Изобретение фонографа и привело к активным поискам и других способов записи и воспроизведения звука. Если с воспроизведением особых проблем не было, граммофоны и патефоны с этим вполне справлялись, то с записью все было сложнее.
Да, фонограф позволял осуществлять запись даже обычному человеку. Теоретически. Практически же, запись была очень дорогой и сложной операцией. Но основной проблемой была даже не цена, а низкая долговечность сделанных записей. При воспроизведении записи быстро изнашивались. Даже если они делались на более прочном материале, например, оловянной фольге.
Кроме того, длительность записи на цилиндре или пластинке была небольшой. Значительно увеличить размер носителя было почти невозможно. Поэтому довольно быстро появилась идея записывать звук на ленте. Сегодняшнего изобилия пластмасс тогда не было, поэтому оставался вариант металлическую проволок или ленту.
Оловянная проволока сохраняет недостатки фольги, быстро изнашивается при воспроизведении. А лента из фольги еще и легко рвется. Выбор остановили на стальной проволоке или ленте. Несмотря на то, что изначально предлагалось использовать тот же самый механический способ записи, практическое использование стальная лента и проволока нашли в записи магнитной..
Магнитная запись не является темой сегодняшней статьи, но совсем обойти ее стороной нельзя. Да, первые аппараты магнитной записи и воспроизведения использовали стальную проволоку или ленту. Из преимуществ этого способа записи важным является возможность стереть запись и сделать на той же самой проволоке новую.
Однако, катушка с стальной лентой тяжелая, а лента в первых аппаратах двигалась с большой скоростью, что было еще и опасно. Поэтому разработки продолжались и в 1928 был получен патент на магнитную ленту в виде напыления порошка оксида железа на бумажной или целлулоидной ленте.
Итак, основная идея, запись звука на ленте, а не на цилиндре или пластинке, нашла наконец практическое воплощение. Ленту можно намотать на катушку и ее длина может быть значительной. А использование пластиковой основы делает катушку легкой.
Вам целлулоидная лента все еще ничего не напоминает? Да, киноленту, которая сначала изготавливалась из целлулоида. Ее толщина слишком велика для магнитной ленты, но ее проще изготовить. А взрывной рост кинематографа сделать кинопленку весьма распространенной.
Кроме того, именно кинематограф высветил и еще одну проблему записи звука - фильмы были немыми. Великий немой. Конечно, можно было записать звук на пластинку и воспроизводить ее вместе с показом фильма. Но это не решало всех проблем. Впрочем, о этом позже.
Великий Немой хочет заговорить
Александр Федорович Шорин, русский и советский изобретатель, внес очень большой вклад в звукозапись и звуковой кинематограф. Причем он использовал кинопленку и для механической, и для оптической записи звука. Механическая запись звука позволяла и записывать, и воспроизводить звук. Оптическая позволяла воспроизводить звук синхронно с кинофильмом.
Работы практически одновременно велись и по оптической записи, и по механической. Вторая половина 20-х годов прошлого века. Магнитная запись звука будоражит умы, но удобная магнитная лента (не стальная) еще не появилась. Да и Великий Немой хочет наконец заговорить. И это отдельная проблема.
В СССР работы велись несколькими группами. Но наиболее известны две, Тагера и Шорина. Именно они добились практического результата. И обе группы пытались не просто записать звук, но сделать кино звуковым. Для этого желательно научиться записывать звук на кинопленке. И в то время это можно было сделать только двумя способами: привычным механическим или не опробованным еще оптическим.
На самом деле, оптическая запись тоже будет механической. Точнее, преобразование звука в изменения яркости светового пучка будет механическим. Просто подключить лампочку на выход усилителя НЧ не получится, слишком велика тепловая инерция нити накала. Газоразрядные лампы (включая угольные дуговые) очень нелинейны и фактически могут работать только в режиме включено/выключено.
Павел Григорьевич Тагер использовал метод переменной плотности оптического носителя. Первые модели, как и у Шорина, использовали переменную шину звуковой оптической дорожки, но Тагер стремился исключить механические элементы. Поэтому перешел к использованию ячеек Керра, которые и модулировали световой пучок при записи по яркости.
Александр Федорович Шорин решил использовать переменную ширину оптической звуковой дорожки. И это позволило ему не только сделать фильмы звуковыми, но и сконструировать тот самый Шоринофон.
Причиной отказа от использования переменной оптической плотности стало стремление обеспечить большее время службы киноленты с записью.
Дело в том, что кинопрекционная установка неизбежно изнашивает ленту. А оптическая звуковая дорожка переменной плотности более чувствительна к износу. Тогда как дорожка переменной ширины позволят получить разборчивый звук даже для изрядно потертой ленты.
Но давайте, наконец, перейдем к технической стороне вопроса. Все таки канал не исторический, а технический.
Механическая и оптическая запись звука
Звук это механическая волна, волна давления. Но такая волна, известными на данный момент человеку способами, непосредственно запомнена, сохранена, быть не может. Для записи звук должен быть преобразован в механические колебания, электрические колебания (электромагнитные), оптические колебания.
О механической записи мы уже немного поговорили в статье
Но там речь шла больше о воспроизведении. Сегодня же мы будем говорить и о записи.
Электромагнитные колебания лежат в основе магнитной записи звука. Но ее время еще не пришло, на дворе 20-е годы прошлого века и такая запись возможна только на стальную проволоку или ленту.
Оптическая запись уже известна и даже используется. Но до технического и технологического совершенства еще далеко. Принцип оптической записи это модуляция светового пучка. При записи этот модулированный пучок засвечивает пленку. При воспроизведении свет проходит через пленку и ранее засвеченные участки вызывают его изменение. А фотоэлемент преобразует колебания светового пучка в электрические.
Мы уже знаем, что нельзя просто подать электрический сигнал на лампочку для управления яркостью светового пучка. Поэтому придется использовать пучок света неизменной интенсивности и как то пытаться его модулировать. Что бы разобраться, как это можно сделать, придется вернуться к механической записи
В отличии от воспроизводящей иглы, которая не должна повреждать звуковую дорожку, записывающий резец наоборот должен "повреждать" носитель - нарезать звуковую дорожку. Треугольная форма резца и дает треугольную форму профиля звуковой дорожки.
На иллюстрации слева показан поперечный способ механической "модуляции". Именно он использовался в граммофонах. Резец, как и игла впоследствии, совершает горизонтальные, поперечные, колебания. Справа показан способ вертикальной механической "модуляции". При этом изменяется глубина дорожки и, как следствие, ее ширина. Такой способ использовался в фонографе Эдисона и патефоне.
Не важно, чем именно приводится в движение резец. В фонографе, граммофоне, патефоне, резец приводился в движение мембраной, которая улавливала звуковые колебания. Но в ХХ веке уже появились электронные лампы, поэтому привод резца был электромагнитный. Принцип тот же, что в обычном громкоговорителе.
Поскольку кинопленка довольно тонкая, использовать вертикальную запись сложно. Горизонтальную запись использовать можно, но тут мы обнаруживаем еще одну проблему. Кинопленка движется в фильмовом канале проектора скачками. Обтюратор прерывает световой поток, пленка перемещается на следующий кадр, обтюратор открывает световой поток.
Вне фильмового канала выровнять движение ленты можно, но полностью механические колебания все равно не гасятся. А воспроизведение механической записи звука к механическим колебания чувствительно. Частота смены кадров при кинопроекции, 24 кадра в секунду, лежит в диапазоне слышимых человеческим ухом звуков.
Поэтому для кинематографа механическая запись не подходит. Но она подошла для другого аппарата - Шоринофона. По сути, диктофона с механической записью. Мы к нему скоро вернемся.
Давайте на секунду представим, что у нас есть модулированный по яркости источник света. Мы можем направить пучок этого модулированного света непосредственно на светочувствительную плетку. После проявки пленки мы получим полосу переменной плотности. Если на нее направить пучок света, который после прохождения через пленку попадет на фотоэлемент, можно восстановить записанный звук, воспроизвести его.
Именно такой способ и использовал Тагер. Модуляция яркости выполнялась ячейкой Керра
Что такое ячейка Керра? Ячейка Керра использует эффект поляризации проходящего через некоторые кристаллы света за счет двойного лучепреломления. Только поляризация в ячейке Керра возникает в оптически изотропном диэлектрике под влиянием электрического поля.
Ячейка Керра является плоским конденсатором, с прозрачным диэлектриком. Причем обкладки конденсатора тоже прозрачные (стекло с легкой металлизацией). Перед ячейкой и после нее установлены поляризационные фильтры, оси поляризации которых перпендикулярны. Таким образом, в исходном состоянии ячейка не пропускает свет.
Если приложить к ячейке Керра напряжение, прошедший через входной фильтр свет получит дополнительную поляризацию. Угол этой поляризации зависит от приложенного напряжения. А это приведет к тому, что часть света пройдет через выходной фильтр. Чем больше приложенное напряжение, тем более прозрачна ячейка. В целом, ячейка Керра будет выполнять роль оптического модулятора, причем модулируется именно интенсивность проходящего света.
Остается сфокусировать модулированный пучек света объективом на пленке. И мы получим на пленке оптическую звуковую дорожку переменной плотности. Конечно, это чрезвычайно упрощенное описание и упрощенная иллюстрация устройства оптической записи звука Тагера. Но принцип именно такой. И его можно сравнить с методом записи звука в патефоне.
Результат записи выглядит примерно так
Поскольку звук все таки записывается в дополнению к фильму, дорожка располагается по краю рабочей части пленки. Между кадрами фильма и перфорацией.
Проблема заключается в том, что наиболее светлые участки такой записи (малая оптическая плотность) при многократном использовании пленки в проекторе могут довольно легко повредиться до состояния полной прозрачности.
Шорин использовал другой метод модуляции пучка света. Изменялась не яркость, а ширина светового штриха. А это было механическим процессом, а не электрическим, как у Тагера. Казалось бы, это решение хуже, более примитивное. Но вот результат оказался лучше, с практической точки зрения.
Ширина светового штриха, узкого пучка света, может изменяться разными способами. Например, можно использовать подвижное зеркало или подвижную шторку у оптической щели
Как видно, метод Шорина и метод Тагера различаются, по сути, только оптическим модулятором. Объектив фокусирует на пленке четкое изображение оптической щели. Тот самый оптический штрих. И ширина этого штриха, в данном случае, с одной стороны, изменятся.
Результат записи выглядит примерно так
Сверху показана односторонняя модуляция, именно такая запись была в первых аппаратах Шорина. Снизу двухсторонняя модуляция (монофоническая запись). Конечно, двухсторонняя модуляция более эффективна.
Какой же модулятор использовал Шорин? Струнный гальванометр. Такой гальванометр состоит из проволоки расположенной между полюсами магнита
В классическом гальванометре двигается рамка с током, которая связана со стрелкой. В струнном гальванометре движется проволочная нить с током. При этом нить может выполнять функцию подвижной шторки, если расположить ее не по центру отверстия, как обычно делают, а у края отверстия.
Такая конструкция имеет паразитные механические резонансы. Для их демпфирования струнный гальванометр погружался в прозрачное вязкое масло. Кстати, в первых вариантах Тагер тоже использовал механический модулятор. Так называемый "световой осциллограф", гальванометр с подвижным зеркальцем.
Но самое интересное, что при разных методах записи звука обе системы совместимы по способу воспроизведения звука
И система Тагера, и система Шорина, при воспроизведении дают модулированный по яркости пучек света. Поэтому достаточно установить фотоэлемент, а выходной сигнал подать на усилитель.
Шоринофон
Но что же с механической записью, к которой я обещал вернуться? Чем плоха оказалась оптическая запись? Проблема в том, что устройство оптической записи получалось слишком большим, что не позволяло использовать его для создания портативных устройств.
Зато устройство механической записи было значительно компактнее и проще. Его то Шорин и использовал для создания портативного "диктофона". Того самого чемоданчика, фото которого приведено в начале статьи. Но портативный вариант был не единственным, существовали и стационарные варианты, гораздо большего размера.
Шоринофон позволял записать на стандартной 300 метровой катушке 35 мм кинопленки до 8 часов звука. Конечно, в портативный аппарат пленки помещалось меньше, но даже при этом длительность записи существенно превышала возможности фонографа или патефона.
Запись осуществлялась на закольцованную кинопленку. Способ записи был аналогичен граммофонной, то есть, поперечный. Мы это сегодня уже рассматривали. Длина ленты была большой, поэтому и время записи большое. Но это еще не все. В шоринофоне на ленте не нужно было размещать изображение. Поэтому для звуковых дорожек могла использоваться вся шина ленты. Дорожек могло быть много.
Блок усилителя нам сегодня не интересен, а вот как устроен внутри главный блок, в котором размещалась пленка, сегодня видели не многие. Удалось найти только одно фото
Справа внизу виден и фрагмент узла записи/воспроизведения. Пленка в Шоринофоне двигалась с постоянной скоростью, а не рывками, как в кинопрекционном аппарате. Поэтому и стало возможным использование механической записи.
Когда кольцо пленки проходило полностью, полный оборот, резец (при записи) автоматически смещался на позицию следующей дорожки. Конечно, это создавало помеху в записи. Общее число дорожек равнялось примерно 50.
При воспроизведении вместо резца устанавливалась игла, а катушка, которая при записи смещала резец, подключалась ко входу усилителя. Таким образом, даже портативный Шоринофон мог и записывать звук, и воспроизводить его.
Шоринофоны нашли применение и на радиостанциях, и у репортеров. И даже у военных. Причем не для записи звука. Использовались они и в НКВД. Что, кстати, спасло Шорина от очень больших неприятностей.
В 1937 году в журнале Радиофронт было напечатано интервью с Шориным, уже профессором. Оптический метод звука в той статье называется антишумовым. Вы же помните, что полностью устранить механические колебания ленты в проекторе нельзя? Оптический метод был к ним гораздо менее чувствителен.
Но и Шоринофон отмечен в той статье как очень важное изобретение
Метод механической записи звука (шоринофон) имеет исключительное значение для местного радиовещания, так как записи целых опер в исполнении лучших сил страны и различные сложные звукомонтажи можно пересылать на периферию. Кроме этого можно и с периферии получать в центр целый ряд интересных местных записей для передачи через центральное вещание.
Заключение
Статья не была заранее запланирована. Просто в комментариях к статье об граммофонной игле затрагивали этот аппарат. Правда я там назвал этот аппарат "ширинофон", это довольно распространенное искажение названия, которое появилось уже после ухода Шоринофона со сцены. Просто из-за созвучия фамилии Шорин с методом модуляции шириной штриха. Признаю, использование искаженного названия было не совсем удачной шуткой с моей стороны. Тем более, что я не указал, что это шутка.
Мне довелось видеть Шоринофон живьем. Правда это было в начале 70-х годов прошлого века, полвека назад. И аппарат был нерабочим. Ну а я был еще не особо разумным...
