Механическая звукозапись

В 1877 году американский учёный Томас Альва Эдисон изобрел звукозаписывающий аппарат - фонограф, впервые позволивший записать звук человеческого голоса. Для механической записи и воспроизведения звука Эдисон применил валики, покрытые оловянной фольгой (рис. 2). Такие фоновалики представляли собой полые цилиндры диаметром около 5 см и длиной 12 см.

Эдисон Томас Альва (1847-1931), американский изобретатель и предприниматель.

Автор более 1000 изобретений в области электротехники и средств связи. Изобрел первый в мире аппарат звукозаписи - фонограф, усовершенствовал лампу накаливания, телеграф и телефон, построил в 1882 году первую в мире электростанцию общественного пользования, в 1883 году открыл явление термоэлектронной эмиссии, что впоследствии привело к созданию электронных или радиоламп.

В первом фонографе металлический валик вращался с помощью рукоятки, с каждым оборотом перемещаясь в осевом направлении за счет винтовой резьбы на ведущем вале. На валик накладывалась оловянная фольга (станиоль). К ней прикасалась стальная игла, связанная с мембраной из пергамента. К мембране был прикреплен металлический конусный рупор. При записи и воспроизведении звука валик приходилось вращать вручную со скоростью 1 оборот в минуту. При вращении валика в отсутствие звука игла выдавливала на фольге спиральную канавку (или бороздку) постоянной глубины. Когда же мембрана колебалась, игла вдавливалась в олово в соответствии с воспринимаемым звуком, создавая канавку переменной глубины. Так был изобретен способ "глубинной записи".

При первом испытании своего аппарата Эдисон плотно натянул фольгу на цилиндр, подвел иглу к поверхности цилиндра, осторожно начал вращать ручку и пропел в рупор первую строфу детской песенки "У Мери была овечка". Затем отвел иглу, рукояткой вернул цилиндр в исходное положение, вложил иглу в прочерченную канавку и вновь стал вращать цилиндр. И из рупора тихо, но разборчиво прозвучала детская песенка.

В 1885 году американский изобретатель Чарльз Тейнтер (1854-1940) разработал графофон - фонограф с ножным приводом (как у ножной швейной машинки) - и заменил оловянные листы валиков восковой массой. Эдисон купил патент Тейнтера, и для записи вместо валиков с фольгой стали применять съемные восковые валики. Шаг звуковой бороздки был около 3 мм, поэтому время записи на один валик было очень мало.

Для записи и воспроизведения звука Эдисон использовал один и тот же аппарат - фонограф.

Рис. 2. Фонограф Эдисона

Рис. 3. Т.А. Эдисон со своим фонографом

Основные недостатки восковых валиков - недолговечность и невозможность массового тиражирования. Каждая запись существовала только в одном экземпляре.

В практически неизменном виде фонограф просуществовал несколько десятков лет. Как аппарат для записи музыкальных произведений он перестал выпускаться в конце первого десятилетия XX века, но еще практически 15 лет использовался в качестве диктофона. Валики к нему выпускались вплоть до 1929 г.

Через 10 лет, в 1887 году изобретатель граммофона Э. Берлинер заменил валики дисками, с которых можно изготовить копии - металлические матрицы. С их помощью прессовались хорошо знакомые нам граммофонные пластинки (рис. 4 а.). Одна матрица давала возможность напечатать целый тираж - не менее 500 пластинок. В этом состояло главное преимущество грампластинок Берлинера по сравнению с восковыми валиками Эдисона, которые нельзя было тиражировать. В отличие от фонографа Эдисона, Берлинер для записи звука разработал один аппарат - рекордер, а для воспроизведения звука другой - граммофон.

Вместо глубинной записи была использована поперечная, т.е. игла оставляла извилистый след постоянной глубины. Впоследствии мембрана была заменена высокочувствительными микрофонами, преобразующими звуковые колебания в электрические, и электронными усилителями.

Рис. 4 (а). Граммофон и грампластинка

Рис. 4 (б). Американский изобретатель Берлинер Эмиль

Берлинер Эмиль (1851-1929) - американский изобретатель немецкого происхождения. Иммигрировал в США в 1870 году. В 1877 году, после изобретения Александром Беллом телефона, сделал несколько изобретений в области телефонии, а затем обратил свое внимание на проблемы звукозаписи. Он заменил восковой валик, используемый Эдисоном плоским диском - граммофонной пластинкой - и разработал технологию ее массового производства. Эдисон отозвался об изобретении Берлинера так: "У этой машины нет будущего" и до конца жизни остался непримиримым противником дискового звуконосителя.

Берлинер впервые продемонстрировал прообраз матрицы грампластинки во Франклиновском институте. Это был цинковый кружок с выгравированной фонограммой. Изобретатель покрывал цинковый диск восковой пастой, производил на него запись звука в виде звуковых канавок, а затем протравливал его кислотой. В результате получалась металлическая копия записи. Позднее на покрытом воском диске стали наращивать слой меди методом гальванопластики. Такой медный "слепок" сохраняет звуковые канавки выпуклыми. С этого гальванодиска делают копии - позитивные и негативные. Негативные копии представляют собой матрицы, с которых можно отпечатать до 600 грампластинок. Полученная таким способом пластинка обладала большей громкостью и лучшим качеством. Такие пластинки Берлинер продемонстрировал в 1888 г., и этот год можно считать началом эры грамзаписей.

Через пять лет был разработан способ гальванического тиражирования с позитива цинкового диска, а также технология прессования грампластинок при помощи стальной печатной матрицы. Первоначально Берлинер изготавливал грампластинки из целлулоида, каучука, эбонита. В скором времени эбонит был заменен композиционной массой на основе шеллака - воскоподобного вещества, вырабатываемого тропическими насекомыми. Пластинки стали качественней и дешевле, однако главным их недостатком была малая механическая прочность. Шеллачные пластинки выпускались до середины XX века, в последние годы - параллельно с долгоиграющими.

До 1896 г. диск приходилось вращать вручную, и это было главным препятствием широкому распространению граммофонов. Эмиль Берлинер объявил конкурс на пружинный двигатель - недорогой, технологичный, надежный и мощный. И такой двигатель сконструировал механик Элдридж Джонсон, пришедший в компанию Берлинера. С 1896 по 1900 гг. было произведено около 25000 таких двигателей. Только тогда граммофон Берлинера получил широкое распространение.

Первые пластинки были односторонними. В 1903 году впервые был выпущен 12-дюймовый диск с записью на двух сторонах. Его можно было "проиграть" в граммофоне с помощью механического звукоснимателя - иглы и мембраны. Усиление звука достигалось с помощью громоздкого раструба. Позднее был разработан портативный граммофон: патефон со скрытым в корпусе раструбом (рис. 5).

Рис. 5. Патефон

Патефон (от названия французской фирмы "Pathe") имел форму портативного чемоданчика. Основными недостатками грампластинок были их хрупкость, плохое качество звука и маленькое время проигрывания - всего 3-5 минут (при скорости 78 оборотов в минуту). В довоенные годы в магазинах даже принимали "бой" пластинок для переработки. Патефонные иглы нужно было часто менять. Вращалась пластинка с помощью пружинного двигателя, который приходилось "заводить" специальной ручкой. Однако, благодаря своим скромным размерам и весу, простоте конструкции и независимости от электрической сети, патефон получил очень широкое распространение среди любителей классической, эстрадной и танцевальной музыки. До середины нашего века он был непременной принадлежностью домашних вечеринок и загородных поездок. Пластинки выпускались трех стандартных размеров: миньон, гранд и гигант.

На смену патефону пришел электрофон, более известный как проигрыватель (рис. 7). Вместо пружинного двигателя для вращения пластинки в нем используется электрический двигатель, а вместо механического звукоснимателя был применен сначала пьезоэлектрический, а позднее более качественный - магнитный.

Рис. 6. Патефон с электромагнитным адаптером

Рис. 7. Проигрыватель

Эти звукосниматели преобразуют колебания иглы, бегущей по звуковой дорожке грампластинки, в электрический сигнал, который после усиления в электронном усилителе поступает в громкоговоритель. А на смену хрупким грампластинкам в 1948-1952 годах пришли так называемые "долгоиграющие" ("long play") - более прочные, практически небьющиеся, а главное, обеспечивающие гораздо большее время проигрывания. Это было достигнуто за счет сужения и сближения между собой звуковых дорожек, а также за счет снижения числа оборотов с 78 до 45, а чаще до 33 1/3 оборотов в минуту. Качество воспроизведения звука при проигрывании у таких пластинок значительно повысилось. К тому же с 1958 года стали выпускать стереофонические грампластинки, создающие эффект объемного звучания. Иглы проигрывателя также стали значительно более долговечными. Их начали изготовлять из твердых материалов, и они полностью вытеснили недолговечные патефонные иглы. Запись грампластинок осуществлялась только в специальных студиях звукозаписи. В 1940-1950 годы в Москве на улице Горького существовала такая студия, где за небольшую плату можно было записать маленькую пластинку диаметром сантиметров 15 - звуковой "привет" своим родным или знакомым. В те же годы на кустарных звукозаписывающих аппаратах осуществляли подпольную запись пластинок джазовой музыки и блатных песенок, подвергавшихся в те годы гонению. Материалом для них служила отработанная рентгеновская пленка. Эти пластинки так и назывались "на ребрах", так как на просвет на них были видны кости. Качество звука на них было кошмарным, но за неимением других источников они пользовались огромной популярностью, особенно у молодежи.

Магнитная звукозапись

В 1898 году датский инженер Вольдемар Паульсен (1869-1942) изобрел аппарат для магнитной записи звука на стальной проволоке. Назвал он его "телеграфоном". Однако недостатком использования проволоки в качестве носителя была проблема соединения отдельных ее кусков. Связывать их узелком было невозможно, так как он не проходил через магнитную головку. К тому же стальная проволока легко путается, а тонкая стальная лента режет руки. В общем, для эксплуатации она не годилась.

В дальнейшем Паульсен изобрел способ магнитной записи на вращающийся стальной диск, где информация записывалась по спирали перемещающейся магнитной головкой. Вот он, прообраз дискеты и жесткого диска (винчестера), которые так широко используются в современных компьютерах! Кроме того, Паульсен предложил и даже реализовал с помощью своего телеграфона первый автоответчик.

Рис. 8. Вольдемар Паульсен

В 1927 году Ф. Пфлеймер разработал технологию изготовления магнитной ленты на немагнитной основе. На базе этой разработки в 1935 году немецкие электротехническая фирма "AEG" и химическая фирма "IG Farbenindustri" продемонстрировали на Германской радиовыставке магнитную ленту на пластмассовой основе, покрытой железным порошком. Освоенная в промышленном производстве, она стоила в 5 раз дешевле стальной, была гораздо легче, а главное, позволяла соединять куски простым склеиванием. Для использования новой магнитной ленты был разработан новый звукозаписывающий прибор, получивший фирменное название "Magnetofon". Оно и стало общим наименованием подобных приборов.

В 1941 году немецкие инженеры Браунмюлль и Вебер создали кольцевую магнитную головку в сочетании с ультразвуковым подмагничиванием при записи звука. Это позволило значительно уменьшить шумы и получать запись значительно более высокого качества, чем механическая и оптическая (разработанная к тому времени для звукового кино).

Магнитная лента пригодна для многократной записи звука. Число таких записей практически не ограничено. Оно определяется только механической прочностью нового носителя информации - магнитной ленты.

Таким образом, владелец магнитофона, по сравнению с патефоном, не только получил возможность воспроизводить звук, записанный раз и навсегда на грампластинке, но мог теперь и сам производить запись звука на магнитной ленте, причем не в студии звукозаписи, а в домашних условиях или в концертном зале. Именно это замечательное свойство магнитной записи звука обеспечило широкое распространение в годы коммунистической диктатуры песен Булата Окуджавы, Владимира Высоцкого и Александра Галича. Достаточно было одному любителю записать эти песни на их концертах в каком-нибудь клубе, как эта запись с быстротой молнии распространялась среди многих тысяч любителей. Ведь с помощью двух магнитофонов можно переписать запись с одной магнитной пленки на другую.

Владимир Высоцкий вспоминал, что когда он впервые приехал в Тольятти и ходил по его улицам, то из окон многих домов слышал свой хриплый голос.

Первые магнитофоны были катушечными (бобинными) - в них магнитная пленка была намотана на катушки (рис. 9). При записи и воспроизведении пленка перематывалась с заполненной катушки на пустую. Прежде чем начать запись или воспроизведение, нужно было "заправить" пленку, т.е. свободный конец пленки протянуть мимо магнитных головок и закрепить его на пустой катушке.

Рис. 9. Катушечный магнитофон с магнитной лентой на катушках

После окончания Второй мировой войны, начиная с 1945 года, магнитная запись получила широкое распространение во всем мире. На американском радио магнитная запись была впервые использована в 1947 году для трансляции концерта популярного певца Бинга Кросби. При этом были использованы детали трофейного немецкого аппарата, который был привезен в США предприимчивым американским солдатом, демобилизованным из оккупированной Германии. Бинг Кросби затем вложил свои средства в производство магнитофонов. В 1950 году в США уже продавалось 25 моделей магнитофонов.

Первый двухдорожечный магнитофон выпустила немецкая фирма AEG в 1957 году, а в 1959 году эта фирма выпустила первый четырехдорожечный магнитофон.

Сначала магнитофоны были ламповыми, и только в 1956 году японская фирма Sony создала первый полностью транзисторный магнитофон.

Позднее на смену катушечным магнитофонам пришли кассетные. Первый такой аппарат разработала фирма Philips в 1961-1963 годах. В нем обе миниатюрные катушки - с магнитной пленкой и пустая - помещены в специальную компакт-кассету и конец пленки заранее закреплен на пустой катушке (рис. 10). Таким образом, существенно упрощен процесс зарядки магнитофона пленкой. Первые компакт-кассеты были выпущены фирмой Philips в 1963 году. А еще позднее появились двухкассетные магнитофоны, в которых процесс перезаписи с одной кассеты на другую максимально упрощен. Запись на компакт-кассетах - двухсторонняя. Выпускаются они на время записи 60, 90 и 120 минут (на двух сторонах).

Рис. 10. Кассетный магнитафон и компакт-кассета

На основе стандартной компакт-кассеты компанией Sony был разработан портативный проигрыватель "плеер" размером с почтовую открытку (рис. 11 ). Его можно положить в карман или прикрепить к поясу, слушать на прогулке или в метро. Он получил название Walkman, т.е. "человек гуляющий", относительно дешев, пользовался огромным спросом на рынке и некоторое время являлся любимой "игрушкой" молодежи.

Рис. 11. Кассетный плеер

Компакт-кассета "прижилась" не только на улице, но и в автомобилях, для которых была выпущена автомагнитола. Она представляет собой комбинацию радиоприемника и кассетного магнитофона.

Кроме компакт-кассеты, была создана микрокассета (рис. 12) размером в спичечную коробку для портативных диктофонов и телефонов с автоответчиком.

Диктофон (от лат. dicto - говорю, диктую) - это разновидность магнитофона для записи речи с целью, например, последующего печатания ее текста.

Рис. 12. Микрокассета

Во всех механических кассетных диктофонах содержится более 100 деталей, часть из которых - подвижные. Записывающая головка и электрические контакты изнашиваются за несколько лет. Откидная крышка также легко ломается. В кассетных диктофонах используется электрический двигатель, который протягивает магнитную пленку мимо головок записи.

Цифровые диктофоны отличаются от механических полным отсутствием подвижных деталей. В них в качестве носителя вместо магнитной пленки используется твердотельная флэш-память.

Цифровые диктофоны преобразовывают звуковой сигнал (например голос) в цифровой код и записывают его в микросхему памяти. Работой такого диктофона управляет микропроцессор. Отсутствие лентопротяжного механизма, записывающих и стирающих головок значительно упрощает конструкцию цифровых диктофонов и делает ее более надежной. Для удобства пользования они снабжаются жидкокристаллическим дисплеем. Основными преимуществами цифровых диктофонов является практически мгновенный поиск нужной записи и возможность передачи записи на персональный компьютер, в котором можно не только хранить эти записи, но и монтировать их, перезаписывать без помощи второго диктофона и т.д.