Цифровая электроника - техника записи и воспроизведения звука

Началом электроники было радио, и полезно вспомнить, что первым применением радио была передача сообщений в коде Морзе. Сигнал передавался путем включения и выключения передатчика, который в те времена представлял собой искровой генератор, включенный между антенной и землей на больший (тире) и меньший (точка) интервал времени.

Рис. 1 Код Морзе: значащая часть сигнала - импульсы и длительность импульсов - составляющие двоичного кода: а - запись кода; б - передача кода

Такая форма посылки — один из возможных вариантов цифрового сигнала. Сигналы в коде Морзе сегодня называются цифровыми широтно-импульсно модулированными сигналами (рис. 1). До изобретения лампы сигналы в коде Морзе были единственным видом модулированных сигналов. С изобретением лампы в 1920 г. стало возможным модулировать несущую частоту звуковым сигналом.

рис.2. Типичная форма звукового колебания (упрощено); реальное звуковое колебание всегда более сложно; оно никогда не бывает чисто синусоидальным

Пример формы звукового сигнала показан на рис.2. Как видно, звуковой сигнал периодически изменяется, причем эти изменения происходят непрерывно. Звуковой сигнал может быть преобразован в напряжение, как, например, это делается с помощью микрофона; напряжение можно записать или передать по радио. Важно, чтобы частота и характер изменения напряжения точно соответствовали частоте и характеру изменения звуковой волны. Амплитуда напряжения должна быть пропорциональна амплитуде звуковых колебаний и, таким образом. соответствовать громкости звука. Частота напряжения, так же как и частота звуковых колебаний, соответствует высоте воспроизводимого тона. Итак, форма электрического напряжения является точной копией формы звукового колебания и несет о ней полную информацию.

С отмеченным обстоятельством связан круг проблем, присущих аналоговой технике записи звука. Характер звукового колебания весьма сложен и изначально несет в себе ряд тонких, порой чисто психологических особенностей восприятия звука. Например, при всех огромных возможностях современной технологии мы сегодня не в состоянии воспроизвести характер звучания скрипки Страдивари. Никакие эксперименты с деревом и лаками не позволяют создать инструмент, передающий неповторимое звучание оригинала. Характер звучания большого оркестра не поддается никакому прямому анализу, к тому же надо добавить особенности восприятия звука нашим собственным ухом. Человеческое ухо — уникальный приемник звука; оно воспринимает ничтожные уровни звука с такими нюансами, которые теоретически обнаружить невозможно. Вместе с тем история знает массу мнений о высоком качестве записи и воспроизведения звука как с помощью первых рупорных граммофонов, так и с применением электронных систем. В прежние времена звукозапись считалась чудом и воспроизведение голоса Галли—Курчи казалось миражом. Позже восприятие звука стало более острым и строгим и дальнейшее развитие техники потребовало серьезных усовершенствований.

Техника записи и воспроизведения звука прошла длинный и сложный путь — от восковых до долгоиграющих дисков. На каждом этапе развития казалось, что возможности дальнейших усовершенствований исчерпаны, а через несколько лет убеждались в том, что это не так. Множество проблем связано с носителем записи. Остановимся на трудностях, связанных с изготовлением первого металлического оригинала фонограммы. Для записи используется миниатюрный резец, перемещение которого должно строго соответствовать характеру изменения электрического сигнала. Барабанная перепонка человеческого уха легка и нежна, а заставить резец с такой же легкостью резать металл, очевидно, невозможно. Для управления резцом требуются значительные мощности (от 500 до 1000 Вт) и все же не удается зафиксировать все тонкости звукового сигнала. Изготовление копий также вносит дополнительные искажения.

При воспроизведении игла звукоснимателя перемещается в канавке пластинки. Сама по себе игла легка, но она механически связана с преобразователем колебаний иглы в электрический сигнал и в целом это уже достаточно сложная и весомая конструкция. Звукосниматели являются источником новых искажений.

рис.3. Типичная характеристика намагничивания ленты. В большей части она нелинейна. Видна область, в которой слабые токи не оставляют следа на ленте (не намагничивают ленту)

Представляется, что магнитная запись звука устраняет отмеченные трудности. Однако проблема магнитной записи состоит в том, что процесс записи по своей природе нелинеен. На рис.3 показана зависимость остаточной намагниченности магнитного материала от тока, протекающего через катушку, намагничивающую материал (ленту).

При очень слабых токах через катушку лента вообще не намагничивается, а при больших токах наступает насыщение, ограничивающее амплитуды записываемых сигналов. Диапазон записываемых частот зависит от скорости движения ленты и параметров записывающей головки. Записанная лента имеет относительно высокий уровень шумов, которые хорошо прослушиваются при воспроизведении тихой и нежной музыки. Для решения перечисленных проблем можно использовать ультразвуковое смещение, широкие ленты, высокие скорости движения ленты.

Широко используемые для усиления транзисторы не являются линейными элементами, а история высококачественного звуковоспроизведения — это история развития схемотехники, попыток "обойти" природную нелинейность сначала ламп, а затем транзисторов. Установлено, что каждые 10 лет обнаруживаются новые виды искажений и свыше 10 лет тратится на их устранение; инженеры звукозаписи хорошо знают, что многие критики, высоко оценивающие качество исходного звука, не могут дать такой же оценки звуку записанному. Вообще электрические искажения устранить проще, чем механические; в целом слабыми звеньями в звуковоспроизведении являются собственно процесс записи звука и громкоговорители.

Использование цифровой электронной техники открывает возможность с новых позиций обозреть процесс звукозаписи.