки ставят еще одну непрос- KYPC ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 77
тую 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 явля- ются сигналом ошибки для системы слежения. В процессах записи, считывания или поиска требуемого фрагмента фонограмм оптическая головка перемещается в радиальном направле- нии. Это обеспечивается серводвигателем. Положение внутренней до- рожки, с которой начинается запись, отыскивается автоматически. При радиальном перемещении считывающего устройства ведется счет прой- денных дорожек; при этом считывающее устройство можно быстро уста- новить 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 необходи- мо учитывать. Чтобы сохранить постоянной линейную скорость переме- щения светового пятна вдоль дорожки или, что тоже самое, продольную плотность записи надо менять частоту вращения диска, снижая ее при- мерно с 500 об/мин на внутренней дорожке до 200 об/мин на внешней. Частота вращения определяется специальной схемой управления по так- товым импульсам, появляющимся при пересечении следящим световым пятном форматирующего профиля. По этим импульсам определяется номер дорожки, с которой ведется считывание. Следующая проблема — запись и воспроизведение стереофоничес- кой 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 ин- формацию, 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 считыва- ния информации и к заметным искажениям воспроизведения. Поэтому для защиты от ошибок при записи компакт-дисков используется специ- альное корректирующее кодирование, дающее возможность обнаруживать и исправлять ошибки кода непосредственно в процессе воспроизведения. Даже крупные ошибки, вызванные, например, царапинами, повредивши- 78 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
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 тех- нологии любой компакт-диск представляет собой массив информации, который можно читать, но нельзя записывать. На компьюгерном языке это обозначается сокращением ROM ( read only memory ) — память толь- ко для чтения. Поэтому для компьютера любой компакт-диск ( в том числе и звуковой) представляет собой CD-ROM, то есть память для чте- ния (но не для записи). Здесь мы видим один из примеров того, как звуко- вая технология пришла в компьютерную, а не наоборот. Информация на оптическом компакт-диске может быть представле- на в различных форматах (CD-DA, CD-ROM, CD-I). Для домашнего проигрывания, да и для радиовещания чаще всего исполь-зуются компакт-диски в формате CD-DA. Английское сокраще- ние 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-пер- вых, он может работать, как обычный CD-плейер, то есть проигрывать звуковой компакт-диск. Для этого на корпусе у привода имеется анало- говый сгерсовыход 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 иног- да даже и 52-х кратную скорость вращения диска, что позволяег считы- вать данные во много раз быстрее. Например, для копирования звукового компакт-диска, со стандарт- ным звучанием 74 минуты, на жесткий магнитный диск тратят обычно около 5 минут времени. КУРС АС кии й НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 79
При чтении ( но, не проигрывании) звукового компакт-диска с ис- пользованием CD-ROM привода, цифровой звук подаётся на т. н. звуковую карту компьютера, где, после цифро-аналогового преобразования посту- пает 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. Производственный процесс изготовления партии компакт-дисков для потребителей доста- точно сложен, требует специального оборудования и производится в за- водских условиях. Записываемые компакт-диски (CD-R) Однако, наряду с промышленным способом массового изготовле- ния компакт-дисков тиражированием, в настоящее время применяется и аппаратура одноразовой оптической записи на цифровую пластинку. Эта аппаратура, получившая название CD-Recordable (CDR) т. е. рекор- дер компакт-дисков использует для записи специальные записываемые диски CD-R (буква “R” в этом случае означает Recordable — записыва- емый), которые имеют внешний вид как и обычные компакт-диски, но отличаются тем, что имеют покрытие из специального легкоплавкого ма- териала. Если на этот слой направить луч мощного лазера, го на нём выжи- гаются углубления идентичные тем питам, что нанесены на поверхности обычного компакт-диска. Метод записи основан на испарении материала и необратим в принципе. Потом, с помощью того же лазера, но на понижен- ной мощности, записанная информация может быть считана. У пользователя появляется возможность выпускать штучные или мел- косерийные звуковые диски. Именно на компакт-дисках собираются музыкальные библиотеки, что довольно популярно в мире. Системы CDR сегодня, незаменимы, когда речь идет о формирова- нии архивов звуковых материалов: ведь в один компакт-диск вмещается до 80 минут записи, доступ к воспроизведению любого фрагмента прак- тически мгновенный, а срок хранения фонограмм, 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 использо- ваны для заставок телевидения и радиовещания, в рекламных роликах. Современные рекордеры имеют небольшие размеры (как CD-ROM 80 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
привод), доступны по цене и, следовательно, получают все большее рас- пространение. 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 за- тем быть воспроизведены на любом CD-плейере. В некоторых случаях, прибегают к записям звуковой информации на дисках в форматах CD-ROM в виде компьютерных файлов. Правда вос- произвести такие записи можно только с компьютера. Широко распрос- траненный в радиостудиях CD-плейер в этом случае бесполезен. Но, например, для создания профессиональных архивов аудиомате- риалов, Европейский радиовещательный Союз (EBU) стандартизовал специальный формат хранения аудиоматериалов — “BWF”, на базе ком- пьютерных WAVE — файлов, имеющих преимущества по удобству хра- нения архива в специальных, имеющих большую память серверах, а так- же обладающих дополнительной защитой информации от возможных потерь, в процессе самого хранения. А любители записей, не предъявляющие слишком жестких требова- ний к качеству звучания, часто для создания домашних фонотек, а также для обмена звукозаписями по Интернету, используют компьютерный формат MP3 — сокращение от MPEG ЬауегЗ, в котором, благодаря сжа- тию (компрессии) данных, в обычного размера (120 мм) компакт-диск можно уместить десятки часов музыки. Принцип сжатия данных основывается на т.н. адаптивном кодирова- нии, позволяющим экономить место на диске за счёт простого вычёрки- вания из цифрового потока части наименее значимых, с точки зрения восприятия человеком деталей звучания. Так, например, учитываются такие особенности человеческого слуха , как эффект маскирования сла- бого сигнала одного диапазона частот более мощным сигналом соседне- го диапазона, или воздействие предыдущего мощного сигнала, вызываю^ щего временное понижение чувствительности уха к сигналу текущему. Принимается во внимание также неспособность большинства людей раз- личат сигналы, лежащие по мощности ниже определённого уровня, при- чём разного для разных частотных диапазонов. Степень сжатия, и, соответственно объём дополнительного кванто- вания по установленной схеме, позволяющий минимизировать потери качества, определяются не форматом, а самим пользователем в момент задания параметров кодирования. КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 81
Известно, что на проведённых тестах специально приглашенные опыт- ные 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 мне- нию специалистов, сжатый таким образом сигнал последующей обра- ботке в цифровых процессорах (эквалайзерах, подавителях шумов и дру- гих подобных устройствах.) не поддаётся. Перезаписываемые компакт-диски ( CD-RW ) Оптические диски с возможностью стирания информации и много- кратной 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 не 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). Пере- ход между этими состояниями возможен при нагревании до определен- ной 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 про- цесс стирания, который состоит в определённом температурном воздей- ствии на поверхность с помощью лазера. В результате поверхность пере- ходит в кристаллическое состояние. После этого происходит процесс за- писи, который также выполняется с помощью лазера, в результате чего определённые участки поверхности переходят в аморфное состояние, кодируя тем самым записываемую информацию. Считывание выполня- ется 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. 82 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Диски DVD. Диски DVD это ближайшие родственники и наследники общеизвес- тных компакт-дисков CD. Они имеют такие же размеры, строение, как и CD, в принципе так же записываются, изготавливаются и воспроизво- дятся. Основное различие между ними состоит в том, что посредством DVD можно записать значительно больше информации и воспроизво- дить её с существенно более высокой скоросгью. DVD представляет собой сокращение от Digital Versatile Disk, что в переводе с английского означает цифровой многопрофильный (многофун- кциональный) диск. По-русски это сокращение произносится “ди-ви-ди”. Многопрофильными диски называют потому, что они могут быть использованы в различных сферах применения — быть носителями вы- сококачественной записи кинофильмов со стереофоническим многока- нальным 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 небыва- лыми до настоящего времени характеристиками звукопередачи, содер- жать компьютерные программы, базы и библиотеки данных, а также раз- личные 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 слу- чаях могут воспроизводиться на одном и том же плейере (проигрывате- ле). 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 запи- сью кинофильмов, а их наименование неточно трактуют как Digital Video Disk — цифровой видеодиск. Все перечисленные DVD — это нестираемые носители с уже имею- щейся 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 запи- сью, полученной на предприятии-изготовителе, в семейство DVD входят записываемые диски DVD-R и многократно перезаписываемые -DVD- RW. 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. КУРС ЛЕШИЙ НА 1 И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 83
Несколько слов надо сказать об особенностях технологии изготовле- ния дисков DVD Первым и основным требованием при разработке этого вида носите- лей 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 инфор- мационной поверхности. Эта задача была решена с помощью полупро- водникового 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 до- рожке. 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 ёмкости обычных компакт- дисков. Но и это ещё не всё! Для дальнейшего увеличения дисковой ёмкости Были разработаны двухслойные и двусторонние DVD. Элементарным способом удвоения ёмкости диска является исполь- зование 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 разработа- на также технология увеличения информационной ёмкости одной сторо- ны диска, путём нанесения на его поверхность двух рабочих слоёв одно- го над другим. При этом нижний, т. е. первый по ходу луча лазера информа- ционный слой делается полупрозрачным, чтобы лазерный луч мог, прой- дя 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 суперхра- нилище информации с ёмкостью в 17 ГБ! Но тем не менее, хоть информационная ёмкость дисков DVD, велика, цифровое видео, если его предварительно не обработать, настолько объё- мисто, что полнометражный фильм, преобразованный в цифровой вид, займёт 40 DVD дисков , каждый ёмкостью по 4,7 ГБ. Задача решается ме- тодом цифровой компрессии (сжатия) сигнала. Дело в том, что изображе- ние 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. 84 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Почти 97% цифровых данных, которыми представляется видеоизоб- ражение, можно удалить без заметного ухудшения качества изображения. Для обеспечения высокого качества изображения , при размещении ви- деофильма на однослойном DVD ёмкостью 4,7 ГБ используется кодиро- вание 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 ви- деоизображение, но и звук исключительно высокого качества. В частно- сти, для озвучивания кинофильмов, в DVD используется т. н. Surround Sound — многоканальный стереофонический звук с особой обработкой передаваемых сигналов и особым расположением канальных громкого- ворителей. Этот способ звукопередачи характеризуется подчёркнуто силь- ным стерофоническим эффектом. Surround-Sound (Серроунд-звук) можно перевести с английского, как “окружающий”, “обволакивающий” слу- шателя 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 несколь- ко других многоканальных сэрроунд-систем: MPEG-2-Audio, DTS (Digital Theatre Sistem) и др. Кстати, в системе Dolby ProLogic обрабатываются как аналоговые, зак и цифровые сигналы. Она способна преобразовывать двухканальный ана- логовый стереофонический звук, воспроизводимый, например, видеомаг- нитофоном формата VHS, в многоканальный сэрроунд-звук. Сердцем си- стемы является ProLogic-декодер, в котором создаются необходимые для преобразования фазовые сдвиги между звуками отдельных каналов и из- менения уровня различных участков звукового спектра. С другой сторо- ны, система Dolby ProLogic (АС-3 Downmix) может многоканальный циф- ровой сигнал преобразовать в двухканальный для воспроизведения через обычную пару стереофонических громкоговорителей. Из всех перечисленных звуковых форматов в дисках DVD использу- ются, 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 КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 85
Рис. 103. Расположение громкоговорителей в цифровой 5.1-канальной системе сэрроунд — звука. системами 5.1, имея в виду, установку для воспроизведения пяти основ- ных и одного дополнительного громкоговорителя. На рис. 103 показано расположение громкоговорителей, применяемое в 5.1-канальных систе- мах Dolby АС-3 и MPEG-2-Audio. Громкоговорители L,C,R, LS и RS называются соответственно пере- дним 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, воспроиз- водит специально выделенные низкочастотные сигналы (“басы”) в диа- пазоне 16—80 Гц, создавая по ходу фильма естественное ощущение , на- пример, раскатов грома, взрывов и г. п. Да и для прослушивания некоторых музыкальных произведений, звуковики считают утрированные басы иног- да вполне уместными. Используемые в DVD-системы, не реконструируют многоканальный цифровой звук из двухканального, а записывают и воспроизводят ориги- нальный звук каждого из каналов раздельно. Цифровой звук — все кана- лы — в этих системах записываются на одной дорожке с применением 86 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
компрессии данных (о принципе компрессии см. раздел с описанием зву- кового формата MP3). В процессе воспроизведения он обрабатывается декодером, выделяющим и формирующим из общего потока данных сиг- налы 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 преобразу- ется в 5.1-канальный сэрроунд-звук, т. е. воспроизводится так же, как сте- реозвук с кассет HiFi — видеомагнитофону VHS. В линейной ИКМ комп- рессия не применяется. Аналого-цифровое преобразование звука происходит с квантовани- ем (разрешающей способностью по уровню) 16, 20 или 24 бита на от- счёт с частотой дискретизации 48 или 96 кГц. Такие характеристики обеспечивают очень высокое качество звука, но и обуславливают очень большие потоки аудиоинформации. Это последнее обстоятельство ог- раничивает возможность при линейной ИКМ реализовать все комби- нации 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 предназначен- ных для записи только звуковой информации, линейная ИКМ (LPCM) единственный установленный стандартом формат кодирования. При ча- стоте дискретизации 96 кГц и разрядности 20, не говоря уже о 24-х битах на отсчёт, достигается супервысокое качество воспризведения 74-х ми- нут 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 техно- логия одноразрядного сигма-дельта кодирования с частотой дискретиза- ции 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: динамичес- кий диапазон 120 дБ, плоская частотная характеристика в диапазоне до ЮОкГц , отсутствие потерь, характерных для ИКМ, благодаря исключе- нию из схемы сигма-дельта преобразователя фильтров, и, в результате, полная верность звуковоспроизведения (full fidelity) на всех шести кана- ку PC ЛЕКЦИЙ НА I и II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 87
лах многоканального сигнала. Разработчики стремились обеспечить как можно более полную интеграцию своего нового стандарта со стандар- том CD. На дисках SACD совмещается два формата, для чего использует- ся двухслойная структура (см. выше). DSD аудиоданные хранятся на слое высокой плотности, занимающим объём 4,7 ГБ. Причём, 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 од- новременно. 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, располо- женные на внутреннем слое диска, на котором содержится CD-версия (ИКМ, 16 бит, 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 благо- даря тому, что частота дискретизации DSD в точности 64-кратна исполь- зуемой в CD). Таким образом достигается совместимость двух систем — старой и новой. 4.6.7. Магнитооптическая запись Выше уже много говорилось о преимуществах оптической записи, но большинство из представителей этого семейства (кроме дисков CD-RW с фазовыми переходами), трудно использовать в работе, требующей опе- ративности, например, при подготовке программ радиовещания, из-за не реверсивности такой записи. Нужно и для оптических систем добить- ся того, что давно стало нормой для магнитной записи: многократно, стирать старую информацию и перезаписывать новую. Основной и пер- вый успех на этом пути пришел в связи с магнитооптической записью. Магнитооптическая запись — термин устоявшийся, но не точный. В прин- ципе 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 ферромагнит- ные свойства материала полностью пропадают, но самое главное, что 88 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССЁРЫ
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. Магнитооптичес- кая система записи проста — надо разогреть материал в некоторой точ- ке до температуры, несколько превышающей точку Кюри, и воздей- ствовать 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 маг- нитное поле — и только в зоне нагрева. Применяемые ныне магнитооп- тические материалы ориентированы на температуры Кюри, превыша- ющие 100 градусов. Это не случайный выбор. Ниже возникает зона опас- ности повышения температуры при простом хранении записей до кри- тической, когда возможным окажется разрушение записи. Более высо- кие температуры не годятся из-за естественного роста энергии, необ- ходимой для разогрева. Поэтому в качестве материалов для рабочих слоев магнитооптических дисков используют сплавы с элементами группы редких земель. Магнитооптические системы записи строятся достаточно примитив- но. Сфокусированный □туч лазера нагревает дисковый носитель, на кото- рый воздействует рассеянное магнитное поле, достаточно слабое, чтобы произвести запись на холодных участках. Однако его достаточно, чтобы в первые моменты остывания записать информацию на разогретых лазе- ром участках. Важно, что речь идет именно о первых моментах, когда локализация теплового поля практически не отличается от размеров све- тового пятна. Следует сказагь несколько слов о некоторых особенностях считыва- ния 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 векто- ра намагниченности среды, через которую луч проходит. Изменения плоскости поляризации луча преобразуются специальным устройством в изменения его интенсивности. Эти изменения и являются информа- КУРС ЛЕШИЙ НА I и II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 89
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, маг- нитооптические (МО) диски используются в профессиональной аппара- туре специально для записи оригиналов фонограмм, которые предназ- начаются для последующего тиражирования.. Ведущие фирмы (наир., Sony) предлагают, в частности, аппараты записи, работающие на маг- нитооптическом диске диаметром 133 мм (5,25 дюйма), ёмкость которо- го достигает ок. 1,3 ГБ. Другими словами, на нём можно записать с высо- чайшим качеством 80 минут стереофонического звука с 20-битным кван- тованием или 100 минут, с, соответствующим качеству CD, 16-битным Магнитооптические диски способны выдержать более миллиона пе- резаписей. Но более подробно с практической реализацией идеи магнитооптичес- кой запей можно познакомиться на примере одного из самых распростра- ненных и популярных представителей этого семейства — мини-дисков. Мини-диск “Мини-диск “ (MD) — это один из последних форматов в эволю- ции дисковых носителей звуковой информации, разработанный фир- мой Sony. Мини-диски меньше обычных компакт-дисков по размерам (диа- метр их всего 64 мм), но при этом, они не уступают компакт-дискам в качестве и продолжительности звучания записанной на них музыкаль- ной программы. Это достигается за счёт сжатия (уплотнения) данных, о стратегии которого речь пойдет ниже. Маленький размер MD обеспечивает быст- рый доступ к данным в любой точке диска — меньше, чем за 1 секунду. Формат мини-дисков предусматривает использование двух видов но- сителей: незаписываемые диски типа CD и записываемые, магнитоопти- ческие диски. Последние дают возможность производить на них повтор- ные 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 помещены в картриджи. Общий вес такого пакета равен приблизительно 0,6 унций (ок. 18 г.). 90 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
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 толь- ко для воспроизведения. Из-за того, что запись в этом формате произво- дится со сжатием данных, записи на этих мини-дисках не совместимы с обычными CD. Записываемый, или точнее говоря, перезаписываемый диск, в принци- пе, не является новшеством. Это магнито-оптический носитель, приме- нявшийся уже и ранее в компьютерной технике (CD-МО). Но магнито- оптическая среда для мини-диска была усовершенствована, устройство записи стало намного проще, а сама запись требует меньшего потреб- ления энергии. Как уже упоминалось выше, существуют и другие методы записи на перезаписываемые (“реверсивные”) носители, но для мини-дисков выб- ран метод модуляции магнитного поля (MFM), как наиболее надежный и дающий возможность производить перезапись практически бесконеч- ное количество (до 1 000 000) раз. Причём, каждый раз при новой запи- си, старые данные автоматически стираются. Записываемый магнитооптический мини-диск формируется на под- ложке из поликарбоната, на котором между двумя слоями диэлектрика располагается магнитооптический (рабочий) слой. Поверх этой конст- рукции наносятся отражающий алюминиевый слой, защитный слой и смазка из кремния — органического соединения, по которой должна бу- дет скользить магнитная головка. (Рис. 104) Магнитооптический слой мини-диска это специальный сплав желе- Смазочный материал Защитный слой (Ю>4м) Отражающий слой (AI) Слой диэлектрика (SIN) МО слой (TbFeCo) ------ Слой диэлектрика (SIN) (0,2/<м) Рис. 104. Сечение мини-диска КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 91
за тербия и кобальта (FeTbCo), с очень низкой коэрцитивностью — приблизительно 80 Эрстед (6,4 kA/т). Это важно для того, чтобы не- смотря на то, что магнитная головка не касается непосредственно ра- бочей среды, величина намагничивающего поля оказалась бы доста- точной и не потребовалось бы его увеличения, которое неизбежно по- влекло бы за собой большее выделение тепла и увеличение потребляе- мой 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 разогреть соот- ветствующую точку носителя до температуры Кюри. Делается это с по- мощью луча 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 энер- гии, 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). Лазер Объектив Разогрев до точки Кюри (>18ГС) >80 Эрстед |6,3 кАЛЛ} Магнит FeTbCo Данные Рис. 105 . Запись на мини-диск. 92 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Сфокусированный луч лазера нтревает локальную область дискового носителя, на которую воздействует рассеяное магнитное поле головки за- писи 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 .на- магниченности определенной полярности "север” — N, или u юг” — S. Таким образом, разные полярности намагниченности предваритель- но нагретых пятен в магнитооптическом слое соответствуют цифровым логическим уровням “1” и “0”. Размер такого пятна с записью, а следо- вательно и плотность записи на магнитоэлектрические диски определя- ется размером сфокусированного светового пятна лазера и продолжи- тельностью цикла реверсирования модулирующего магнитного поля го- ловки записи. Для этого была разработана специальная головка, которая допускает быстрое перемагничивание (приблизи-тельно в течение 100 нс). Очевидно, что поверхностные слои диска не препятствуют мгно- венному 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 зависи- мости от информации, записанной в виде питов (углублений) на поверх- ности диска. Процесс абсолютно аналогичен считыванию обыкновенных компакт-дисков. Записываемый диск (MD-R) использует другую систему считыва- ния, поскольку данные записаны не системой питов, а сохранены в виде изменяющейся от точки к точке полярности намагниченности магнит- ного слоя. В этом случае считывание информации также выполняется лазером. Лазерный луч падает на дисковую поверхность, проходит через маг- нитный слой и затем отражается от отражающего слоя. Однако, проходя через магнитный слой, плоскость поляризации лазерного луча изменяет- ся 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. КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 93
Лазерный луч (линейно-поляризованный) НаФД Itttttuuimmuuttm 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 вы- ходной цифровой сигнал такой же, как в CD; — считывание записываемого диска типа МО, здесь выходной сиг- нал непрерывен, но с изменяющейся поляризацией. Для считывания информации с дисков обоих типов используется один и тот же двухфункциональный лазер. Однако в оптическую головку сис- темы добавляют (если сравнивать с CD) еще один элемент — поляриза- ционный анализатор, т. н., призму Уолластона (Wollaston). Дело в том, что эффект Керра слаб. Поворот вектора поляризации, даже в самых благо- приятных условиях, не превышает одного градуса. К тому же приёмники света не реагируют на поляризацию. Задача призмы Уолластона преобра- зовать угол поляризации в интенсивность света. Далее считанная инфор- мация 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 94 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
разметки, было бы невозможно производить правильное позициони- рование луча лазера, как при записи, так при считывании информа- ции. Поэтому, каждый MD-R, аналогично CD-R, имеет U-образную фи- зическую канавку, или предканавку адресов, которая штампуется на диске при его производстве. Предканавка располагается за спиральной дорожкой данных и имеет специальную конфигурацию, она не стирает- ся и разумеется, на всех дисках совершенно одинаковая. Без неё было бы невозможно осуществить правильное позиционирование при счи- тывании информации с диска. На основании считывания адресной ин- формации, со специальных датчиков, после расшифровки сигнала, опре- деляется точный адрес каждой позиции на диске. На незаписываемом диске расположение дорожек аналогично ком- пакт-дискам: зона, содержащая оглавление диска, программная зона и оконечная зона. Что касается записываемых дисков то у них, кроме на- чальной 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 пользо- ватель хочет разделить одну дорожку на две, в программной зоне музы- кальные данные остаются не тронутыми, но адреса и оглавление будут изменены. Ключевой частью технологии мини-дисков является использова- ние для кодирования и декодирования звукового сигнала методов’ спе- циального адаптивного преобразования, которое, зависит от структуры входного сигнала, и основывается на некоторых известных закономер- ностях психоакустики. Эта система называется ATRAC и иеет цель сжать данные, уплотнить их, сохранив при этом естественность воспроизведе- ния звука. В стандарте обычной системы CD (16 бит, 44,1 кГц, два канала) по- ток данных составляет 1,4 Мбит/с. В процессе записи музыки на мини- диск аналоговые сигналы также подвергаются дискретизации с часто- той — 44,1 кГц и квантуются обычным АЦП, на выходе которого вели- чина 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, сокраща- ющая скорость передачи данных почти в четыре-пять раз, с 1,41 Мбит/с, КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 95
до, приблизительно, 292 Кбит/с. Это даёт возможность уменьшить ди- аметр диска с 120 мм (CD) до 64 мм (мини-диск), при одинаковой 74 минуты длительности звучания в обоих случаях. Причём, ещё раз подчёркиваем, это уменьшение потока данных не должно влиять на качество передаваемой музыки. Ведь совершенно оче- видно, что абсолютно без потерь здесь не обойтись, Поэтому программ- ное обеспечение системы должно быт таким, чтобы это ухудшение зву- чания было бы не заметно на слух даже для самых искушенных слушате- лей. Это возможно достичь, если хорошо изучить и воспользоваться не- которыми известными законами психоакустики. Известно, например, что чувствительность человеческого слуха не одинакова на разных частотах звукового диапазона. Так, звук определен- ного уровня отчётливо воспринимается на одной частоте, и может ока- заться вовсе неслышимым на другой частоте, даже с более высоким уров- нем. (см. Курс лекций. Раздел 1. Тема 1.3). Анализ музыкального сигнала, поступающего на вход записи, позво- ляет определить, какие части спектра лежат ниже этих порогов. Затем они MOiyr быть удалены и скорость передачи информации в битах, та- ким образом, может быть уменьшена. Причём, чувствительность нашего слухового аппарата (ухо — кора головного мозга) в некоторых, т. н. критических диапазонах частот, остаёт- ся постоянной и не меняется. Методом субъективной экспертизы определены 25 таких критичес- ких диапазонов. Но в ATRAC — системе, ради большей точности переда- чи, их используется ещё большее количество — около 52. На рис. 107 заметен и другой очень важный психоакустический эф- фект — маскировка сигналов. Если два источника звука звучат одновре- менно, но с разными уровнями, то более грокий звук будет маскировать более тихий. Например, если во время беседы двух человек, в небе про- летает самолет, то на какое-то время беседу придется прекратить, из-за полной маскировки голосов значительно превосходящим по 1ромкости шумом мотора. Кроме того, наблюдается действие т. н. предмаскировки и постмас- кировки. 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- 96 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
Рис. 107.Психоакустический эффект маскировки сигналов. стных из психоакустики закономерностей, можно определить какие из компонентов входного сигнала из-за маскировки окажутся неслышны- ми и MOiyr 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/е и выполняются в определенной последовательности. На основе разложения сигнала в гармонический ряд Фурье, спектр входного сигнала анализируется для определения его частотных состав- ляющих и их соответствующих уровней. Но анализ этот производится поблочно (в отдельных боках — сегментах сигнала). Как упоминалось ранее, число критических диапазонов частот определено эксперимен- тально, но в ATRAC используется намного большее количество диапазо- нов, временные интервалы которых определяются адаптивно, в соответ- ствии со структурой входного сигнала. Длительность каждого блока, который будет проанализирован дол- жна быть максимум — 11,6 мс ( или 512 выборок, при частоте дискре- КУРС ЛЕКЦИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 97
тизации 44,1 кГц). Причина, по 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, произво- дится 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 алго- ритму ATRAC сжатые цифровые данные уже не являются непосредственно звуковыми данными. Они лишь описывают динамический диапазон дан- ного сигнального блока в длинах слов с переменным числом бит от 0 до 15, а также относительный уровень сигнала, представленный коэффи- циентом масштабирования. Прошедшие кодер ATRAC цифровые дан- ные, как и при кодировании CD, обрабатываются схемами помехоза- щитного и канального кодирования. При воспроизведении мини-дисков выполняются , как и в системе CD,демодуляция и декодирование , после чего полученные данные (дли- ны 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 придер- живаются стандарта 16 бит, 44,1 кГц они могут быть непосредственно в цифровой форме скопированы из MD устройства на CD-R и другие циф- ровые носители. Но MD стандарт включает в себя специальную систему, которая допускает только первое копирование, запрещая второе. Други- ми словами, нельзя сделать копию с копии. Это делается для защиты ваших записей от пиратского копирования. Очевидным достоинством системы мини-дисков является повышен- ная устойчивость проигрывателей MD к вибрации и ударам. Это объясня- ется тем, что звуковые данные считываются с мини-диска намного быст- рее (1,4 Мбит/с), чем это необходимо для ATRAC декодера (292 Кбит/с). 98 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
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 считы- вание данных до тех пор, пока буфер не будет вновь заполнен. Если про- исходит 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 обна- руживает 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 носи- телям произвольного доступа. Этим и объясняется постепенное вытесне- ние привычных магнитофонов аппаратурой записи и воспроизведения мини-дисков, везде, где быстрота и оперативность формирования звуко- вых программ является определяющим условием успешной работы. 4.6.8. 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 компь- ютеров и содержат мощный накопитель данных на жестких дисках. В пос- ледние годы появились и системы, работающие на магнитооптических дисках. Запись и обработка фонограмм, включая монтаж, с использова- нием вместо магнитофонов дискового пространства — принципиально важный момент, поскольку в чистом виде используется нелинейный монтаж. Термин «нелинейный» не очень удачен. В действительности в про- цессах обработки данных и монтажа фонограмм с использованием дис- ков ничего нелинейного нет. Появился этот термин, скорее всего, как антитеза линейному монтажу, выполняемому на базе магнитофонов. КУРС ЛЕШИЙ НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 99
Ленточный носитель линеен по сути — и любой, проведший даже не- много времени в линейной монтажной, знает как много времени и уси- лий уходит на поиск нужных фрагментов — иными словами на пере- мотку. Монтаж с применением дисков вместо магнитофонов потому и назван нелинейным, что он совсем не такой, как линейный. Его глав- ное 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 су- ток. 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 доро- жек нет и они воспроизводятся на экране диснлеятолько 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. соответ- ственно ряду, кратному 4. Некоторые фирмы ориентируются на ряд с базовым числом 8, а именно, 8,16, 32,40, 48. Выпускаются и станции, позво- ляющие 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 базо- вым числом дорожек, конечно же, имеют наименьшую стоимость. Пере- ход на более высокие уровни связан с удорожанием, однако, цена растет далеко не пропорционально числу кратности. Покупатель, ориентируясь на свои финансовые возможности и предполагаемую технологию ис- пользования 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. 100 МЕЕРЗОН Б. Я. АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ
помимо звуковых дорожек, воспроизводятся меню и органы управле- ния, при этом только те, что необходимы для конкретных функций. Пе- реключение 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 до- рожках воспроизводятся изображение фонограммы и все ее эволюции в процессе обработки. Все современные звуковые рабочие станции обеспечивают очень по- лезный режим многослойной записи. Это эффективный помощник, ког- да, 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 за- писать 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 частно- сти, избавляет оператора от перемещения между дорожками, изменения параметров реверберации, выставления запрета на запись на дорожке, где уже хранится скомпонованный материал, и многого другого. Впро- чем, 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 мет- кам, — не проблема. Практически полная свобода перемещений, исклю- чает все трудности, присущие многодорожечной записи, монтажу и све- дению 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 рабо- чими станциями, но трудно выполнимы и даже невозможны в линейных системах — многочисленны, их простое перечисление займет слишком много места. Сказанного достагочно, чтобы судить о неограниченных возможнос- тях звуковых рабочих станций. Но, в заключение, надо сказать подроб- КУРС ЛЕ кии й НА I И II КУРСАХ ЗВУКОРЕЖИССЕРСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 101
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 сте- реть. 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, необхо- димо 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 хра- нится только лист монтажных решений — набор «утвержденных» ко- манд. При воспроизведении или перезаписи на магнитофон компьютер, ориентируясь на команды листа монтажных решений выберет необходи- мые фрагменты и выстроит их нужном порядке. В линейных системах, если монтаж выполнен, то внести в него правку уже невозможно — тре- буется 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 ис- пользуют в новостийных аппаратных. Звуковая рабочая станция — достаточно компактный аппарат, заме- няющий большие монтажные комплексы со всем окружающим оборудо- ванием. Причем по стоимости они, как правило, заметно дешевле анало- гичных по возможностям линейных монтажных аппаратных.
Учебное издание Меерзон Борис Яковлевич АКУСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОРЕЖИССУРЫ Курс лекций на I и II курсах звукорежиссерского факультета Часть 3 Учебное пособие Компьютерная верстка Н. Ю. Матякина Художник Андей Луков Учебное издание Издательская лицензия № 02183 от 30.06.2000 Сдано в набор 18.02.2002. Подписано в печать 25.04.2002. Формат 60 X 841/16. Гарнитура Times ЕТ. Объем 6,5 печ. л. Тираж 500 зкз. Отпечатано на ризографе в Издательском центре Гуманитарного института телевидения и радиовещания им. М. А Лиговчина (ГИТРа) 109180, Москва, Бродников пер., д. 3 Тел./факс: (095) 238 1975, 238 5549