Звукозапись

История изучения звука насчитывает почти три тысячи лет, но реально продвинуться в технологиях его обработки и пользоваться их плодами человечество смогло относительно недавно.

Человеческой цивилизации всегда было свойственно желание сохранять произведения отдельных ее представителей. И если картины, скульптуры и книги продолжают существовать отдельно от их создателей и их даже можно достаточно точно скопировать, то звук безвозвратно исчезает вместе со своим источником. Создание нотной грамоты лишь отчасти решило эту проблему.

Одной из основных проблем, не позволявших записывать звук, было почти полное непонимание его природы. И хотя серьезное изучение этого явления началось еще в VI в. до н. э., когда античные ученые Пифагор и Аристотель одними из первых сформулировали ряд постулатов о звуке, которые всего лишь приоткрыли завесу тайны над его природой. На том уровне развития науки проблема записи звука не могла быть решена.

О

Рис. 10. Запись звука на закопченной бумаге

щутимых результатов в этой области не было вплоть до XV века. Именно тогда Леонардо да Винчи выработал принцип независимости распространения звуковых волн от различных источников. Также неоценимый вклад в акустику внес Исаак Ньютон. Его теория о волновой природе звука вдохновила английского физика Томаса Юнга на ее доказательство: прикрепив шип розы сургучом к хрустальному бокалу и двигая около него закопченный кусок стекла, ученый получил на нем отпечаток в виде извилистой линии. Данный опыт наглядно продемонстрировал правоту Ньютона. Томасу Юнгу впервые удалось зафиксировать звуки в 1807 г. Он записал звуковые колебания камертона на закопченной бумаге (рис. 10), расположенной на барабане, – первое в истории устройство записи звука.

Спустя некоторое время акустика стала одной из самых изучаемых областей физики. Были разработаны различные приборы, позволяющие измерять и записывать графики звучания не только камертона, но и музыкальных инструментов. В то время акустика являлась частью механики, и все устройства, созданные в этот период, требовали механической связи между источником и записывающим устройством.

Впервые идея о записи звуковых колебаний без использования механической связи появилась у Леона Скотта, и в 1857 г. им был создан звукозаписывающий прибор, использующий мембрану в качестве звукоулавливающей части и названный им фонаутографом. Но все подобные устройства обладали серьезным недостатком – они не могли воспроизводить записанные звуки.

Т

Рис. 11. Общий вид фонографа

еория об обратимости звукозаписи была разработана поэтом Шарлем Кро. 30 апреля 1877 г. он передал в канцелярию французской Академии наук письмо, озаглавленное «Процесс записи и воспроизведения явлений, воспринимаемых слухом». В нем он впервые предложил записать звук в виде канавки на диске из мягкого материала при помощи иглы, а затем воспроизвести эту запись. При воспроизведении звука игла, связанная с мембраной, должна была двигаться по канавке и передавать колебания мембране, которая колеблет воздух, поступающий в окружающее пространство через рупор. По стечению обстоятельств Кро не получил патент на свое устройство – палеофон. А спустя три недели после отказа официально признать разработки французского изобретателя, патент на идентичное приспособление получил американский электротехник, изобретатель Томас Алва Эдисон. Он изобрел фонограф (рис. 11), в котором звук записывался на восковом валике (глубинная запись). Для воспроизведения звука игла в фонографе двигалась по канавке вращающегося валика и при помощи мембраны и рупора воспроизводила записанный звук. Такая запись звука называется механической. Основной недостаток фонографа – невозможность получить копию записанного звука.

На смену фонографу пришел граммофон, предложенный Эмилем Берлинером, который в 1888 г. демонстрировал его в Филадельфийском университете. В этом изобретении применена поперечная запись на диске, используемая и в наше время. Механический способ записи-воспроизведения звука широко использовался до 80-х годов XX в.

П

Рис. 12. Телеграфон Поульсена

ервый аппарат «для магнитной записи речевых сообщений, передаваемых по телефону», создан в 1898 г. датским инженером Вальдемаром Поульсеном и получил наименование телеграфона (рис. 12). Магнитная запись в телеграфоне производилась на стальную проволоку диаметром 0,5–1 мм. Разработанный им принцип лег в основу функционирования пленочных магнитофонов, звукового кино, накопителей данных на гибких и жестких магнитных дисках и т. д.

Аппарат под наименованием магнитофон был сконструирован германской фирмой AEG в 1934 г. В нем применялась порошковая магнитная лента (т. е. принципиально такая же, как и применяемая в настоящее время); магнитные головки кольцевого типа и электронные усилители записи и воспроизведения звука. Это был очередной весьма важный шаг к современным возможностям звукозаписи. Массовой магнитная запись стала лишь к 1963 г., когда была выпущена компакт-кассета. Стандарт успешно конкурировал с виниловым диском и пользуется популярностью до сих пор.

Одновременно с развитием и совершенствованием механической и магнитной записи звука многие ученые и изобретатели продолжали искать другие способы записи-воспроизведения звука. Наш соотечественник А. Ф. Викшемский в 1889 г. впервые в мире предложил аппарат для оптической записи звука на светочувствительный материал. В 1888 г. выдающийся русский физик А. Г. Столетов создал первый в мире фотоэлемент, а в 1900 г. И. Л. Поляков, используя фотоэлемент, предложил воспроизводить звук с фотографической фонограммы. В 1929 г. советские профессоры П. Г. Тагер и А. Ф. Шорин разработали новые способы оптической записи звука на кинопленку, которые явились основой для создания и развития звукового кино в нашей стране.

В начале XX века единственными источниками звука были длинно- и средневолновые радиоприемники.

Долгое время основными электроакустическими преобразователями для них служили наушники со стальными мембранами, пригодные лишь для прослушивания сигналов азбуки Морзе и речи в узком диапазоне частот с огромными нелинейными искажениями. Первый патент в этой области был получен Эрнстом Сименсом в 1877 г., второй – англичанином Оливером Лоджем в апреле 1898 г.

Эпоха современной электроакустики началась благодаря двум исследователям из компании General Electric Честеру Раису и Эдварду Келлогу, запатентовавшим в 1924 г. первую акустическую систему (АС), оснащенную динамической головкой прямого излучения с подвижной катушкой. Эта система обладала малыми нелинейными искажениями и сравнительно широким частотным диапазоном. Фирма RCA приступила к ее продажам в 1926 г., назвав свой продукт «Radiola», – именно он и стал прообразом практически всех акустических систем, выпущенных до настоящего времени.

В начале 70-х годов XX в. работы Невила Тиля и Ричарда Смолла позволили определить электротехнические эквиваленты механическим и акустическим параметрам громкоговорителя, установленного в корпус, что позволило применить теорию электрических цепей для анализа поведения динамических головок, работающих в акустическом ящике.

Необходимо отметить, что конструктивно динамические головки остались практически неизменными со времен Честера Раиса и Эдварда Келлога, улучшились лишь некоторые конструкционные материалы.

Все рассмотренные выше способы записи и воспроизведения оперировали исключительно с аналоговым звуком. Наука о звуке получила новый импульс к развитию в 20-х годах XX в., что было связано с появлением радио и электроакустики. Точкой отсчета цифровой эры можно считать 1933 г., когда русским ученым В. А. Котельниковым был опубликован труд «О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи», в котором излагалась знаменитая сейчас на весь мир теорема Котельникова. Теорема решила очень важный вопрос – как без потерь перевести сигнал в цифровой вид. Это открытие не было случайностью, наука закономерно шла к нему. Теорема была открыта и доказана практически одновременно сразу несколькими учеными во всем мире (помимо Котельникова, это были Найквист, Шеннон и Уиттакер). Однако первенство принадлежит именно нашему соотечественнику.

Вскоре после открытия теоремы началось ее практическое использование. Первые попытки цифрового представления звукового потока предпринимались уже в 1937 г. Французский инженер Алек Ривз, сотрудник телефонной компании, изобрел импульсно-кодовую модуляцию (Pulse Code Modulation, или просто PCM). Это был несложный способ кодирования аналогового сигнала (например, речи) для передачи его в форме цифрового потока. Тогда метод использовался для кодирования телефонных переговоров, и цифровые данные не фиксировались на носителях.

Суть метода заключалась в том, что аналоговый звук переводился в цифровую форму посредством проведения выборки состояний сигнала 8000 раз в секунду (т. е. с частотой дискретизации 8 кГц) и преобразования результатов в числовой код. Таким образом осуществлялась передача звукового сигнала с диапазоном до 4 кГц. Результаты были превосходными: телефонный сигнал сохранял высокое качество после цифровой передачи. О безоговорочном признании новой технологии говорит и тот факт, что импульсно-кодовая модуляция применялась для кодирования переговоров Уинстона Черчилля и Франклина Рузвельта во время Второй мировой войны. Однако для кодирования сигнала требовалась огромная по тем временам вычислительная мощность. Например, в Лондоне аппаратура для кодирования занимала все подвальные помещения департамента связи.

Спустя тридцать лет, благодаря прогрессу вычислительной техники, импульсно-кодовая модуляция стала широко использоваться в обычной телефонии. В 1977 г. первые цифровые АТС стали применяться в Чикаго, в 1983 г. был проложен оптоволоконный канал связи между Нью-Йорком и Вашингтоном, а в декабре 1988 г. был запущен знаменитый проект ТАТ-8 – трансатлантический оптоволоконный телефонный канал.

Вторая мировая война послужила катализатором развития технологий. Одним из последствий стало изобретение в 1948 г. транзистора. Именно это изобретение стало материальным фундаментом, на котором выросли все современные технологии обработки информации.

Изобретение лазера в 1958 г. сыграло чрезвычайно значимую роль в истории цифрового звука. Впоследствии именно лазерные разработки позволили действительно донести цифровые технологии до масс, так как аппаратура для воспроизведения цифровой магнитной записи была и остается достаточно дорогой.

В начале 70-х годов голландские физики Пьет Крамер и Клаас Компаан разработали устройство, способное считывать данные с оптического носителя при помощи лазерного луча. В 1980 г. компании Philips и Sony разработали цифровой оптический компакт-диск Audio CD (CD-DA, CD Digital Audio). Главным обстоятельством, способствовавшим появлению CD-DA, было создание компактных образцов полупроводниковых лазеров с длительным сроком службы. Будучи цифровым форматом, CD-DA обеспечил уровень удобства и комфорта выше, чем на виниловых пластинках и магнитных пленках. При этом он оказался более надежным и долговечным. Системе компакт-диск было суждено не только практически вытеснить из обихода аналоговую запись звука, но и стать основой многочисленных современных оптических систем накопления и хранения информации. Принципы и превосходные технические решения, заложенные в эту систему еще на этапе разработки, позволили практически без изменения использовать ее для хранения и распространения любой информации – от компьютерных программ и баз данных до кинофильмов и художественных библиотек.

В 1985 г. появилось описание стандарта хранения произвольных данных CD-ROM (Readonly memory – «память только для чтения»), являющийся надстройкой над форматом музыкального компакт-диска (CD-DA). Он имел небывалую по тем временам емкость – 700 Мбайт. Емкость носителя и удобство использования этой системы в немалой степени способствовали начавшемуся стремительному росту производства и совершенствованию персональных компьютеров. Появление понятия «мультимедиа» неразрывно связано с CD-ROM. В настоящее время привод оптического диска является неотъемлемым элементом практически любого компьютера. В свою очередь, задачи, выдвигаемые развитием информационных систем, обусловили совершенствование самой технологии хранения данных на компакт-дисках.

Поскольку информационная емкость оптических дисков ограничена длиной волны излучения считывающего лазера, возможности ее увеличения практически отсутствовали, то совершенствование технологии систем оптического хранения информации шло по трем основным направлениям.

Наряду с CD-ROM появилось множество других вариантов организации данных на CD, приспособленных для чтения специализированными устройствами. Это логические форматы CD-I и форматы Video CD, Karaoke CD, Kodak Photo CD, предназначенные для хранения фотографий высокого качества. Стремление создателей мультимедиаприложений объединить на одном диске различные материалы, например звукозапись, текст, фотографии и видео, привело к созданию группы смешанных форматов Mix Mode, CD-plus, CD-extra. Поддержка всех этих форматов традиционно входит в спецификации самых современных оптических приводов.

Вторым направлением совершенствования технологии оптических дисков стало увеличение скорости считывания данных, вплоть до скорости 52^x (за единицу скорости принята скорость 150 Кбайт/с, т. е. скорость считывания информации с CD-DA), что соответствует максимальной скорости передачи 7800 Кбайт/с (при чтении данных у внешнего края диска). Производители оборудования ограничились данной скоростью из-за участившихся случаев разрыва дисков при чрезмерных механических нагрузках при увеличении скорости вращения диска.

Третьим направлением стала разработка дисков, позволяющих пользователю не только считывать, но и записывать на них свою информацию. Техническая сложность этой задачи была обусловлена необходимостью обеспечения совместимости с разработанными и выпущенными ранее устройствами, предназначенными для чтения дисков CD-DA и CD-ROM. До начала 90-х годов запись CD велась только промышленным способом. Невозможность записи была самым большим недостатком CD-ROM, и в 1987 г. компания Sony представила новый стандарт CD-R (CD-Recordable). Почти одновременно с дисками CD-R появились диски, позволяющие стирать записанную информацию и производить повторную запись,– диски CD-RW (перезаписываемые).

Массовому распространению CD-DA/ROM/R/RW способствовали колоссальное снижение цен на диски и приводы, а также их емкость, соответствующая музыкальному альбому, инсталляционному пакету операционной системы и т. д. Это обстоятельство создало продержавшуюся некоторое время ситуацию, когда технология развития оптических дисков уже сделала новый шаг, а широкого применения для нее не находилось. Этим новым качественным шагом стала технология DVD (Digital Versatile Disc), которая была представлена в 1995 г. компаниями Toshiba и Sony. При считывании информации с DVD применяется лазерный луч с более точной фокусировкой, что позволило создателям нового формата уплотнить запись. Единственное, что принципиально ограничивало возможности увеличения плотности записи на оптический диск, было отсутствие долговечного полупроводникового лазера на длину волны меньше 780 нм, используемую в технологии CD. Усилиями технологов долговечность лазерных диодов на 650 нм (желто-красный свет) была доведена до 10 000 и более часов. Применение нового лазера с усовершенствованным способом слежения за дорожкой записи позволило увеличить информационную емкость в 4,7 Гбайта, используя тот же 12-сантиметровый диск. Сохранение в новом формате основных принципов предыдущего формата (CD) дало возможность при минимальных затратах, применяя механику приводов CD-ROM, создать универсальные устройства для чтения дисков всех рассмотренных ранее форматов. Потребовалось лишь внести некоторые изменения в электронный блок управления и оборудовать оптико-механический узел чтения дополнительным лазерным диодом. Коротковолновый лазер позволил использовать для записи еще и дополнительный полупрозрачный слой, который увеличил емкость диска до 8,5 Гбайт. Склеивание двух таких дисков удваивало емкость носителя, правда, в большинстве приводов такой диск нужно переворачивать, что неудобно для работы с данными, требующими произвольного доступа.

Вначале единственным назначением DVD было распространение видеофильмов с разрешением до 720×572 точек и многоканальным звуком формата 5.1. Спустя три года разработчики расширили функциональность DVD – был представлен новый формат аудио-DVD.

Впоследствии технология DVD была перенесена и на ПК. Появились встраиваемые DVD-проигрыватели, затем устройства Combo, объединявшие в одном стандартном корпусе устройство чтения DVD и записи CD-RW. Относительно быстрое появление технологий DVD±R, DVD±RW и DVD-RAM было закономерным, поскольку их теоретические и технологические основы были отработаны при создании CD-R и СD-RW. Высокая совместимость этих форматов с бытовыми видеопроигрывателями домашних кинотеатров обеспечила этим форматам благоприятные условия для распространения.

Развиваясь, технология DVD проходила те же стадии, что и технология записи на CD. Увеличение скорости воспроизводящих, а затем и записывающих устройств остановилось на отметке 16^x (за единицу скорости потока данных принята скорость системы DVD-video – 1350 Кбайт/с).

До весны 2004 г. запись дисков DVD±R и DVD±RW производилась только в одном слое (DVD-5) и позволяла записать на диск не более 4,7 Гбайт данных. В начале 2004 г. компания Phillips – один из основоположников технологии, анонсировала формат DVD+R DL (двухслойный или DVD-9), позволяющий записать до 8,5 Гбайт информации на одной стороне диска. В этом же году все ведущие производители начали производство записывающих приводов с поддержкой нового формата. Максимальная емкость DVD-дисков –15,9 Гбайта (по 7,95 Гбайта на каждую сторону двухстороннего двухслойного диска). Распространения двухсторонние двухслойные диски не получили из-за высокой стоимости и неудобства обращения к произвольным данным.

В 2002 г. компании Nec и Toshiba представили прототип AOD (Advanced Optical Disc), созданный по технологии, аналогичной используемой в DVD-дисках, но с большей плотностью записи. Через год организация DVD Forum признала AOD официальным преемником DVD, дав ему наименование HD DVD (High Definition Digital Versatile Disk).

Стандарт HD DVD поддержан большинством производителей DVD-приводов и дисков, так как является эволюционным продолжением стандарта DVD и требует минимального переоборудования существующего производства. Отличие в основном заключается в плотности записи (до 15 Гбайт – на каждый слой), которая обеспечивается за счет применения более тонкого лазерного луча, что позволило сократить расстояние между дорожками на 46 %: с 0,74 мкм до 0,4 мкм. За однократную скорость передачи данных принята скорость 36,5 Мбит/с, что соответствует 27^х для DVD и 243^х для CD.

В начале 2002 г. стало известно о новом стандарте Blu-ray Disc (BD). В стандарте Blu-ray применен сине-фиолетовый лазер, имеющий диаметр пучка 58 нм (DVD – 132 нм, HD DVD – 82 нм). Принципиальное отличие от HD DVD – это уменьшение расстояния между питами в пределах одной дорожки (в сочетании с увеличением числа самих дорожек). Технология Blu-ray является более прогрессивной, так как емкость диска – более 25 Гбайт. Максимальная емкость диска с учетом нескольких слоев может достигать 200 Гбайт.

На данный момент существуют три основных вида BD-носителей: BD-ROM – обычные, штампованные и выпускаемые заводским тиражом, BD-R – однократно записываемые и BD-RW – перезаписываемые. Поскольку для штамповки BD производителям приходится целиком менять оборудование, такие диски стоят ощутимо дороже, чем их конкурент HD DVD.

В настоящее время проводятся исследования и разрабатывается технология записи на оптические диски с использованием ультрафиолетового лазера с длиной волны порядка 70 нм. Для сравнения: длина волны синего лазера – 405 нм, а используемого в современных DVD красного лазера – 650 нм, CD – 780 нм. Таким образом, теоретически появится возможность записывать на один оптический диск до 500 Гбайт данных.

В 2005 г. началась разработка стандарта голографических носителей HVD (Holographic Versatile Disc). Емкость первых дисков составила 200 Гбайт. В перспективе технология позволит создавать носители емкостью до 1 Тбайта данных. Новая технология отличается тем, что два луча в одной точке одномоментно записывают не один бит, а целый блок данных. При чтении диск может сохранять неподвижность, а подвижной станет оптическая система. Технология AO DVD (Articulated Optical Digital Versatile Disc) предусматривает использование нанорешеток с размерами меньше длины волны лазера для многоуровневого кодирования информации. Таким образом, мы видим, что замена для HD DVD и Blu-ray готовится уже сейчас и развитие оптической записи будет продолжено.

Параллельно с развитием оптической технологии записи аудиовизуальной информации развивались технологии цифровой магнитной записи.

В 1962 г. профессор Томас Стокман впервые начал эксперименты по записи цифрового звука на магнитную ленту. Он использовал огромный компьютер ТХ-0 (рис. 13) и аналогово-цифровой преобразователь собственного производства. Воодушевленный результатами, он принялся за проектировку первого цифрового 16-битного магнитофон а, которая была закончена к 1976 г. Однако высокая стоимость разработанного оборудования послужила препятствием на пути распространения нового носителя.

П

Рис. 13. TX-0 – одна из первых ЭВМ, участвовавших в цифровой записи звука

озже, в целях создания носителя, сходного по качеству с компакт-диском, но дающего возможность записывать сигнал, компании Sony и Philips разработали формат Digital Audio Tape (DAT) и представили его в 1986 г. DAT-кассета, по мнению разработчиков, должна была вытеснить из употребления аналоговые компакт-кассеты. У этого формата были несколько улучшены технические характеристики, а в качестве носителя выступала магнитная лента, что позволяло в бытовых условиях записывать и даже редактировать звук. Система записи в магнитофоне велась поперечно-наклонно, при помощи вращающихся головок. К сожалению, из-за проблем с авторскими правами компании затянули выпуск бытовых версий магнитофона; DAT остался хоть и интересным, но достаточно дорогостоящим профессиональным цифровым форматом.

В начале 1992 г. фирма Sony выпускает новые форматы хранения цифрового звука – мини-диск – Mini Disc (MD). Изначально стандарт позиционировался как бытовая и концертная система записи; в нем применялся магнитооптический диск диаметром 64 мм, помещенный в пластмассовый футляр размером 70×67,5×5 мм. На диск можно записать 74 минуты звуковой информации. В нем применяется система сжатия информации с потерями по алгоритму ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding – акустическое кодирование с адаптивным преобразованием). Именно из-за кодирования сигнала с потерями многие студии звукозаписи избегают использовать данный формат в профессиональной работе. Отсутствие аппаратной поддержки других форматов записи, например MP-3, сдерживает широкое распространение данной разработки.

Б ыли и другие разработки, реализующие принцип цифровой магнитной записи звука, которые не получили широкого распространения, в конкуренции с форматом CD-DA, получившим поддержку записи при помощи компьютера. Это и предопределило судьбу других, менее универсальных носителей информации.

К концу 80-х годов цифровая звукозапись была уже достаточно широко распространена. Одновременно стремительно росла популярность персональных компьютеров. Вначале ПК оснащался лишь небольшим динамиком, предназначенным для воспроизведения системных звуков. Необходимость в более качественном звуке появилась позже, благодаря развитию индустрии компьютерных игр.

И

Рис. 14. Звуковая карта Game Blaster канадской компании AdLib

в 1989 г. появились первые платы расширения для IBM-совместимых компьютеров, предназначенные для озвучивания игр с поддержкой стереофонического воспроизведения, со встроенным MIDI-интерфейсом (рис. 14). Практически одновременно компания Microsoft начинает развивать концепцию мультимедийного персонального компьютера МРС (Multimedia PC).

Проблема эффективного хранения цифровых данных возникла одновременно с появлением первых компьютеров; ее актуальность возрастала вместе с увеличением объемов обрабатываемой информации. Одним из волнующих научные круги вопросов является вопрос скорости накопления данных, генерируемых как научным сообществом, так и социумом. Ежегодный прирост объемов хранимой информации составляет в настоящее время от 50 до 100 %. Для того чтобы решить задачу обеспечения пользователей накопителями сообразного запросам времени объема, ведутся разработки различных типов носителей информации: магнитные, оптические и твердотельные технологии хранения данных.

Жесткие диски являются наиболее распространенными устройствами для хранения информации. Изделия на основе технологии магнитной записи характеризуются наличием носителя сравнительно небольшого физического размера, возможностью хранения значительного объема информации и невысокой стоимостью. Удачное сочетание этих черт сделало жесткий диск неотъемлемым компонентом компьютера.

Оптические технологии хранения данных, большая емкость носителя, удобство использования и транспортировки способствовали стремительному росту его популярности на рынке; с появлением компакт-дисков возникло новое понятие – мультимедиа. В настоящее время оптический привод – непременный атрибут комплектации каждого ПК.