Продолжаем разбираться с техническими и физическими принципами лежащими в основе такой "простой и привычной" грамзаписи. Сегодня разговор пойдет о том, как одна пластинка и одна игла позволяют воспроизводить (и записывать) стерео, которое требует двух независимых (довольно условно, на самом деле) и идентичных по характеристикам каналов.
Предполагается, что вы уже прочитали статьи
Будет полезной и старая статья
Не смотря на то, что разговор пойдет о стереозаписи, начнем мы с моно.
Монофоническая запись. Глубинный (продольный) и поперечный методы механической записи звука
Механическая запись звука начиналась как монофоническая, одноканальная. Как вы помните из предыдущих статей, фонограф Эдисона и патефон использовали глубинный (продольный метод записи), а граммофон поперечный. Оба метода подходили для монофонической записи не смотря на некоторые технические нюансы. При глубинном методе записи колебания иглы происходят вдоль ее оси. Отсюда и альтернативный термин "продольная запись".
Давайте абстрагируемся от реальной формы иглы и внимательнее рассмотрим звуковую канавку (дорожку) и направления колебания иглы при разных методах монофонической механической записи звука
При глубинной (продольной) модуляции, как и следует из названия, изменяется глубина звуковой канавки. При этом неизбежно изменяется и ширина канавки, так как ее поперечный профиль (сечение), точнее, угол раскрытия, должен оставаться неизменным. Если посмотреть на "рисунок" канавки на поверхности пластинки, то видно, что края канавки колеблются симметрично, но в противофазе.
При поперечной модуляции глубина канавки постоянна, значит постоянна и ее ширина. Края канавки колеблются тоже симметрично, но при этом синфазно.
Для монофонической записи принципиальной разницы между этими двумя способами модуляции нет. В каком направлении колеблется игла для единственного канала просто не важно. Мы можем любые механические колебания преобразовать в электрические. И не только в электрические, но и в механические колебания мембраны. Наглядной демонстрацией являются граммофон и патефон, в которых использовались разные способы модуляции.
Но есть и небольшие технические нюансы. Дело в том, что глубинный и поперечный методы записи отличаются не только типом модуляции звуковой канавки. При воспроизведении по оси иглы прикладывается дополнительная сила, которая обеспечивает прижим иглы к пластинке, к стенкам канавки. Эта сила невелика, но она оказывает влияние на параметры механической системы игла-дорожка. При глубинной модуляции колебания иглы преодолевают не только силы упругости подвеса иглы, как при поперечной, но и эту силу прижима. И это нам скоро станет достаточно важным.
Стереофоническая запись. Дьявол кроется в деталях
В стереофонической записи нам требуется два, причем полностью идентичных канала. Самое очевидное решение - использовать две звуковые канавки. Однако его практическая реализация крайне неудобна, хоть и вполне возможна. Во первых, две звуковые дорожки в два раза уменьшат время записи для пластинок одного и того же размера. Во вторых, будет гораздо сложнее выполнять установку двух игл. Поэтому от этой идеи отказались, хоть и были попытки, причем еще в эпоху граммофонов
Но ведь можно попытаться использовать и одну дорожку? Да, это кажется абсурдным, но лишь на первый взгляд. В эпоху граммофонов и патефонов
разделение каналов звука, которые записывались на одной дорожке и одновременно, могло быть только механическим. И это было серьезной проблемой. Однако, в 1931 году Блюмлейн предложил способ механической записи двух каналов использующий всего одну канавку, который и стал основой для практической реализации, ставшей стандартом.
Блюмлейн предложил два варианта записи стерео. Первый вариант использовал ставшие к тому времени классическими глубинный и поперечный методы модуляции. Один канал записывался с глубинной, второй с поперечной модуляцией. Второй вариант тоже использовал взаимно перпендикулярные направления колебания иглы, но эти направления были направлены под углом 45 градусов к плоскости пластинки. Согласитесь, второй вариант выглядит на удивление современно (для эпохи расцвета грамзаписи)!
Самое интересное, что оба предложенных Блюмлейном варианта записи стерео позволяют выполнить механическое разделение каналов при воспроизведении. Это не будет идеальным, но такое действительно возможно. Разумеется, разделить каналы можно и при электрическом (электронном!) способе воспроизведения.
В конечном итоге, победил именно второй вариант. Этот вариант получил практическое воплощение в США, тогда как в Европе был реализован первый вариант. Вариант стереозаписи с направлением колебаний иглы под углов 45 градусов к плоскости пластинки был принять МЭК в качестве стандарта в 1959 году. Этот способ записи мы и будем рассматривать.
Были предложены и многие другие способы записи стерео. Включая запись двух канавок с разных сторон диска (бинауральная пластинка) и частотное разделение каналов. Но на сегодня подобной экзотики касаться не будем.
Но почему победил второй вариант Блюмлейна? Ведь практически реализованы были оба варианта. Все дело именно в тех технических нюансах, о которых я говорил ранее. Каналы с глубинной и поперечной модуляцией оказываются не совсем идентичными, а это плохо для стереозаписи. Поворот направлений колебания иглы решает проблему идентичности каналов.
Давайте внимательнее посмотрим на поперечное сечение звуковой канавки и возможные направления колебания иглы, которые позволят обеспечить независимость и идентичность каналов
С поперечным профилем канавки мы уже знакомы. И знаем, что угол раскрытия канавки 90 градусов. Это означает, что угол наклона боковых стенок канавки по вертикали и горизонтали равен 45 градусам. Те самые 45 градусов, которые присутствуют и во втором варианте Блюмлейна. Если мы будем перемещать резец (при записи) по нормали к одной из боковых стенок, то будем изменять только положение этой боковой стенки. Вторая боковая стенка будет оставаться неподвижной. Да, глубина канавки будет изменяться, если посмотреть на вид канавки в плане (взгляд сверху на поверхность пластинки), то мы это хорошо увидим. А колебания иглы (при воспроизведении) будут повторять колебания резца.
Таким образом, мы действительно можем разделить направления колебаний иглы для двух каналов. Если посмотреть на иллюстрацию, то можно увидеть, что перемещения иглы для каждого канала это векторы, которые направлены по нормали к соответствующей боковой стенке. Результирующее перемещение иглы будет равно векторной сумме перемещений для каждого из каналов. Точно так же, как и результирующее перемещение резца. Но для резца эти перемещения будут определяться записываемыми сигналами, а для иглы эти перемещения определять воспроизводимые сигналы.
Давайте рассмотрим некоторые возможные сочетания смещений (колебаний) иглы и соответствующих им изменений выходных напряжений каналов (знаков напряжений)
Серыми стрелками показаны направления, по которым перемещение отсутствует. Серыми линиями показаны боковые стенки в нейтральном положении.
Мы пока можем говорить только о знаке выходного сигнала (напряжения), так как еще не касались преобразования механических колебаний в электрические.
Хорошо видно, что глубинная модуляция соответствует идентичным сигналам для обоих каналов. А поперечная одинаковым по амплитуде, но противоположным по знакам. То есть, такая модуляция сохраняет возможность записи и воспроизведения монофонических фонограмм. А это очень важно.
Как мы можем назвать такой способ записи стереофонического сигнала? Для начала обратим внимание, что каждый канал использует поперечную модуляцию. Ведь вектор перемещений иглы (направление колебаний) лежит на нормали к соответствующей боковой стенке. При этом суммарный профиль канавки для двух каналов будет изменяться как по глубине, так и по ширине. Причем это может соответствовать и глубинной, и поперечной модуляции, в предельных случаях. Чаще всего, такую запись обычно называют глубинно-поперечной.
Необходимо пару слов сказать и о выбранных направлениях перемещения стенок канавки в зависимости от знака записываемого сигнала. На самом деле выбор направления не так и важен, но очень важно, что бы направления были идентичны для обоих каналов. Даже при отсутствии записанного сигнала звуковая канавка имеет определенную глубину, что позволяет записывать как положительные, так и отрицательные полуволны сигнала. Если амплитуда сигнала не выходит за допустимые границы, конечно.
Как разделить каналы, если игла одна?
Это кажется очень сложным, если вообще возможным, но на самом деле все довольно просто. Давайте сначала применим магию геометрии. Но с одним небольшим упрощением - будем считать иглу точкой которая совершает перемещения в пространстве. Нам не важны ни форма иглы, ни ее размеры. Постольку направления колебаний иглы взаимно перпендикулярны и расположены под углом 45 градус от вертикальной (или горизонтальной, что тождественно) оси, проведем через нашу иглу-точку две прямые. На некотором (одинаковом) расстоянии от точки-иглы разместим еще пару точек, которые будут центрами окружностей. Это места расположения чувствительных элементов, которые преобразуют механическое колебание в электрическое
Для чего на понадобились окружности? Все точки окружности равноудалены от ее центра. То есть, движение точки по окружности сохраняет неизменным расстояние от нее до центра вращения. Это кажется банальным, но для нас это важно.
Теперь мы можем начать перемещать нашу иглу так, как это происходит при воспроизведении. Давайте начнем с одного канала. Посмотрим, как изменяются расстояния от точки-иглы до наших чувствительных элементов. Что бы было лучше видно, возьмем большую величину перемещения
Мы переместили нашу иглу на расстояние Δ, что соответствует изменению положения боковой стенки канавки для одного канала. Новое положение показано синей точкой. У нас неизбежно изменилось и расстояние до второго чувствительного элемента. Как его найти? Проведем прямую, проходящую через этот элемент к новому положению иглы. Нам нужна точка пересечения этой прямой с окружностью, которую мы нарисовали ранее. Теперь мы можем определить величину "паразитного" перемещения δ, как показано на иллюстрации. Хорошо видно, что δ гораздо меньше Δ.
Теперь вернемся от геометрии к грамзаписи. Пусть величины перемещений соответствуют (пропорциональны) величинам напряжения на выходе чувствительных элементов. Это не какое то абстрактное предположение, именно так и работают звукосниматели. И мы это немного позже увидим. Таким образом, Δ будет соответствовать амплитуде в "правильном" канале, боковая стенка звуковой канавки которого перемещалась. А δ будет соответствовать амплитуде в другом канале. Это будет амплитуда паразитного сигнала. Взаимопроникновение каналов. Поскольку величины перемещений пропорциональны напряжениям, мы можем определить величину взаимопроникновения в привычных дБ.
Если посмотреть на последнюю иллюстрацию, то может показаться, что все очень плохо, так как взаимопроникновение каналов велико. Но это не так для реальных условий. Я не случайно сказал, что для наглядности мы возьмем большое перемещение, причем у нас оно даже оказалось сравнимым с расстоянием от иглы до чувствительных элементов. В реальности амплитуда колебаний иглы много меньше расстояния от нее до чувствительных элементов. Это приводит к тому, что и величина паразитного перемещения будет сильно меньше.
Какие чувствительные элементы используются в реальных головках звукоснимателей? Экзотику, например оптические, рассматривать не будем. Остаются пьезокерамические и магнитные головки звукоснимателей. И тут нас ожидает первая неожиданность. Дело в том, что пьезокерамика чувствительна к величине деформации, а магнитный способ преобразования чувствителен к скорости изменения магнитного поля. То есть, пьезокерамическая головка является амплитудной - выходное напряжение пропорционально амплитуде перемещения иглы, а магнитная скоростной - выходное напряжение пропорционально скорости перемещения иглы.
Является ли это проблемой? Нет, не является. Дело в том, что скорость пропорциональна величине перемещения в единицу времени. Поскольку скорость течения времени неизменна, величина перемещения и скорость перемещения оказываются взаимосвязанными. И выходное напряжение обоих типов головок звукоснимателей пропорционально как амплитуде механических колебаний, так и скорости изменения положения иглы.
Давайте посмотрим, как может быть устроена стереофоническая пьезокерамическая головка звукоснимателя исходя из магии геометрии
Хорошо видно, что эта конструкция полностью идентична геометрической схеме, которую мы рассматривали ранее. Тяги передают перемещение иглы на пьезокерамические элементы (те самые чувствительные элементы). Но есть небольшая практическая особенность, тяги достаточно жесткие в продольном направлении, что позволяет точно передавать перемещение иглы, но гораздо более гибкие и эластичные в поперечном, что позволяет иглодержателю "перемещаться по окружности" вокруг пьезокерамического элемента "чужого" канала. Что такое легко возможно каждый может убедится на стебле обычной травинки.
Точно так же может быть построена и магнитная головка звукоснимателя. Будем рассматривать только вариант с подвижным магнитом
Здесь нет тяг, но есть необязательные элементы подвижного магнитопровода. Иглодержатель является частью подвижной магнитной системы. Катушки (конструкция магнитопроводов не показана) преобразуют изменения магнитного поля, которое вызывается перемещением связанных с иглодержателем (просто закрепленных на нем) элементов подвижного магнитопровода в выходное напряжение. Но в качестве подвижного магнитопровода может выступать и сам иглодержатель, что облегчает и упрощает конструкцию головки звукоснимателя.
И опять, конструкция такого звукоснимателя полностью повторяет ранее рассмотренную геометрическую схему. Но есть своя практическая особенность - сечение магнитопровода неподвижных катушек выбирается таким, что бы паразитное смещение иглодержателя не подходило близко к краям магнитопровода.
Таким образом, мы успешно разделили два канала, хоть игла у нас всего одна. Не зависимо от типа чувствительного элемента, выходное напряжение (амплитуда) будет выше у того чувствительного элемента, для которого смещение окажется больше. Если колеблется только одна боковая стенка звуковой канавки, то и выходной сигнал будет только на выходе одного чувствительного элемента. На выходе другого будет гораздо меньший по амплитуде паразитный сигнал.
При воспроизведении стереофонической записи на выходах чувствительных элементов мы получим электрические сигналы для каждого канала в отдельности. Как мы увидели, это всего лишь геометрия, причем самая простейшая. Но вот взаимопроникновение каналов, пусть и небольшое, можно попытаться уменьшить. Этим и займемся.
Призываем на помощь геометрии физику. Или о дифференциальном способе преобразования
Для уменьшения взаимопроникновения каналов одной геометрии уже недостаточно. Мы не можем увеличивать расстояние от чувствительных элементов до иглы-точки бесконечно. Поэтому нужно обратиться еще и к магии физики. Но начнем мы с еще одной геометрической схемы. За основу возьмет ранее рассматриваемую, но увеличим количество чувствительных элементов.
Схема выглядит несколько запутанно, но мы сейчас с ней разберемся. Для большей наглядности чувствительные элементы пронумерованы. У нас осталось точно такое же перемещение иглы, как мы ранее рассматривали.
Как изменились расстояния до точек 1 и 3 при таком перемещении иглы? Расстояние до точки 1 увеличилось на Δ, а до точки 3 уменьшилось на ту же самую величину Δ. При этом расстояния и до точки 2, и до точки 4, увеличились на δ. Как вы помните, у нас Δ это полезное перемещение, а δ паразитное. Действительно, пока никаких особых изменений не видно. Но давайте теперь включим физику и вспомним, что наши точки 1-4 это чувствительные элементы, которые формирую электрический сигнал пропорциональный величине перемещения. А наши перемещения имеют знак, значит и выходное напряжение чувствительных элементов будет иметь знак!
Пусть уменьшение расстояния соответствует положительному знаку выходного напряжения, а увеличение отрицательному. Тогда для чувствительного элемента 1 знак изменения напряжения будет отрицательный, а для элемента 3 положительный. Для элементов 2 и 4 знак будет отрицательный. Но это еще не все, абсолютная величина изменения напряжения будет одинакова для пар элементов 1/3 и 2/4. Что нам это дает? Что бы выяснить, давайте обозначим выводы чувствительных элементов и обозначим полярность напряжения на них для нашего перемещения иглы. Все лишние геометрические построение можно убрать
Для элемента 3, к которому игла приближается, напряжение на внешнем выводе будет положительным, как мы ранее и договаривались, относительно внутреннего вывода. Для остальных элементов на внешнем выводе напряжение будет отрицательным, игла от них удаляется, относительно внутреннего вывода. Теперь соединим последовательно элементы 1 и 3, которые соответствую каналу с полезным сигналом, активному каналу. Теперь посмотрим, что будет с напряжением сигнала на выходе чувствительных элементов активного канала (именно для этого канала у нас модулированная стенка канавки). Пусть смещению Δ соответствует абсолютное значение напряжения V (большое). Для элемента 1 выходное напряжение будет -V, а для элемента 3 +V. Выходное напряжение для активного канала будет равно 2V, что совершенно ожидаемо, так как у нас его формируют два чувствительных элемента.
Но что будет с напряжением для неактивного канала? Элементы 2 и 4 соединены точно так же, как и в активном канале, внутренними выводами. Пусть смещению соответствует абсолютное значение напряжения v (малое). И мы получим выходное напряжение в неактивном канале равное 0! У нас нет паразитного сигнала, нет взаимопроникновения каналов.
Удвоив количество чувствительных элементов и соединив их соответствующим образом мы почти полностью решили проблему взаимопроникновения каналов при воспроизведении. Почти, а не полностью, так как реальные головки звукоснимателей не являются идеальными.
Дифференциальный метод преобразования не используется для пьезокерамических головок, так как жесткость подвижной системы получается слишком высокой, а габариты головки большими. Но для магнитных головок высокого класса используется именно такая конструкция. Во всяком случае, в большинстве случаев.
Заключение
Мы кратко рассмотрели лежащие в основе стереофонической механической записи звука (грамзаписи) технические, геометрические, физические принципы. Не смотря на то, что говорил об использовании магии геометрии и физики, здесь ничего магического или мистического. Мы действительно можем записывать с помощью одной звуковой канавки два независимых и идентичных (теоретически, во всяком случае идентичных) канала. И можем воспроизводить два независимых канала с помощью одной единственной иглы.
Причем такая стереофоническая запись будет совместима с монофонической. А монофонические проигрыватели могут воспроизводить стереофоническую запись, но естественно без стереоэффекта. Такая совместимость, до определенной степени, между моно и стерео является важной.
Мы не затронули сегодня множество технических деталей. В частности, не касались магнитных головок с подвижными катушками. Тем более, не касались экзотических конструкций вроде оптических или емкостных преобразователей. Не рассматривали мы и конструкции реальных головок звукоснимателей. Это статья о том, "как это работает", и не более того. Как либо касаться аудиофильских вопросом не планировалось даже близко. Повторю, что я технарь, а не аудиофил.